儲能是實現(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δ芗夹g(shù)發(fā)展趨勢和需求分析,本文展望了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)展模式下儲能的作用模式和應(yīng)用場景。分析了儲能基礎(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)模儲能的重點攻關(guān)技術(shù)和路線圖。

引言

在能源革命的驅(qū)動下,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的占比將不斷提高。根據(jù)國際能源署的研究,為滿足新能源消納需求,預(yù)測美國、歐洲、中國和印度到2050年將需要增加310GW并網(wǎng)電力儲存能力,為此至少需投資3800億美元。麥肯錫的研究則將儲能列為到2025 年將產(chǎn)生顛覆性作用、對經(jīng)濟發(fā)生顯著影響的技術(shù),預(yù)測市場價值將達0.1萬億~ 0.6萬億美元。世界許多國際組織和國家把發(fā)展儲能作為緩解能源供應(yīng)矛盾、應(yīng)對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)的激勵政策。

此外,隨著交通的電動化,電動汽車也逐步進入規(guī)?；茝V階段;同時,我國的第二輪電力體制改革也在逐步深入推進,能源生產(chǎn)和消費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)和消費的一種新模式,電網(wǎng)的規(guī)劃運行和調(diào)度管理模式將面臨重大變革。儲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 儲能應(yīng)用需求及技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 儲能應(yīng)用需求

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

儲能在電網(wǎng)的應(yīng)用,可靠安全性是必要前提。在用戶側(cè)應(yīng)用中,免維護特性也是一個必要條件。對于以提高資源利用率和運行效益為目標(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)用儲能電池的經(jīng)濟性是其可行性的決定因素。對于頻繁啟動和快速響應(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)運行控制的應(yīng)用中,儲能系統(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,儲能選型需要在技術(shù)要求和經(jīng)濟性之間進行權(quán)衡。必要時,為降低成本、便于控制,可選擇2種及以上的儲能分別滿足不同的應(yīng)用需求。

短期內(nèi)儲能的選型更多的取決于當(dāng)前儲能技術(shù)的成熟度,示范應(yīng)用的具體要求和實際條件。長遠(yuǎn)看來,市場化推廣應(yīng)用取決于工程壽命周期內(nèi)的整體綜合評估。

1.2 儲能技術(shù)現(xiàn)狀

目前大規(guī)模儲能技術(shù)中只有抽水蓄能技術(shù)相對成熟,但是由于地理資源限制,其廣泛應(yīng)用受到制約,而其他儲能方式還處于實驗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。目前我國應(yīng)用較多的幾種電化學(xué)儲能特性如圖1雷達圖所示?？傮w來看,我國儲能技術(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,同時隨著研發(fā)深入和應(yīng)用推進也暴露出一些問題。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)計中加以重視。

1)研發(fā)體系不健全。

缺乏頂層設(shè)計,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)對接不暢,儲能材料和本體經(jīng)濟性指標(biāo)與未來應(yīng)用需求尚不適配。

2)技術(shù)經(jīng)濟性有待進一步突破。

目前儲能技術(shù)成本高,絕大部分儲能項目缺乏可預(yù)期的收益以吸引資本跟進。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)缺乏運行數(shù)據(jù)支撐。

目前缺乏進行運行評估的實際數(shù)據(jù),需要在電源側(cè)、負(fù)荷側(cè)進行多方試點示范,積累運行數(shù)據(jù),厘清數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性,明確電力儲能的運行工況和功效,讓試點和政策相互促進,為儲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 儲能發(fā)展趨勢

對于下一代儲能本體的預(yù)期,國內(nèi)外均將目標(biāo)設(shè)定在了大容量、高安全、長壽命和低成本的目標(biāo)上。隨著應(yīng)用需求的多樣化,儲能技術(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。

儲能應(yīng)用的關(guān)鍵是技術(shù)經(jīng)濟性,近年來,幾類電化學(xué)儲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?？梢酝ㄟ^基于材料本身的改性、儲能材料體系的匹配以及儲能本體制造工藝的改善等外部因素來進行跨越式的提升,成本則可以通過規(guī)?；?yīng)快速下降。

預(yù)計到2020年,目前國內(nèi)安裝量較大的磷酸鐵鋰電池的成本價有望降到人民幣1000元/(kW•h)左右。而隨著各類驗證、示范應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)的建立,儲能技術(shù)的安全性也將逐步提升,達到標(biāo)準(zhǔn)要求。鉛酸電池也在不斷改進技術(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鉛酸電池相比,但在使用壽命方面有明顯優(yōu)勢。

鋰離子電池、液流電池、鉛碳電池等新型電化學(xué)儲能技術(shù)水平進步較快,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)動因素

促使儲能技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動力因素主要有以下幾個方面。

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,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。需要借助大規(guī)模儲能系統(tǒng)與新能源發(fā)電協(xié)調(diào)優(yōu)化運行,提高間歇性可再生能源消納能力。

2)電動汽車比例持續(xù)快速增長。

世界各國均從科研投入、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發(fā)展的政策。我國多次明確到2020年純電動汽車和插電式混合動力汽車?yán)塾嫯a(chǎn)銷達到500萬輛的發(fā)展目標(biāo),預(yù)計2030年以后電動汽車與傳統(tǒng)汽車在市場上將并行發(fā)展,產(chǎn)量將達到同類汽車產(chǎn)量的50%。大規(guī)模電動汽車電池和退役電池的梯次利用,以及與充電設(shè)施配套的儲能設(shè)施,將為電力系統(tǒng)提供潛力巨大的儲能資源。

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),使得我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運行方式日益復(fù)雜。此外,隨著新能源大規(guī)模接入電網(wǎng),其波動性和間歇性給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了巨大挑戰(zhàn)。通過儲能技術(shù)的應(yīng)用可以改善可再生能源的可調(diào)可控特性,進而提高新型電網(wǎng)的安全可靠運行能力。

4)電力體制改革推向深入。

隨著電力體制改革試點范圍的擴大和發(fā)展,政府部門將在總結(jié)試點經(jīng)驗和修改完善相關(guān)法律法規(guī)的基礎(chǔ)上推進電力體制改革的實施,逐漸形成有效競爭的市場結(jié)構(gòu)和市場體系。現(xiàn)代電力市場體系會大大促進儲能為輸電網(wǎng)提供調(diào)頻、調(diào)壓、備用和黑啟動等輔助服務(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行落地實施,計劃2016—2020年,將著力推進儲能在能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的試點示范工作,建成一批不同類型、不同規(guī)模的試點示范項目;2021—2030年,會推進儲能系統(tǒng)在能源互聯(lián)網(wǎng)對多元化、規(guī)?；l(fā)展,使儲能技術(shù)成為能源互聯(lián)網(wǎng)推進的主要推動力。

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,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MW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。

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)電電量的比例達到10%,發(fā)-輸-配-用-儲的運行模式在電力系統(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)互補不僅改變電網(wǎng)的調(diào)度運營模式,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)?；瘏R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,同時跟進切實有效的商業(yè)運行模式,促進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10億輛。按照每輛車80kW•h計算,儲能容量將達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MW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)濟性;分布式儲能系統(tǒng)的匯聚效應(yīng)及在虛擬電廠中的運行模式和管理策略。研究儲能技術(shù)實現(xiàn)市場化應(yīng)用的政策和制度需求,包括促進儲能發(fā)展的電價機制、準(zhǔn)入制度及電力市場機制;研究多種類電力市場交易下儲能與其他能源的協(xié)調(diào)運作機制。

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、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);研究空氣壓縮機和膨脹機技術(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MW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MW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)互補和統(tǒng)一規(guī)劃調(diào)控。

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,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,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)略布局的先進儲能技術(shù),重點攻關(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。

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,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,亟待補充和強化。

在2050年技術(shù)攻關(guān)重點和頂層設(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運行模式,開創(chuàng)適用于電網(wǎng)新形態(tài)的電網(wǎng)運行管理新模式。