從技術(shù)視角分析上海儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

杜坤杰

上海新能源科技成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)促進(jìn)中心

0 前言

當(dāng)前，新一輪的能源革命已初露端倪，努力構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系是“十三五”時(shí)期我國(guó)能源發(fā)展的目標(biāo)[1]。儲(chǔ)能是構(gòu)建現(xiàn)代能源體系的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。2019年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)固體物理學(xué)家約翰·巴尼斯特·古迪納夫（John B.Goodenough）等三位科學(xué)家，以表彰他們?cè)阡囯姵胤矫孀龀龅木薮筘暙I(xiàn)，儲(chǔ)能領(lǐng)域也成為國(guó)際能源界關(guān)注的熱點(diǎn)。

儲(chǔ)能市場(chǎng)前景廣闊，發(fā)展空間巨大。在電力系統(tǒng)，儲(chǔ)能可為電網(wǎng)提供調(diào)峰調(diào)頻、削峰填谷、黑啟動(dòng)、需求響應(yīng)支撐等多種服務(wù)，提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的靈活性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。在新能源開(kāi)發(fā)上，可顯著提高風(fēng)、光等可再生能源的消納水平，支撐分布式電力及微網(wǎng)。面對(duì)越來(lái)越普及的新能源汽車，儲(chǔ)能將在能源互聯(lián)互通、融合新能源汽車在內(nèi)的智慧交通網(wǎng)絡(luò)起到關(guān)鍵作用。

“十三五”以來(lái)，國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（CNESA)的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，2016～2020年我國(guó)儲(chǔ)能行業(yè)投資建設(shè)規(guī)模在1 400～2 300億元，年均投資規(guī)模約為280～460億元[2]，未來(lái)10年我國(guó)儲(chǔ)能行業(yè)將迎來(lái)快速發(fā)展期，目前正處于發(fā)展的臨界點(diǎn)。2016年，國(guó)家發(fā)改委等三部門聯(lián)合印發(fā)《中國(guó)制造2025——能源裝備實(shí)施方案》，儲(chǔ)能成為能源裝備發(fā)展任務(wù)的15個(gè)領(lǐng)域之一。2017年，國(guó)家能源局等多部委聯(lián)合印發(fā)《促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，這是我國(guó)首個(gè)國(guó)家層面出臺(tái)的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)政策。在地方層面，山西省針對(duì)儲(chǔ)能參與電力調(diào)峰調(diào)頻服務(wù)出臺(tái)了有關(guān)鼓勵(lì)政策，國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司制定了支持客戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的管理規(guī)范，北京、廣東、福建等地方政府和電力公司也在積極探索儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑，制定相關(guān)支持政策。

1 儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

儲(chǔ)能作為能源產(chǎn)業(yè)最具發(fā)展前景的前瞻性技術(shù)，呈現(xiàn)多元發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)。按照技術(shù)類型大致可分為：物理儲(chǔ)能（抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等）；電磁儲(chǔ)能（超級(jí)電容器、超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能等）；電化學(xué)儲(chǔ)能（鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池等）；熱儲(chǔ)能和化學(xué)類儲(chǔ)能（氫能、合成燃料等）“五類”。

在物理儲(chǔ)能方面，抽水蓄能占全球總儲(chǔ)能容量的98%，是目前最為成熟的儲(chǔ)能技術(shù)。壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)展也較快，在德國(guó)和美國(guó)得到一定的商業(yè)應(yīng)用。抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能對(duì)環(huán)境、地理?xiàng)l件都有較高的要求，應(yīng)用受到限制。在新型壓縮空氣儲(chǔ)能方面，國(guó)際上只有美國(guó)、英國(guó)等個(gè)別機(jī)構(gòu)具備兆瓦級(jí)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)能力。中科院工程熱物理研究所經(jīng)過(guò)十多年的研究攻關(guān)，已突破1～10 MW新型壓縮空氣儲(chǔ)能各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，10 MW儲(chǔ)能示范系統(tǒng)效率達(dá)60.2%，是全球目前效率最高的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。中科院工程熱物理研究所正在研發(fā)100 MW級(jí)技術(shù)，預(yù)計(jì)額定效率將達(dá)到70%左右[3]。飛輪儲(chǔ)能屬于功率型儲(chǔ)能，主要應(yīng)用在UPS中。

在電磁儲(chǔ)能方面，超級(jí)電容器充放電速度快，適合于需要提供短時(shí)較大脈沖功率的場(chǎng)合。美國(guó)、日本、俄羅斯等產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個(gè)超級(jí)電容器市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)超級(jí)電容研發(fā)起步晚，達(dá)到市場(chǎng)化水平的企業(yè)僅有10多家，其中上海奧威公司技術(shù)領(lǐng)先，已達(dá)到了國(guó)際同類先進(jìn)產(chǎn)品的水平。目前，能量密度低、成本高，以及電池壽命和安全問(wèn)題是超級(jí)電容器面臨的主要挑戰(zhàn)。石墨烯柔性超級(jí)電容器為其發(fā)展提供了新思路。超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能是將電能以電磁能的形式儲(chǔ)存在超導(dǎo)線圈中，具有功率密度高、綜合效率高和響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，尚處于前期研發(fā)階段，僅在美國(guó)、日本和歐洲得到初步應(yīng)用。

在化學(xué)儲(chǔ)能方面，鉛酸電池技術(shù)成型早、材料成本低，是目前發(fā)展最為成熟的一種化學(xué)電池，缺點(diǎn)是能量密度低、可充放電次數(shù)少，制造過(guò)程中存在一定污染。我國(guó)是鉛酸電池的第一大生產(chǎn)國(guó)和使用國(guó)。鉛碳電池是鉛酸電池的演進(jìn)技術(shù)，提升了電池的功率密度，延長(zhǎng)循環(huán)壽命，是鉛酸電池發(fā)展的主流方向。鋰電池已成為全球最具競(jìng)爭(zhēng)力的化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，發(fā)展勢(shì)頭迅猛，是當(dāng)前增速最快的儲(chǔ)能技術(shù)。鈉離子電池是前沿技術(shù)的研究熱點(diǎn)，也將是未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的重要選擇之一。液流電池的發(fā)展較為平穩(wěn)，全釩液流電池和鋅溴液流電池相對(duì)成熟，主要應(yīng)用于大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)領(lǐng)域。鈉硫電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，最近20年發(fā)展迅猛。日本NGK公司是國(guó)際上唯一實(shí)現(xiàn)鈉硫電池產(chǎn)業(yè)化的機(jī)構(gòu)。2015年，鈉硫電池系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)事件后，NGK公司改進(jìn)了電池結(jié)構(gòu)并加強(qiáng)安全性研發(fā)，目前仍然引領(lǐng)著全球鈉硫電池的發(fā)展。中科院上海硅酸鹽研究所在國(guó)內(nèi)鈉硫電池領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先水平，在國(guó)際上也具有很強(qiáng)的研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)力[4]。

儲(chǔ)熱技術(shù)包括顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱、熱化學(xué)儲(chǔ)熱。目前，潛熱儲(chǔ)熱是研究熱點(diǎn)，熱化學(xué)儲(chǔ)熱在前沿技術(shù)方面發(fā)展得最快。

氫儲(chǔ)能技術(shù)是解決大規(guī)模風(fēng)電儲(chǔ)存的一種新途徑,適于商業(yè)應(yīng)用的有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)、金屬氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)，研究側(cè)重于安全性、成本和體積密度。

美國(guó)為支持儲(chǔ)能發(fā)展，從2009年開(kāi)始出臺(tái)一系列產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和財(cái)稅政策支持研發(fā)及示范應(yīng)用。日本也投入大量資金支持核心設(shè)備開(kāi)發(fā)、示范項(xiàng)目建設(shè)及商業(yè)化運(yùn)作。歐盟、加拿大、韓國(guó)等國(guó)家也分別出臺(tái)相應(yīng)政策激勵(lì)儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展。近年來(lái)，我國(guó)在儲(chǔ)能項(xiàng)目規(guī)劃、政策支持和產(chǎn)能布局等方面也加快了步伐，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能行業(yè)正蓄勢(shì)待發(fā)。

2 上海發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)的重要性和優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)

當(dāng)前，在全球大力倡導(dǎo)發(fā)展清潔能源的時(shí)代背景下，開(kāi)發(fā)能量密度更高、循環(huán)壽命更長(zhǎng)、系統(tǒng)成本更低、安全性能更好的儲(chǔ)能技術(shù)已成為各國(guó)政府支持研究計(jì)劃的一個(gè)重要內(nèi)容。近年來(lái)，上海在相關(guān)部門引導(dǎo)和支持下，在儲(chǔ)能領(lǐng)域組織開(kāi)展了大量的研發(fā)和示范工作，促進(jìn)了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。在新形勢(shì)下，我們認(rèn)為上海發(fā)展儲(chǔ)能的重要性和具備的基礎(chǔ)有以下5點(diǎn)。

1）能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展給儲(chǔ)能技術(shù)帶來(lái)新的機(jī)遇，儲(chǔ)能技術(shù)將帶來(lái)變革性的突破

在可再生能源、電動(dòng)汽車和能源互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的推動(dòng)下，儲(chǔ)能行業(yè)有望呈爆發(fā)性增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，儲(chǔ)能系統(tǒng)性能和技術(shù)將進(jìn)入一個(gè)良性快速的發(fā)展階段。目前，儲(chǔ)能電池成本、能量密度與市場(chǎng)的期望值還有很大距離，從當(dāng)前的研究成果看，儲(chǔ)能技術(shù)有望迎來(lái)重大突破，未來(lái)市場(chǎng)前景廣闊。2017年，國(guó)家能源局等五部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》[5]，提出未來(lái)10年二步走的實(shí)施路經(jīng)，即“十三五”期間儲(chǔ)能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期過(guò)渡，“十四五”期間實(shí)現(xiàn)商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展轉(zhuǎn)變。上海必須牢牢把握產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大機(jī)遇，以全面掌握國(guó)際領(lǐng)先的儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)和核心裝備、形成完整的產(chǎn)業(yè)體系為目標(biāo)，大力推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，支撐上海能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，并拉動(dòng)能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

2）以儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用為突破口，保障上海電力安全，牢固守住超大城市的能源安全底線

“十三五”以來(lái)，我國(guó)能源供應(yīng)緊張的現(xiàn)象得到有效緩解，但上海作為超大城市，能源安全面臨新的問(wèn)題：全市最大用電峰谷差已超過(guò)1 300萬(wàn)kw，電力調(diào)峰矛盾十分突出；上海全市平均供電可靠性為99.969%，低于新加坡（99.9999%）、東京（99.9994%）、香港（99.9981%）。這些問(wèn)題的解決，近期主要通過(guò)華東電網(wǎng)電量置換等管理措施，但是未來(lái)更多是需要儲(chǔ)能、分布式供能等新技術(shù)的突破。

3）代表國(guó)家參與全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，打造長(zhǎng)三角區(qū)域先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的策源地

能源互聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)能源發(fā)展的重要方向。2015年9月，中國(guó)提出探討構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的倡議。儲(chǔ)能是構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)、推動(dòng)我國(guó)電力體制改革和促進(jìn)能源新業(yè)態(tài)發(fā)展的核心基礎(chǔ)和關(guān)鍵支撐技術(shù)。上海應(yīng)抓住機(jī)遇，結(jié)合落實(shí)“長(zhǎng)三角區(qū)域一體化發(fā)展”等國(guó)家戰(zhàn)略，充分發(fā)揮上海科研基礎(chǔ)雄厚、國(guó)際化程度高的優(yōu)勢(shì)，著力推進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)示范，爭(zhēng)取在全國(guó)率先取得突破，帶動(dòng)國(guó)內(nèi)能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，也為國(guó)家參與全球能源治理發(fā)揮重要作用，并將其成為上海建設(shè)全球科創(chuàng)中心的重要載體。

4）上海科研力量聚集，研發(fā)創(chuàng)新鏈較為齊全，具備發(fā)展儲(chǔ)能的良好科研基礎(chǔ)

自“十五”以來(lái)，在市科委等部門的推動(dòng)下，上海在鈉硫電池、鋰電池和超級(jí)電容等技術(shù)研發(fā)及示范上取得了一批在國(guó)內(nèi)外有較大影響的科研成果。2008年，中科院硅酸鹽研究所研發(fā)出650 Ah(安時(shí))的單體鈉硫電池，使我國(guó)成為自日本之后第二個(gè)掌握單體鈉硫電池技術(shù)的國(guó)家。2014年，中科院硅酸鹽研究所在崇明島建設(shè)了國(guó)內(nèi)首個(gè)鈉硫電站工程化示范項(xiàng)目。上海空間電源研究所和上海動(dòng)力儲(chǔ)能電池系統(tǒng)工程技術(shù)有限公司在國(guó)內(nèi)首次完成兆瓦級(jí)儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的全生命周期安全性評(píng)估和多層級(jí)安全性設(shè)計(jì)。面對(duì)上海已成為全球新能源汽車擁有量最大城市的現(xiàn)狀，上海動(dòng)力儲(chǔ)能電池系統(tǒng)工程技術(shù)有限公司采用電動(dòng)大巴退役鋰電池，建成了電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)。上海電氣集團(tuán)研發(fā)動(dòng)力儲(chǔ)能梯次電池快速檢測(cè)和篩選方法，解決電池梯次利用的一致性難題，并應(yīng)用于工程示范。上海交通大學(xué)馬紫峰團(tuán)隊(duì)完成的“磷酸鐵鋰動(dòng)力電池制造及其應(yīng)用過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目榮獲2018年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。此外，復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)開(kāi)展了鈉離子電池等前沿技術(shù)研究。復(fù)旦大學(xué)建成我國(guó)第一條具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水系離子電池生產(chǎn)線。上海奧威科技開(kāi)發(fā)有限公司研制的超級(jí)電容公交車除供上海使用外，還出口到東歐、西亞和北非等國(guó)家，產(chǎn)品滿足歐盟標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，成為了上海特色產(chǎn)品。在儲(chǔ)熱領(lǐng)域，中科院上海應(yīng)用物理研究所掌握高溫熔鹽蓄熱系統(tǒng)方案，建設(shè)國(guó)際首個(gè)10 MW超高溫熔鹽儲(chǔ)能示范裝置。沙特電力（ACWA）和上海電氣聯(lián)合體中標(biāo)全球最大的迪拜700 MW光熱電站，極大地推動(dòng)了中國(guó)光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈拓展國(guó)際市場(chǎng)的步伐。

5）長(zhǎng)三角一體化戰(zhàn)略為上海發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)提供了新機(jī)遇

受土地、人力成本及環(huán)保等要素制約，上海的儲(chǔ)能電池生產(chǎn)企業(yè)相對(duì)較少，產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為薄弱。但周邊省市強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，為上海推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展提供了有利條件。據(jù)初步調(diào)研，浙江南都電源動(dòng)力股份有限公司是全球最大的蓄電池生產(chǎn)企業(yè)之一，杉杉股份是國(guó)內(nèi)最大的鋰電池綜合材料供應(yīng)商，合肥國(guó)軒高科具有完整的鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈，陽(yáng)光電源利用其技術(shù)優(yōu)勢(shì)構(gòu)建了儲(chǔ)能云平臺(tái)，江蘇國(guó)泰具有優(yōu)勢(shì)的鋰離子電池電解液。在2018年首屆中國(guó)國(guó)際進(jìn)口博覽會(huì)上，習(xí)近平宣布將長(zhǎng)三角區(qū)域一體化發(fā)展上升為國(guó)家戰(zhàn)略。上海要以落實(shí)國(guó)家戰(zhàn)略為契機(jī)，依托豐富的科技資源，全力打造包括儲(chǔ)能技術(shù)等新能源科技創(chuàng)新的策源高地。

3 上海發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的建議

儲(chǔ)能系統(tǒng)作為新能源發(fā)展的“最后一公里”，在可再生能源、能源互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有重要作用。上海要站在提升科技創(chuàng)新策源能力的高度，將“科研密度”轉(zhuǎn)化為“創(chuàng)新濃度”，有效地推動(dòng)上海儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1）緊盯國(guó)際前沿技術(shù)趨勢(shì)，打造具有國(guó)際水準(zhǔn)的技術(shù)高地

不同的儲(chǔ)能技術(shù)在原理上差異很大，其關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與技術(shù)難點(diǎn)也有所不同。要組織專家團(tuán)隊(duì)深入論證，科學(xué)研判儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展及市場(chǎng)走勢(shì)，制定發(fā)展路線圖。現(xiàn)階段不但要加強(qiáng)低成本、高安全、長(zhǎng)壽命的鋰電池技術(shù)研究，也要密切關(guān)注液態(tài)鈉離子電池、固態(tài)電池、基于石墨烯的儲(chǔ)能電池等國(guó)際前沿技術(shù)，提前布局研發(fā)一批重大關(guān)鍵技術(shù)與核心裝備，建成一批不同技術(shù)類型、不同應(yīng)用場(chǎng)景的試點(diǎn)示范項(xiàng)目，在更高起點(diǎn)上形成上海的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。

2）依托長(zhǎng)三角一體化發(fā)展戰(zhàn)略,打造科技創(chuàng)新的策源高地

上海有交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等著名高校，以及中科院、航天集團(tuán)旗下的研究所等國(guó)家隊(duì)，還有上海電氣、上海奧威等地方生力軍，儲(chǔ)能研發(fā)力量雄厚。上海要與蘇浙皖三省的企業(yè)形成產(chǎn)學(xué)研合作模式，將其納入長(zhǎng)三角產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新城市聯(lián)盟等開(kāi)放創(chuàng)新平臺(tái)，緊密協(xié)作，以上海技術(shù)培育出國(guó)內(nèi)更多的具有新技術(shù)、新模式、新業(yè)態(tài)的“獨(dú)角獸”和“隱形冠軍”企業(yè)，共同把長(zhǎng)三角地區(qū)建設(shè)成為我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展強(qiáng)勁活躍的聚集地。

3）開(kāi)放上海創(chuàng)新資源,打造儲(chǔ)能電池標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)服務(wù)高地

依托上海的工程技術(shù)中心、公共服務(wù)平臺(tái)等基礎(chǔ)，集合上海市儲(chǔ)能各領(lǐng)域的力量，開(kāi)放科研設(shè)施，建立新能源發(fā)電并網(wǎng)、風(fēng)電調(diào)頻、削峰填谷、戶用儲(chǔ)能、電動(dòng)車儲(chǔ)充一體等不同應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用場(chǎng)景下的儲(chǔ)能系統(tǒng)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)相應(yīng)的檢測(cè)評(píng)價(jià)平臺(tái)，形成儲(chǔ)能電池及系統(tǒng)性能診斷、壽命預(yù)測(cè)、殘值評(píng)估及失效分析服務(wù)能力，為長(zhǎng)三角乃至全國(guó)儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用推廣提供評(píng)測(cè)與分析服務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)

儲(chǔ)能技術(shù)被稱為“能源革命的支撐技術(shù)”，正處于研發(fā)示范向商業(yè)化過(guò)渡的關(guān)鍵階段。上海要發(fā)揮科技資源集聚的優(yōu)勢(shì)，依托長(zhǎng)三角一體化發(fā)展國(guó)家戰(zhàn)略，打造科技創(chuàng)新的策源高地，大力開(kāi)展儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)和綜合應(yīng)用示范，對(duì)于推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)在我國(guó)的快速發(fā)展具有重要的意義。