风物长宜放眼量！!探究长时储能技术（LDES）的发展前景
发布日期：2022/12/12
伍德麦肯兹全球储能团队近期发布最新研究报告Long duration energy storage report 2022（《长时储能技术（LDES）的发展前景研究》），深入探讨氧化还原液流电池、金属空气电池、蓄热式储能技术和机械储能技术等技术的原理、成熟度及实现商业化前景。以下为报告摘要。
可再生能源发电对全球的迈向脱碳之路至关重要。为适配光伏与风能的间歇性特点，储能系统的开发同样重要。当前，多种储能技术的发展，不仅实现了储能时长上的规格多样化，也能够灵活满足各种应用需求。对于某些应用场景，部分储能技术的适配性更强。
长时储能技术，即储能时长达到数天、数周、甚至数月的储能技术，可以帮助电力系统实现具有经济学效益的脱碳模式，同时确保较高的系统可靠性。
过去几年，锂离子电池在电动汽车领域和固定式储能领域一直大放光彩。然而，据伍德麦肯兹研究，锂离子电池在储能时长超过八小时的长时储能应用领域中，不具备经济竞争力。此外，安全和可持续性问题备受关注，尤其是在锂离子电池的热失控预测和预防方面，须采取更多措施。最后，锂离子电池原材料价格一路攀升，导致电池成本居高不下，回收成本高，也存在可持续性方面的压力。
现在已经有一系列长时储能技术在研发和应用当中，其中较为突出的包括氧化还原液流电池、金属空气电池、蓄热式储能技术和机械储能技术。该等储能技术的技术成熟度和市场成熟度不一。尽管这些储能技术目前很有前景，但如要加快这类技术的商业化，仍应努力降低成本，同时实现其规模化应用。
氧化还原液流电池（RFB）技术
氧化还原液流电池的特点在于功率和容量可相互独立设计，扩容性强，易于实现规模化、使用寿命长、使用安全性高，因此，适合应用于固定式储能领域。这类电池的关键部件有流动电解液和离子选择性膜。但这类电池也存在局限，一般在于能量密度低于锂离子电池。
在氧化还原液流电池的化学性质研究中，研究得最多的当属全钒氧化还原液流电池（VRFB）和锌溴氧化还原液流电池（Zn-Br）。
液流电池的优势包括：具备灵活性、储能时长较长、平准化储能成本更低、寿命更长、面临的环境温度问题更少。
但另一方面，到目前为止，全钒氧化还原液流电池和锌溴氧化还原液流电池，均未实现大规模商业化，并且两者都面临一些技术性和商业化挑战。
1. 全钒氧化还原液流电池
全钒氧化还原液流电池是迄今为止应用规模最大的氧化还原液流电池技术，但其应用比例在各类正在开发的储能系统中仍很低。
全钒氧化还原液流电池在快速市场化方面的主要障碍在于成本，其中，其前期投资成本相对较高——此情况在2022年仍无法扭转。并且，其使用的电解液和离子交换膜的成本也很高——钒不仅成本高，而且会出现价格波动，这对该电池技术而言也是一项重大难题。
如要降低此电池技术的成本并实现其应用潜力，需快速实现规模化。虽然一些液流电池开发商目前正在发展垂直整合的商业模式，例如，进军原材料供应链的某些环节，但此趋势仍需加快。
在技术方面，需要开发离子选择性更高、电导率更高，更具成本优势的新型离子交换膜膜。另外，还可以通过优化电池设计来提升能效和能量密度。
2. 锌溴氧化还原液流电池
锌溴氧化还原液流电池让水系电池系统可以获得高电压，而且其能量密度在液流电池中也相对较高。
但此电池技术也至少面临两项技术难题。一是需要减轻氢气的产生和锌枝晶的形成，这类问题会导致电池性能下降，带来安全问题。二是目前的锌溴电池系统为了减少毒性溴蒸气排放量，采用了昂贵的化学制剂。
在商业化方面，由于过去十年氧化还原液流电池的商业化工作一直围绕全钒氧化还原液流电池技术开展，因此在锌溴氧化还原电池的商业化发展上还需做出更多努力。
金属空气电池
金属空气电池用于需要储能数天的场景，其理论能量密度远高于商用锂离子电池。
此电池使用的材料（如锌和铁）安全经济，在地球上的储量非常丰富，并且此电池使用水性电解液，因此，材料成本和相关系统级能量成本均较低。
但是，金属空气电池在金属负极、空气正极和电解液方面面临挑战，尚未充分发挥潜力。金属空气电池的能量转化效率也低于锂离子电池和液流电池。
蓄热式储能技术和机械储能技术
相较大多数其他形式的储能技术，热岩储能等蓄热式储能技术的优势在于，使用的材料成本低、储量丰富。蓄热式储能技术面临的主要挑战在于如何将热能高效经济转化为电能。
机械储能技术中，讨论最多的两种技术是抽水蓄能技术和压缩空气储能技术。机械储能技术的能量密度远低于电化学储能技术和化学储能技术。
此外，大多数机械储能技术的选址点还必须具备合适的地形条件。比如，抽水蓄能水电站需要具备两个不同高程的水库，而且两个水库之间还要具备一定的坡度。
新型的热式储能和机械储能技术的可靠性和规模化能力也亟需提升。
长时储能技术目前在世界许多地区也面临各种融资、市场和政策方面的障碍，限制了其应用。
来源：伍德麦肯兹WoodMac 作者：尚谷楠 郑嘉玥
