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2.2 2050年技術(shù)情景
2.2.1 常規(guī)模式
基于儲能技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,綜合考慮電力網(wǎng)絡(luò)多種能源互聯(lián)和需求側(cè)響應(yīng)等功能形態(tài)發(fā)展方向及能源革命需求等多方面因素,在常規(guī)發(fā)展模式下,預(yù)測2050年前儲能本體材料革新改進(jìn),成本將得到實質(zhì)突破;掌握壓縮(液化)空氣儲能技術(shù),儲能系統(tǒng)規(guī)模從百M(fèi)W級提升到10GW級,滿足全球能源互聯(lián)網(wǎng)清潔調(diào)頻、調(diào)峰等多樣化需求,相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表1所示。
1)儲能成為電力系統(tǒng)“發(fā)-輸-配-用”之外的第5環(huán)節(jié)。
2030年以前,大容量、低成本、長壽命、高安全儲能電池技術(shù)和低成本、高效率壓縮空氣儲能將初步實現(xiàn);儲能系統(tǒng)容量支撐電網(wǎng)消納非水可再生能源發(fā)電電量的比例達(dá)到10%,發(fā)-輸-配-用-儲的運(yùn)行模式在電力系統(tǒng)得到廣泛實現(xiàn),儲能資源的廣泛存在和靈活高效的特性大大改善電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度和管理能力,使電力供需從現(xiàn)在的瞬時平衡變成廣域時空下的長期平衡。
2)儲能應(yīng)用向用戶側(cè)緊湊型和系統(tǒng)級大型應(yīng)用發(fā)展。
隨著能源互聯(lián)體系的逐步建立,包含可再生能源的多種能源的互聯(lián)互補(bǔ)不僅改變電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)營模式,也將改變用戶的用電模式。在現(xiàn)有應(yīng)用于可再生能源的接入和消納之外,緊湊型儲能還將廣泛應(yīng)用于用戶側(cè)參與需求響應(yīng),提高用戶能效,滿足用戶多元化需求;同時,系統(tǒng)級大型儲能也將在電力網(wǎng)絡(luò)調(diào)峰、調(diào)頻服務(wù)中發(fā)揮重要作用,從系統(tǒng)規(guī)劃和調(diào)度管理層面實現(xiàn)資源利用最大化。
3)分布式儲能的規(guī)模化匯聚效應(yīng)凸顯。
伴隨用戶側(cè)分布式儲能的廣泛應(yīng)用以及電動汽車比例的持續(xù)快速增長,分布式儲能作為能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建的必要環(huán)節(jié),其規(guī)?；瘏R聚效應(yīng)逐步顯現(xiàn),通過統(tǒng)籌部署、協(xié)同管理充分挖掘其平衡能力,同時跟進(jìn)切實有效的商業(yè)運(yùn)行模式,促進(jìn)多種能源的開放互聯(lián)和供需各方的柔性互動。
2.2.2 突破模式
結(jié)合國內(nèi)外的基礎(chǔ)性前瞻性儲能本體技術(shù)發(fā)展趨勢,在突破模式下,預(yù)測2050年前,鋰空氣電池等高能量密度儲能應(yīng)用關(guān)鍵材料及本體制備技術(shù)實現(xiàn)實質(zhì)性突破;相變儲能技術(shù)實現(xiàn)低成本、高穩(wěn)定性和高能量密度等核心技術(shù)的突破;攻克新型氫能儲能及應(yīng)用關(guān)鍵材料及器件制備技術(shù)。儲能技術(shù)作為關(guān)鍵因素推動能源革命,掌握電網(wǎng)、氣網(wǎng)和熱力網(wǎng)等能源高效轉(zhuǎn)化及多時空協(xié)同控制技術(shù),實現(xiàn)以電為中心的不同能源網(wǎng)絡(luò)柔性互聯(lián)、調(diào)劑和聯(lián)合調(diào)控。
1)電動汽車等高密度分布式儲能使電網(wǎng)形態(tài)發(fā)生根本改變。
根據(jù)巴黎協(xié)定2050年全球溫升不超過2℃,國際能源署預(yù)測2050年電動汽車保有量須達(dá)10億輛。按照每輛車80kW•h計算,儲能容量將達(dá)800億kW•h,基本滿足2050年預(yù)期儲能需求(預(yù)計風(fēng)光等可再生能源發(fā)電量約1萬億kW•h,需配置不到10%的儲能,即1000億kW•h滿足消納需求)。鋰空氣電池等高密度儲能關(guān)鍵技術(shù)突破將使電動汽車占比超過90%,電動汽車?yán)m(xù)駛里程和充電速度將實現(xiàn)燃油車完全替代,靜態(tài)和移動分布式儲能接入使集中式的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)向分布式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,運(yùn)行管理方式隨之變化,傳統(tǒng)電網(wǎng)的形態(tài)發(fā)生根本改變。
2)相變儲能技術(shù)普及使能源互聯(lián)得以實現(xiàn)。
據(jù)統(tǒng)計,40%能源消費(fèi)用于溫度調(diào)節(jié),蓄冷/熱儲能與能源轉(zhuǎn)化技術(shù)是能源體系中的重要環(huán)節(jié)。熱相變儲能技術(shù)的突破和普及,將使能源互聯(lián)的實現(xiàn)成為可能。高溫儲熱系統(tǒng)釋能控制及調(diào)節(jié)技術(shù)得到突破,復(fù)合型高溫相變儲熱材料及大容量規(guī)?；瘍嵫b置裝備在建筑物的溫度調(diào)節(jié)和能源系統(tǒng)得到普及,實現(xiàn)高溫儲熱技術(shù)在太陽能光熱電站的技術(shù)應(yīng)用;基于化學(xué)儲熱的儲熱關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)突破和普及,高效高儲能密度的儲熱裝置在用戶側(cè)得到普及,實現(xiàn)化學(xué)儲熱技術(shù)應(yīng)用于可再生能源制熱-儲熱電站。
3)氫儲能的普及將實現(xiàn)多類型能源的廣泛利用和靈活轉(zhuǎn)變。
氫儲能技術(shù)的發(fā)展完善將帶來氫能利用比例在能源存儲與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中實現(xiàn)普及,不同能源形式下各種儲能方式共存,用能需求多樣化。能源轉(zhuǎn)換和控制運(yùn)行由單一功能向融合多能源+新型用電等多元復(fù)合功能過渡,呈現(xiàn)分散自治和集中協(xié)調(diào)相結(jié)合的模式。電網(wǎng)通過氫儲能和P2G技術(shù)實現(xiàn)多種能源方式的轉(zhuǎn)換與存儲,改善調(diào)控手段等方式促進(jìn)可再生能源的利用;可再生能源發(fā)電配合儲氫裝置,成為可調(diào)度、可預(yù)測、可控制的電源;實現(xiàn)終端用戶供用電關(guān)系轉(zhuǎn)換、用能設(shè)備的能量緩沖、靈活互動以及智能交互;廣泛存在氫動力電動汽車資源為氫能接入提供重要的支持。
3 關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)路徑
3.1 關(guān)鍵技術(shù)
在儲能系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)理論方面,研究廣域布局的儲能系統(tǒng)與常規(guī)電源、新能源發(fā)電的協(xié)同調(diào)度方法;掌握多個百M(fèi)W級儲能在新能源發(fā)-輸-配各環(huán)節(jié)中的規(guī)劃布局方法;研究新型技術(shù)與供電商業(yè)模式下儲能的選型配置方法和經(jīng)濟(jì)性;分布式儲能系統(tǒng)的匯聚效應(yīng)及在虛擬電廠中的運(yùn)行模式和管理策略。研究儲能技術(shù)實現(xiàn)市場化應(yīng)用的政策和制度需求,包括促進(jìn)儲能發(fā)展的電價機(jī)制、準(zhǔn)入制度及電力市場機(jī)制;研究多種類電力市場交易下儲能與其他能源的協(xié)調(diào)運(yùn)作機(jī)制。
在儲能本體技術(shù)研究方面,研究針對現(xiàn)有體系下鋰離子、鉛炭、液流等儲能電池的關(guān)鍵材料改性、本體改進(jìn)、低成本化制備、能效提升和產(chǎn)業(yè)化技術(shù),研究基于離子液體、固態(tài)電解質(zhì)的高安全性電池材料體系和液流電池低成本高可靠膜制備技術(shù);研究空氣壓縮機(jī)和膨脹機(jī)技術(shù),研究儲冷儲熱和儲氣技術(shù),提高轉(zhuǎn)換效率,降低成本。針對下一代儲能技術(shù),研究鋰硫、鋰空氣等新型高比能量電池技術(shù);研制高效制氫及氫發(fā)電裝備,突破低成本、高效率和規(guī)?；瘍浼夹g(shù);研發(fā)大容量高溫高能量密度儲熱儲冷技術(shù)裝備,突破熱相變儲能關(guān)鍵技術(shù)。
在儲能系統(tǒng)集成及工程化技術(shù)研究方面,研究適用于百M(fèi)W級儲能電站集成與控制技術(shù)研究及工程示范;開發(fā)儲能系統(tǒng)的虛擬電廠匯聚效應(yīng)控制技術(shù);探索多個百M(fèi)W級儲能在新能源發(fā)-輸-配各環(huán)節(jié)中的廣域規(guī)劃布局方法;基于新型器件、拓?fù)浼翱刂品椒ǖ膬δ茏兞髌餮兄?研究規(guī)?；荽卫秒姵氐闹亟M、集成和熱疏導(dǎo)等安全管理技術(shù);研究儲氫系統(tǒng)的集成及工程應(yīng)用技術(shù);掌握相變儲能系統(tǒng)的集成及工程應(yīng)用技術(shù);研究飛輪儲能系統(tǒng)的集成及工程應(yīng)用技術(shù);海水抽水蓄能的集成及工程應(yīng)用技術(shù);研究深冷儲能系統(tǒng)集成與試驗技術(shù)。
3.2 實現(xiàn)路徑
儲能技術(shù)發(fā)展及推廣應(yīng)用可分3個階段。第1階段(2017—2030年)是關(guān)鍵技術(shù)突破及商業(yè)應(yīng)用階段。突破現(xiàn)有體系下的儲能本體制造、能量轉(zhuǎn)換及規(guī)?；傻汝P(guān)鍵技術(shù),研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的GW級儲能系統(tǒng),實現(xiàn)多個GW級儲能系統(tǒng)在用戶側(cè)和間歇式可再生發(fā)電接入電網(wǎng)中的示范應(yīng)用,提出大規(guī)模儲能系統(tǒng)并網(wǎng)接入技術(shù)規(guī)范。
第2階段(2030—2040年)是大規(guī)模推廣和下一代技術(shù)攻關(guān)階段。完善GW級儲能裝置的研制,并推廣GW級儲能裝置在電力調(diào)峰、可再生能源大規(guī)模接入、提高供電可靠性和電能質(zhì)量等場合的應(yīng)用。突破鋰空氣、儲氫、熱相變等下一代儲能關(guān)鍵技術(shù),并逐步開展示范應(yīng)用。
第3階段(2040—2050年)是全面推廣應(yīng)用階段。電化學(xué)儲能、壓縮空氣、熱相變和儲氫等不同類型的大容量電網(wǎng)儲能技術(shù)得到推廣應(yīng)用。高比能電動汽車移動式鋰空氣儲能、家庭分散儲能裝置等實現(xiàn)“即插即用”。實現(xiàn)多種儲能方式的協(xié)調(diào)互補(bǔ)和統(tǒng)一規(guī)劃調(diào)控。大規(guī)模儲能關(guān)鍵技術(shù)突破的總體思路見圖3。
在充分評估該技術(shù)領(lǐng)域我國現(xiàn)有水平和國內(nèi)相關(guān)科研工作的基礎(chǔ)上,參考國外儲能技術(shù)相關(guān)技術(shù)路線圖[30],依據(jù)國家電網(wǎng)發(fā)展和建設(shè)對大規(guī)模儲能技術(shù)的迫切需求[31-32],應(yīng)該以集中式儲能系統(tǒng)在可再生能源接入中的應(yīng)用、分布式儲能系統(tǒng)在用戶側(cè)峰值負(fù)荷轉(zhuǎn)移和提高電能質(zhì)量中的應(yīng)用為目標(biāo)和突破口,集中力量解決制約大規(guī)模儲能技術(shù)在關(guān)鍵部件、容量、壽命、可靠性等方面的制約瓶頸,實現(xiàn)示范應(yīng)用。同時通過標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)和完善,規(guī)范引導(dǎo)本體技術(shù)研發(fā),為儲能技術(shù)長期健康發(fā)展奠定基礎(chǔ),滿足電網(wǎng)發(fā)展和建設(shè)對大規(guī)模儲能技術(shù)和裝置的迫切要求。
3.3 技術(shù)路線圖
3.3.1 常規(guī)模式下技術(shù)路線
作為一個戰(zhàn)略性新興技術(shù)領(lǐng)域,常規(guī)模式下的儲能技術(shù)路線研究核心在于各種儲能本體技術(shù),包含關(guān)鍵材料、本體制造、特性分析、產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移等多個技術(shù)環(huán)節(jié),涉及材料、固體物理、電化學(xué)、化工、自動控制等多個學(xué)科,是一個典型的前沿性交叉技術(shù)學(xué)科。通過資源整合和體系化平臺,直面關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)難點(diǎn),推動原始創(chuàng)新,加快集中攻關(guān)步伐。
如圖4所示,常規(guī)模式技術(shù)路線下,全面掌握戰(zhàn)略布局的先進(jìn)儲能技術(shù),重點(diǎn)攻關(guān)化學(xué)儲能、壓縮空氣儲能、高溫儲熱的材料制備和核心裝置制造技術(shù)[33]。突破儲能系統(tǒng)集成和能量管理等關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)不同場景不同規(guī)模的示范驗證和推廣應(yīng)用。構(gòu)建完備的儲能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系,形成相對完善的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)。
3.3.2 突破模式下技術(shù)路線
突破模式下的整體技術(shù)路線應(yīng)突破現(xiàn)有格局的限制,轉(zhuǎn)而構(gòu)建包括基礎(chǔ)理論、材料制備和表征、本體制造、中試級產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移和綜合性能評估分析等覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的體系化研究實驗平臺,并建立相應(yīng)的高水平研發(fā)實驗?zāi)芰?通過貫通材料設(shè)計、裝置開發(fā)、工程示范和綜合評估等全部環(huán)節(jié),創(chuàng)新體系化研究模式,方能夯實研究基礎(chǔ),以頂層設(shè)計思維充分發(fā)揮頂端引領(lǐng)作用,加速推進(jìn)技術(shù)與需求對接。
突破模式下的技術(shù)路線應(yīng)該積極探索新材料、新方法,實現(xiàn)具有優(yōu)勢的先進(jìn)儲能技術(shù)儲備,在液體電池、鎂基電池等新概念化學(xué)電池獲得突破;研究熱化學(xué)儲熱等前瞻性儲熱技術(shù),探索高儲熱密度、低成本、循環(huán)特性良好的新型材料配對機(jī)制;應(yīng)用V2G虛擬儲能前瞻理論,研究服務(wù)與支撐電動汽車推廣應(yīng)用技術(shù)。
開展10~100MW•h級示范工程,示范驗證10~100MW•h級面向分布式供能的儲熱(冷)系統(tǒng)和10MW級以上太陽能光熱電站用高溫儲熱系統(tǒng);研究可再生能源發(fā)電與質(zhì)子交換膜/固體氧化物電池電解水制氫一體化技術(shù)[31],突破高效催化劑、聚合物膜、膜電極和雙極板等材料與部件核心技術(shù),掌握適應(yīng)可再生能源快速變載的高效中壓電解制氫電解池技術(shù),研發(fā)成本低、循環(huán)穩(wěn)定性好、使用溫度接近燃料電池操作溫度的氮基、硼基、鋁基、鎂基和碳基等輕質(zhì)元素儲氫材料,技術(shù)路線如圖5所示。
4 結(jié)論
我國儲能技術(shù)在基礎(chǔ)性研究方向,尤其是儲能基礎(chǔ)理論、新型材料研究方面尚有欠缺,在基礎(chǔ)性、前瞻性交叉技術(shù)領(lǐng)域的個別環(huán)節(jié)較為薄弱,儲能裝置技術(shù)水平與巨大需求之間存在較大差距,在產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移能力建設(shè)方面有待加強(qiáng),尚未建成完整的體系化研究閉環(huán),還不能發(fā)揮戰(zhàn)略作用,亟待補(bǔ)充和強(qiáng)化。
在2050年技術(shù)攻關(guān)重點(diǎn)和頂層設(shè)計中,以需求引導(dǎo)為驅(qū)動,建立以基礎(chǔ)理論為指導(dǎo)、先進(jìn)儲能材料及本體技術(shù)為創(chuàng)新根本、關(guān)鍵裝備技術(shù)為抓手的全新研發(fā)模式,完善儲能領(lǐng)域創(chuàng)新研究體系。
目標(biāo)是突破大規(guī)模儲能技術(shù)局限,滿足電網(wǎng)接納大比例新能源并網(wǎng)消納及調(diào)峰需求。針對未來電網(wǎng)與熱力網(wǎng)、氫-天然氣網(wǎng)等不同能源網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)互通的需求,突破低成本相變儲熱(蓄冷)技術(shù)、高轉(zhuǎn)換效率、長壽命儲氫技術(shù),實現(xiàn)以電為中心的不同能源網(wǎng)絡(luò)間柔性互聯(lián)、調(diào)劑和聯(lián)合調(diào)控,促進(jìn)清潔能源大規(guī)模轉(zhuǎn)化、網(wǎng)絡(luò)化存儲和多形態(tài)消納。突破高比能量鋰空氣儲能電池技術(shù),滿足電動汽車?yán)m(xù)航里程的要求,并在電動汽車領(lǐng)域的大規(guī)模、大范圍推廣應(yīng)用,實現(xiàn)V2G運(yùn)行模式,開創(chuàng)適用于電網(wǎng)新形態(tài)的電網(wǎng)運(yùn)行管理新模式。
(張明霞 閆濤 來小康 陳繼忠 牛萌 徐少華)
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2.2.1 常規(guī)模式
基于儲能技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,綜合考慮電力網(wǎng)絡(luò)多種能源互聯(lián)和需求側(cè)響應(yīng)等功能形態(tài)發(fā)展方向及能源革命需求等多方面因素,在常規(guī)發(fā)展模式下,預(yù)測2050年前儲能本體材料革新改進(jìn),成本將得到實質(zhì)突破;掌握壓縮(液化)空氣儲能技術(shù),儲能系統(tǒng)規(guī)模從百M(fèi)W級提升到10GW級,滿足全球能源互聯(lián)網(wǎng)清潔調(diào)頻、調(diào)峰等多樣化需求,相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表1所示。
2030年以前,大容量、低成本、長壽命、高安全儲能電池技術(shù)和低成本、高效率壓縮空氣儲能將初步實現(xiàn);儲能系統(tǒng)容量支撐電網(wǎng)消納非水可再生能源發(fā)電電量的比例達(dá)到10%,發(fā)-輸-配-用-儲的運(yùn)行模式在電力系統(tǒng)得到廣泛實現(xiàn),儲能資源的廣泛存在和靈活高效的特性大大改善電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度和管理能力,使電力供需從現(xiàn)在的瞬時平衡變成廣域時空下的長期平衡。
2)儲能應(yīng)用向用戶側(cè)緊湊型和系統(tǒng)級大型應(yīng)用發(fā)展。
隨著能源互聯(lián)體系的逐步建立,包含可再生能源的多種能源的互聯(lián)互補(bǔ)不僅改變電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)營模式,也將改變用戶的用電模式。在現(xiàn)有應(yīng)用于可再生能源的接入和消納之外,緊湊型儲能還將廣泛應(yīng)用于用戶側(cè)參與需求響應(yīng),提高用戶能效,滿足用戶多元化需求;同時,系統(tǒng)級大型儲能也將在電力網(wǎng)絡(luò)調(diào)峰、調(diào)頻服務(wù)中發(fā)揮重要作用,從系統(tǒng)規(guī)劃和調(diào)度管理層面實現(xiàn)資源利用最大化。
3)分布式儲能的規(guī)模化匯聚效應(yīng)凸顯。
伴隨用戶側(cè)分布式儲能的廣泛應(yīng)用以及電動汽車比例的持續(xù)快速增長,分布式儲能作為能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建的必要環(huán)節(jié),其規(guī)?；瘏R聚效應(yīng)逐步顯現(xiàn),通過統(tǒng)籌部署、協(xié)同管理充分挖掘其平衡能力,同時跟進(jìn)切實有效的商業(yè)運(yùn)行模式,促進(jìn)多種能源的開放互聯(lián)和供需各方的柔性互動。
2.2.2 突破模式
結(jié)合國內(nèi)外的基礎(chǔ)性前瞻性儲能本體技術(shù)發(fā)展趨勢,在突破模式下,預(yù)測2050年前,鋰空氣電池等高能量密度儲能應(yīng)用關(guān)鍵材料及本體制備技術(shù)實現(xiàn)實質(zhì)性突破;相變儲能技術(shù)實現(xiàn)低成本、高穩(wěn)定性和高能量密度等核心技術(shù)的突破;攻克新型氫能儲能及應(yīng)用關(guān)鍵材料及器件制備技術(shù)。儲能技術(shù)作為關(guān)鍵因素推動能源革命,掌握電網(wǎng)、氣網(wǎng)和熱力網(wǎng)等能源高效轉(zhuǎn)化及多時空協(xié)同控制技術(shù),實現(xiàn)以電為中心的不同能源網(wǎng)絡(luò)柔性互聯(lián)、調(diào)劑和聯(lián)合調(diào)控。
1)電動汽車等高密度分布式儲能使電網(wǎng)形態(tài)發(fā)生根本改變。
根據(jù)巴黎協(xié)定2050年全球溫升不超過2℃,國際能源署預(yù)測2050年電動汽車保有量須達(dá)10億輛。按照每輛車80kW•h計算,儲能容量將達(dá)800億kW•h,基本滿足2050年預(yù)期儲能需求(預(yù)計風(fēng)光等可再生能源發(fā)電量約1萬億kW•h,需配置不到10%的儲能,即1000億kW•h滿足消納需求)。鋰空氣電池等高密度儲能關(guān)鍵技術(shù)突破將使電動汽車占比超過90%,電動汽車?yán)m(xù)駛里程和充電速度將實現(xiàn)燃油車完全替代,靜態(tài)和移動分布式儲能接入使集中式的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)向分布式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,運(yùn)行管理方式隨之變化,傳統(tǒng)電網(wǎng)的形態(tài)發(fā)生根本改變。
2)相變儲能技術(shù)普及使能源互聯(lián)得以實現(xiàn)。
據(jù)統(tǒng)計,40%能源消費(fèi)用于溫度調(diào)節(jié),蓄冷/熱儲能與能源轉(zhuǎn)化技術(shù)是能源體系中的重要環(huán)節(jié)。熱相變儲能技術(shù)的突破和普及,將使能源互聯(lián)的實現(xiàn)成為可能。高溫儲熱系統(tǒng)釋能控制及調(diào)節(jié)技術(shù)得到突破,復(fù)合型高溫相變儲熱材料及大容量規(guī)?；瘍嵫b置裝備在建筑物的溫度調(diào)節(jié)和能源系統(tǒng)得到普及,實現(xiàn)高溫儲熱技術(shù)在太陽能光熱電站的技術(shù)應(yīng)用;基于化學(xué)儲熱的儲熱關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)突破和普及,高效高儲能密度的儲熱裝置在用戶側(cè)得到普及,實現(xiàn)化學(xué)儲熱技術(shù)應(yīng)用于可再生能源制熱-儲熱電站。
3)氫儲能的普及將實現(xiàn)多類型能源的廣泛利用和靈活轉(zhuǎn)變。
氫儲能技術(shù)的發(fā)展完善將帶來氫能利用比例在能源存儲與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中實現(xiàn)普及,不同能源形式下各種儲能方式共存,用能需求多樣化。能源轉(zhuǎn)換和控制運(yùn)行由單一功能向融合多能源+新型用電等多元復(fù)合功能過渡,呈現(xiàn)分散自治和集中協(xié)調(diào)相結(jié)合的模式。電網(wǎng)通過氫儲能和P2G技術(shù)實現(xiàn)多種能源方式的轉(zhuǎn)換與存儲,改善調(diào)控手段等方式促進(jìn)可再生能源的利用;可再生能源發(fā)電配合儲氫裝置,成為可調(diào)度、可預(yù)測、可控制的電源;實現(xiàn)終端用戶供用電關(guān)系轉(zhuǎn)換、用能設(shè)備的能量緩沖、靈活互動以及智能交互;廣泛存在氫動力電動汽車資源為氫能接入提供重要的支持。
3 關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)路徑
3.1 關(guān)鍵技術(shù)
在儲能系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)理論方面,研究廣域布局的儲能系統(tǒng)與常規(guī)電源、新能源發(fā)電的協(xié)同調(diào)度方法;掌握多個百M(fèi)W級儲能在新能源發(fā)-輸-配各環(huán)節(jié)中的規(guī)劃布局方法;研究新型技術(shù)與供電商業(yè)模式下儲能的選型配置方法和經(jīng)濟(jì)性;分布式儲能系統(tǒng)的匯聚效應(yīng)及在虛擬電廠中的運(yùn)行模式和管理策略。研究儲能技術(shù)實現(xiàn)市場化應(yīng)用的政策和制度需求,包括促進(jìn)儲能發(fā)展的電價機(jī)制、準(zhǔn)入制度及電力市場機(jī)制;研究多種類電力市場交易下儲能與其他能源的協(xié)調(diào)運(yùn)作機(jī)制。
在儲能本體技術(shù)研究方面,研究針對現(xiàn)有體系下鋰離子、鉛炭、液流等儲能電池的關(guān)鍵材料改性、本體改進(jìn)、低成本化制備、能效提升和產(chǎn)業(yè)化技術(shù),研究基于離子液體、固態(tài)電解質(zhì)的高安全性電池材料體系和液流電池低成本高可靠膜制備技術(shù);研究空氣壓縮機(jī)和膨脹機(jī)技術(shù),研究儲冷儲熱和儲氣技術(shù),提高轉(zhuǎn)換效率,降低成本。針對下一代儲能技術(shù),研究鋰硫、鋰空氣等新型高比能量電池技術(shù);研制高效制氫及氫發(fā)電裝備,突破低成本、高效率和規(guī)?；瘍浼夹g(shù);研發(fā)大容量高溫高能量密度儲熱儲冷技術(shù)裝備,突破熱相變儲能關(guān)鍵技術(shù)。
在儲能系統(tǒng)集成及工程化技術(shù)研究方面,研究適用于百M(fèi)W級儲能電站集成與控制技術(shù)研究及工程示范;開發(fā)儲能系統(tǒng)的虛擬電廠匯聚效應(yīng)控制技術(shù);探索多個百M(fèi)W級儲能在新能源發(fā)-輸-配各環(huán)節(jié)中的廣域規(guī)劃布局方法;基于新型器件、拓?fù)浼翱刂品椒ǖ膬δ茏兞髌餮兄?研究規(guī)?；荽卫秒姵氐闹亟M、集成和熱疏導(dǎo)等安全管理技術(shù);研究儲氫系統(tǒng)的集成及工程應(yīng)用技術(shù);掌握相變儲能系統(tǒng)的集成及工程應(yīng)用技術(shù);研究飛輪儲能系統(tǒng)的集成及工程應(yīng)用技術(shù);海水抽水蓄能的集成及工程應(yīng)用技術(shù);研究深冷儲能系統(tǒng)集成與試驗技術(shù)。
3.2 實現(xiàn)路徑
儲能技術(shù)發(fā)展及推廣應(yīng)用可分3個階段。第1階段(2017—2030年)是關(guān)鍵技術(shù)突破及商業(yè)應(yīng)用階段。突破現(xiàn)有體系下的儲能本體制造、能量轉(zhuǎn)換及規(guī)?；傻汝P(guān)鍵技術(shù),研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的GW級儲能系統(tǒng),實現(xiàn)多個GW級儲能系統(tǒng)在用戶側(cè)和間歇式可再生發(fā)電接入電網(wǎng)中的示范應(yīng)用,提出大規(guī)模儲能系統(tǒng)并網(wǎng)接入技術(shù)規(guī)范。
第2階段(2030—2040年)是大規(guī)模推廣和下一代技術(shù)攻關(guān)階段。完善GW級儲能裝置的研制,并推廣GW級儲能裝置在電力調(diào)峰、可再生能源大規(guī)模接入、提高供電可靠性和電能質(zhì)量等場合的應(yīng)用。突破鋰空氣、儲氫、熱相變等下一代儲能關(guān)鍵技術(shù),并逐步開展示范應(yīng)用。
第3階段(2040—2050年)是全面推廣應(yīng)用階段。電化學(xué)儲能、壓縮空氣、熱相變和儲氫等不同類型的大容量電網(wǎng)儲能技術(shù)得到推廣應(yīng)用。高比能電動汽車移動式鋰空氣儲能、家庭分散儲能裝置等實現(xiàn)“即插即用”。實現(xiàn)多種儲能方式的協(xié)調(diào)互補(bǔ)和統(tǒng)一規(guī)劃調(diào)控。大規(guī)模儲能關(guān)鍵技術(shù)突破的總體思路見圖3。
3.3 技術(shù)路線圖
3.3.1 常規(guī)模式下技術(shù)路線
作為一個戰(zhàn)略性新興技術(shù)領(lǐng)域,常規(guī)模式下的儲能技術(shù)路線研究核心在于各種儲能本體技術(shù),包含關(guān)鍵材料、本體制造、特性分析、產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移等多個技術(shù)環(huán)節(jié),涉及材料、固體物理、電化學(xué)、化工、自動控制等多個學(xué)科,是一個典型的前沿性交叉技術(shù)學(xué)科。通過資源整合和體系化平臺,直面關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)難點(diǎn),推動原始創(chuàng)新,加快集中攻關(guān)步伐。
如圖4所示,常規(guī)模式技術(shù)路線下,全面掌握戰(zhàn)略布局的先進(jìn)儲能技術(shù),重點(diǎn)攻關(guān)化學(xué)儲能、壓縮空氣儲能、高溫儲熱的材料制備和核心裝置制造技術(shù)[33]。突破儲能系統(tǒng)集成和能量管理等關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)不同場景不同規(guī)模的示范驗證和推廣應(yīng)用。構(gòu)建完備的儲能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系,形成相對完善的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)。
突破模式下的整體技術(shù)路線應(yīng)突破現(xiàn)有格局的限制,轉(zhuǎn)而構(gòu)建包括基礎(chǔ)理論、材料制備和表征、本體制造、中試級產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移和綜合性能評估分析等覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的體系化研究實驗平臺,并建立相應(yīng)的高水平研發(fā)實驗?zāi)芰?通過貫通材料設(shè)計、裝置開發(fā)、工程示范和綜合評估等全部環(huán)節(jié),創(chuàng)新體系化研究模式,方能夯實研究基礎(chǔ),以頂層設(shè)計思維充分發(fā)揮頂端引領(lǐng)作用,加速推進(jìn)技術(shù)與需求對接。
突破模式下的技術(shù)路線應(yīng)該積極探索新材料、新方法,實現(xiàn)具有優(yōu)勢的先進(jìn)儲能技術(shù)儲備,在液體電池、鎂基電池等新概念化學(xué)電池獲得突破;研究熱化學(xué)儲熱等前瞻性儲熱技術(shù),探索高儲熱密度、低成本、循環(huán)特性良好的新型材料配對機(jī)制;應(yīng)用V2G虛擬儲能前瞻理論,研究服務(wù)與支撐電動汽車推廣應(yīng)用技術(shù)。
開展10~100MW•h級示范工程,示范驗證10~100MW•h級面向分布式供能的儲熱(冷)系統(tǒng)和10MW級以上太陽能光熱電站用高溫儲熱系統(tǒng);研究可再生能源發(fā)電與質(zhì)子交換膜/固體氧化物電池電解水制氫一體化技術(shù)[31],突破高效催化劑、聚合物膜、膜電極和雙極板等材料與部件核心技術(shù),掌握適應(yīng)可再生能源快速變載的高效中壓電解制氫電解池技術(shù),研發(fā)成本低、循環(huán)穩(wěn)定性好、使用溫度接近燃料電池操作溫度的氮基、硼基、鋁基、鎂基和碳基等輕質(zhì)元素儲氫材料,技術(shù)路線如圖5所示。
我國儲能技術(shù)在基礎(chǔ)性研究方向,尤其是儲能基礎(chǔ)理論、新型材料研究方面尚有欠缺,在基礎(chǔ)性、前瞻性交叉技術(shù)領(lǐng)域的個別環(huán)節(jié)較為薄弱,儲能裝置技術(shù)水平與巨大需求之間存在較大差距,在產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移能力建設(shè)方面有待加強(qiáng),尚未建成完整的體系化研究閉環(huán),還不能發(fā)揮戰(zhàn)略作用,亟待補(bǔ)充和強(qiáng)化。
在2050年技術(shù)攻關(guān)重點(diǎn)和頂層設(shè)計中,以需求引導(dǎo)為驅(qū)動,建立以基礎(chǔ)理論為指導(dǎo)、先進(jìn)儲能材料及本體技術(shù)為創(chuàng)新根本、關(guān)鍵裝備技術(shù)為抓手的全新研發(fā)模式,完善儲能領(lǐng)域創(chuàng)新研究體系。
目標(biāo)是突破大規(guī)模儲能技術(shù)局限,滿足電網(wǎng)接納大比例新能源并網(wǎng)消納及調(diào)峰需求。針對未來電網(wǎng)與熱力網(wǎng)、氫-天然氣網(wǎng)等不同能源網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)互通的需求,突破低成本相變儲熱(蓄冷)技術(shù)、高轉(zhuǎn)換效率、長壽命儲氫技術(shù),實現(xiàn)以電為中心的不同能源網(wǎng)絡(luò)間柔性互聯(lián)、調(diào)劑和聯(lián)合調(diào)控,促進(jìn)清潔能源大規(guī)模轉(zhuǎn)化、網(wǎng)絡(luò)化存儲和多形態(tài)消納。突破高比能量鋰空氣儲能電池技術(shù),滿足電動汽車?yán)m(xù)航里程的要求,并在電動汽車領(lǐng)域的大規(guī)模、大范圍推廣應(yīng)用,實現(xiàn)V2G運(yùn)行模式,開創(chuàng)適用于電網(wǎng)新形態(tài)的電網(wǎng)運(yùn)行管理新模式。
(張明霞 閆濤 來小康 陳繼忠 牛萌 徐少華)
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