本文首先,分析比較了各類儲能技術(shù)的優(yōu)勢和價值。其次,對我國國家層面的儲能相關(guān)政策進行了梳理和解讀。最后,根據(jù)儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,為儲能在電力系統(tǒng)的應用提供發(fā)展建議。

1新型儲能技術(shù)綜述

目前,儲能已逐漸被各國所應用,以促進“碳中和”目標的實現(xiàn)。而新型儲能技術(shù)將有效提高風、光等可再生能源的消納水平,是促進可再生能源替代傳統(tǒng)能源的重要技術(shù)。

盡管受到了新一輪疫情和供給不足的雙重影響,全球新型儲能市場仍繼續(xù)快速發(fā)展。經(jīng)統(tǒng)計,2021年世界范圍內(nèi)新加入運營使用的與電力系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的儲能項目裝機規(guī)模已有18.3GW,較上年同期增加185%。

值得注意的是,近幾年剛問世的儲能技術(shù)在新增項目中占比多,高達10.2GW,是上年同期數(shù)據(jù)的2.2倍,并較上年同期增加了117%。

1.1儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

顧名思義,儲能技術(shù)是通過化學或物理方法將所生產(chǎn)的能量先用某種適合的技術(shù)儲存下來,再在現(xiàn)實生活中需要使用某種能量時將其釋放,供需要運轉(zhuǎn)的設(shè)備使用。

而更廣泛的儲能則是利用特殊的媒介與裝置,將電能、熱能、機械能等特殊的能量用不同的方式或者技術(shù)儲存在特定的設(shè)備中。在未來出現(xiàn)這種特定能量的使用情景時,可以根據(jù)當時的具體情況,釋放出不同種類的能量以供使用。儲能類型分類如圖1所示。

由圖1可知,儲能的方式有很多種。本文重點介紹電儲能中常用的電化學儲能和機械儲能。作為與人們?nèi)粘Ｉ罱咏野l(fā)展較為成熟的儲能技術(shù),電化學儲能一般都與二次電池息息相關(guān)。

手機中的鋰離子電池、家用電器中使用的鉛酸蓄電池都是電化學儲能技術(shù)在日常生活中的體現(xiàn)。而作為應用廣泛的儲能技術(shù),機械儲能技術(shù)對社會經(jīng)濟發(fā)展作出了很大貢獻。

當前,有以抽水蓄能為代表的傳統(tǒng)機械儲能技術(shù)為人們提供高質(zhì)量的電能。放眼未來,壓縮空氣儲能和飛輪儲能將不斷豐富機械儲能技術(shù)形式。

①電化學儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。

“十三五”期間,我國電化學儲能技術(shù)經(jīng)過國家政策的鼓勵和科技工作者們的刻苦鉆研,已越發(fā)成熟。通過查閱相關(guān)報告可知,截至2020年底,全世界已建成的儲能工程累計裝機規(guī)模達到191.1GW,較上年同期增加3.4%。

在這些項目中,以鋰電池為代表的電化學儲能增長勢頭強勁。中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟報告稱,盡管受到了疫情的沖擊,但儲能的需求依然在逐步復蘇。新建的儲能建設(shè)工程以電化學儲能為例。該類型儲能的裝機規(guī)模創(chuàng)造了每年4.7GW的歷史新高,高于上年同期1.6倍。

據(jù)CNESA報告,在2020年,電化學儲能的累計裝機容量高達14.2GW,在諸多儲能技術(shù)中居第二,僅落后于發(fā)展較早的抽水蓄能。而電化學儲能技術(shù)成熟,應用廣泛的鋰離子電池的裝機規(guī)模已經(jīng)高達13.1GW。

2015—2020年,在系統(tǒng)穩(wěn)定性、能量密度、成本、市場發(fā)展路徑等方面,鋰離子電池都被認為是各項電化學儲能技術(shù)中更值得去深入研究的。

在2021年,磷酸鐵鋰電池的成本已達到1.5元/(W·h)。隨著電池制造和存儲設(shè)備的價格逐漸降低,這將成為一個有著巨大潛力的市場。因此,在當前的電化學儲能領(lǐng)域,鋰電產(chǎn)業(yè)是極具發(fā)展前景的。

儲能電池優(yōu)缺點分析如表1所示。

由表1可知,雖然與生活中常見的鉛酸電池相比,鋰離子電池價格仍然很高,但使用壽命更長、能量密度較高、清潔無污染等優(yōu)勢也是鉛酸電池所不具有的。與最近才投入使用的鈉離子電池相比,鋰離子電池在循環(huán)壽命上有顯著的優(yōu)勢。

②機械儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù),我國目前已經(jīng)開始使用的電力儲能工程累計裝機規(guī)模已達到46.1GW,和往年相比增加了30%。放眼世界,中國的儲能市場也不可小覷,在世界市場上的占比達到了22%。

作為發(fā)展歷史悠久、技術(shù)成熟的機械儲能技術(shù),抽水蓄能累計裝機規(guī)模名列前茅,達到了39.8GW,較上年同期增加25%。中國是全球抽水蓄能電站在建規(guī)模居前的國家。

隨著用電量的不斷增加,為了滿足社會日益增長的用電量需求,未來幾年我國的清潔能源裝機容量會越來越多,勢必帶來大規(guī)模清潔能源接入電網(wǎng)所引發(fā)的一系列問題。

為此,“十四五”期間,國家電網(wǎng)公司規(guī)劃了超過20GW的抽水蓄能項目,到2030年運行裝機將超過70GW。隨著我國電力行業(yè)的迅速發(fā)展,抽水蓄能的建設(shè)將在應對清潔能源接入電網(wǎng)所導致的電力系統(tǒng)防護能力降低問題方面起到積極作用,為建立一個穩(wěn)定、強大的電力系統(tǒng)創(chuàng)造條件。

由于抽水蓄能受地域條件的限制,為了推進儲能產(chǎn)業(yè)的多樣化發(fā)展,人們將目光轉(zhuǎn)向了另外一種新型儲能技術(shù)———壓縮空氣儲能。壓縮空氣儲能是建立在燃氣渦輪機發(fā)展基礎(chǔ)上的技術(shù),已在德國和美國得到使用。

而在2021年,我國新型儲能新增規(guī)模突破2GW,達到2.4GW。在比去年同期增加了54%的背景下,壓縮空氣儲能也實現(xiàn)了百兆瓦級項目并網(wǎng)運行。

飛輪儲能技術(shù)具有使用壽命較長、儲能密度較高等特點,再加上充放電次數(shù)不受限制,在近幾年的發(fā)展中得到了廣泛的應用。

這項技術(shù)是在1950年左右發(fā)明的。將該技術(shù)由理論轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實的是當前廣受歡迎的電動汽車。1990年以來,由于飛輪儲能所需的材料開始普及,再加上支撐飛輪儲能發(fā)展技術(shù)的成熟,飛輪儲能技術(shù)開始在儲能領(lǐng)域大展身手,率先在電網(wǎng)側(cè)儲能領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)應用。

1.2儲能技術(shù)應用現(xiàn)狀

①電化學儲能技術(shù)應用現(xiàn)狀。

2021年,新型儲能的總裝機規(guī)模達到25.4GW,較上年同期增加67.7%,而鋰離子電池在全球市場的占有率高達90%以上。

2022年4月7日,國家新公布了一批鋰電儲能項目,主要包括位于青島市的大唐黃島發(fā)電有限責任公司100MW·h/200MW·h儲能電站項目、位于濟南市的華能萊蕪儲能電站100MW·h/200MW·h一期項目以及位于煙臺市的100MW·h/200MW·h集中式共享儲能電站等一系列鋰離子電池類項目。

寧德時代在晉江建成的36MW·h/108MW·h基于鋰補償技術(shù)的磷酸鐵鋰儲能電池的使用壽命可達10000次,并在福建省的調(diào)峰工程中得到良好的使用。

鉛酸電池雖然放電能力差,但具有技術(shù)先進、價格低廉、安全性高等優(yōu)點,且回收率高、對環(huán)境要求較低,還有較長的充電時間和使用時間。

鉛酸電池主要有以下四類:動力電池主要用于各種電動車的電動能源;儲能電池主要用于風能、太陽能等可再生能源發(fā)電的電能儲存;備用電源電池主要用作通信、智能樓宇、計算機系統(tǒng)的保護電源;啟動電池主要用于汽車的啟動和照明。

2020年并網(wǎng)的雉城(金陵變)12MW·h/48MW·h鉛炭儲能工程已經(jīng)投入使用。相比鋰離子電池的高能量密度和日益成熟的技術(shù)工藝,鈉離子電池想要被推廣使用還有一段很長的路要走。

但是豐富的鈉資源儲備、良好的低溫特性和快速的充放電能力,使鈉離子電池在儲能方面的能力引起了廣泛重視。2015年,我國研制出了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的鈉離子電池;2019年,鈉離子電池儲能電站在江蘇投入運營;2021年,1MW·h鈉離子電池示范工程在山西太原順利投入運行。

②機械儲能技術(shù)應用現(xiàn)狀。

2021年,我國新增加投入使用的電力儲能項目裝機規(guī)模已經(jīng)達到了10.5GW。其中增加較多的是抽水蓄能,達到了8GW,較上年同期增加437%。

放眼全球,坐落在中國河北承德的豐寧抽水蓄能電站總裝機規(guī)模3.6GW,年設(shè)計發(fā)電量66.12億千瓦時,年抽水電量87.16億千瓦時,在裝機容量、儲能規(guī)模、地下廠房等方面均領(lǐng)先于全球。

2021年,我國共有梅州、陽江等8座抽水蓄能電站建成并投入運行。梅州蓄能電站主體結(jié)構(gòu)不僅施工時間短,而且將三導軸承擺度精度精確至0.05mm;陽江蓄能電站已建成40萬千瓦級單機容量,700m高水頭抽蓄機組全部自主生產(chǎn),并擁有800m級水頭的鋼筋混凝土襯砌水道。

壓縮空氣儲能在2021年迎來了發(fā)展機遇期,新增投運規(guī)模170MW,是上年同期的15倍。鹽穴壓縮空氣儲能作為借助鹽穴儲能的儲能技術(shù),通過空氣的擠壓和放出以實現(xiàn)電能的貯存和利用。

雖然我國擁有較多的鹽礦資源,但是由于開始研究該項技術(shù)的時間較晚,鹽穴地下儲庫的數(shù)目和建造工藝依舊落后于西方。中國科學院工程熱物理所于2021年8月在山東肥城成功建設(shè)了10MW鹽穴先進壓縮空氣儲能商業(yè)示范電站,已成功完成了項目驗收并正式并網(wǎng)發(fā)電商業(yè)運行,系統(tǒng)效率達到60.7%。

江蘇金壇已建成60MW·h/300MW·h鹽穴壓縮空氣儲能示范工程,在2021年10月開展了并網(wǎng)試驗。飛輪儲能對環(huán)境要求較小。由于其不受環(huán)境的影響,在短時高頻領(lǐng)域有著良好的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

國家能源集團寧夏電力靈武公司光火儲耦合22MW·h/4.5MW·h飛輪儲能項目于2011年11月10日開工。這是我國首個全容量飛輪儲能-火電聯(lián)合調(diào)頻項目,實現(xiàn)了大功率飛輪單體工程應用。2022年4月11日,青島在地鐵中運用了1MW飛輪儲能裝備。這套儲能裝置由我國自主研制,對突破國外對我國的技術(shù)封鎖具有重要意義。

2國家級儲能相關(guān)政策梳理與解讀

縱觀國內(nèi)儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況可知,在調(diào)頻、調(diào)峰、需求響應等領(lǐng)域,儲能行業(yè)的發(fā)展已初步具備了經(jīng)濟性。回顧過去五年來我國儲能行業(yè)的重大政策,不難發(fā)現(xiàn)我國儲能行業(yè)想持續(xù)發(fā)展,必須要有相應的政策導向。

2.1關(guān)于促進儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見

2017年10月,國家發(fā)改委、財政部、科技部、工信部、能源局共同頒布了《關(guān)于促進儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》。

該政策主要是為了解決目前國內(nèi)儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中遇到的一些問題,涉及研發(fā)、政策、技術(shù)等領(lǐng)域,指出了儲能在清潔能源接入電網(wǎng)等方面的應用意義,并對未來10年中國儲能技術(shù)的發(fā)展與應用提出了要求:推進儲能技術(shù)裝備研發(fā)示范、推進儲能提升可再生能源利用水平應用示范、推進儲能提升電力系統(tǒng)靈活性穩(wěn)定性應用示范、推進儲能提升用能智能化水平應用示范、推進儲能多元化應用支撐能源互聯(lián)網(wǎng)應用示范。

與此同時,由于中國儲能行業(yè)正朝著規(guī)模化方向發(fā)展,在發(fā)展過程中諸如系統(tǒng)標準、安全環(huán)保規(guī)范等方面的問題日益嚴重。《指導意見》在儲能項目管理方面要求:針對獨立的儲能項目,除《政府核準的投資項目目錄》已有規(guī)定的儲能項目,全部采取備案制,按照屬地原則備案,備案機關(guān)及其權(quán)限由省、自治區(qū)、直轄市和計劃單列市人民政府規(guī)定;

在儲能系統(tǒng)回收方面,要求落實生產(chǎn)者責任延伸制度,建立儲能系統(tǒng)制造商承擔回收利用主體責任的回收利用管理體系;在產(chǎn)品標準和檢測認證方面,提出建立與國際接軌,并且涵蓋儲能規(guī)劃設(shè)計、設(shè)備及試驗、施工及驗收、并網(wǎng)及檢測、運行與維護等各應用環(huán)節(jié)的標準體系,實施全壽命周期監(jiān)管和召回制度。

《指導意見》還提出了將儲能技術(shù)從研究開發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)業(yè)化的初級階段,并將其分為兩大階段:一是將儲能技術(shù)從研究成果階段過渡到商業(yè)化初期階段;二是將其從商品化初期階段轉(zhuǎn)化為大規(guī)模生產(chǎn)階段,將重點支持以高性能鉛碳電容電池儲能系統(tǒng)為代表的多種儲能技術(shù)和眾多大型儲能試點示范項目。

但是,《指導意見》在宏觀層面的儲能發(fā)展策略還有待進一步的改進。《指導意見》缺乏對主要儲能技術(shù)的關(guān)鍵性指標(如能量轉(zhuǎn)化效率等)的趨勢預測和目標制定;而在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)方面,存在著對新能源在消納、調(diào)峰、調(diào)頻等方面未來的需求預測能力不夠等問題。這些不足將會在以后出臺的相關(guān)政策中加以補充和改進。

3未來儲能行業(yè)發(fā)展建議

2021—2025年這五年將是儲能發(fā)展的黃金時期。為此,本文在細致分析、認真梳理了我國現(xiàn)有的儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,并充分解讀國家歷年來發(fā)布的與儲能相關(guān)政策的基礎(chǔ)上,對我國儲能發(fā)展提出以下建議。

從政策保障角度看,五年來,從《關(guān)于促進儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》出臺,到《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》發(fā)布,在國家相關(guān)政策大力支持下,我國儲能產(chǎn)業(yè)正朝著多元化、高質(zhì)量方向發(fā)展。

但在儲能商業(yè)化發(fā)展進程中,發(fā)展道路依舊被尚未掌握的核心技術(shù)、尚不完善的電力市場、未能修正的價格機制等問題所阻礙,還需要國家根據(jù)儲能標準體系和主要應用場景制定相關(guān)政策,從而推動構(gòu)建良性循環(huán)的儲能行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。

從技術(shù)研發(fā)角度看,我國的儲能行業(yè)技術(shù)研發(fā)要結(jié)合當前發(fā)展階段對分布式能源、廣受歡迎的純電力汽車、日漸成熟的微電網(wǎng)和智能電網(wǎng)技術(shù)等方面的需求,針對儲能商業(yè)與示范過程中的核心技術(shù)和未掌握的瓶頸技術(shù)。

例如抽水蓄能電站地理條件受限程度大和建設(shè)周期長、壓縮空氣儲能電站依賴儲氣室、氫儲能技術(shù)中的“電-氫-電”轉(zhuǎn)換效率低于鋰離子電池等能夠顯著提升技術(shù)經(jīng)濟性以及能夠引領(lǐng)未來儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)問題,進行重點研發(fā)。

從儲能創(chuàng)新角度看,在面臨電網(wǎng)調(diào)峰、電網(wǎng)平衡、電網(wǎng)安全等諸多問題的同時,單一電廠的儲能模式已無法滿足電網(wǎng)的需求,而整合電網(wǎng)側(cè)、電源側(cè)、用戶側(cè)三個方面資源的儲能電站,推動源網(wǎng)荷各端儲能能力全面釋放的共享儲能為當前困局的破解帶來了希望。

目前,提升儲能的共享性是發(fā)展共享儲能的首要任務。要確保儲能企業(yè)和新能源發(fā)電企業(yè)或用戶之間的交易制度盡早建立,重點支持發(fā)展“云大物移智鏈”技術(shù),協(xié)調(diào)控制技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù),促使更多種類的商業(yè)模式出現(xiàn),保障儲能產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展。

4結(jié)論

近年來,我國儲能技術(shù)得到快速發(fā)展,儲能產(chǎn)業(yè)規(guī)模在國家政策支持下迅猛擴大。從電化學儲能技術(shù)角度來看,鋰離子電池研究和利用都有了長足的進步,在大規(guī)模儲能領(lǐng)域有很好的發(fā)展前景。

而在機械儲能技術(shù)方面,抽水蓄能電站由于其壽命長、安全性高等優(yōu)勢,仍然是當前電力系統(tǒng)常用的儲能技術(shù)。

在清潔能源大規(guī)模接入電網(wǎng)以及用電量激增的新形勢下,積極開發(fā)新能源,將原來的能源結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整,使其成為更有利于新型電力系統(tǒng)形成的能源結(jié)構(gòu)布局,推動社會經(jīng)濟朝著無污染、低碳方向轉(zhuǎn)型發(fā)展,儲能技術(shù)將會得到廣泛的發(fā)展已是大勢所趨。

可以預見的是,隨著儲能技術(shù)的進一步成熟、成本的進一步下降,以及市場回報機制的進一步明確和完善,儲能將在新型電力系統(tǒng)的建設(shè)中扮演更加重要的角色。

資料來源：支撐新型電力系統(tǒng)的儲能技術(shù)綜述與政策解讀；作者：孫偉卿,王思成,劉宇宸

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