儲(chǔ)能是實(shí)現(xiàn)可再生能源高效利用、多種能源開放互聯(lián)、協(xié)同發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一?；趦?chǔ)能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和需求分析,展望了2050年電網(wǎng)功能形態(tài)中,技術(shù)常規(guī)發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)獲得突破發(fā)展模式下儲(chǔ)能的作用模式和應(yīng)用場(chǎng)景。分析了儲(chǔ)能基礎(chǔ)理論、本體技術(shù)和系統(tǒng)集成及工程化等關(guān)鍵技術(shù)的研究重點(diǎn)和技術(shù)路線圖,并制定了與電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展相適應(yīng)的分階段目標(biāo)。同時(shí)依據(jù)能源革命和電網(wǎng)形態(tài)發(fā)展的客觀需求,給出了大規(guī)模儲(chǔ)能的重點(diǎn)攻關(guān)技術(shù)和路線圖。

0引言

在能源革命的驅(qū)動(dòng)下,可再生能源開發(fā)利用力度持續(xù)加大,接入電網(wǎng)的比例和在終端能源消費(fèi)的占比將不斷提高。根據(jù)國(guó)際能源署的研究,為滿足新能源消納需求,預(yù)測(cè)美國(guó)、歐洲、中國(guó)和印度到2050年將需要增加310GW并網(wǎng)電力儲(chǔ)存能力,為此至少需投資3800億美元。麥肯錫的研究則將儲(chǔ)能列為到2025 年將產(chǎn)生顛覆性作用、對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)生顯著影響的技術(shù),預(yù)測(cè)市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)0.1萬億~ 0.6萬億美元。世界許多國(guó)際組織和國(guó)家把發(fā)展儲(chǔ)能作為緩解能源供應(yīng)矛盾、應(yīng)對(duì)氣候變化的重要措施,并制定了發(fā)展戰(zhàn)略,提出了2030年、2050年明確的發(fā)展目標(biāo)和相應(yīng)的激勵(lì)政策。

此外,隨著交通的電動(dòng)化,電動(dòng)汽車也逐步進(jìn)入規(guī)模化推廣階段;同時(shí),我國(guó)的第二輪電力體制改革也在逐步深入推進(jìn),能源生產(chǎn)和消費(fèi)方式逐步走向開放互聯(lián),多種分布式能源綜合高效利用、用戶廣泛參與將成為電力生產(chǎn)和消費(fèi)的一種新模式,電網(wǎng)的規(guī)劃運(yùn)行和調(diào)度管理模式將面臨重大變革。儲(chǔ)能特有的功率控制和能量搬移功能不僅能改善可再生能源可調(diào)可控特性,參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù),同時(shí)也是分布式發(fā)電和微電網(wǎng)必不可少的調(diào)控手段,將成為實(shí)現(xiàn)可再生能源高效利用、多種能源開放互聯(lián)、協(xié)同發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和重要途徑。

1 儲(chǔ)能應(yīng)用需求及技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 儲(chǔ)能應(yīng)用需求

從國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析來看,儲(chǔ)能在電力供給側(cè)、用戶側(cè)及電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度管理和微電網(wǎng)運(yùn)行控制等方面的應(yīng)用逐年快速增長(zhǎng)。

儲(chǔ)能在電網(wǎng)的應(yīng)用,可靠安全性是必要前提。在用戶側(cè)應(yīng)用中,免維護(hù)特性也是一個(gè)必要條件。對(duì)于以提高資源利用率和運(yùn)行效益為目標(biāo)的能量型應(yīng)用,如提高可再生能源利用率、調(diào)峰、調(diào)頻、需求側(cè)響應(yīng)等,應(yīng)用儲(chǔ)能電池的經(jīng)濟(jì)性是其可行性的決定因素。對(duì)于頻繁啟動(dòng)和快速響應(yīng)的功率型應(yīng)用,如在可再生能源接入相關(guān)的爬坡控制、電壓支持及微網(wǎng)無縫切換控制等,儲(chǔ)能電池的快速響應(yīng)能力和淺充淺放條件下的循環(huán)壽命是需要重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)特征。在分布式系統(tǒng)能量管理和微電網(wǎng)運(yùn)行控制的應(yīng)用中,儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅參與電壓和頻率的調(diào)節(jié),還參與系統(tǒng)穩(wěn)定、供需平衡和協(xié)調(diào)優(yōu)化,儲(chǔ)能選型需要在技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)性之間進(jìn)行權(quán)衡。必要時(shí),為降低成本、便于控制,可選擇2種及以上的儲(chǔ)能分別滿足不同的應(yīng)用需求。

短期內(nèi)儲(chǔ)能的選型更多的取決于當(dāng)前儲(chǔ)能技術(shù)的成熟度,示范應(yīng)用的具體要求和實(shí)際條件。長(zhǎng)遠(yuǎn)看來,市場(chǎng)化推廣應(yīng)用取決于工程壽命周期內(nèi)的整體綜合評(píng)估。

1.2 儲(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)狀

目前大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)中只有抽水蓄能技術(shù)相對(duì)成熟,但是由于地理資源限制,其廣泛應(yīng)用受到制約,而其他儲(chǔ)能方式還處于實(shí)驗(yàn)示范階段甚至初期研究階段,相關(guān)產(chǎn)業(yè)處于培育期。儲(chǔ)能裝置的可靠性、使用壽命、制造成本以及應(yīng)用能力等方面有待突破。目前我國(guó)應(yīng)用較多的幾種電化學(xué)儲(chǔ)能特性如圖1雷達(dá)圖所示。

總體來看,我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)研究尚處于發(fā)展初步階段,還不適于在電網(wǎng)全面推廣應(yīng)用,同時(shí)隨著研發(fā)深入和應(yīng)用推進(jìn)也暴露出一些問題。這些問題與不足都應(yīng)在2050的技術(shù)攻關(guān)過程和頂層設(shè)計(jì)中加以重視。

1)研發(fā)體系不健全。

缺乏頂層設(shè)計(jì),沒有系統(tǒng)成熟的基礎(chǔ)理論體系、本體及材料等底層核心技術(shù)環(huán)節(jié)做為支撐,頂端應(yīng)用領(lǐng)域的引領(lǐng)作用無法準(zhǔn)確傳導(dǎo)至全產(chǎn)業(yè)鏈,造成應(yīng)用需求和核心技術(shù)對(duì)接不暢,儲(chǔ)能材料和本體經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)與未來應(yīng)用需求尚不適配。

2)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性有待進(jìn)一步突破。

目前儲(chǔ)能技術(shù)成本高,絕大部分儲(chǔ)能項(xiàng)目缺乏可預(yù)期的收益以吸引資本跟進(jìn)。而且在系統(tǒng)容量、轉(zhuǎn)換率、壽命、安全性等問題上還有待進(jìn)一步提高,以滿足可再生能源并網(wǎng)消納和電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求。

3)缺乏運(yùn)行數(shù)據(jù)支撐。

目前缺乏進(jìn)行運(yùn)行評(píng)估的實(shí)際數(shù)據(jù),需要在電源側(cè)、負(fù)荷側(cè)進(jìn)行多方試點(diǎn)示范,積累運(yùn)行數(shù)據(jù),厘清數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性,明確電力儲(chǔ)能的運(yùn)行工況和功效,讓試點(diǎn)和政策相互促進(jìn),為儲(chǔ)能的工程化推廣和商業(yè)模式研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1.3 儲(chǔ)能發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)于下一代儲(chǔ)能本體的預(yù)期,國(guó)內(nèi)外均將目標(biāo)設(shè)定在了大容量、高安全、長(zhǎng)壽命和低成本的目標(biāo)上。隨著應(yīng)用需求的多樣化,儲(chǔ)能技術(shù)呈現(xiàn)多種類型協(xié)同發(fā)展的格局,用戶側(cè)應(yīng)用則向結(jié)構(gòu)緊湊、控制智能、接入靈活的方向發(fā)展。

儲(chǔ)能應(yīng)用的關(guān)鍵是技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,近年來,幾類電化學(xué)儲(chǔ)能成本均有大幅下降,如圖2所示。從鋰離子電池的歷史發(fā)展規(guī)律來看,壽命提升較快,成本下降較快,主要原因在于每種材料的內(nèi)生性增長(zhǎng)?？梢酝ㄟ^基于材料本身的改性、儲(chǔ)能材料體系的匹配以及儲(chǔ)能本體制造工藝的改善等外部因素來進(jìn)行跨越式的提升,成本則可以通過規(guī)?；?yīng)快速下降。
預(yù)計(jì)到2020年,目前國(guó)內(nèi)安裝量較大的磷酸鐵鋰電池的成本價(jià)有望降到人民幣1000元/(kW•h)左右。而隨著各類驗(yàn)證、示范應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)的建立,儲(chǔ)能技術(shù)的安全性也將逐步提升,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。鉛酸電池也在不斷改進(jìn)技術(shù),多家企業(yè)已經(jīng)開始從事鉛碳電池的開發(fā),重點(diǎn)提升鉛酸電池的使用壽命。液流電池相關(guān)制造企業(yè)少,目前液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體轉(zhuǎn)換效率約70%,尚無法與磷酸鐵鋰和先進(jìn)鉛酸電池相比,但在使用壽命方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

鋰離子電池、液流電池、鉛碳電池等新型電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)水平進(jìn)步較快,具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景,有望率先邁入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段,使儲(chǔ)能技術(shù)成為與發(fā)-輸-配-用并列的電力系統(tǒng)第5環(huán)節(jié)。

2 技術(shù)愿景

2.1 技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素

促使儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力因素主要有以下幾個(gè)方面。

1)可再生能源發(fā)電比例將持續(xù)提升。

隨著能源結(jié)構(gòu)調(diào)整力度的不斷加強(qiáng),加之霧霾治理、生態(tài)壓力和綠色低碳發(fā)展的倒逼,風(fēng)電、光伏發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)電占比將持續(xù)增長(zhǎng)。需要借助大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)與新能源發(fā)電協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行,提高間歇性可再生能源消納能力。

2)電動(dòng)汽車比例持續(xù)快速增長(zhǎng)。

世界各國(guó)均從科研投入、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)等多角度制訂了大量支持電動(dòng)發(fā)展的政策。我國(guó)多次明確到2020年純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷達(dá)到500萬輛的發(fā)展目標(biāo),預(yù)計(jì)2030年以后電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車在市場(chǎng)上將并行發(fā)展,產(chǎn)量將達(dá)到同類汽車產(chǎn)量的50%。大規(guī)模電動(dòng)汽車電池和退役電池的梯次利用,以及與充電設(shè)施配套的儲(chǔ)能設(shè)施,將為電力系統(tǒng)提供潛力巨大的儲(chǔ)能資源。

3)電網(wǎng)調(diào)度控制日益困難和復(fù)雜。

未來特高壓交直流混合電網(wǎng)的建設(shè),使得我國(guó)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式日益復(fù)雜。此外,隨著新能源大規(guī)模接入電網(wǎng),其波動(dòng)性和間歇性給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大挑戰(zhàn)。通過儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用可以改善可再生能源的可調(diào)可控特性,進(jìn)而提高新型電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行能力。

4)電力體制改革推向深入。

隨著電力體制改革試點(diǎn)范圍的擴(kuò)大和發(fā)展,政府部門將在總結(jié)試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)和修改完善相關(guān)法律法規(guī)的基礎(chǔ)上推進(jìn)電力體制改革的實(shí)施,逐漸形成有效競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)和市場(chǎng)體系?，F(xiàn)代電力市場(chǎng)體系會(huì)大大促進(jìn)儲(chǔ)能為輸電網(wǎng)提供調(diào)頻、調(diào)壓、備用和黑啟動(dòng)等輔助服務(wù)應(yīng)用的需求。

5)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)逐步落地。

能源互聯(lián)網(wǎng)將從初步理論概念逐步進(jìn)行落地實(shí)施,計(jì)劃2016—2020年,將著力推進(jìn)儲(chǔ)能在能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的試點(diǎn)示范工作,建成一批不同類型、不同規(guī)模的試點(diǎn)示范項(xiàng)目;2021—2030年,會(huì)推進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)在能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)多元化、規(guī)?；l(fā)展,使儲(chǔ)能技術(shù)成為能源互聯(lián)網(wǎng)推進(jìn)的主要推動(dòng)力。