0 引 言
1 海上储能技术的出现与发展
起始于上世纪末的新能源革命促进了储能技术的发展,如今储能正从陆地推向海洋,而且采取了一种近乎“技术转移,照搬照用”的方式。
1.1 “陆地风电+储能”到“海上风电+储能”
由于风电的不确定性[8],大规模陆地风电场通过储能技术实现并网送电[9,10]。相比于陆地,海上有更加良好的风力资源,风电场自然也建立在了海洋上,成为“海上风电场”[11]。海上风电同样存在不确定性,同样需要储能技术实现并网[12]。对于离岸较近的风电场,可建立相应的陆上储能变电站。但为了追求更优质的风电和更大的装机规模,风电场需要建在较远的海域,甚至到达远海远岸[13]。这时储能装备“下海”与风电场一起建在海上就更具经济性,从而储能“技术转移”到海上,成为海上储能,属于海洋新能源的一部分。目前,我国海洋新能源项目基本是单纯海上风电场建设,“海上风电+储能”的技术还处于验证阶段。然而,国外已经有部分此类项目运行或在建:
（1）2017年3月瑞典大瀑布电力公司（Vattenfall）用1 000辆宝马（BMW i3）电动汽车的电池系统在荷兰Princess Alexia岛建立了海上风电场配套储能项目,风电规模122 MW,储能规模3.2 MW∙h。
（2）2017年8月,美国深海风能发电公司宣布了一个名为“风电革命”的海上风电场兼储能的计划。该计划中风电规模144 MW,储能规模40 MW,由特斯拉公司（Tesla）提供所需全部储能用电池系统。该计划获批后将于2022年开始启动,预计于2023年投运。这将是全球最大的海上风能和储能相结合的项目。
（3）2018年3月美国Bay State Wind项目与NEC Energy Solution公司宣布共同开发美国麻省的海上风电兼储能项目,风电规模800 MW,储能规模55 MW/110 MW∙h。项目计划2020年后实现发电,届时将会是世界上第一个“海上风电+储能”的商业运行项目。
（4）2018年8月,挪威石油公司Equinor和阿布扎比可再生能源公司Masdar合作的储能项目Batwind在苏格兰海岸建成运行,为全球首座海上漂浮式风电场Hywind提供陆地储能服务。Hywind风电场离岸距离25 km,风电规模30 MW,通过33 kV电缆连接到上述陆地储能变电站,该储能变电站利用1 MW锂离子电池系统连接到电网。
1.2 “锂离子电池驱动电动汽车”到“锂离子电池驱动小型船舶和深潜器”
锂离子电池是可充电电池,其能量密度高,充放电循环寿命长。新能源汽车采用锂离子电池等储能器件存储新能源电力来驱动汽车[14],这不仅可以减少甚至取代化石能源,还可以保护人类生存环境。锂离子电池理论上也可用于驱动船舶。然而海洋船舶,特别是远洋船舶,驱动功率巨大,基本都在几十到几百兆瓦,甚至上千兆瓦级别,相当于发电站的规模。目前远洋船舶使用的燃料为航海柴油,价格较低,但即使不考虑经济性,采用足够规模的锂离子电池组成船舶储能系统,想完全依靠新能源电力供电航行目前也不现实。而小型船舶,如短距离航行的渡轮、游轮、观光船等,对驱动功率要求不高,为了保护近海和内河水域环境,则完全可以使用锂离子电池驱动。
（1）2015年,德国西门子公司联合挪威Fjellstrand造船厂和船东Norled公司开发了世界上第一辆电动渡轮Ampere,由于使用水力发电进行充电,Ampere渡轮实现了碳的零排放。
（2）2018年10月,日本最新一艘“苍龙”级潜艇“凰龙”号在三菱重工神户造船厂下水,该潜艇是世界上第一艘采用锂离子电池为动力的实战型潜艇[18]。
（3）法国SAFT公司为无人潜艇（UUV）、蛙人输送潜艇（SDV）、救援潜艇[16]（SRV）等小型潜艇设计和开发了从能量型到功率型的多种型号锂离子电池模块,可针对不同能量和功率的需求加以组合。
（5）2017年11月,世界上首艘2 000吨级新能源电动自卸船在广州南沙整体吊装下水。整船电池容量约为2.4 MW∙h,驱动2台电动机,充电两小时可续航80 km,主要航行于珠江内河水域等。在航行中,全程不消耗燃油,实现PM2.5、碳、硫等废气污染物零排放,达到《内河绿色船舶规范》的绿色船舶-Ⅲ最高等级。
（6）2017年初,中国科学院青岛生物能源与过程研究所研发的“青能I”固态锂电池为“万泉”号深海着陆器控制系统及传感器提供电能[20],在马里亚纳海沟累计完成9次下潜,其中6次超过10 000 m,最大工作水深10 901 m,累计水下工作134 h,顺利完成全深海示范应用,标志着我国首次突破全海深电源的技术瓶颈。
（7）2018年,我国惠州亿纬锂能股份有限公司子公司湖北金泉新材料有限责任公司生产的LF75、LF90、LF80、LF105和LF280型磷酸铁锂锂离子电池获得中国船级社型式认可证书,产品适用范围为船舶与海洋设施动力用蓄电池。
1.3 陆地“配电网和多能互补用储能”到“船舶电力和多能互补用储能”
对于海洋中大型水面船舶,包括各种军用舰艇,虽然完全采用锂离子电池作为驱动力不现实,但仍然可以用锂离子电池等储能技术来改善船舶电站供电质量和提高船舶的自动化程度[21]。船舶上柴油电力早期只是实现船舶照明等一般性功能,随着电力推进技术的发展,船舶装备正在电气化,船舶电力系统也随之发展为综合电力系统,甚至综合全电推进系统,即动力推进和其他用电采用同一个电力系统。由于系统复杂程度增加,电力电子器件本身的非线性特性使得电力变换系统之间产生干扰,发生不稳定、谐波等系统问题,影响船舶的精确操控和安全。船舶电网相当于陆地配电网,陆地配电网正在研究通过增加储能系统来提升配网的电能质量和稳定性。该技术理念已经在完全发展成熟之前就“转移”到了海洋船舶电力系统的研究中,试图解决复杂电力系统的用电质量问题。
值得注意的是,陆地上配网储能和多能互补技术还处于研究和试验阶段,海上储能在这两方面的研究与应用已经与陆地同时进行了。
2 海上储能技术与形式
海上储能与常规储能在性能上都需要有高安全、高能量密度、长循环、低成本、免维护和工作寿命长等特点,但海上储能对其装置有特别的要求,如需要耐高压、耐风浪冲击、耐海水浸泡、耐海水腐蚀等。目前,储能技术按照存储后的能量形式可分为机械储能、电化学储能、电磁场储能和化学储能等[29]。基于储能原理并结合海洋独特的环境和条件,这些储能技术可能会衍生出不同的形式,以达到优化储能效率和经济性的目的。
2.1 机械储能
机械储能包括抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能等[29]。相比陆地,海洋上可灵活应用海水的重力、压力、浮力以及空气等设计出不同的储能形式,这也是海上储能技术发展最活跃的领域,如德国的“海蛋”泵浦储能和我国的“跷跷板”复合储能。
“海蛋”泵浦储能。2016年德国弗劳恩霍夫风能和能源系统技术研究所（IWES）开发了新型泵浦储能系统（StEnSea）[30]。测试实验中将直径约3 m的钢筋水泥空心球体,即“海蛋”下放到靠近海岸100 m深的海水中,利用位于海底的抽水蓄能电站储能。当需要储能时,利用需要存储的电力把球体内的水抽走;当需要释放能量时,打开球体阀门,球外的水涌入涡轮机进入球内,从而驱动发电机发电。该项目得到了德国政府的资助,未来将在欧洲地区开展相应示范项目。研究人员表示,在工程方面,球体直径30 m左右是最实用的尺寸,而且该系统在水深约600 ~ 800 m的范围内使用最有经济性。存储容量随球体积和水深加大而增加,在水深700 m左右时,直径30 m的球体大约可以储能20 MW∙h。配合风力发电,这套储能系统在全世界具有广泛的应用前景。
“跷跷板”复合储能。河北省承德市张占海研发了“浮力与重力复合蓄能式海上风力发电系统”[31]。当海上有风,电网处在用电高峰期时,风电系统正常工作,风扇带动发电机发电;当海上有风,电网却处于用电低峰时,动力通过系统传输,将浮筒压入海水中,同时将装满海水的水斗提出海面,利用海水的浮力和重力,将动力储存起来;当海上没有风,电网又处在用电高峰期时,浮筒由于海水浮力的作用,向上产生动力,同时水斗由于海水重力的作用,向下产生动力,将储存的能量释放出来。
此外,水下压缩空气储能因其具有系统效率较高、安全性较高、储能规模灵活等特点,适用于海上风能等可再生能源的存储。水下压缩空气储能将压缩空气存储在水底,利用水的静压特性保持储气的压力恒定[32]。水下储气容器分为刚性和柔性两种,高性能储能包是水下压缩空气储能技术研究的关键。早在1997年,加州大学圣地亚哥分校SEYMOUR等[33]就提出了使用刚性容器进行水下压缩空气储能。2011年,麻省理工学院SLOCUM等[34]提出一种结合水下压缩空气储能与抽水储能的球形海洋可再生能源存储模型。加拿大Hydrostor公司于2015年建成660 kW的水下压缩空气储能实验系统。当前水下压缩空气储能技术仍处于试验探索阶段,尚无大规模示范项目建成。
2.2 电化学储能
电化学储能即电池储能,电池主要由正极、负极和电解质构成,根据所用材料种类和状态等不同,有各种各样的电池,但适用于海上储能的电池一般需要满足:（1）环境温度适用;（2）无或尽量少的机械运动部件;（3）万一泄露无明显危害。高温钠硫电池和液态金属电池需要在高温（>300℃）下使用,考虑海洋开放的环境,此类电池的温度维持以及维护是难题,并不适合海上储能。液流电池由于包含使液体电极材料进出电池的运动机械部件,在海洋环境中容易被腐蚀或受海浪冲击等导致机械部件损坏,也不适合海上储能。满足海上储能条件的电池种类有铅酸（碳）电池、锌银电池、海水电池和锂离子电池等[35],其中锂离子电池在研发和应用中最为活跃。相比于其他电池,锂离子电池能量密度高、循环寿命长,具有取代铅酸电池成为大功率深水装备首选储能技术的潜力。锂离子电池中磷酸铁锂电池和固态锂电池值得重点关注。
磷酸铁锂电池负极活性材料为石墨,正极活性材料为磷酸铁锂,使用有机电解液,平台电压为3.4 V[36],虽然能量密度比不上三元锂离子电池,但磷酸铁锂电池安全性相对较高,成本相对较低,并已应用于国内外的储能电站。更为重要的是磷酸铁锂电池已获得中国船级社型式认可证书,意味着磷酸铁锂电池可以安装到船舶和为海洋设施提供动力。磷酸铁锂电池很可能是在很长一段时间内应用于海洋储能。研究人员今后仍需在改善磷酸铁锂电池的低温性能,提升循环寿命和安全性上做出努力。
2.3 电磁场储能
2.4 化学储能
新能源领域的化学储能指利用无法消纳或不稳定的新能源电力规模化合成能源物质,然后输运该能源物质到需要消纳的地方释放能量。具有代表性的化学储能是氢储能。
氢储能是由德国等欧洲国家提出的新概念。利用新能源电力分解水制取氢气,所得氢气或燃烧取暖,或燃烧发电,或通过燃料电池装置发电,或用作化工原料合成其他材料,使新能源电力通过“氢储能”得到有效利用。“电力到能源气体（power-to-gas）”[42]是一种新颖且理性的新能源消纳方式,简称P2G。氢储能非常适合于海上风电的就地消纳[43],因为原料是水,可就地取用,无需考虑原料和其运输成本,加上氢气的输运、分销和各种消纳便可形成产销一体化的氢经济。目前,氢储能技术需要突破波动性新能源电解制氢的稳定性问题。另一方面,考虑到氢气不易被压缩,输运过程风险高,开发更易被压缩的能源气体做储能介质是P2G新的研究内容,如电催化合成氨。
储能技术除了以上四类还有储冷、储热等,但目前很少在海上储能中应用。海洋探索的广泛开展将会催生更多适合海洋的储能技术和形式出现。
3 海水运动的能量收集
海洋中的波浪、潮汐、洋流等运动频率低且变幻无常,很难对其进行能量收集,但这些能量在海洋能源开发利用的蓝图中不可或缺。因此,海水运动的能量收集也是海上储能的重要部分。
2012年,中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家王中林院士团队提出了“摩擦纳米发电机”[44]的概念,并进一步提出了基于摩擦发电机网络结构的海洋能采集方式[45]。摩擦纳米发电机是利用高分子材料通过摩擦起电和静电感应的耦合而实现的[41],其质量轻、密度小,能漂浮在水面上。在此基础上,中美两国的研究人员合作发明出由摩擦发电机网络组成的海洋能发电新技术。其结构设计巧妙,每个器件单元中的塑料球都能够有效、灵敏地将海水表面的波动转换成自身的动能,滚动的小球则能撞击以触发每个最小功能单元,将海水的波动能转化成电能。因此,该器件不仅可以对水流的机械能进行回收,还可以漂浮在水面上进行波动能的采集,不仅可以收集大风大浪的机械能,而且对小波动的能量也能进行有效采集[46,47,48,49]。我国海域辽阔,海水流动昼夜不停,这为摩擦纳米发电机提供了稳定的工作环境。依托海洋,这种“蓝色能源”或将超越“绿色能源”,具有广阔市场前景。
2017年8月,美国德克萨斯大学达拉斯分校纳米科技研究所BAUGHMAN教授团队研发出一种碳纳米管纤维扭转发电机[50],设想这种发电机可以被放置在海浪运动或温度波动中采集能量,转化成电能。这种发电机由一种能实现自身发电的纱线构成,本质上是一种不需要外加电源的电容器,它由很多根碳纳米管纺成[51],单根碳纳米管是直径为人头发丝直径万分之一的中空圆柱体。为了提高纱线的弹性,研究人员不断提高纱线的捻度,使纱线呈类似弹簧的螺旋结构。纱线还必须浸泡或涂上诸如盐水的离子导电材料,这些电解质中的离子会自动嵌入到纱线中,当纱线被拉伸或扭转时,纱线上的电荷彼此靠近,电压增高,从而产生电能。在韩国东海岸的海水中,研究人员测试了这种纱线在海水中发电的可行性。他们将一根10 cm长、重1 mg的纱线,连接在一只气球和一块静置在海床上的沉子之间。有海浪时,气球会上升,拉伸纱线最高可达25%的伸长率。这种纱线可从海浪中获取巨大的能量,但若要投入使用,纱线的生产成本仍需降低。
4 海上储能技术的发展前景
从长远来看,随着科学技术的进步和社会的发展,人类在海洋上的活动会愈加频繁,或许海洋大开发的热潮正在到来。海洋广阔无垠,要开发海洋,需能源先行。鉴于陆地能源开采的经验与教训,大规模开发海洋所需能源应取之于海,而且从一开始就应选择海上清洁可再生能源,这就决定了海上储能的必要性,即人类大规模进行海洋能源开发必伴随着海上储能。
从近期来看,人类环保意识增强,使用新能源替代化石燃料基本成为全球共识,然而陆地经济的持续发展对能源的消耗还在持续增长。从海洋开发清洁能源供应陆地需求的策略得到有条件国家出台政策鼓励,并已开始实行[52,53,54,55]。我国拥有长达1.8万千米的大陆海岸线,1.4万千米的岛屿海岸线,1万多个大小不同的海岛和岛礁,约300万平方千米的海洋国土面积,这为我们开发利用海洋提供了条件。我国东南沿海一带陆上经济发达,是我国用电负荷中心,而附近海域风力资源丰富,开发海上风电不仅可以缓解“西电东送”、“西气东送”的风险和压力,还可以大大减少陆地新建发电和输电设施的土地占用。国家能源局发布的《风电发展“十三五”规划》指出,到2020年我国海上风电开工建设规模达到10 GW,力争累计并网容量达到5 GW以上[56],这为储能技术的快速发展和应用提供了重大机遇。
从应用场景来看,“海上风电+储能”将向深水远海发展。海洋深潜器等水下装备将会装配锂离子电池,取代传统铅酸电池做动力源,实现“不依赖于空气的推进系统”[57]。海洋水面船舶将逐渐减少航海柴油使用量,向着采用储能技术的多能互补和综合全电推进的方向发展。磷酸铁锂电池和固态锂电池可能分别代表了当前和未来应用于海上储能的电池技术,它们的性能将更加适应海洋环境。综合各种技术的应用,可以想象未来的海洋可能会沿着海上“丝绸之路”漂浮大量自航自定位的风光储（风电+光伏+储能）充电岛,为过往船舶和潜艇提供充电服务;海洋大型平台形成氢储能和氨储能一体化经济的源头;海洋中分布着大量电池驱动的微型传感器浮标,形成海洋监测网络,而这些电池由海洋储能枢纽站无线充电。
总之,海上储能雏形已显,前景令人憧憬。海上储能技术促进海洋开发,也将伴随海洋开发而得到飞跃发展,为建设新型低碳、零排放的海上“丝绸之路”,开启人类真正的海洋时代做好清洁能源准备。
