隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，以風(fēng)電光伏為主的可再生能源逐漸成為新型能源體系的重要組成部分。根據(jù)國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年我國(guó)風(fēng)電、光伏新增裝機(jī)在1.2億千瓦以上，累計(jì)裝機(jī)超7億千瓦，2022年風(fēng)電、光伏新增裝機(jī)占全國(guó)新增裝機(jī)的78%，新增風(fēng)電光伏發(fā)電量占全國(guó)新增發(fā)電量的55%以上。然而，風(fēng)電、光伏具有波動(dòng)性、間歇性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，其大規(guī)模裝機(jī)使得電力系統(tǒng)凈負(fù)荷在短時(shí)(秒至分鐘)、長(zhǎng)時(shí)(小時(shí)到日)和超長(zhǎng)時(shí)(周、月、年)波動(dòng)各異，需要電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)頻、日內(nèi)調(diào)峰和季節(jié)性調(diào)峰。因此，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)負(fù)荷平衡，有效平抑新能源并網(wǎng)波動(dòng)，促進(jìn)可再生能源消納。
新能源消納催生儲(chǔ)能需求
目前，“新能源+儲(chǔ)能”成為新能源行業(yè)重要發(fā)展模式，國(guó)內(nèi)多個(gè)省市也出臺(tái)了新能源配置儲(chǔ)能文件，對(duì)風(fēng)電光伏配儲(chǔ)提出明確要求，配儲(chǔ)比例多在10-15%，時(shí)長(zhǎng)多為2小時(shí)。隨著新能源發(fā)電量占比的進(jìn)一步提升，新能源配儲(chǔ)將成為解決新能源消納及維持電網(wǎng)穩(wěn)定性的主流模式。具體來(lái)說(shuō)，在發(fā)電側(cè)，儲(chǔ)能可參與到可再生能源并網(wǎng)、電力調(diào)峰、系統(tǒng)調(diào)頻與輔助動(dòng)態(tài)運(yùn)行等場(chǎng)景。在電網(wǎng)側(cè)，儲(chǔ)能可起到支撐電力保供、提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力以及支撐新能源高比例外送等作用。在用戶側(cè)，儲(chǔ)能可用于提高電力自發(fā)自用水平、進(jìn)行峰谷價(jià)差套利、容量電費(fèi)管理以及提高電能質(zhì)量等。
新型儲(chǔ)能技術(shù)多元化發(fā)展
在各類儲(chǔ)能技術(shù)當(dāng)中，抽水蓄能技術(shù)成熟可靠、全生命周期儲(chǔ)能成本低，是當(dāng)前儲(chǔ)能裝機(jī)主力。2021年9月國(guó)家能源局發(fā)布的《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》中指出，2025年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較“十三五”翻一番，達(dá)到6200萬(wàn)kW以上;到2030年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較“十四五”再翻一番，達(dá)到1.2億kW左右。
根據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2022年底，我國(guó)已投運(yùn)的儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)達(dá)59.4GW，同比增長(zhǎng)37%。其中，抽水蓄能仍占據(jù)最大比重，累計(jì)裝機(jī)達(dá)46.1GW。然而，抽水蓄能電站存在廠址選擇不靈活、建設(shè)投資規(guī)模大、建設(shè)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足新能源裝機(jī)快速上漲的需求以及新型電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能靈活配置與多元化的要求。因此，新型儲(chǔ)能技術(shù)有望在“十四五”和“十五五”期間與抽水蓄能一起在各類源網(wǎng)荷場(chǎng)景下發(fā)揮電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)與安全保障作用。CNESA統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2022年國(guó)內(nèi)新增規(guī)劃在建的新型儲(chǔ)能項(xiàng)目規(guī)模達(dá)到101.8GW/259.2GWh，且大部分項(xiàng)目都將在1-2年內(nèi)完工并網(wǎng)，預(yù)計(jì)“十四五”期間，新型儲(chǔ)能年復(fù)合增速保持在55-70%之間。
新型儲(chǔ)能技術(shù)總體可以分為化學(xué)儲(chǔ)能和物理儲(chǔ)能，前者包括鋰離子電池、液流電池、鈉離子電池和氫儲(chǔ)能等;后者主要包括壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和重力儲(chǔ)能等。在新型儲(chǔ)能技術(shù)中，目前鋰離子電池仍占據(jù)絕對(duì)地位，鉛炭電池技術(shù)較為成熟且成本低，在備用電源中占有一定市場(chǎng)份額。鈉離子電池、液流電池、壓縮空氣、重力儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能等其他新型儲(chǔ)能技術(shù)尚處于發(fā)展初期。未來(lái)，隨著安全性、度電成本、初始投資成本以及循環(huán)壽命等方面的改進(jìn)，新型儲(chǔ)能技術(shù)有望在“十四五”期間實(shí)現(xiàn)突破發(fā)展。
隨著國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，鋰離子電池已經(jīng)形成完備產(chǎn)業(yè)鏈，在儲(chǔ)能領(lǐng)域適用于短時(shí)與中長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。未來(lái)仍需要通過(guò)電池材料、電芯結(jié)構(gòu)、PACK工藝等方面的改善實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能鋰電池性能與安全雙升，包括但不限于磷酸錳鐵鋰材料、正極補(bǔ)鋰技術(shù)、刀片電池、4680大圓柱電池等材料與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。未來(lái)隨著固態(tài)電池技術(shù)的開(kāi)發(fā)與成功，將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)400-500Wh/kg的能量密度以及高安全性。
鉛炭電池在鉛酸電池負(fù)極中加入活性炭，為一種電容型鉛酸電池，使其在鉛酸電池原有功率密度基礎(chǔ)上，大幅改善充放電性能。同時(shí)，鉛炭電池安全可靠，度電成本低，鉛易回收循環(huán)，是當(dāng)前相對(duì)經(jīng)濟(jì)可行的電力儲(chǔ)能技術(shù)路線之一，適用于大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能場(chǎng)景。
液流電池是一種將活性物質(zhì)存在于液態(tài)電解質(zhì)中的電池技術(shù)。與鋰離子電池相比，具有安全性高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、電解液可循環(huán)再生利用等優(yōu)勢(shì)，是大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)之一。然而，液流電池在性能上存在能量密度低、儲(chǔ)能效率低、初始投資成本高等問(wèn)題，需要進(jìn)行離子交換膜、雙極板、石墨氈等關(guān)鍵材料的開(kāi)發(fā)以及鐵鉻與鋅溴液流電池體系的示范推廣，以期降本增效。
鈉離子電池儲(chǔ)能機(jī)理與產(chǎn)業(yè)鏈與鋰離子電池相似，能量密度接近磷酸鐵鋰電池，可替代部分鐵鋰電池儲(chǔ)能場(chǎng)景。但其產(chǎn)業(yè)化布局仍處于初期階段，需要正負(fù)極材料體系、電解液與集流體的調(diào)試與改善，并完善產(chǎn)業(yè)鏈配套。未來(lái)憑借其豐富原料來(lái)源與工藝成熟，有望在儲(chǔ)能領(lǐng)域嶄露頭角。
氫儲(chǔ)能通過(guò)利用間歇波動(dòng)、富余電力制得氫氣進(jìn)行儲(chǔ)存，電力輸出不足時(shí)，通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)或燃料電池發(fā)電供給電力，是跨周期、大規(guī)模理想儲(chǔ)能形式，相比于電池儲(chǔ)能方式具有容量增減適應(yīng)性強(qiáng)、儲(chǔ)能成本低等優(yōu)勢(shì)。但由于全過(guò)程包括制氫和發(fā)電兩次能量轉(zhuǎn)化，能量整體利用效率偏低，目前總體經(jīng)濟(jì)性較差。未來(lái)需要在電解制氫與氫發(fā)電環(huán)節(jié)通過(guò)技術(shù)突破以提高轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)需要發(fā)展利用高能量密度的儲(chǔ)氫形式，以解決大規(guī)模儲(chǔ)氫占地面積大、容器要求高等難點(diǎn)。
物理儲(chǔ)能技術(shù)方面，壓縮空氣儲(chǔ)能是指在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將電能用于壓縮空氣，在高峰期釋放壓縮空氣推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電的儲(chǔ)能方式，適用于大功率、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能場(chǎng)景。未來(lái)需要進(jìn)一步攻關(guān)大排量、高壓力、高效率的壓縮機(jī)與透平機(jī)，不斷提升儲(chǔ)能效率，實(shí)現(xiàn)百兆級(jí)示范項(xiàng)目落地。固體重力儲(chǔ)能類似于抽水儲(chǔ)能，通過(guò)電力將重物提升至高處儲(chǔ)存重力勢(shì)能，通過(guò)重物下落將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能。其具有安全性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)、低成本等特性，有望同鋰電池儲(chǔ)能與抽水蓄能形成互補(bǔ)。當(dāng)前固體重力儲(chǔ)能仍需要不斷驗(yàn)證、解決系統(tǒng)自動(dòng)化穩(wěn)定運(yùn)行等問(wèn)題，并不斷降低綜合造價(jià)，提升能量轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)擴(kuò)展性。飛輪儲(chǔ)能是指利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，再用飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的儲(chǔ)能技術(shù)，具有響應(yīng)快、高功率、長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)，適用于短時(shí)大能量?jī)?chǔ)能場(chǎng)景，包括高鐵動(dòng)能回收、航母飛機(jī)彈射器、航天發(fā)射器等。我國(guó)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)相對(duì)歐美日落后，設(shè)備依賴進(jìn)口，未來(lái)需要各方協(xié)同，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的彎道超車。
新型儲(chǔ)能有望“十四五”期間實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用
儲(chǔ)能技術(shù)是新能源規(guī)模化發(fā)展的重要配套基礎(chǔ)設(shè)施。“十三五”期間，隨著國(guó)家政策引導(dǎo)和產(chǎn)業(yè)持續(xù)投入，我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展迅速，鋰離子電池、液流電池、鈉離子電池、鉛蓄電池、壓縮空氣等儲(chǔ)能技術(shù)已接近國(guó)際先進(jìn)水平。“十四五”期間，我國(guó)將持續(xù)堅(jiān)持創(chuàng)新引領(lǐng)，多元發(fā)展，積極推動(dòng)新型儲(chǔ)能技術(shù)開(kāi)發(fā)落地。
目前，新型儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展仍面臨鋰離子電池成本居高不下，新型儲(chǔ)能價(jià)格機(jī)制尚未確立、商業(yè)模式有待探索，新能源配儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)缺失，監(jiān)管難度大及國(guó)家法律層面支持力度不夠等問(wèn)題。在不同儲(chǔ)能場(chǎng)景層面，分秒級(jí)尺度的儲(chǔ)能技術(shù)基本上能夠滿足要求，而中長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)還存在一些缺口技術(shù)及安全性問(wèn)題。因此，中長(zhǎng)時(shí)間尺度的儲(chǔ)能技術(shù)和高比例可再生能源主動(dòng)支撐技術(shù)的發(fā)展和推廣，將是儲(chǔ)能行業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年百兆瓦級(jí)大規(guī)模儲(chǔ)能示范項(xiàng)目建設(shè)也將成為常態(tài)。同時(shí)，新型儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用需要結(jié)合新型電力系統(tǒng)實(shí)際需求，以提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、終端用戶用電可靠性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性為導(dǎo)向，完善法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、儲(chǔ)能價(jià)格機(jī)制與商業(yè)模式探索，因地制宜、循序漸進(jìn)，推進(jìn)新型儲(chǔ)能高質(zhì)量發(fā)展。
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評(píng)論