光伏+儲(chǔ)能有望成為未來電力生產(chǎn)和消費(fèi)的主要模式

牛子曦,張 娉

(中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

太陽是萬物生長之源，陽光普照大地，指引人類社會(huì)不斷前進(jìn)。18世紀(jì)末19世紀(jì)初，人們開始進(jìn)入煤炭和石油驅(qū)動(dòng)的工業(yè)化時(shí)代。進(jìn)入21世紀(jì)，以高效太陽能發(fā)電為契機(jī)的新能源革命拉開了序幕。

2008年，新能源大發(fā)展剛剛起步時(shí)，對(duì)于新能源未來發(fā)展趨勢(shì)是什么，新能源能否替代傳統(tǒng)化石能源，沒有人能給出準(zhǔn)確答案。隨著新能源10余年的飛速發(fā)展，未來新能源發(fā)展趨勢(shì)日趨明朗。

國際能源署(IEA)于2014年9月29日在巴黎發(fā)布了太陽能發(fā)電路線圖、太陽能光伏發(fā)電技術(shù)路線圖，太陽能熱發(fā)電技術(shù)路線圖。根據(jù)IEA發(fā)布的路線圖，太陽能將在2050年，領(lǐng)先于化石能源、風(fēng)能、水能和核能，成為世界最大的電力來源[1]。

位于青海省海西州的茶卡鹽湖，那種清澈明亮，海天一色的天空之境令人終生難忘。在光伏世界里同樣可以欣賞到湛藍(lán)的天空和玻璃海洋構(gòu)筑的海天一色的壯麗美景。未來，這樣的圖畫將在中國北方遼闊的戈壁草原上隨處可見。

1 中國太陽能資源儲(chǔ)量極為豐富

中國北方最豐富的資源是土地，廣袤無垠的戈壁灘，構(gòu)成北方最壯麗的景色，而戈壁荒漠恰是光伏發(fā)電的最佳選擇。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，僅青海省柴達(dá)木盆地可用于光伏發(fā)電建設(shè)的荒漠化土地約10萬km2[2]。

按光伏發(fā)電每平方公里裝機(jī)容量5萬kW，青海省海西州光伏發(fā)電年平均利用小時(shí)數(shù)1 500 h計(jì)算，柴達(dá)木盆地光伏發(fā)電可裝機(jī)50億kW，年發(fā)電量7.5萬億kWh。2019年全國電力總裝機(jī)容量為20.1億kW，發(fā)電量約7.5萬億kWh[3]。若柴達(dá)木盆地的荒漠化土地全部用于光伏發(fā)電，則每年可提供的電量與2019年全國發(fā)電量相等。

根據(jù)中國氣象局風(fēng)能太陽能資源中心估算，全國陸地太陽能資源理論儲(chǔ)量1.86萬億kW，我國陸地70 m高度上風(fēng)功率密度達(dá)到200 W/m2以上的風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量為50億kW[4]。由此可見，中國太陽能發(fā)電潛力巨大。

2 新能源進(jìn)入平價(jià)時(shí)代

風(fēng)電平穩(wěn)發(fā)展10余年，產(chǎn)業(yè)相對(duì)未有大的波瀾，年新增裝機(jī)容量始終在20～30 GW。然而受到標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)下調(diào)的影響，行業(yè)于2015年出現(xiàn)了搶裝潮，當(dāng)年新增裝機(jī)容量創(chuàng)下了31.4 GW的新高，而此輪搶裝在一定程度上“透支”了后幾年的新增裝機(jī)容量，2016—2018年，產(chǎn)業(yè)處于裝機(jī)容量爬坡期。2019年5月，幾經(jīng)討論和征求意見的2份重磅文件(《關(guān)于完善風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》(發(fā)改價(jià)格[2019]882號(hào))及《關(guān)于2019年風(fēng)電、光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)有關(guān)事項(xiàng)的通知》(國能發(fā)新能[2019]49號(hào))終于下發(fā)，行業(yè)進(jìn)入第2輪搶裝周期。從2021年起，陸上風(fēng)電將全面率先進(jìn)入平價(jià)[5]。

2013年，光伏產(chǎn)業(yè)促進(jìn)政策的出臺(tái)直接推動(dòng)了國內(nèi)光伏市場(chǎng)的發(fā)展，當(dāng)年我國光伏新增裝機(jī)容量12.92 GW，同比增長269%，超過了2012年底的國內(nèi)累計(jì)裝機(jī)容量。2016年光伏上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)下調(diào)，引發(fā)“630”搶裝，當(dāng)年光伏新增裝機(jī)容量31.7 GW，同比增長130%。2017年，集中式光伏上網(wǎng)電價(jià)再次下調(diào)，但分布式電價(jià)不變，分布式裝機(jī)大幅增長推動(dòng)2017年我國光伏新增裝機(jī)容量53.4 GW，同比增長68%。2018年6月1日，發(fā)改委、財(cái)政部和能源局發(fā)布《2018年光伏發(fā)電有關(guān)事項(xiàng)的通知》，則加速了行業(yè)下行周期[5]。

2019—2020年光伏組件價(jià)格繼續(xù)下行，根據(jù)最新的市場(chǎng)行情，晶硅光伏組件價(jià)格下探至1.5元/Wp，光伏電站投資低至3.6元/kW。光伏發(fā)電成本相比10 a前已下降了90%。與此同時(shí)，雙面、半片、MBB、疊瓦等高效光伏組件技術(shù)的應(yīng)用，使光伏發(fā)電利用小時(shí)數(shù)持續(xù)攀升。據(jù)此價(jià)格測(cè)算，全國大多數(shù)省份可實(shí)現(xiàn)光伏平價(jià)上網(wǎng)。光伏組件價(jià)格和光伏電站投資變化見圖1。

圖1 2009—2020年光伏組件價(jià)格和光伏電站投資變化曲線圖

3 光伏和風(fēng)電的下一輪競技

隨著光伏行業(yè)技術(shù)不斷革新，工藝不斷改進(jìn)，光伏組件價(jià)格以驚人的速度下降，發(fā)電效率明顯提高，光伏電站的度電成本相應(yīng)快速下降。盡管風(fēng)電行業(yè)投資成本總體趨于穩(wěn)定，但隨著技術(shù)的提升，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)持續(xù)上升，風(fēng)電場(chǎng)的度電成本也在逐年下降。

光伏和風(fēng)電誰將執(zhí)掌未來，誰將成為未來新能源發(fā)電行業(yè)的終極霸主，目前來看，風(fēng)電光伏在各自的資源豐富區(qū)占據(jù)優(yōu)勢(shì)，內(nèi)蒙、新疆、甘肅西部某些高風(fēng)速區(qū)域風(fēng)電LCOE較低，在青海西部、陜西北部區(qū)域光伏LCOE較低。

從全球風(fēng)電光伏發(fā)電度電成本(LCOE)變化趨勢(shì)來看，光伏發(fā)電的LCOE下降速度明顯快于風(fēng)力發(fā)電，兩者在2019年基本持平[6]。可以預(yù)見未來幾年，光伏LCOE將顯著低于風(fēng)電LCOE。全球風(fēng)電和光伏發(fā)電度電成本(LCOE)見圖2。

圖2 2009—2020年全球風(fēng)電和光伏發(fā)電度電成本(LCOE)圖

不僅如此，光伏發(fā)電還有用地面積集中、建設(shè)周期短、對(duì)道路運(yùn)輸要求低、環(huán)境友好、運(yùn)維難度低等優(yōu)勢(shì)。因此，在未來新能源發(fā)電的賽道上，光伏發(fā)電終將勝出。

4 后平價(jià)時(shí)代的新能源發(fā)展路線

全球能源轉(zhuǎn)型是大勢(shì)所趨，高比例可再生能源是未來全球能源轉(zhuǎn)型的方向。根據(jù)國際可再生能源署(IRENA)2050年全球能源轉(zhuǎn)型路線圖(GET2050)報(bào)告，電力在全球最終能源中的比例可能會(huì)從現(xiàn)在的20%增加到2050年的近45%。同時(shí)，可再生電源在全球發(fā)電總量占比將從現(xiàn)在的26%攀升至2050年的85%，其中60%來自太陽能和風(fēng)能等間歇性電源[7]。

2021年中國將全面進(jìn)入風(fēng)光電平價(jià)時(shí)代，這也意味著風(fēng)光電將要直接面對(duì)傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電的競爭。眾所周知，風(fēng)光電具有不穩(wěn)定、不連續(xù)特性，電能質(zhì)量受天氣影響因素大，規(guī)模化發(fā)展后出現(xiàn)的電網(wǎng)消納難題，都是風(fēng)光電相對(duì)傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電的劣勢(shì)，并且電力系統(tǒng)也將面臨全新的挑戰(zhàn)。在這種情況下，儲(chǔ)能價(jià)值將會(huì)得到充分體現(xiàn)，它既可以平抑發(fā)電波動(dòng)、改善電能質(zhì)量、存儲(chǔ)余電、解決消納問題，又可以提升電網(wǎng)調(diào)度的靈活性。

因此，后平價(jià)時(shí)代的新能源大發(fā)展將伴隨著電力儲(chǔ)能技術(shù)的大比拼，唯有技術(shù)成熟、成本低廉宜于大規(guī)模使用的電力儲(chǔ)能路線才能跟上新能源發(fā)展的步伐。電力儲(chǔ)能主要由電化學(xué)儲(chǔ)能、融鹽儲(chǔ)能、抽水蓄能等類型構(gòu)成。其中，抽水蓄能電站受水資源狀況、地形條件、建設(shè)周期等制約，發(fā)展?jié)摿τ邢蓿軌虼笠?guī)模、靈活、快速建設(shè)的電力儲(chǔ)能方式只有電化學(xué)儲(chǔ)能和光熱融鹽儲(chǔ)能。

5 光熱和光伏+儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景

光熱發(fā)電運(yùn)行方式靈活，可連續(xù)發(fā)電直接并網(wǎng)，也可參與系統(tǒng)調(diào)峰，同時(shí)與風(fēng)光電結(jié)合，有利于風(fēng)光電消納。此外，光熱發(fā)電還有清潔無污染、產(chǎn)業(yè)鏈長等優(yōu)點(diǎn)，正在被我國、西班牙、美國等國競相發(fā)展。

2020年5月21日下午，由國家太陽能光熱聯(lián)盟、中國可再生能源學(xué)會(huì)聯(lián)合編制的《2019太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書》(簡稱藍(lán)皮書)對(duì)外發(fā)布。據(jù)太陽能光熱聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，截至2019年底，我國太陽能熱發(fā)電站累計(jì)并網(wǎng)9座，總裝機(jī)容量42萬kW。2019年，我國太陽能熱發(fā)電新增和累計(jì)裝機(jī)容量在全球占比分別達(dá)到了41%和6%[8-9]。各主要國家已建光熱發(fā)電技術(shù)路線在全球裝機(jī)容量中的占比見圖3。

圖3 各主要國家已建光熱發(fā)電技術(shù)路線在全球裝機(jī)容量中的占比圖

但光熱發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用和發(fā)展存在諸多制約因素：光熱發(fā)電整體發(fā)展緩慢，國家產(chǎn)業(yè)扶持政策不明朗，缺乏突破性的技術(shù)升級(jí)，缺乏大規(guī)模應(yīng)用和降低成本的途徑，缺乏核心技術(shù)和相關(guān)人才。

2020年1月22日，財(cái)政部、國家發(fā)展改革委、國家能源局下發(fā)《關(guān)于促進(jìn)非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見》，意見中明確，自2020年起，新增海上風(fēng)電和光熱項(xiàng)目不再納入中央財(cái)政補(bǔ)貼范圍，由地方按照實(shí)際情況予以支持[10]。

在新能源去補(bǔ)貼的形勢(shì)下，光熱發(fā)電無法大規(guī)模應(yīng)用，同時(shí)也將近一步制約光熱發(fā)電成本下降。因此，光熱只能充分發(fā)揮其儲(chǔ)能調(diào)峰作用，在缺乏調(diào)峰電源的青海西部、甘肅西部等地區(qū)與光伏+儲(chǔ)能同臺(tái)競技。

根據(jù)CNESA全球儲(chǔ)能項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫的不完全統(tǒng)計(jì)，截止2019年底，中國已投運(yùn)的電力儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)容量(包含物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能以及融鹽儲(chǔ)能)達(dá)到32.4 GW，其中電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為1 709.6 MW，同比增長59.4%，在各類電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中，鋰離子電池的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模最大，為1 378.3 MW[11]。目前儲(chǔ)能系統(tǒng)成本已降至1 000～1 500元/kWh，已進(jìn)入應(yīng)用的盈虧平衡點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。中國儲(chǔ)能市場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模變化見圖4。

后平價(jià)時(shí)代新能源要想取得跨越式發(fā)展，離不開新能源大基地和特高壓輸電。以目前西部某新能源外送基地規(guī)劃研究為例，研究光伏、風(fēng)電、光熱、抽蓄、儲(chǔ)能、燃?xì)舛喾N能源綜合配比，提出技術(shù)方案可行、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)的多種能源耦合方案。研究結(jié)果表明：2030年，電源側(cè)建設(shè)以光伏為主的新能源2 100萬kW，配備700萬kW×6 h(4 200萬kWh)電化學(xué)儲(chǔ)能，同時(shí)外接150萬的外省輸入基荷。該新能源基地可保證外送電量中清潔能源發(fā)電量占比約75%，外送通道年利用小時(shí)數(shù)為4 750 h。若該基地采用光熱融鹽儲(chǔ)能，要獲得4 200萬kWh儲(chǔ)能量，新能源外送基地要達(dá)到同樣的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，儲(chǔ)能部分造價(jià)將提高1倍。

圖4 2000—2019年中國儲(chǔ)能市場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模變化圖

根據(jù)IRENA最新報(bào)告，2010—2018年集中式光伏電站發(fā)電成本降幅達(dá)82%，其次是光熱發(fā)電系統(tǒng)降幅約47%[12]。根據(jù)中國電力新聞網(wǎng)調(diào)研報(bào)告顯示，2012—2017年儲(chǔ)能系統(tǒng)整體生產(chǎn)成本下降了70%，其中電池下降超過50%[13]。

光熱和光伏+儲(chǔ)能兩種技術(shù)路線將在后平價(jià)時(shí)代激烈競爭，從目前發(fā)展的態(tài)勢(shì)來看，光伏+儲(chǔ)能已經(jīng)搶占了先機(jī)，后期的發(fā)展可能會(huì)走得更遠(yuǎn)。

6 用戶側(cè)儲(chǔ)能設(shè)想

眾所周知，基于目前電能無法大量存儲(chǔ)的特性，以及大規(guī)模儲(chǔ)能電站技術(shù)經(jīng)濟(jì)不成熟，要求電源端盡量跟蹤匹配用戶側(cè)，簡單來說就是發(fā)出的電要及時(shí)使用。因此，無論是對(duì)于發(fā)電企業(yè)還是對(duì)于長距離特高壓輸電，都要求送端容量和電量的波動(dòng)被嚴(yán)格限制在很小的范圍之內(nèi)。

新能源需要傳統(tǒng)電源參與調(diào)峰，無法單獨(dú)與電網(wǎng)和諧相處，成為制約新能源發(fā)展的難題。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的飛速發(fā)展，這一難題將有望被破解。

通常認(rèn)為電網(wǎng)調(diào)峰依靠電網(wǎng)調(diào)度指令來實(shí)現(xiàn)，電網(wǎng)公司通過調(diào)節(jié)火電、水電和抽蓄電站的出力實(shí)現(xiàn)電力調(diào)峰，而用戶側(cè)做為電能消費(fèi)的終端，不具備電力系統(tǒng)調(diào)峰能力。隨著電動(dòng)汽車和家庭儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，以前由電網(wǎng)和電源企業(yè)承擔(dān)的部分調(diào)峰容量，現(xiàn)在可由用戶側(cè)實(shí)現(xiàn)。

據(jù)中國科學(xué)院財(cái)經(jīng)戰(zhàn)略研究院預(yù)測(cè)，2020 年我國工業(yè)化基本完成，2020—2030 年我國將處于“穩(wěn)定階段”，全社會(huì)用電需求增速緩慢并下降到3.0%～4.0%。以中值模型計(jì)算，2020—2030年我國全社會(huì)用電量年增長率約為3.14%，2030年全社會(huì)用電量將達(dá)到10萬億kWh[14]。

伴隨著中國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多人們開始喜愛安靜環(huán)保節(jié)能的電動(dòng)汽車。要使電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)V2G(Vehicle To Grid)，需要在電網(wǎng)和汽車間配備雙向的智能充電器。此雙向充電器必須具有為電動(dòng)汽車電池充電的功能，同時(shí)應(yīng)具有根據(jù)調(diào)節(jié)向電網(wǎng)回饋能量的能力[15]。具備V2G技術(shù)的電動(dòng)車和充電樁，可以通過峰谷電價(jià)差，獲得一定的收益。

各方預(yù)測(cè)未來中國汽車可能達(dá)到的穩(wěn)定保有量差異較大，從3億輛到5.2億輛不等，本次取中間值：根據(jù)中國汽車技術(shù)研究中心汽車資源數(shù)據(jù)中心的有關(guān)數(shù)據(jù)，中國汽車保有量有可能達(dá)到中等發(fā)達(dá)國家千人保有量280輛的水平，達(dá)到近4億輛。如果未來4億輛汽車全部更換為電動(dòng)車，其中有50%都帶有V2G充電樁，相當(dāng)于全國擁有2億個(gè)電動(dòng)汽車儲(chǔ)能站。每輛汽車按100 kWh電池計(jì)算，2億個(gè)電動(dòng)汽車儲(chǔ)能站每天可以存儲(chǔ)200億kWh電能，相當(dāng)于2030年預(yù)期全社會(huì)每天用電量的0.75倍。

用戶側(cè)儲(chǔ)能裝置的另一種實(shí)現(xiàn)方法是家庭儲(chǔ)能墻，電網(wǎng)公司通過經(jīng)濟(jì)手段鼓勵(lì)發(fā)展可以雙向送電的家庭儲(chǔ)能墻，定義為H2G(Home To Grid)技術(shù)。與V2G技術(shù)類似，核心思想就是利用家庭儲(chǔ)能墻作為電網(wǎng)負(fù)荷的緩沖。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷過高時(shí)，由家用儲(chǔ)能電池能量墻向電網(wǎng)饋電;而當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)，用來存儲(chǔ)電網(wǎng)過剩的發(fā)電量，避免造成浪費(fèi)。通過這種方式，家庭用戶同樣可以通過峰谷電價(jià)差，獲得一定的收益。

2015年4月特斯拉推出家用儲(chǔ)能電池能量墻(PowerWall)，以及公用事業(yè)儲(chǔ)能電池能量包(PowerBack)。能量墻為可充電的18650鋰離子電池，產(chǎn)品容量包括7 kWh和10 kWh兩種，而能量包則通過串并聯(lián)方式可提供100 kWh以上的容量[16]。

中國目前約有4億個(gè)家庭，若每戶安裝100 kWh儲(chǔ)能墻，可以存儲(chǔ)400億kWh電能，相當(dāng)于2030年預(yù)期全社會(huì)每日用電量的1.5倍。

綜上所述，未來以電動(dòng)汽車儲(chǔ)能站結(jié)合家庭儲(chǔ)能墻技術(shù)所具備的最大調(diào)峰容量為2030年全社會(huì)每日用電量的2倍以上，完全滿足全社會(huì)電力生產(chǎn)和消費(fèi)需求。

未來大力發(fā)展用戶側(cè)儲(chǔ)能技術(shù)，可以緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力，減少電力系統(tǒng)調(diào)峰儲(chǔ)備，提高各類能源的發(fā)電效率，增加電源企業(yè)收入。可以預(yù)見，未來電源側(cè)以光伏+儲(chǔ)能，用戶側(cè)以移動(dòng)儲(chǔ)能站和家庭儲(chǔ)能墻參與電力調(diào)峰模式：電源側(cè)(光伏+儲(chǔ)能)—用戶側(cè)(移動(dòng)儲(chǔ)能站和家庭儲(chǔ)能墻)，將成為未來電力生產(chǎn)和消費(fèi)的主流模式。

7 結(jié) 語

以中國巨大的太陽能資源儲(chǔ)量為支撐，伴隨著光伏和儲(chǔ)能技術(shù)持續(xù)革新和成本持續(xù)下降，光伏+儲(chǔ)能為中國新能源大發(fā)展勾勒了一幅清晰又壯麗的圖景，可以預(yù)見，光伏+儲(chǔ)能必將成為未來電力供應(yīng)的主流模式。