儲能是實現可再生能源高效利用、多種能源開放互聯、協同發展的關鍵技術之一。基于儲能技術發展趨勢和需求分析,展望了2050年電網功能形態中,技術常規發展和關鍵技術獲得突破發展模式下儲能的作用模式和應用場景。分析了儲能基礎理論、本體技術和系統集成及工程化等關鍵技術的研究重點和技術路線圖,并制定了與電力網絡發展相適應的分階段目標。同時依據能源革命和電網形態發展的客觀需求,給出了大規模儲能的重點攻關技術和路線圖。

0引言

在能源革命的驅動下,可再生能源開發利用力度持續加大,接入電網的比例和在終端能源消費的占比將不斷提高。根據國際能源署的研究,為滿足新能源消納需求,預測美國、歐洲、中國和印度到2050年將需要增加310GW并網電力儲存能力,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 年將產生顛覆性作用、對經濟發生顯著影響的技術,預測市場價值將達0.1萬億~ 0.6萬億美元。世界許多國際組織和國家把發展儲能作為緩解能源供應矛盾、應對氣候變化的重要措施,并制定了發展戰略,提出了2030年、2050年明確的發展目標和相應的激勵政策。

此外,隨著交通的電動化,電動汽車也逐步進入規模化推廣階段;同時,我國的第二輪電力體制改革也在逐步深入推進,能源生產和消費方式逐步走向開放互聯,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和消費的一種新模式,電網的規劃運行和調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可控特性,參與電網調峰、調頻等輔助服務,同時也是分布式發電和微電網必不可少的調控手段,將成為實現可再生能源高效利用、多種能源開放互聯、協同發展的關鍵技術和重要途徑。

1 儲能應用需求及技術現狀

1.1 儲能應用需求

從國內外儲能產業發展分析來看,儲能在電力供給側、用戶側及電網運行調度管理和微電網運行控制等方面的應用逐年快速增長。

儲能在電網的應用,可靠安全性是必要前提。在用戶側應用中,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的能量型應用,如提高可再生能源利用率、調峰、調頻、需求側響應等,應用儲能電池的經濟性是其可行性的決定因素。對于頻繁啟動和快速響應的功率型應用,如在可再生能源接入相關的爬坡控制、電壓支持及微網無縫切換控制等,儲能電池的快速響應能力和淺充淺放條件下的循環壽命是需要重點關注的技術特征。在分布式系統能量管理和微電網運行控制的應用中,儲能系統不僅參與電壓和頻率的調節,還參與系統穩定、供需平衡和協調優化,儲能選型需要在技術要求和經濟性之間進行權衡。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用需求。

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

1.2 儲能技術現狀

目前大規模儲能技術中只有抽水蓄能技術相對成熟,但是由于地理資源限制,其廣泛應用受到制約,而其他儲能方式還處于實驗示范階段甚至初期研究階段,相關產業處于培育期。儲能裝置的可靠性、使用壽命、制造成本以及應用能力等方面有待突破。目前我國應用較多的幾種電化學儲能特性如圖1雷達圖所示。

總體來看,我國儲能技術研究尚處于發展初步階段,還不適于在電網全面推廣應用,同時隨著研發深入和應用推進也暴露出一些問題。這些問題與不足都應在2050的技術攻關過程和頂層設計中加以重視。

1)研發體系不健全。

缺乏頂層設計,沒有系統成熟的基礎理論體系、本體及材料等底層核心技術環節做為支撐,頂端應用領域的引領作用無法準確傳導至全產業鏈,造成應用需求和核心技術對接不暢,儲能材料和本體經濟性指標與未來應用需求尚不適配。

2)技術經濟性有待進一步突破。

目前儲能技術成本高,絕大部分儲能項目缺乏可預期的收益以吸引資本跟進。而且在系統容量、轉換率、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消納和電力系統調節需求。

3)缺乏運行數據支撐。

目前缺乏進行運行評估的實際數據,需要在電源側、負荷側進行多方試點示范,積累運行數據,厘清數據的關聯性,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模式研究提供數據支撐。

1.3 儲能發展趨勢

對于下一代儲能本體的預期,國內外均將目標設定在了大容量、高安全、長壽命和低成本的目標上。隨著應用需求的多樣化,儲能技術呈現多種類型協同發展的格局,用戶側應用則向結構緊湊、控制智能、接入靈活的方向發展。

儲能應用的關鍵是技術經濟性,近年來,幾類電化學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展規律來看,壽命提升較快,成本下降較快,主要原因在于每種材料的內生性增長。可以通過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,成本則可以通過規模化效應快速下降。
預計到2020年,目前國內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、示范應用以及標準的建立,儲能技術的安全性也將逐步提升,達到標準要求。鉛酸電池也在不斷改進技術,多家企業已經開始從事鉛碳電池的開發,重點提升鉛酸電池的使用壽命。液流電池相關制造企業少,目前液流電池儲能系統的整體轉換效率約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勢。

鋰離子電池、液流電池、鉛碳電池等新型電化學儲能技術水平進步較快,具有巨大的發展潛力和廣泛的應用前景,有望率先邁入產業化發展階段,使儲能技術成為與發-輸-配-用并列的電力系統第5環節。

2 技術愿景

2.1 技術驅動因素

促使儲能技術發展的驅動力因素主要有以下幾個方面。

1)可再生能源發電比例將持續提升。

隨著能源結構調整力度的不斷加強,加之霧霾治理、生態壓力和綠色低碳發展的倒逼,風電、光伏發電為代表的可再生能源發電占比將持續增長。需要借助大規模儲能系統與新能源發電協調優化運行,提高間歇性可再生能源消納能力。

2)電動汽車比例持續快速增長。

世界各國均從科研投入、產業化發展、法規標準等多角度制訂了大量支持電動發展的政策。我國多次明確到2020年純電動汽車和插電式混合動力汽車累計產銷達到500萬輛的發展目標,預計2030年以后電動汽車與傳統汽車在市場上將并行發展,產量將達到同類汽車產量的50%。大規模電動汽車電池和退役電池的梯次利用,以及與充電設施配套的儲能設施,將為電力系統提供潛力巨大的儲能資源。

3)電網調度控制日益困難和復雜。

未來特高壓交直流混合電網的建設,使得我國電網結構和運行方式日益復雜。此外,隨著新能源大規模接入電網,其波動性和間歇性給電網的安全穩定運行帶來了巨大挑戰。通過儲能技術的應用可以改善可再生能源的可調可控特性,進而提高新型電網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展,政府部門將在總結試點經驗和修改完善相關法律法規的基礎上推進電力體制改革的實施,逐漸形成有效競爭的市場結構和市場體系。現代電力市場體系會大大促進儲能為輸電網提供調頻、調壓、備用和黑啟動等輔助服務應用的需求。

5)能源互聯網建設逐步落地。

能源互聯網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網應用的試點示范工作,建成一批不同類型、不同規模的試點示范項目;2021—2030年,會推進儲能系統在能源互聯網對多元化、規模化發展,使儲能技術成為能源互聯網推進的主要推動力。