1.5.2 电力系统中的储能
电力系统中的储能是指一种能够在特定时间内存储能量，并在需要时再释放出来的技术。储能技术对于优化能源结构、提高电能使用效率、提高供电可靠性和稳定性具有重要作用。根据储能技术的发展历程可以分为四个阶段：无储能时代、储能发展萌芽期、储能技术爆发期、储能发展新时代。
1.无储能时代（1888年前）
电力的发展始于1831年，法拉第提出了电磁感应原理并制成第一台圆盘式单机直流发电机。人类对电能的系统化建设则始于1852年，英法联盟公司成立并制成蒸汽机驱动的电磁式直流发电机。从此人类进入直流电时代。在19世纪末至20世纪初，直流电被广泛使用，其中，爱迪生对直流电的发展做出了重要贡献，1882年，爱迪生在纽约珍珠街建造了自己的第一座发电厂，并利用直流发电机给发电厂周围1mile[1]范围内的60户居民供应电能，这也是历史上第一次民用电供给。由于电力系统整体体量很小，供需平衡容易调节，因此，电力系统的储能在这一时期没有发展场景。
电化学储能电池的相关技术在这一时期已经开始探索。早在1800年，意大利物理学家亚历山德罗·伏打（Alessandro Volta）发明了著名的伏打电堆（Voltaic Pile），这是人类历史上第一个可以将化学能转化为电能的装置。伏打电堆的发明不仅为电化学储能技术奠定了基础，同时也为后来的电器研究和应用提供了强大的动力。1841年，英国化学家罗伯特·威廉·本森（Robert William Benson）发明了名为“本森电池”（Benson Cell）的新型电池。这种电池以铂为电极，以硫酸和氢气为电解质，具有较高的能量密度和较长的使用寿命，为电化学储能技术的进一步发展开辟了新的道路。
2.储能发展萌芽期（1888～1969年）
1888年，尼古拉·特斯拉发明了世界上第一台交流电发电机，并于1896年在尼亚加拉发电厂投产运营了两相交流发电机，将负荷为3750kW/5000V的交流电送到40km外的布法罗市，标志现代电力系统开始建立。随着电力走进人类社会日常生活，为了平衡电力系统供需，大量储能技术开始萌芽。
抽水蓄能是人类使用最早同时也是最广泛的电力储能技术。1882年，瑞士建成了全球首座抽水蓄能电站——苏黎世奈特拉电站，其容量为515kW，落差高达153m，标志着人类首次成功运用物理方式实现了电能的存储。20世纪50～60年代是抽水蓄能的起步阶段。从第二次世界大战后经济复苏期结束到1973年世界石油危机前，美欧日等发达国家经历了长达20余年的经济高速增长期，随着工业化时代的来临，电力负荷迅速增长；家用电器普及化，电力负荷的峰谷差也迅速增加，具有良好调峰填谷性能的抽水蓄能电站得以迅速发展。20世纪50年代抽水蓄能电站年均增加装机容量200MW，到1960年全世界抽水蓄能电站装机容量达到3420MW。这一时期西欧国家始终引领着世界抽水蓄能电站建设的潮流。20世纪60年代年均增长1259MW，到1970年，全世界抽水蓄能电站装机容量增至16010MW；60年代后期，美国抽水蓄能装机容量跃居世界第一，并保持20多年。
飞轮储能和压缩空气储能等其他物理储能技术开始萌芽，技术成熟度逐步提升，展现出巨大的应用前景。飞轮储能技术在19世纪中叶已经开始发展。1832年，美国人瑟古德首次提出了利用旋转飞轮来存储和释放能量的构想，这一开创性的想法为飞轮储能技术的后续发展奠定了基石。1879年，约瑟夫·惠尔赖特在柏林成功研制出首款适用于电力系统调峰和应急电源的飞轮储能设备，标志着飞轮储能技术开始融入电力系统应用领域。压缩空气储能技术的探索始于1860年，奥伯曼（R.E. Opperman）与伍德（W.R. Wood）两位美国科学家首次提出了压缩空气储能的基本概念。1950年，美国内布拉斯加州的奥马哈市发电厂首次引入了压缩空气储能技术的原型机，进一步推动了技术的创新与发展。
电化学储能技术处于小型电池研发阶段，开始逐渐影响人类生产生活。1860年，电化学储能技术迎来了一次划时代的变革。法国物理学家加斯东·普兰特（Gaston Planté）成功发明了第一块蓄电池——铅蓄电池。铅蓄电池以其高能量密度、低成本和稳定的性能迅速成为电化学储能领域的主导产品，广泛应用于工业、交通、生活等领域。1887年，英国科学家赫勒森成功研发出干电池。1890年，爱迪生发明了可充电的铁镍电池，进一步推动了小型电池技术的发展。这时期的电池在容量、寿命和安全性等方面存在明显的不足，难以满足大规模储能应用的实际需求。我国在1960年开始碱性电池的研发工作，由西安庆华厂承担，标志着我国正式开始了新型储能相关技术的研究。
3.储能技术爆发期（1970～2019年）
20世纪70～80年代，抽水蓄能技术迎来黄金发展阶段。1973年和1979年两次石油危机后，燃油电站比重下降，核电站建设开始迅猛发展。同时，常规水电比重下降，电网调峰能力下降，低谷富裕电量大增，急需削峰填谷性能优越的抽水蓄能电站与之配套。这一时期，抽水蓄能电站年均增长率分别达到11.26%和6.45%。到1990年底，全世界抽水蓄能电站装机规模增至86879MW。进入20世纪90年代后，发达国家经济增长速度有所放慢，抽水蓄能电站建设年均增长率从80年代的6.45%降至2.75%，到2000年全世界抽水蓄能电站装机规模达到114000MW。日本超过美国成为抽水蓄能电站装机容量最大的国家。进入21世纪，随着亚洲国家经济增长速度的提升，特别是中国、韩国和印度，电力需求旺盛，对抽水蓄能电站的需求增加迅猛。2010年全世界抽水蓄能电站装机规模达到135000MW，年均增长率为1.71%。2020年达到159490MW，年均增长率为1.68%。我国的储能建设起步晚，发展快。我国于1968年建成第一座混合式抽水蓄能电站——河北省平山县岗南水电站，标志着我国正式进入现代储能发展领域。2017年我国抽水蓄能电站装机容量超越日本，达到28490MW，成为全世界抽水蓄能电站规模最大的国家。截至2020年底，我国在运行的抽水蓄能电站有32座，规模31490MW，在建抽水蓄能装机规模45450MW。
随着全球能源绿色低碳转型，新型储能技术在这一时期开始受到关注。人类开始探索除了传统抽水蓄能之外的其他储能技术，电化学储能、机械储能、电磁储能、氢储能和储热（冷）技术的相关前瞻研究与产业化爆发增长，新型储能技术快速发展。电化学储能技术方面，1980年，“锂电之父”——约翰·古迪纳夫（John B. Goodenough）教授与日本索尼公司合作开发了钴酸锂正极材料，这一材料具有高电压、高能量密度和良好的安全性能，是现代消费类锂离子电池的关键组成部分。1991年日本索尼公司开发出第一款商业用锂离子电池。1997年，古迪纳夫教授和日本科学家共同报道了橄榄石型LiFePO4（磷酸铁锂）的锂离子脱嵌特性，标志着以锂离子电池为代表的电化学储能技术进入快速技术突破期。此后，锂离子电池在各类电子产品、新能源汽车和储能电站中普遍使用，制备技术取得重大突破，成本大幅下降。2011年1月23日，我国南方电网调峰调频公司建成并投运了世界首座调峰调频锂离子电池储能电站——深圳宝清电池储能电站，设计规模为10MW/40MWh，首期工程规模为4MW/16MWh，首次验证了兆瓦级电池储能系统在电网中运行的可行性及特性，标志着以锂离子电池为代表的新型储能技术已经具备商业化应用条件。钠离子电池方面，2019年3月29日，中科海钠科技有限责任公司自主研发的30kW/100kWh钠离子电池储能电站在江苏省溧阳市成功示范运行，比亚迪、宁德时代、亿纬锂能等领军企业开始纷纷布局钠离子电池。机械储能方面，1978年，全球第一座压缩空气储能电站——Huntorf电站在德国建成并投入商业应用。2003年，美国灯塔电力（Beacon Power）公司开发出飞轮矩阵组原型机，并建立世界上第一个大规模飞轮储能项目。此外，液流电池、固态电池、氢能储运技术、超级电容器、超导磁储能和储热等其他储能技术的基础研究与应用研究也相继取得重大进展，并在实验室和示范项目中得到验证，这些技术的发展为储能技术的商业化应用奠定了基础。在此时期，世界各国政府开始出台政策支持新型储能技术的研发和应用。我国政府也在“十三五”期间加大了对新型储能技术的支持力度，推动了储能技术的规模化发展。
总的来说，新型储能技术在这一时期得到了快速推进，各种新型储能技术不断涌现并得到应用。随着技术的不断进步和成本的降低，新型储能技术的应用范围也越来越广泛。
4.储能发展新时代（2020年至今）
2020年9月22日，在第七十五届联合国大会一般性辩论上，国家主席习近平向全世界郑重宣布——中国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”，标志着储能发展新时代的到来。
抽水蓄能作为技术最成熟、经济最优、最具大规模开发条件、生命周期最长的绿色低碳灵活调节电源，在储能发展新时代继续保持增长态势。根据国际水电协会发布的《世界水电展望》报告，全球2023年新增抽水蓄能装机约10.5GW，占全年新增储能装机的12.3%，总装机达到201GW。抽水蓄能技术在我国发展迅速，已形成全产业链发展体系和专业化发展模式，规模居世界第一。截至2023年，我国抽水蓄能总装机已达50GW，占全球抽水蓄能总装机的25%。2022年，国内首台自主研发的5MW级全功率变速恒频抽水蓄能机组在四川春厂坝抽水蓄能电站成功并网发电，标志着我国在快速响应全功率变速恒频可逆式抽水蓄能成套设备设计、制造和协同控制等关键技术方面取得了重大进展。
新型储能行业整体处于由研发示范向商业化初期的过渡阶段，各类技术逐步成熟，取得重要突破。2022年9月30日，中国科学院工程热物理研究所建成的世界首套百兆瓦先进压缩空气储能国家示范项目在河北张家口顺利并网发电，该项目总规模为100MW/400MWh，是目前世界单机规模最大、效率最高的新型压缩空气储能电站。2022年10月30日，由中国科学院大连化学物理研究所提供技术支撑的迄今全球功率最大、容量最大的百兆瓦级液流电池储能调峰电站正式并网发电，总建设规模为200MW/800MWh。以磷酸铁锂电池为主流的电化学储能技术在电力系统中已开始商业化应用。2023年8月，美国Vistra Energy公司在加利福尼亚州建成全球规模最大的商业化运营锂离子电池储能系统——莫斯兰汀（Moss Landing）储能系统，总体规模达到750MW/3000MWh。2023年，全球新增新型储能装机42GW，占储能新增装机总量的86.4%，是抽水蓄能的7倍，全球累计新型储能装机88.2GW，占储能总装机的30%。2023年，我国新型储能总装机达31.4GW，占全球新型储能总装机的36.5%，2023年新增22.6GW，标志着新型储能开始向规模化、产业化、市场化发展。
广东省作为我国改革开放的先行示范区，始终致力于新型储能技术的深入探索与推进。依托广东省新能源发展基础优势，加大力度支持新型储能技术持续攻关，推动新型储能产业链稳健发展。2023年11月，工业和信息化部批复同意建设的国家地方共建新型储能创新中心落户广州，进一步助力我国新型储能领域全产业链发展。2023年，广东省新型储能总装机规模显著增长，突破1.6GW，同比增长高达125%。为了进一步推动新型储能技术的发展和应用，广东省发展和改革委员会于2023年12月公布了新型储能重大应用场景机会清单，预计总投资达248.4亿元，总装机规模为2.14GW/3.82GWh，其中包括13个百兆瓦级的新型储能项目。
新型储能技术经历了50余年的发展，取得了颠覆性进展，关键技术和核心装备不断迭代、应用场景逐步拓展，商业模式逐步规范、市场规模稳步扩大，有力推动了能源转型和新型电力系统构建。随着能源数字化智能化不断发展，新型储能技术发展已经进入全新的历史阶段，将推动世界能源格局变革。近几年，世界主要国家相继发布新型储能产业科技发展战略，投入大量资金开展关键技术研发和推广应用，未来新型储能装机规模将快速增长。未来十年是发展新型储能的战略机遇期和历史关键阶段，能源变革将加速到来。