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特约主编肖立业研究员致开篇词：
以光伏和风电为主的可再生能源替代化石能源，是实现国家能源独立和“碳中和”目标的必由之路。2021年10月24日，《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出：到2060年，我国绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立，非化石能源消费比重达到80%以上。综合多方面的分析和预测，到2060年，我国电力总装机将达到100~110亿kW；其中，火电（含煤电、气电、生物质/垃圾焚烧发电）12~15亿kW、水电约6亿kW、核电约2亿kW、太阳能热发电1~2亿kW、风电15~20亿kW、光伏装机60~65亿kW，总发电量将达到22~23万亿kW·h，电力占能源生产的比重将超过80%，而最大电力负荷（储能系统用电除外）将达到约30亿kW。
风电和光伏出力具有随机性、波动性和季节性的特点，光伏发电的出力还具有昼夜周期性。根据中国电力科学研究院郭剑波院士提供的数据，各省、各区和国家电网公司经营范围内，风电光伏某天最小日平均出力水平分别为3.6%、8.0%和10.7%；3天内最小日平均出力水平分别为5.9%、9.1%、11.6%。这就是说，即使考虑较大范围内的风光时空互补性，其最小置信容量也只有装机容量的10%左右，即2060年我国全国范围内风电光伏总的最小日平均出力仅为7.5~8.0亿kW。与此同时，风电和光伏的出力还具有强烈的短时不稳定性。例如，在出现快速云层遮挡时，某些光伏电站的出力可以在1 min内下降90%；风力观测数据表明，单个站点的风功率1 min内的波动值最大可达20%、10 min内的波动最大值达到了100%。此外，由于风电和光伏装机都是通过电力电子装置并网，因而不具备同步惯量。由此可见，以新能源为主体的新型电力系统中，新能源资源的不确定性、低惯量或无惯量支撑将对电网的电力平衡与灵活调节（调频或调峰）和安全运行带来巨大挑战。
采用直流电网模式，虽然可以避免频率稳定性问题，但以新能源为主的直流电网的电压稳定性问题将成为新的挑战，且在无储能支撑情况下，直流电网内的潮流分布波动频繁，加之电力电子装置的频繁控制和快速响应，可能导致系统出现新的电磁振荡现象。此外，将交流系统全部改造为直流系统的代价也很大。因此，未来电力系统仍将以交流同步电网为主，直流电网虽有可能因地制宜地存在于电网之中，但仍将需要交流电网作为基础与支撑。
为应对上述问题，迫切需要发展多种形式的储能系统。为解决不同时间尺度的功率和能量调节需求，一般需要发展长周期能量转移型（周内、月内、跨季节储能）、短周期能量转移型（日内削峰填谷）、短时间尺度功率型（短时调频）三种类型的储能系统。特别是，当光伏发电成为主要电源后，日内调峰将成为储能系统最重要的任务之一。
长周期能量平衡，一般可以通过备用化石能源或可再生能源制备燃料来应对。可再生能源制备燃料主要包括生物质制燃料、电解水制氢、电解水制氢加CO2制备清洁碳氢燃料、人工光合作用等方式，这种类型的储能属于化学储能领域，是解决大规模能量的跨周、跨月、跨季平移问题的主要方向。
随着可再生能源占比不断增大，惯量支撑（毫秒至秒级）、一次调频（数秒至分钟级）或二次调频需求（分钟至十分钟级）、小时级功率和能量调节、日内调峰、数日内（2~3天）调峰的储能需求量十分巨大。仅从功率响应特性和能量平移需求角度来讲，电池储能在这些方面均可发挥作用。然而，电池储能也存在明显的不足。首先，对于惯量支撑或一次调频的应用场景来说，需要储能系统频繁充放电，从而严重影响其使用寿命。在日内调峰或数日内调峰应用方面，与抽水储能系统、储热发电、压缩空气储能等物理储能相比，电池储能的综合性能（提供旋转惯量、环保性、安全性、经济性等）仍有较大差距。目前，锂离子电池是使用最多的电化学储能，但存在较大安全隐患，锂资源也较为有限。综合多方面的分析认为，电池储能在紧急功率支撑、小时级储能（1~4h）或分布式储能方面具有较大的优势。
物理储能包括抽水蓄能、压缩空气储能、重力储能、飞轮储能、超级电容器储能、超导储能、显热储热、相变储热等。物理储能的共同特点是使用寿命长、环境友好、报废后处理简单容易。在惯量支撑或一次调频应用场景，飞轮储能和超级电容器储能都是优选方案。
抽水蓄能具备惯量支撑、黑启动、调频、调相、调峰等多方面的综合优势，是建设以新能源为主体的新型电力系统中最为理想的储能方式之一。然而常规抽水蓄能资源不足，发展地下抽水蓄能等新型抽水蓄能，可以大大拓展抽水蓄能的站点资源，且具有与常规抽水蓄能基本相当的经济性，因而将成为抽水蓄能的重要发展方向；同时，高水头抽水蓄能电站、大规模跨季节抽水蓄能电站也日益受到关注。
在日内调峰方面，压缩空气储能也是较好的储能系统。当前，依靠盐穴等天然洞穴作为储气室的压缩空气储能具有良好的经济性，已经得到了较为广泛的应用。为拓展压缩空气储能的资源，基于人工硐室的压缩空气储能近年来也开展了应用示范。基于高水头的恒压压缩空气储能，可有效提高储气硐室的储能利用率和系统能量转化效率，近年来也日益受到关注。此外，作为压缩空气储能的相近技术方案，压缩二氧化碳储能、液态空气储能也取得了良好的发展。
随着储能需求的快速增长，人们在不断探索各种新型储能的同时，重力储能这类传统机械储能系统近年来也重新受到广泛关注。依托垂直竖井、斜坡和人造建筑物形成落差的各种重力储能系统的研究和示范项目越来越多。
热能在终端能源中的占比超过50%以上，当前主要依靠化石能源来供应。随着碳中和目标的实施，供热用热低碳化也是物理储能的重要发展方向。为此，加快热储能技术的研究发展也成为当前的重要任务。热储能形式多样，电加热储能（熔盐储热、固体储热）、相变储热、冰蓄冷、跨季节储热采暖等都得到了较快的发展。其中，电加热熔盐储热还可与火电机组（煤电、气电、燃气-蒸汽联合循环、太阳能光热发电等）有机结合起来，或直供汽轮机组发电，是实现日内调峰和数日内调峰的重要储能技术方向。
诚然，解决可再生能源规模化并网与消纳利用，需要有机融合多种形式储能系统的功能特点，使混合储能系统耦合新能源发电系统具备等效为常规火电机组所具有的各种特性，从而新能源电力系统面临的各种问题提供解决方案，但物理储能将以其良好的安全性、环保性、经济性、长寿命、可用资源可拓展性、可为电网提供机械惯量等综合优势，必将在新能源和新型电力系统建设中发挥关键作用。
以上就是开设物理储能专刊的原因。
专刊特邀主编
肖立业
2025年8月22日
