Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 1513–1522

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Renewable and Sustainable Energy Reviews

j o u r n a l h o m e p a g e : w w w . e ls e v i e r . c o m / l o c a t e / r s e r

Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications

Ioannis Hadjipaschalis, Andreas Poullikkas *, Venizelos Efthimiou

Electricity Authority of Cyprus, P.O. Box 24506, 1399 Nicosia, Cyprus

A R T I C L E I N F O

Article history:

Received 3 September 2008 Accepted 30 September 2008

Keywords:

Power generation

Distributed generation

Energy storage

Electricity storage

A B S T R A C T

In todayrsquo;s world, there is a continuous global need for more energy which, at the same time, has to be cleaner than the energy produced from the traditional generation technologies. This need has facilitated the increasing penetration of distributed generation (DG) technologies and primarily of renewable energy sources (RES). The extensive use of such energy sources in todayrsquo;s electricity networks can indisputably minimize the threat of global warming and climate change. However, the power output of these energy sources is not as reliable and as easy to adjust to changing demand cycles as the output from the traditional power sources. This disadvantage can only be effectively overcome by the storing of the excess power produced by DG-RES. Therefore, in order for these new sources to become completely reliable as primary sources of energy, energy storage is a crucial factor. In this work, an overview of the current and future energy storage technologies used for electric power applications is carried out. Most of the technologies are in use today while others are still under intensive research and development. A comparison between the various technologies is presented in terms of the most important technological characteristics of each technology. The comparison shows that each storage technology is different in terms of its ideal network application environment and energy storage scale. This means that in order to achieve optimum results, the unique network environment and the specifications of the storage device have to be studied thoroughly, before a decision for the ideal storage technology to be selected is taken. 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Contents

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1513

2. Flywheel storage technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1514

3. Battery storage technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1515

4. Supercapacitor storage technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1517

5. Hydrogen storage technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1518

6. Pneumatic storage technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1519

6.1. Liquid-piston technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1519

6.2. Compressed air energy storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1520

7. Pumped storage technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1521

8. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1521

Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1522

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1522

• Corresponding author. Fax: 357 22 201809.

E-mail address: apoullik@eac.com.cy (A. Poullikkas).

1364-0321/$ – see front matter 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved. doi:10.1016/j.rser.2008.09.028

1. Introduction

In todayrsquo;s world, the need for more energy seems to be ever-increasing. Both households and industries require large amounts of power. At the same time the existing means of energy pro-duction face new problems. International treaties aim to limit the

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levels of pollution, global warming prompts action to reduce the output of carbon dioxide and several countri

可再生能源和可持续能源13（2009）1513-1522

整体提供的内容及列表

对可再生和可持续能源的评估

j o u r n a l h o m e p a g e : w w w . e ls e v i e r . c o m / l o c a t e / r s e r

储能技术对于电力应用方面的当前及未来概述

Ioannis Hadjipaschalis, Andreas Poullikkas *, Venizelos Efthimiou

文章信息

文章历史：

收录于2008年9月3日

接受于2008年9月30日

关键词：
发电
分布式发电
能源储备
电力储存

摘 要

在当今世界，全球不断需要更多能源，同时必须比传统发电技术产生的能源更清洁。这种需求促进了分布式发电（DG）技术和主要是可再生能源（RES）的日益普及。在当今的电力网络中广泛使用这些能源可以无可争议地将全球变暖和气候变化的威胁降至最低。然而，这些能源的功率输出不像传统电源的输出那样可靠且易于适应不断变化的需求周期。这种缺点只能通过存储由DG-RES产生的过剩功率来有效克服。因此，为了使这些新能源成为主要能源的完全可靠，能量储存是一个关键因素。在这项工作中，进行了用于电力应用的当前和未来能量存储技术的概述。目前大多数技术都在使用，而其他技术仍处于深入研究和开发阶段。根据每种技术最重要的技术特征，对各种技术进行了比较。比较表明，每种存储技术在理想的网络应用环境和能量存储规模方面都有所不同。这意味着为了获得最佳结果，在决定选择理想的存储技术之前，必须彻底研究独特的网络环境和存储设备的规格。

2008 Elsevier Ltd.保留所有权利。

目录

1. 简介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1513

2. 飞轮存储技术. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1514

3. 电池存储技术. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1515

4. 超级电容存储技术. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1517

5. 储氢技术. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1518

6. 气动储存技术. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1519

6.1. 液体活塞技术. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1519

6.2. 压缩空气储能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1520

7. 抽水蓄能技术. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1521

8. 总结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1521

致谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1522

参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1522

1.简介

在当今世界，对更多能源的需求似乎在不断增加，家庭和工业都需要大量的电力。与此同时，现有的能源生产方式面临新的问题。国际条约旨在限制污染程度，全球变暖促使采取行动减少二氧化碳排放量，一些国家决定退役旧核电站而不建设新核电站。此外，能源需求的空前全球增长意味着传统能源的价格急剧上涨，而且国家经济对这些来源的持续和不失真供应的依赖已变得至关重要。这种发展带来了用新的方法取代旧的能源生产方法的需要。虽然有几个正在开发中，包括有希望的核裂变能力，但其他生产方法已经在商业上使用。可再生能源和其他形式的潜在分布式发电源的渗透在全球范围内不断增加。这些类型的能源通常依赖于天气或气候来有效地工作，并且包括诸如风能，太阳能和水电等多种形式的方法。
这些新能源与旧方法相比具有一些无可争议的优势。与此同时，他们提出了新的挑战。传统方法的输出很容易根据功率要求进行调整。新能源更直接地基于利用自然能源，因此其峰值功率输出可能与功率要求不匹配。它们可能在月度甚至年度周期中表现出大的功率输出波动。同样，需求可能每月或每年变化。因此，为了使这些新能源成为主要能源的完全可靠，能量储存是一个关键因素。基本上，当生产水平低于所需要求时，必须在产生过剩并随后释放来自这些来源的能量。因此，储能技术是可靠有效的可再生和分布式发电机组不可或缺的组成部分。还有其他原因需要储存大量能源。根据存储的分布方式，它还可以帮助网络承受需求高峰。储存能量允许输电和配电以满负荷运行，减少对更新或升级线路的需求并提高工厂效率。将能量存储较短的时间可用于平滑小峰值和电压下降。显然需要能量存储，特别是比以前更大规模的能量存储。传统的能量存储方法，例如电化学电池，不一定适用于较大规模的系统，并且它们的效率可能不是最理想的。与此同时，一些新的有前途的方法正在开发中。其中一些是基于应用于现代能量存储的旧概念，另一些则是全新的想法。有些比其他更成熟，但大多数可以进一步改善。在这项工作中，概述了目前可用或正在开发的最重要的储能方法。显然，每种存储方法的技术和基本原理可以在很大程度上变化，从而显着地使可用能量存储产品的范围多样化。这意味着每种方法在理想的应用环境和能量存储规模方面可能完全不同。更具体地说，虽然一种存储方法对于平滑年度波动可能是理想的，但另一种方法可能适合于满足非常短的峰值功率要求。最后，在适用的情况下，进行不同方法之间的比较，以便基本了解每种技术的差异。
在第2节中，介绍了飞轮技术，并在第3节中讨论了电池存储技术。在第4节中，说明了超级电容器存储技术第5节介绍了储氢技术。气动存储技术在第6节中介绍，抽水蓄能技术在第7节中讨论。结论总结在第8节。

2.飞轮存储技术

飞轮是围绕轴旋转的质量，其可以以动能的形式机械地存储能量。需要能量来加速飞轮，使其旋转。这通常通过电动机在电气系统中使用来实现。一旦它旋转，它实际上是一个机械电池，具有一定量的能量，可以根据其旋转速度和惯性矩存储。飞轮旋转得越快，它储存的能量就越多。通过减速扭矩使飞轮减速并将动能返回到用作发电机的电动机，可以检索该存储的能量。
除旋转飞轮外，飞轮存储系统的其他主要部件是转子轴承和电源接口，如图1所示。飞轮可以是低速，运行速度高达6000 rpm，也可以是高速，运行速度高达50,000 rpm。低速飞轮通常由钢制转子和传统轴承制成。达到的典型比能量约为5 Wh / kg。高速飞轮采用先进的复合材料制造转子，采用超低摩擦轴承组件。这些轻质高强度复合转子可以达到100 Wh / kg的比能量。此外，这种飞轮在几分钟内即可达到速度，而不是为电池充电所需的时间。用于高速飞轮的容器被抽空或填充氦气以减少空气动力学损失和转子应力。电源接口包括电动机/发电机，变速电力电子转换器和电力控制器。电动机/发电机通常是与转子集成的高速永磁电机，用作集成的同步发电机。转换器通常是脉冲宽度调制的双向转换器，根据应用要求，可以是单级（交流到直流）或双级（交流到直流到交流）。最后，需要电源控制器来控制电力系统变量。
飞轮存储系统的主要优点是许多循环的高充电和放电速率。实际上，飞轮的高循环能力是它们的关键特征之一，并且不依赖于充电或放电速率。全周期寿命从105到107.实际上，某些应用中的限制因素更可能是飞轮寿命，通常为20年。此外，典型的现有复合转子具有高比能量，高达100 Wh / kg，具有高比功率。

图1飞轮存储系统的主要组件

其在额定功率下，它们的能效通常约为90％。飞轮的主要缺点是高成本和相对高的静止损失。完整飞轮系统的自放电率很高，最小速率为每小时存储容量的20％。当循环不连续时，例如当能量在充电和放电之间存储一段时间时，这些高速率具有降低能量效率的效果。如此高的放电速率强化了这样一种观念，即飞轮不是长期储能的适当装置，而只是提供可靠的备用电源。
这些应用可以是飞轮储能系统与可再生能源发电厂系统的集成。由于太阳能，风能和其他可再生资源的可用性的变化，光伏电池和风力涡轮机等可再生能源产生的电量每小时，每日和季节变化很大。即使传统技术以恒定速率发电，全天仍有需求波动。负载与电源的不匹配意味着在需要时并不总是可以获得电力，而在其他情况下，电力过剩。飞轮技术可用于在产生不足的电力时提供电力，并存储过剩的产量。飞轮技术的另一个重要应用是用于功率调节和在电网故障导致总功率损耗持续时间时提供功率。

3.电池存储技术

蓄电池是用于储存能量的可充电电化学系统。它们以电能的形式传递，电化学反应产生的化学能。当负载连接到电池的端子时，这些反应在基本电池内部，在两个插入电解质的电极之间设置。该反应涉及通过外部电路/负载将电子从一个电极转移到另一个电极。
电池由单个或多个电池组成，串联或并联或两者连接，具体取决于所需的输出电压和容量。每个单元，如图2所示，包括：阳极或负电极向负载提供电子并在电化学反应期间被氧化。接收电子并在反应过程中还原的阴极或正电极。电解质，它提供在阳极和阴极之间传输电子的介质。正极和负极之间的隔板用于电绝缘。目前广泛使用的传统蓄电池有三种主要类型：铅酸电池，镍基电池和锂电池。铅酸电池是最古老的可充电电池类型，其基于涉及二氧化铅（形成阴极电极），铅（形成阳极电极）和充当电解质的硫酸的化学反应。铅酸电池的额定电压为2 V，典型的能量密度约为3

资料编号：[4822]