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我們在之前的科普報告中，已經詳細介紹了多種儲能方式及系統，現在有必要對此前幾篇報告的內容進行一定回顧，同時對大型電能儲存情況進行探討，對比不同儲能裝置的特征，從而能夠針對各種不同的場景，選擇最合適的儲能裝置。
思考的問題
1、在已經介紹過的幾種儲能裝置中，各自最大的特點分別是什么？
2、當前商業化應用較成熟的是哪幾種裝置？
3、各類儲能裝置如何應用在電力生產、輸送和使用的各個環節？
重要結論
抽水蓄能及蓄電池儲能是目前商業化程度較高的兩種儲能技術，而發展相對完善、技術可靠性很高的只有抽水蓄能一種。對我國來講，儲能是改善目前棄風棄光、城市短時超負荷用電、降低用電成本的重要途徑，需要大力發展。充分考慮各類儲能裝置的特點，除抽水蓄能外，對其中1-2種其他技術進行集中科研、突破并大規模裝備，將能夠極大促進的我國儲能行業發展。
儲能系統的選擇
回顧我們已經介紹過的所有儲能系統，抽水蓄能是目前唯一一種發展完善且可靠性較高的儲能技術。全世界的商用抽水蓄能裝置裝機容量超過50GW，目前還有不少于10GW在建。抽水蓄能的主要問題在于，有時很難找到合適的選址，選址需要臨近電網且擁有合適的物理特性，還需要建造大規模土木工程，同時還要考慮對環境的影響。
將壓縮空氣泵送至地下是相對抽水蓄能而言能量密度更高且選址更為容易，對同樣的經濟上切實可行的裝置而言，其規模更小，建造時間更短（最長5年）。但是其問題在于，壓縮空氣儲能的裝置規模相對較小（最大為百萬kWh），且由于壓縮過程中空氣溫度會不斷升高，因此儲存前需要進行冷卻以防止巖石斷裂或鹽穴蠕動。將空氣輸入汽輪機驅動發電機前需要再次加熱空氣，這一過程降低了其轉換效率。另一點不利因素是，壓縮空氣儲能需要使用優質燃料如天然氣等驅動燃氣輪機。
電解水產生的氫氣可以作為儲存能量的方式，如果與我們討論過的燃料電池儲能結合的話，氫氣可以儲存為壓縮氣體，通過燃料電池可將其轉化為電力。氫氣儲能裝置在選址和運行方面有更大的靈活性，運輸可以借鑒完善的天然氣運輸技術。如果是通過管道運輸的話，其建設、維護及環境成本都要比電網低得多。但是其缺點也非常明顯，氫氣存儲需要大體積儲罐，且易燃易爆。液態氫的運輸和使用都有諸多不便且技術不是非常成熟，金屬氫化物則需要考慮基質金屬的價格及運輸。
盡管氫氣及燃料電池儲能仍然面臨諸多問題，不論是制造、存儲、運輸或是終端使用，都有很多可以改進的地方，但是其是最環保的電力系統儲能類型是共識，應當大力發展。
飛輪儲能技術目前處于積極開發階段，主要應用于車輛和大規模儲能的脈沖發電，也有較小規模的模塊形式的應用。飛輪存在一系列儲能優勢，首先，針對持續時間段的儲能循環而言，飛輪的效率非常高。其次，由于飛輪材料存在限制因素，僅可將其用于較小的模塊中，這對于大型電力系統是一個缺點，但是對小規模應用而言則是優點：其可以做成任意的尺寸，應用到任何需要的環節中去。但目前看，對電力系統而言，飛輪儲能的成本仍然較高，目前應用較多的是配電部分。
化學電池適用于電力系統供給側和需求側的許多儲能應用，是當前發展的重點。其主要特點如下：
1、可以直接儲存和釋放電能。
2、模塊化建設，靈活性高。
3、環保問題不突出。
4、無需機械輔助設備。
5、制造交付周期短。
目前已經商業化應用的Pb-PbO2和NiO-Fe電池成本與基荷電站符合均衡的目標成本相當，而眾多其他體系的蓄電池如Na-S及Zn-Cl2，由于能夠大幅節約成本而擁有極佳的發展前景，且距離商業化非常近。此外，使用固態電解質的電池也擁有良好的發展空間。
蓄電池儲能多為模塊化構造，可以大大降低場地成本、縮短建造周期，由于選址要求不高、安全、污染少、無噪聲，化學電池對環境的影響非常小，這是其能夠分布地應用于用戶側的重要原因。
與蓄電池相同，電容器也采用模塊化建設的模式，因此可以在工廠完成標準化的裝配，從而大大縮短從規劃到安裝的交付周期，降低基建成本。相比電池，電容器儲能裝置的主要缺點是能量密度過低，但由于電容器的內阻很低，其功率密度非常高，可以應用在合適的場合以增加功率。
超導電磁儲能能夠直接儲存電力，因此效率極高，但是價格非常昂貴。從經濟性角度看，其只適用于超大規模的電力系統。目前看，超導電磁儲能并不存在無法解決的技術問題，不過由于需要使用大型裝置，而目前實驗性質的莊主都是小型且經濟性很差的，因此其開發的成本非常高。
我們將不同儲能系統的量化參數總結在下表中：
總結來看，熱能儲存、壓縮空氣儲能和抽水蓄能技術的反向時間相對較長，因此相比反向時間較短的飛輪儲能、化學電池儲能和超導磁儲能技術，其應用范圍受限；另一方面，熱能儲存、壓縮空氣儲能和抽水蓄能技術適用于大型裝置，而規模較小的飛輪儲能或具有模塊化狗仔的化學電池、電容器等，適用于供給側的較小規模裝置，或分散儲能裝置。
用戶側儲能
儲能技術是將電能轉化為化學能、電磁能等形式的能量儲存起來的一種技術，其發展與應用關系到了未來能源的使用方式和能源產業的發展變革。儲能的應用十分廣泛，但從經濟性與商業化推廣的角度上來看，用戶側儲能是當今儲能最主要的應用領域。由于目前許多國內發達省市已經實現了峰谷電價差，為用戶側儲能的商業化推廣奠定了基礎，而儲能電站的成本也可以通過有效計量測算得到預算結果，所以只要各省市的峰谷電價差達到一定金額并在一定時間內維持，那么用戶側儲能既具備經濟性和商業化推廣的條件。從另一方面來看，儲能的應用還能改善電能質量，這對通信基站而言是十分重要的。
思考的問題
1、用戶側儲能與發電側、配電側有何區別？
2、經濟性如何？
3、該如何選擇合適的儲能方式？
重要結論
用戶側儲能是當前鉛炭電池儲能應用的最重要的場景之一，利用電價峰谷差可以立刻實現收益，因此相比其他場景擁有較大的優勢。目前，用戶側儲能最主要的用戶是制造型的工業用電大戶，且單個訂單的儲能電量及總訂單數都在快速增長。預計2017年，我國蓄電池儲能規模可達2000MW，實現同比3-4倍的增長。
經濟效益促進用戶側儲能發展
儲能技術的不斷發展以及規模提升帶來的儲能應用成本下降，從而產生的經濟性是近年來推動儲能不斷發展的根本因素。從用戶側儲能方面來說，目前最直接的收益來源是利用峰谷電價差進行削峰填谷。隨著儲能度電成本的下降以及各省市峰谷電價差的實行，儲能在削峰填谷應用中開始顯現出商業價值。目前，我國不同地區的峰谷電價仍然由各省發改委進行核定，根據我們在本系列《鉛炭電池之下游應用篇》中的測算，在峰谷價差達到0.9元/KWh的時候，可以在8年左右的時間實現約8%的IRR。
資料來源：國家電網、各省發改委
從表1、表2可以看到，目前全國大多數省份和許多城市已經實現了企業用電、居民用電峰谷電價差別收費的制度，這為儲能在削峰填谷中的商業化推廣與應用提供了可能盈利的前提條件。另外，隨著技術的不斷成熟與發展，鉛炭電池的度電成本不斷下降。假設按照表3所示，將鉛炭儲能應用于削峰填谷中，則運行期間，每天在零點到早晨八點谷電時間充電8小時，平均日充電量約為9300kwh，累計充放是平穩的。峰電時期放電8小時，平均日放電量為8400kWh，鉛炭電池的充放電效率可以達到90.51%。財務計算的效率是85%。若以峰時電價為1.05元，谷時電價0.31元測算，每天收益約為5938.03元，每年按照360天計算，年收益為2,137,691元。由此可見，儲能技術在未來削峰填谷的應用中有很大的商業價值和發展前景。
需要注意的是，雖然儲能技術在用戶側有很大的發展應用空間，但是目前來看，用戶側儲能的市場規模仍然較小，且用戶側儲能電站的規模也都在10-20MWh左右。即使是商業化項目，也普遍為實驗性質的儲能項目。隨著儲能技術的不斷發展成熟，如果儲能電站規模能夠擴大，則單位儲能電量的成本可以下降，這是因為配電設施的價格會隨著采購量的上升而下降；監控設備由于是公司自行生產的，因此生產成本和造價可控，突然出現大幅波動情況的可能性較小；另外，在接下來的儲能項目商業化進程中，人工成本會隨著遠程監控的引入和應用率不斷增高而降低，所以未來人工成本對于儲能項目建造估算的影響將會越來越小。
用戶側儲能是重要發展方向
圖2顯示了近年來我國儲能項目累計裝機規模變化情況圖。可以看到，從2011年起我國儲能項目就進入快速發展的階段。2011年全國儲能項目累計裝機規模僅為38.5MW，2014年末就發展到了93.7MW，2015年末累計裝機規模達到了105.5MW。另外，從儲能項目的應用分布方面來看，可以發現，儲能項目在分布式發電及微網中的應用占比高達56%，超過了全國儲能項目的一半以上，可再生能源并網應用占比為35%，位居第二。從整體來看，儲能項目應用占比較高的仍為用戶側。
目前我國的電力系統中，由于居民、企業用電時間相對集中，我國又缺乏相關有力的錯峰政策及措施，所以常常會出現在用電高峰時期發電輸出功率不能滿足居民及企業的用電需求，導致供電不穩的情況。若在用戶側引入分布式及微網儲能技術，可在用電低谷時從電網吸收多余的電能，在用電高峰時期釋放，有利于居民及企業的穩定用電。另外，由于是設置在用戶側的儲能，在需要時直接釋放電能并將其供應給用戶，不用經過網絡傳輸，避免了變電和輸電環節的額外損耗。
用戶側儲能是梯次利用的重要應用場景
在儲能技術的發展應用中，梯次利用的引入十分關鍵。從儲能電池的材料方面來看，鉛是十分重要的原材料，鉛的有效回收利用對降低鉛炭電池的成本有積極的推進作用。圖4展示了再生鉛的大致生產流程。通過回收已使用過的儲能電池，分離出鉛并進行一系列加工，最終生產出可以被再次利用的鉛產品。如今，鉛回收利用已經是非常成熟的產業，2014年我國再生鉛產量達到約160萬噸，同比增長6.7%，占鉛產量的38%。隨著鉛回收技術的進一步提升，目前鉛的回收率可以達到98%以上。再生鉛技術的發展與應用對未來進一步降低儲能成本而言是一個十分重要的因素。
另一方面，從動力電池的回收利用來看，將使用過的動力電池回收加工后應用于儲能領域是十分有意義的。圖5展現了動力電池回收利用的大致流程圖。可以看到，退役下來的動力電池雖然容量有所下降，但是仍然具備利用價值。若是能對其進行有效回收利用，可以使新能源汽車制造商的成本有所下降。另外，將回收加工后的動力電池應用于儲能領域，可以起到削峰填谷，穩定電力系統等作用。值得注意的是，大部分用戶側對于電池的要求比發電側更低一些，梯次利用的引入可以使得儲能在用戶側應用中進一步增強其經濟效益，擴展儲能的應用空間。
思考的問題
1、在已經介紹過的幾種儲能裝置中，各自最大的特點分別是什么？
2、當前商業化應用較成熟的是哪幾種裝置？
3、各類儲能裝置如何應用在電力生產、輸送和使用的各個環節？
重要結論
抽水蓄能及蓄電池儲能是目前商業化程度較高的兩種儲能技術，而發展相對完善、技術可靠性很高的只有抽水蓄能一種。對我國來講，儲能是改善目前棄風棄光、城市短時超負荷用電、降低用電成本的重要途徑，需要大力發展。充分考慮各類儲能裝置的特點，除抽水蓄能外，對其中1-2種其他技術進行集中科研、突破并大規模裝備，將能夠極大促進的我國儲能行業發展。
儲能系統的選擇
回顧我們已經介紹過的所有儲能系統，抽水蓄能是目前唯一一種發展完善且可靠性較高的儲能技術。全世界的商用抽水蓄能裝置裝機容量超過50GW，目前還有不少于10GW在建。抽水蓄能的主要問題在于，有時很難找到合適的選址，選址需要臨近電網且擁有合適的物理特性，還需要建造大規模土木工程，同時還要考慮對環境的影響。
將壓縮空氣泵送至地下是相對抽水蓄能而言能量密度更高且選址更為容易，對同樣的經濟上切實可行的裝置而言，其規模更小，建造時間更短（最長5年）。但是其問題在于，壓縮空氣儲能的裝置規模相對較小（最大為百萬kWh），且由于壓縮過程中空氣溫度會不斷升高，因此儲存前需要進行冷卻以防止巖石斷裂或鹽穴蠕動。將空氣輸入汽輪機驅動發電機前需要再次加熱空氣，這一過程降低了其轉換效率。另一點不利因素是，壓縮空氣儲能需要使用優質燃料如天然氣等驅動燃氣輪機。
電解水產生的氫氣可以作為儲存能量的方式，如果與我們討論過的燃料電池儲能結合的話，氫氣可以儲存為壓縮氣體，通過燃料電池可將其轉化為電力。氫氣儲能裝置在選址和運行方面有更大的靈活性，運輸可以借鑒完善的天然氣運輸技術。如果是通過管道運輸的話，其建設、維護及環境成本都要比電網低得多。但是其缺點也非常明顯，氫氣存儲需要大體積儲罐，且易燃易爆。液態氫的運輸和使用都有諸多不便且技術不是非常成熟，金屬氫化物則需要考慮基質金屬的價格及運輸。
盡管氫氣及燃料電池儲能仍然面臨諸多問題，不論是制造、存儲、運輸或是終端使用，都有很多可以改進的地方，但是其是最環保的電力系統儲能類型是共識，應當大力發展。
飛輪儲能技術目前處于積極開發階段，主要應用于車輛和大規模儲能的脈沖發電，也有較小規模的模塊形式的應用。飛輪存在一系列儲能優勢，首先，針對持續時間段的儲能循環而言，飛輪的效率非常高。其次，由于飛輪材料存在限制因素，僅可將其用于較小的模塊中，這對于大型電力系統是一個缺點，但是對小規模應用而言則是優點：其可以做成任意的尺寸，應用到任何需要的環節中去。但目前看，對電力系統而言，飛輪儲能的成本仍然較高，目前應用較多的是配電部分。
化學電池適用于電力系統供給側和需求側的許多儲能應用，是當前發展的重點。其主要特點如下：
1、可以直接儲存和釋放電能。
2、模塊化建設，靈活性高。
3、環保問題不突出。
4、無需機械輔助設備。
5、制造交付周期短。
目前已經商業化應用的Pb-PbO2和NiO-Fe電池成本與基荷電站符合均衡的目標成本相當，而眾多其他體系的蓄電池如Na-S及Zn-Cl2，由于能夠大幅節約成本而擁有極佳的發展前景，且距離商業化非常近。此外，使用固態電解質的電池也擁有良好的發展空間。
蓄電池儲能多為模塊化構造，可以大大降低場地成本、縮短建造周期，由于選址要求不高、安全、污染少、無噪聲，化學電池對環境的影響非常小，這是其能夠分布地應用于用戶側的重要原因。
與蓄電池相同，電容器也采用模塊化建設的模式，因此可以在工廠完成標準化的裝配，從而大大縮短從規劃到安裝的交付周期，降低基建成本。相比電池，電容器儲能裝置的主要缺點是能量密度過低，但由于電容器的內阻很低，其功率密度非常高，可以應用在合適的場合以增加功率。
超導電磁儲能能夠直接儲存電力，因此效率極高，但是價格非常昂貴。從經濟性角度看，其只適用于超大規模的電力系統。目前看，超導電磁儲能并不存在無法解決的技術問題，不過由于需要使用大型裝置，而目前實驗性質的莊主都是小型且經濟性很差的，因此其開發的成本非常高。
我們將不同儲能系統的量化參數總結在下表中：
總結來看，熱能儲存、壓縮空氣儲能和抽水蓄能技術的反向時間相對較長，因此相比反向時間較短的飛輪儲能、化學電池儲能和超導磁儲能技術，其應用范圍受限；另一方面，熱能儲存、壓縮空氣儲能和抽水蓄能技術適用于大型裝置，而規模較小的飛輪儲能或具有模塊化狗仔的化學電池、電容器等，適用于供給側的較小規模裝置，或分散儲能裝置。
用戶側儲能
儲能技術是將電能轉化為化學能、電磁能等形式的能量儲存起來的一種技術，其發展與應用關系到了未來能源的使用方式和能源產業的發展變革。儲能的應用十分廣泛，但從經濟性與商業化推廣的角度上來看，用戶側儲能是當今儲能最主要的應用領域。由于目前許多國內發達省市已經實現了峰谷電價差，為用戶側儲能的商業化推廣奠定了基礎，而儲能電站的成本也可以通過有效計量測算得到預算結果，所以只要各省市的峰谷電價差達到一定金額并在一定時間內維持，那么用戶側儲能既具備經濟性和商業化推廣的條件。從另一方面來看，儲能的應用還能改善電能質量，這對通信基站而言是十分重要的。
思考的問題
1、用戶側儲能與發電側、配電側有何區別？
2、經濟性如何？
3、該如何選擇合適的儲能方式？
重要結論
用戶側儲能是當前鉛炭電池儲能應用的最重要的場景之一，利用電價峰谷差可以立刻實現收益，因此相比其他場景擁有較大的優勢。目前，用戶側儲能最主要的用戶是制造型的工業用電大戶，且單個訂單的儲能電量及總訂單數都在快速增長。預計2017年，我國蓄電池儲能規模可達2000MW，實現同比3-4倍的增長。
經濟效益促進用戶側儲能發展
儲能技術的不斷發展以及規模提升帶來的儲能應用成本下降，從而產生的經濟性是近年來推動儲能不斷發展的根本因素。從用戶側儲能方面來說，目前最直接的收益來源是利用峰谷電價差進行削峰填谷。隨著儲能度電成本的下降以及各省市峰谷電價差的實行，儲能在削峰填谷應用中開始顯現出商業價值。目前，我國不同地區的峰谷電價仍然由各省發改委進行核定，根據我們在本系列《鉛炭電池之下游應用篇》中的測算，在峰谷價差達到0.9元/KWh的時候，可以在8年左右的時間實現約8%的IRR。
資料來源：國家電網、各省發改委
從表1、表2可以看到，目前全國大多數省份和許多城市已經實現了企業用電、居民用電峰谷電價差別收費的制度，這為儲能在削峰填谷中的商業化推廣與應用提供了可能盈利的前提條件。另外，隨著技術的不斷成熟與發展，鉛炭電池的度電成本不斷下降。假設按照表3所示，將鉛炭儲能應用于削峰填谷中，則運行期間，每天在零點到早晨八點谷電時間充電8小時，平均日充電量約為9300kwh，累計充放是平穩的。峰電時期放電8小時，平均日放電量為8400kWh，鉛炭電池的充放電效率可以達到90.51%。財務計算的效率是85%。若以峰時電價為1.05元，谷時電價0.31元測算，每天收益約為5938.03元，每年按照360天計算，年收益為2,137,691元。由此可見，儲能技術在未來削峰填谷的應用中有很大的商業價值和發展前景。
需要注意的是，雖然儲能技術在用戶側有很大的發展應用空間，但是目前來看，用戶側儲能的市場規模仍然較小，且用戶側儲能電站的規模也都在10-20MWh左右。即使是商業化項目，也普遍為實驗性質的儲能項目。隨著儲能技術的不斷發展成熟，如果儲能電站規模能夠擴大，則單位儲能電量的成本可以下降，這是因為配電設施的價格會隨著采購量的上升而下降；監控設備由于是公司自行生產的，因此生產成本和造價可控，突然出現大幅波動情況的可能性較小；另外，在接下來的儲能項目商業化進程中，人工成本會隨著遠程監控的引入和應用率不斷增高而降低，所以未來人工成本對于儲能項目建造估算的影響將會越來越小。
用戶側儲能是重要發展方向
圖2顯示了近年來我國儲能項目累計裝機規模變化情況圖。可以看到，從2011年起我國儲能項目就進入快速發展的階段。2011年全國儲能項目累計裝機規模僅為38.5MW，2014年末就發展到了93.7MW，2015年末累計裝機規模達到了105.5MW。另外，從儲能項目的應用分布方面來看，可以發現，儲能項目在分布式發電及微網中的應用占比高達56%，超過了全國儲能項目的一半以上，可再生能源并網應用占比為35%，位居第二。從整體來看，儲能項目應用占比較高的仍為用戶側。
目前我國的電力系統中，由于居民、企業用電時間相對集中，我國又缺乏相關有力的錯峰政策及措施，所以常常會出現在用電高峰時期發電輸出功率不能滿足居民及企業的用電需求，導致供電不穩的情況。若在用戶側引入分布式及微網儲能技術，可在用電低谷時從電網吸收多余的電能，在用電高峰時期釋放，有利于居民及企業的穩定用電。另外，由于是設置在用戶側的儲能，在需要時直接釋放電能并將其供應給用戶，不用經過網絡傳輸，避免了變電和輸電環節的額外損耗。
用戶側儲能是梯次利用的重要應用場景
在儲能技術的發展應用中，梯次利用的引入十分關鍵。從儲能電池的材料方面來看，鉛是十分重要的原材料，鉛的有效回收利用對降低鉛炭電池的成本有積極的推進作用。圖4展示了再生鉛的大致生產流程。通過回收已使用過的儲能電池，分離出鉛并進行一系列加工，最終生產出可以被再次利用的鉛產品。如今，鉛回收利用已經是非常成熟的產業，2014年我國再生鉛產量達到約160萬噸，同比增長6.7%，占鉛產量的38%。隨著鉛回收技術的進一步提升，目前鉛的回收率可以達到98%以上。再生鉛技術的發展與應用對未來進一步降低儲能成本而言是一個十分重要的因素。
另一方面，從動力電池的回收利用來看，將使用過的動力電池回收加工后應用于儲能領域是十分有意義的。圖5展現了動力電池回收利用的大致流程圖。可以看到，退役下來的動力電池雖然容量有所下降，但是仍然具備利用價值。若是能對其進行有效回收利用，可以使新能源汽車制造商的成本有所下降。另外，將回收加工后的動力電池應用于儲能領域，可以起到削峰填谷，穩定電力系統等作用。值得注意的是，大部分用戶側對于電池的要求比發電側更低一些，梯次利用的引入可以使得儲能在用戶側應用中進一步增強其經濟效益，擴展儲能的應用空間。
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