儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所研究員 陳海生

根據(jù)《儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2021》預(yù)測(cè)，2025年我國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模保守場(chǎng)景下將達(dá)3550萬千瓦，理想場(chǎng)景下將達(dá)5590萬千瓦，這意味著2022年至2025年期間，儲(chǔ)能將保持年均72%以上復(fù)合增長(zhǎng)率持續(xù)高速增長(zhǎng)。在政府鼓勵(lì)和市場(chǎng)需求的雙重加持下，預(yù)計(jì)到2025年儲(chǔ)能將形成千億級(jí)市場(chǎng)。

一、儲(chǔ)能發(fā)展背景

我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)面臨的形勢(shì)與挑戰(zhàn)。一方面，我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)時(shí)間短、任務(wù)重。當(dāng)前，主要能源國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了碳達(dá)峰，如英國(guó)、法國(guó)和德國(guó)在上世紀(jì)90年代已經(jīng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，美國(guó)、日本也分別于2007年、2008年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，這些國(guó)家從碳達(dá)峰到碳中和大致經(jīng)過50年至70年的過渡期。我國(guó)承諾到2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，這就意味著從碳達(dá)峰到碳中和大約只有30年的時(shí)間。

另一方面，我國(guó)仍然處于工業(yè)化、現(xiàn)代化關(guān)鍵時(shí)期，能源作為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，需要兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和低碳目標(biāo)。我國(guó)資源天然稟賦形成的能源結(jié)構(gòu)偏煤，能源科技創(chuàng)新不充分引起的能源利用效率偏低都嚴(yán)重影響著綠色低碳發(fā)展。我們既要為解決社會(huì)發(fā)展不充分問題提供充分的能源保障，還要兼顧“雙碳”目標(biāo)，無疑增加了能源轉(zhuǎn)型的難度。

“雙碳”背景下儲(chǔ)能的戰(zhàn)略意義。伴隨著隨機(jī)性、波動(dòng)性的可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)以及電動(dòng)汽車、分布式電源等交互式設(shè)備大量接入，電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)高比例可再生能源、高比例電力電子化的“雙高”特點(diǎn)，電力系統(tǒng)在供需平衡、系統(tǒng)調(diào)節(jié)、穩(wěn)定特性、配網(wǎng)運(yùn)行、控制保護(hù)和建設(shè)成本等方面都將發(fā)生顯著變化，面臨一系列新的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的負(fù)荷平衡，儲(chǔ)能將發(fā)揮重要作用。根據(jù)《儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2021》預(yù)測(cè)，2025年我國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模保守場(chǎng)景下將達(dá)3550萬千瓦，理想場(chǎng)景下將達(dá)5590萬千瓦，這意味著2022年至2025年，儲(chǔ)能將保持年均72%以上復(fù)合增長(zhǎng)率持續(xù)高速增長(zhǎng)。在政府鼓勵(lì)和市場(chǎng)需求的雙重加持下，預(yù)計(jì)到2025年儲(chǔ)能將形成千億級(jí)市場(chǎng)。

二、儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和路徑

儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。在儲(chǔ)能本體技術(shù)方面，儲(chǔ)能用鋰離子電池循環(huán)壽命、能量密度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)得到大幅度提升，應(yīng)用成本快速下降且實(shí)現(xiàn)了百兆瓦級(jí)儲(chǔ)能電站系統(tǒng)集成應(yīng)用；其他新型儲(chǔ)能技術(shù)，如壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)領(lǐng)跑全球。在儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù)方面，初步掌握了儲(chǔ)能容量配置、儲(chǔ)能電站能量管理、“源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)”協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)，相關(guān)核心技術(shù)指標(biāo)也達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，推動(dòng)了大容量?jī)?chǔ)能提升新能源并網(wǎng)友好性、儲(chǔ)能機(jī)組二次調(diào)頻、大容量?jī)?chǔ)能電站調(diào)峰、分布式儲(chǔ)能提升微電網(wǎng)運(yùn)行可靠性等示范工程。在儲(chǔ)能技術(shù)支撐體系方面，我國(guó)初步建立電力儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)體系，先后發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)13項(xiàng)、能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)35項(xiàng)、各類團(tuán)體140余項(xiàng)，主導(dǎo)并參與IEC 和IEEE 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)。在儲(chǔ)能裝備產(chǎn)業(yè)化方面，我國(guó)已初步建成包括儲(chǔ)能電池、電池管理系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)等在內(nèi)的電化學(xué)儲(chǔ)能裝備產(chǎn)業(yè)鏈，電化學(xué)儲(chǔ)能裝備技術(shù)已處于國(guó)際領(lǐng)先。總體來看，目前我國(guó)主流儲(chǔ)能技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平，基本實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵材料和設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。儲(chǔ)能用鋰離子電池具備規(guī)模化發(fā)展的基礎(chǔ)，液流電池、壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)已進(jìn)入商業(yè)化示范階段。

儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展路線。儲(chǔ)能技術(shù)的諸多特性使其在電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、用及調(diào)度等各個(gè)環(huán)節(jié)都具有廣泛應(yīng)用前景。總體來看，電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的需求可以分為功率服務(wù)和能量服務(wù)兩類。對(duì)于功率服務(wù)，儲(chǔ)能要滿足電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定和短時(shí)功率平衡需求，因此需要響應(yīng)快速的如飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能及超級(jí)電容儲(chǔ)能等功率型儲(chǔ)能技術(shù)。對(duì)于能量服務(wù)，儲(chǔ)能用于長(zhǎng)時(shí)間的功率調(diào)節(jié)和電能存儲(chǔ)，主要應(yīng)對(duì)系統(tǒng)峰谷調(diào)節(jié)以及輸配電線路的阻塞問題，則需要具備一定規(guī)模和高能量轉(zhuǎn)換效率的儲(chǔ)能技術(shù)，如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能等能量型儲(chǔ)能技術(shù)。

為促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)快速發(fā)展，國(guó)家能源局于2020年12月發(fā)布了首批科技創(chuàng)新（儲(chǔ)能）試點(diǎn)示范項(xiàng)目，示范項(xiàng)目分別采用電化學(xué)儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱等多種技術(shù)類型，并覆蓋儲(chǔ)能主要應(yīng)用場(chǎng)景，示范效應(yīng)明顯。從項(xiàng)目運(yùn)行效果來看，可再生能源發(fā)電側(cè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了與風(fēng)電、光伏發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行，能夠有效增發(fā)清潔能源，促進(jìn)大規(guī)模可再生能源消納。電網(wǎng)側(cè)項(xiàng)目既能夠削峰填谷又能夠參與輔助服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了多功能復(fù)合應(yīng)用，提升了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。用戶側(cè)項(xiàng)目能夠有效調(diào)節(jié)用電負(fù)荷和增加分布式可再生能源應(yīng)用，在為用戶節(jié)約用電成本的同時(shí)，促進(jìn)節(jié)能減碳。

據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟不完全統(tǒng)計(jì)，截至2021年底，我國(guó)已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)容量（包括物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能以及儲(chǔ)熱）達(dá)到4575萬千瓦，同比增長(zhǎng)29%。2021年，我國(guó)電力儲(chǔ)能裝機(jī)繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)，新增儲(chǔ)能裝機(jī)1019萬千瓦，同比增長(zhǎng)220%。與此同時(shí)，在儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，我們應(yīng)該看到政策的重要影響。由于儲(chǔ)能技術(shù)成本和市場(chǎng)對(duì)其應(yīng)用價(jià)值的支付尚不匹配，儲(chǔ)能投資敏感性極強(qiáng)，投資沖動(dòng)和投資風(fēng)險(xiǎn)長(zhǎng)期并存。“十三五”時(shí)期，儲(chǔ)能經(jīng)歷了最為波動(dòng)的發(fā)展階段。2017年，儲(chǔ)能指導(dǎo)意見應(yīng)需落地，提升了儲(chǔ)能市場(chǎng)應(yīng)用活躍度，受此鼓舞，2018年我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，當(dāng)年新增投運(yùn)新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模達(dá)到88.29萬千瓦，國(guó)內(nèi)投運(yùn)新型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模也首次突破吉瓦大關(guān)。但進(jìn)入2019年，我國(guó)新增投運(yùn)新型儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模僅為83.8萬千瓦。經(jīng)歷了高速增長(zhǎng)之后，我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用又迅速進(jìn)入了調(diào)整期。2020年在“雙碳”目標(biāo)背景下，儲(chǔ)能作為構(gòu)建零碳電力系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，再次迎來歷史性發(fā)展機(jī)遇。

三、發(fā)展趨勢(shì)及展望

“十四五”時(shí)期是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的關(guān)鍵窗口期，也是我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)從商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展的重要時(shí)期。但是，儲(chǔ)能要大規(guī)模應(yīng)用目前仍面臨不少挑戰(zhàn)。首先，關(guān)于儲(chǔ)能安全、規(guī)模、成本、壽命的技術(shù)先進(jìn)性和成熟度還不能完全滿足應(yīng)用的要求，部分核心技術(shù)尚未完全掌握。其次，儲(chǔ)能設(shè)備與儲(chǔ)能電站的標(biāo)準(zhǔn)體系仍需完善。再次，儲(chǔ)能的成本疏導(dǎo)難題依然存在，尚未形成穩(wěn)定、成熟的價(jià)格機(jī)制。

“十四五”時(shí)期，要強(qiáng)化儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新，明確技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展路線。大型抽水蓄能在“十四五”期間仍是電力儲(chǔ)能的主體，將在傳統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上研制大型變速抽水蓄能機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備，建立變速抽水蓄能技術(shù)體系。儲(chǔ)能電池將是技術(shù)創(chuàng)新的重點(diǎn)領(lǐng)域之一，“十四五”時(shí)期要集中攻克大容量長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能和長(zhǎng)壽命低成本鋰離子電池技術(shù)，開展液流電池關(guān)鍵材料、電堆設(shè)計(jì)及系統(tǒng)模塊集成設(shè)計(jì)研究。重點(diǎn)突破儲(chǔ)能電池老化檢測(cè)與評(píng)估等相關(guān)技術(shù)，保證電池安全性的同時(shí)延長(zhǎng)循環(huán)壽命，提高電池修復(fù)與回收再利用能力。在此基礎(chǔ)上，關(guān)注并發(fā)展分布式儲(chǔ)能與分布式電源協(xié)同技術(shù)，掌握多點(diǎn)布局儲(chǔ)能系統(tǒng)聚合調(diào)峰、調(diào)頻及緊急控制理論與成套技術(shù)，實(shí)現(xiàn)廣域布局的分布式儲(chǔ)能、儲(chǔ)能電站的規(guī)模化集群協(xié)同聚合。

“十四五”時(shí)期，要不斷推進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與裝備的研發(fā)示范。作為大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的代表，壓縮空氣和液流電池初步具備10萬千瓦級(jí)以上的儲(chǔ)能電站示范和推廣條件。隨著智能微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的成熟，島嶼可再生能源開發(fā)和大規(guī)模源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化示范有望全面實(shí)施。通過開展提升可再生能源利用水平應(yīng)用、提升電力系統(tǒng)靈活性和穩(wěn)定性應(yīng)用、提升用能智能化水平應(yīng)用、推進(jìn)儲(chǔ)能支撐能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等不同技術(shù)路徑和場(chǎng)景的應(yīng)用示范，不斷探索技術(shù)創(chuàng)新方向。

“十四五”時(shí)期，要秉持“誰受益、誰承擔(dān)”原則，結(jié)合技術(shù)特性建立長(zhǎng)效市場(chǎng)機(jī)制、明確政策導(dǎo)向。隨著電力市場(chǎng)化改革的全面推進(jìn)，儲(chǔ)能既可以作為獨(dú)立主體參與現(xiàn)貨市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)，又可以配套可再生能源保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行。在市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)下，通過技術(shù)創(chuàng)新、工程示范、商業(yè)應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)多重應(yīng)用價(jià)值疊加。在電力系統(tǒng)中既能夠獨(dú)立參與市場(chǎng)交易，又能夠發(fā)揮聚合效應(yīng)，從而成為新型電力系統(tǒng)必不可少的一環(huán)。我們完全可以期待，隨著儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步、儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的增強(qiáng)，新型儲(chǔ)能必然成為我國(guó)現(xiàn)代能源體系中保障能源安全供應(yīng)、實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的重要利器，為推動(dòng)面向“清潔低碳、安全高效”的能源體系變革，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)力量！（轉(zhuǎn)自北極星電力網(wǎng)）