實現(xiàn)“雙碳”目標，需要構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。然而，太陽能、風能等新能源供應“靠天吃飯”、出力波動不定。于是，儲能被視為調(diào)節(jié)新能源波動性、實現(xiàn)并網(wǎng)穩(wěn)定的關鍵技術。
儲能究竟是什么？它能填上供電安全的“缺”嗎？
文 | 丁貴梓 瞭望智庫觀察員
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供電安全的“缺”，誰來填？
能源分布不均、依賴化石能源，是我國能源發(fā)展格局中長期存在的問題。
截至本世紀初，我國已探明煤炭儲量6044億噸，其中70%分布在山西、陜西和內(nèi)蒙古；可開發(fā)水電資源1923.3億千瓦時，99.4%分布在中、西部地區(qū)（其中65%分布在四川、云南和西藏）；石油資源890億噸，主要分布在東、西部地區(qū)；天然氣資源20×1013立方米，主要分布在新疆、青海和四川。
我國一次能源構成情況
相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，20世紀70年代以來，化石能源在我國一次能源構成中的占比呈逐年下降趨勢，但仍以煤炭為主。
東西部分布不均，富煤、貧油、少氣的能源資源特點，決定了我國電力系統(tǒng)結(jié)構長期以燃煤發(fā)電為主，基本形成了“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”的格局。
2021年12月15日，安徽省渦陽縣的和新風力發(fā)電場配備的10兆瓦時儲能設施，可在發(fā)電高峰時將電能暫時儲存，在用電高峰時釋放。圖｜新華社
近年來，隨著傳統(tǒng)能源日益匱乏、環(huán)境日趨惡化、新能源不斷發(fā)展，我國電力系統(tǒng)結(jié)構逐漸優(yōu)化。
國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2021年前11個月，我國新能源發(fā)電量達到10355.7億千瓦時，年內(nèi)首次突破1萬億千瓦時，同比增長32.97%，風電、太陽能發(fā)電累計裝機容量穩(wěn)居世界首位；新能源發(fā)電量對全國電力供應的貢獻不斷提升，占全國全社會用電量的比例達13.8%，同比提升2.14個百分點。
這也帶來了新的問題——新能源出力缺乏可控性、供電不穩(wěn)定，威脅電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
以風能和太陽能為例。風速、太陽光輻射取決于自然條件、難以調(diào)節(jié)控制，這意味著風能、太陽能本身具有波動性和間歇性，導致風電、太陽能發(fā)電出力不穩(wěn)定。當其容量占比較小時，尚可利用電網(wǎng)控制與配電技術保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行，反之則會對電網(wǎng)正常供電產(chǎn)生明顯影響。
【注：風電單日波動最大幅度可達裝機容量的80%，光伏日內(nèi)出力波動值可達裝機容量的100%?！?/p>
在我國新能源發(fā)電大規(guī)模開發(fā)、并網(wǎng)背景下，新能源發(fā)電不穩(wěn)定成為電力系統(tǒng)發(fā)展的制約因素。如何才能有效控制新能源發(fā)電出力，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定？面對以上現(xiàn)實需求，儲能技術逐漸走進人們視野。
儲能，就是將電能轉(zhuǎn)換為化學能、勢能、動能、電磁能等形態(tài)進行存儲，待需要時再轉(zhuǎn)換為電能釋放。這一能量轉(zhuǎn)換過程，可實現(xiàn)電力的時序調(diào)節(jié)，發(fā)電不需即時傳輸，有效提高新能源發(fā)電的可調(diào)可控性。
除發(fā)電側(cè)外，儲能技術還能參與電網(wǎng)側(cè)調(diào)峰調(diào)頻、用戶側(cè)削峰填谷等環(huán)節(jié)，緩解高峰負荷供電需求，提高電能質(zhì)量和用電效率，助力新能源高效利用以及多種能源開放互聯(lián)、協(xié)同發(fā)展。
【注：調(diào)峰，在用電高峰期為電網(wǎng)提供額外電量，或響應新能源消納降低輸出功率；調(diào)頻，精準調(diào)節(jié)波動的電壓和功率；削峰填谷，在用電低谷時段充電、高峰時段放電，利用峰谷電價差獲得收益或減少成本?！?/p>
根據(jù)國家規(guī)劃，預計到“十四五”末，可再生能源發(fā)電裝機占電力總裝機的比例將超過50％。2021年冬季，全國各地“拉閘限電”頻現(xiàn)，再次提醒人們新能源充分承擔電力系統(tǒng)責任的重要性，而這恰恰需要儲能系統(tǒng)的跟進調(diào)節(jié)。隨著“雙碳”進程不斷推進，新能源將成為各地的主力電源，儲能系統(tǒng)更能發(fā)揮提高電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性的重要作用。
中國工程熱物理學會副理事長兼秘書長、中國能源研究會儲能專委會主任陳海生研究員認為，既要實現(xiàn)“雙碳”目標、又要保障國家能源安全，這是中國面臨的重大需求和挑戰(zhàn)，而發(fā)展儲能技術是一種有效的途徑。
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存電，沒那么簡單
提到儲存電能的方法，人們多會聯(lián)想到日常生活中隨處可見的電池。
實際上，儲能的方式多種多樣。按照存儲能量的形式，儲能可大致分為物理儲能和化學儲能兩大類。其中，物理儲能又包括機械儲能和電磁場儲能，化學儲能則分為電化學儲能（電池儲能）和氫儲能。
電能存儲技術的分類
具體而言，抽水蓄能、壓縮空氣儲能等，都是比較常見的物理儲能形式。
2021年11月16日，安徽蕪湖市弋江區(qū)峨橋鎮(zhèn)響水澗抽水蓄能電站的上水庫和下水庫。圖｜新華社
抽水蓄能指在電力負荷低谷時段把下水庫的水抽到上水庫內(nèi)，以水力勢能的形式蓄能；在負荷高峰時段再放水發(fā)電，將水力勢能轉(zhuǎn)換為電能。但水資源易蒸發(fā)、泵水耗費功率高，其能量轉(zhuǎn)換效率一般為70％左右。
壓縮空氣儲能技術基于燃氣輪機技術而發(fā)展，其工作原理是：用電負荷低谷時，利用富余電量驅(qū)動空氣壓縮機，以高壓空氣形式存儲能量，負荷高峰時再釋放高壓空氣、驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。其儲能容量大、燃料消耗少，能源轉(zhuǎn)化率可達75％左右。
化學儲能中，電化學儲能主要利用電池正負極氧化還原反應進行充放電，電池是其能量轉(zhuǎn)換的主要載體。它不受地理等外部條件限制，適合大規(guī)模應用和批量化生產(chǎn)，但電池使用壽命有限、成本較高。
針對不同儲能應用，電池類型也有所不同。傳統(tǒng)的電化學電池以鉛酸電池為代表；便攜電子產(chǎn)品的出現(xiàn)帶動了鎳氫電池發(fā)展；電動汽車的發(fā)展促進了鋰離子電池技術進步；新能源發(fā)電不斷推廣后，鈉硫電池、全釩液流電池等針對大規(guī)模儲能應用的電池也隨之出現(xiàn)……
除了常規(guī)電池儲能，氫能也是備受關注的化學儲能方式。
氫的還原性強，熱值（120.0MJ/kg）是同質(zhì)量化石燃料熱值的2-4倍，既能和氧氣燃燒產(chǎn)生熱能，也能通過燃料電池轉(zhuǎn)化成電能，且能量轉(zhuǎn)化過程中不產(chǎn)生溫室氣體、清潔環(huán)保。
此外，相較電儲能方式，氫的能量密度高、能量容量成本小，儲能能力極佳，可實現(xiàn)長時間儲能或季節(jié)性儲能，對于新能源轉(zhuǎn)化電能而言也是很好的儲運介質(zhì)。
氫能利用涉及制氫、儲氫、輸氫、用氫多個環(huán)節(jié)。天然氣制氫、煤制氫是氫氣工業(yè)生產(chǎn)主要方式。目前，主要使用的儲氫技術有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫和有機液態(tài)儲氫。而利用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)，將新能源制氫混入天然氣管道，是氫能輸送的經(jīng)濟方法。
制氫、儲運與利用全產(chǎn)業(yè)鏈示意圖
但從目前看來，氫儲能還需在制氫效率、價格以及使用效率等方面進一步突破，具體體現(xiàn)在：
制氫效率整體偏低，質(zhì)子交換膜、高溫電制氫等高效率制氫普遍存在技術不夠成熟、價格昂貴等問題；
儲氫方式以高壓氣態(tài)儲運為主（國內(nèi)主要采用35 MPa 碳纖維復合鋼瓶儲運），儲氫罐加壓過程成本較大，且隨著壓力增大儲氫安全性也會有所降低；
在用氫層面，燃料電池的實際工作效率（約為40%-60%）遠達不到理論效率（85%-90%）；氫氣若用作儲能媒介，在轉(zhuǎn)換過程中也存在著能量浪費。
產(chǎn)氫成本估算（假設：電$0.095/kWh，天然氣$9/MMBtu，煤價$20/t）
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全球狂熱，后發(fā)趕超
可以說，儲能為電網(wǎng)系統(tǒng)提供了容量巨大的“充電寶”，成為新能源高比例并網(wǎng)背景下電網(wǎng)穩(wěn)定的重要技術支撐。
2020年11月14日，安徽省淮北市高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，工人在一家5G通信基站儲能鋰電池生產(chǎn)企業(yè)的車間內(nèi)組裝鋰電池。圖｜新華社
過去近20年來，各國紛紛探索儲能領域，美國和日本發(fā)展較早。根據(jù)美國能源部信息中心數(shù)據(jù)，2004-2014年，由美國、日本、歐盟等實施的MW（兆瓦）級及以上規(guī)模的儲能示范工程有180余項。從地域分布上看，美國項目數(shù)量占全球總項目數(shù)量的44%。
從儲能類型上看，抽水蓄能是目前技術成熟、應用最廣泛的大規(guī)模儲能技術。但由于地理條件限制，開發(fā)潛力和增長空間與電化學儲能技術相比較弱。截至2020年底，在全球已投運儲能累計裝機中，抽水蓄能所占份額達90%以上，但增速極低（同比增長0.9％）；與之相比，電化學儲能占比僅7%左右，同比增長卻高達49.6％。
中國儲能技術進步迅猛。2003年起，中國逐步實現(xiàn)抽水蓄能電站機組及成套設備制造自主化，抽水蓄能電站裝機容量躍居世界第一，解決了世界工程極限低溫下瀝青混凝土、高海拔低溫超長面板一次成型、復雜地質(zhì)條件下過渡料爆破開采等技術難題。
電化學儲能更是飛速發(fā)展：2015-2020年，電化學儲能裝機復合增長率超80％；2020年，中國成為全球最大電化學儲能市場（市場占有率達33％），鋰離子電池、鉛炭電池和全釩液流電池等方面研發(fā)應用已處國際先進水平。
截至2020年底，中國已投運儲能項目累計裝機規(guī)模占全球市場總規(guī)模的18.6%。其中規(guī)模最大的是抽水蓄能，電化學儲能位列第二，各類電化學儲能技術中規(guī)模最大的是鋰離子電池。
此外，中國已發(fā)布儲能技術相關國家標準35項、行業(yè)標準9項、企業(yè)標準14項、團體標準若干項。
2020年中國投運儲能項目裝機結(jié)構分布。圖源：《中關村儲能聯(lián)盟儲能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2021》
電儲能技術迅猛發(fā)展的同時，各個地方亦結(jié)合自身優(yōu)勢，積極探索氫儲能發(fā)展之路。廣東省佛山市南海區(qū)就是其中之一。
“十二五”以來，南海區(qū)地區(qū)生產(chǎn)總值呈現(xiàn)快速增長趨勢，占佛山市地區(qū)生產(chǎn)總值比重常年穩(wěn)定在27%以上。依托經(jīng)濟發(fā)展，南海區(qū)裝備制造業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級，在數(shù)控機床、制造機器人等先進裝備制造領域取得突破，并率先布局氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)，推動新能源汽車制造業(yè)發(fā)展。
2017年，南海區(qū)于全國率先啟動科技部/聯(lián)合國開發(fā)計劃署“促進中國燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展”項目，并建成了國內(nèi)首個商業(yè)化加氫站——瑞暉加氫站。目前，全區(qū)已投入847輛氫能車輛運行，燃料電池汽車保有量超過全國的10%，是國內(nèi)燃料電池汽車運行規(guī)模最大的縣級區(qū)。
如今，南海已匯集87家氫能企業(yè)、科研院所及相關機構，推動產(chǎn)學研用平臺建設，涵蓋了氫氣生產(chǎn)儲運及設備研制、加氫站設計與建設、燃料電池及系統(tǒng)、核心材料與部件、整機研發(fā)制造、產(chǎn)品檢測及設備研制、標準制定、人才培養(yǎng)等8大環(huán)節(jié)，形成了較完整的、具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。
近年來，我國儲能技術的進步有目共睹，但總體來看尚處于發(fā)展初步階段，尚存諸多問題。比如：研發(fā)體系不健全、缺乏進行運行評估的實際數(shù)據(jù)；儲能技術發(fā)展參差不齊，技術成本和安全性問題有待進一步突破。
據(jù)不完全統(tǒng)計，近10年間，全球共發(fā)生32起儲能電站起火爆炸事故，其中中國3起，給電池質(zhì)量、安全管理、預警監(jiān)控消防系統(tǒng)、運行環(huán)境等多個環(huán)節(jié)敲響警鐘。
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春日將至，穩(wěn)步前行
除了技術進步，儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展還需要高站位的全景規(guī)劃。
我國儲能產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略布局可追溯到2005年的《可再生能源發(fā)展指導目錄》；此后，2010年出臺的《可再生能源法修正案》明確規(guī)定電網(wǎng)企業(yè)應發(fā)展和應用智能電網(wǎng)、儲能技術；2011年，儲能被寫入“十二五”規(guī)劃綱要。
2021年12月13日，位于河北省秦皇島市撫寧區(qū)的抽水蓄能電站地下廠房隧道施工現(xiàn)場。圖｜新華社
2017年10月，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局等五部門聯(lián)合出臺《關于促進我國儲能技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》，指出要在“十三五”期間實現(xiàn)儲能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期過渡，“十四五”期間實現(xiàn)商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變。同時，各省區(qū)市也陸續(xù)出臺關于推動儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。
2021年，隨著“雙碳”目標提出，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局再次聯(lián)合發(fā)布針對儲能產(chǎn)業(yè)的國家級綜合性政策文件《關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見（征求意見稿）》（以下簡稱為《指導意見》），明確提出：到2025年，實現(xiàn)新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變，裝機規(guī)模達3000萬千瓦以上；到2030年，實現(xiàn)新型儲能全面市場化發(fā)展。
在國家政策引領下，張北國家風光儲輸示范工程、遼寧臥牛石風電場全釩液流電池儲能示范電站、甘肅酒泉MW級儲能電站、青海15MW儲能電站……大批示范性儲能電站和光儲一體化電站順利落地，并逐步從試驗示范邁向商業(yè)化推廣。
據(jù)統(tǒng)計，2021年上半年，國內(nèi)新增新型儲能項目257個（包括規(guī)劃、在建、運行項目），儲能總規(guī)模達11.8吉瓦，是2020年同期的9倍；新增投運項目規(guī)模304.4兆瓦，其中百兆瓦以上大規(guī)模項目是2020年同期的8.5倍。
【注：10000千瓦=10兆瓦=0.01吉瓦】
此外，《指導意見》還指出，儲能技術要以需求為向?qū)В瑘猿侄嘣l(fā)展。這提醒我們，要做好儲能產(chǎn)業(yè)的前瞻性規(guī)劃研究，避免資源無效配置，推動商業(yè)化發(fā)展。
儲能項目投資成本偏高，社會資本難以進入；儲能項目商業(yè)模式的不穩(wěn)定性，導致融資渠道有限，儲能技術產(chǎn)業(yè)化相關政策體系和價格機制有待完善……囿于以上因素，當前我國電儲能商業(yè)化應用仍集中在新能源發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)，在用戶側(cè)的商業(yè)化探索相對有限，亟待政策推動。
2021年，已有多省在新能源競價招標方案中明確新能源配儲比例要求，一般在5％-20％之間、儲能時長2小時。隨著可再生能源占比不斷提高，我國電力結(jié)構將發(fā)生重大變化，對于儲能技術和市場的要求也會不斷提高。我們要做的就是不斷提升技術、勇敢迎接挑戰(zhàn)。
