能源轉型的定海神針

 

2050年或2060年是全球主要經濟體為實現“碳中和”目標所劃定的時間上限，以清潔能源替代傳統化石能源成為了不二的選擇，其中可以展示出強大替代功能與廣闊應用前景的清潔能源主要有水能、氫能、太陽能與風能，但是，水能不僅全球分布不平衡，而且資源稟賦數量十分有限；同時受制于技術條件的不成熟，氫能資源短期內還不能做到大規模開發和利用。這樣，稀釋傳統火電與創造未來綠電并最終實現能源轉型目標的重任就落在了風能與太陽能身上。

 

可是，風能與太陽能雖然看上去取之不竭，但要真正用于發電，其自身的短板明顯。拿風能而論，日內出力波幅最高可達80%，凌晨前后是高峰，午后便減弱到最低點，“逆負荷”特性異常明顯；同樣，光能日內波動幅度更是高達100%，正午達到當日波峰，正午前后均呈均勻回落態勢，夜間出力降至零，峰谷特性鮮明；不僅如此，光能還易受天氣擾動，天氣陰晴對光能的實際有功功率釋放的影響十分強烈，每日的實際有功功率也具有一定隨機性。正是風能和光能的波動性、間歇性與隨機性所形成的不穩定的出力電源極易導致發電側的電力輸出不均勻和不連續，電網側也難以平衡發電側與用戶側的電力供求，整個電力系統的波動性劇烈，社會生產與民眾生活必然受到風險波及。

 

總體評判，清潔能源對化石能源的替代力度越強，綠電的輸出功率就越大，但同時電力供求的平衡難度也將明顯提升，對此，只有借助儲能的力量機制才能將風能、光能等清潔能源轉化為綠電的風險降到最小。客觀上說，在沒有收納之前，風能與光能都處于閑置與過剩狀態，但通過收儲，無形的能源就變成了有價值的資源，特別是當動力能源不足或者用電側需求量增大時，將儲備的能源釋放出去并轉化為電力，每一個單位的風能、光能便得到了充分利用與開發；與此同時，將風能、光能儲存起來，既可以大大減少后續天氣因素的意外干擾，增強發電側輸電的連續性與穩定性，并且借助于儲能，電網側(企業)可在供電側旺盛時及時購進電力，用電側需求旺盛時迅疾售出電力，削峰填谷，還可大大提高電網系統的靈活性，實踐過程中也能夠高效消納清潔能源的電力，防止因供求失衡而倒逼出“棄風棄光”的行為。

 

還值得強調的是，無論是發電側還是電網側抑或是用戶側，借助于儲能還可以獲得較為理想的溢價收益，即當電力峰谷狀態出現導致電價走高時，三者可以通過綠電交易市場有償讓渡出富余儲電并從中獲利，由此便可大大增強各儲能主體的積極性，最終形成“儲能—發電—交易—增值—再儲能”的商業市場閉環與良性循環機制，同時促進電力供求的平衡，清潔能源替代傳統能源的轉型風險便可得到有效稀釋與消除，從這個意義而言，我們可以將儲能視為能源轉型的定海神針。

 

新型儲能后來居上

 

按照儲能所依賴的資源工具及其性能，全球各國的儲能主要分為傳統儲能與新型儲能兩種，前者主要是指抽水儲能，后者則包括電化學儲能以及壓縮空氣儲能等。抽水儲能是利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫發電；電化學儲能是借助大功率與高性能電池正負極進行儲電與放電，壓縮空氣儲能則主要利用電網負荷低谷時的剩余電力壓縮空氣，并將其儲藏在高壓密封設施內，在用電高峰釋放出來驅動燃氣輪機發電。目前來看，全球范圍內抽水蓄能累計裝機規模最大，電化學儲能累計裝機規模次之，壓縮空氣儲能處于緩慢擴展狀態。

 

抽水儲能不僅歷史悠久，技術積累與商業模式也較為成熟，但作為最主要的儲能方式，抽水儲能卻受到地理位勢空間的嚴格限制，不僅啟動速度慢、建設周期長，而且資源稟賦有限、成本較高，相比之下，電化學儲能受到的外部因素影響較少，項目啟動與建設靈活，且響應速度較快，而更重要的是，作為目前布局最廣泛的電化學儲能方式，鋰電儲能不僅工藝成熟，而且成本降低的邊際趨勢越來顯著。數據顯示，截至2021年底，全球抽水儲能的累計裝機規模首次低于90%，同比下降了4.1%，而電化學儲能的占比提高至12.2%，累計裝機規模為25.4吉瓦，同比增長了67.7%，且基于電化學儲能的靈活性以及其對人口集中區的高適配性，未來伸展的空間還將更廣泛。

 

進一步分析可以發現，目前鋰電池儲能的市場份額全球超過了90%，但數據顯示，鈉元素儲量豐富，在地殼中占比高達2.75%，并遍布全球，而相比之下，鋰元素僅為0.0065%，主要分布于美洲；反映在價格上，鈉的價格只有0.29美元/公斤，而鋰價格目前約為21.5美元/公斤，受到影響，鈉電池的原材料成本相比鋰電池要低30%~40%；不僅如此，鈉離子電池在-20的低溫環境中可以實現90%以上的放電保持率，-40低溫下可放出70%以上的容量，高溫80還能循環充放使用，項目落地與場景應用更具靈活性，因此鈉電池取代鋰電池將是大勢所趨；另外，釩電池壽命在10年以上，循環次數可超過萬次，且不會發生熱失控、燃燒和爆炸，全球已探明的釩金屬儲量多達2200萬噸，釩電池儲能同樣可能后來居上。

 

與電化學儲能相比，壓縮空氣儲能的規模化程度盡管低得多，但如同抽水儲能一樣，壓縮空氣儲能也有相當長的歷史，德國、美國很早就利用洞穴(巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等)進行空氣壓縮儲能，只是傳統壓縮空氣儲能依賴化石燃料、依賴天然儲氣洞穴的短板制約了擴展空間，而針對相關瓶頸因素，世界各國都積極研發新型壓縮空氣儲能技術，包括等溫壓縮空氣儲能系統、液化空氣儲能系統、恒壓壓縮空氣儲能系統等。目前來看，新型壓縮空氣儲能系統效率逼近75%，項目造價720~850美元/千瓦，與抽水蓄能相當，同時還有壽命長、清潔無污染、儲能周期不受限制、不依賴化石燃料及地理條件等優勢，未來可能大顯身手。

 

放量擴身與主流趨勢

 

數據顯示，至2021年底，全球已投運儲能項目累計裝機規模209.4吉瓦，其中2021年新增投運儲能項目裝機規模18.3吉瓦，同比增長185%。進入2022年，受到地緣政治因素的影響，歐洲能源價格不斷走高，由此推動當地電價接續創出歷史新高，同時，由大宗商品價格上漲所引致的成本推動式通貨膨脹也抬高了全球企業與居民的傳統能源消費成本，由此刺激儲能需求井噴式增長。市場研究機構HIS Markit公司指出，未來5年全球儲能新增需求量將達到630吉瓦時，受到牽引，全球儲能規模化與商業化程度勢必繼續放大。而更值得關注的是，在總量規模擴張的同時，未來全球儲能還將顯示出幾條十分清晰的脈絡與趨勢。

 

其一，新型儲能占比越來越大。在2021年全球新增投運儲能項目裝機規模中，新型儲能的新增投運規模首次突破10吉瓦，達到10.3吉瓦，同比增長119%，至2021年底，全球新型儲能累計裝機約25吉瓦，同比增長約68%，在全部儲能裝機中的占比提高到12%。依據美國國家可再生能源實驗室發布的研究報告，到2030年，作為新型儲能最主要成本的電池儲能系統，成本將持續和快速地大幅降低，直到2050年下降速度才有可能放緩，由此將引發新型儲能的加速擴面壯身。目前美國已經完全停止新建抽水蓄能發電設施，基于節約與保護水資源的目的，全球主要經濟體有望率先跟進，傳統儲能最終將退出市場。

 

其二，頭部效應越來越顯著。截至2021年底，美國、中國與歐洲三大主要經濟體在全球已投運儲能項目的占比分別為34%、24%和22%，合計占比高達80%，并且這種頭部方陣趨勢還會繼續強化。BNEF(彭博新能源財經)預計，未來五年，美國儲能系統新增裝機規模復合增速將達118.3%，中國速度更快，增幅為174.3%，歐洲則為76.3%。

 

其三，應用場景越來越迥異。按照應用領域的不同，儲能可以分為表前儲能和表后儲能，其中表前儲能可以分為發電側儲能與電網側儲能，表后儲能則包括由工商業儲能與家庭儲能的用戶側儲能。基于電網建設的剛性需求、成熟的商業模式以及政策補貼的重心傾斜，美國的儲能主要表現為表前儲能，未來五年相應的儲能裝機規模年化復合增速高達125%；同樣，源于發電側政策要求下的強制配儲，中國未來新增儲能也主要集中于表前儲能，相應的儲能新增裝機年化復合增速有望達到190%；除中美之外，歐洲、日本以及澳大利亞等主要儲能國家和地區的新增儲能則集中體現為表后儲能，尤其是歐洲地區特殊的屋頂結構，外加長期高電價的制約，分布式的光伏+戶儲(家庭儲能)將是極其重要的儲能主體，未來五年整個歐洲表后儲能裝機年化復合增速可達142%，其中戶儲增速有望超過150%。

 

其四，長時儲能越來越突出。目前全球新型儲能所提供的服務響應需求一般為4小時，有的甚至更短，但隨著未來超長時間尺度和中長時間尺度儲能技術和高比例可再生能源主動支持技術的進步，長時儲能(時長10小時以上甚至以天為單位)將成為行業主要發展趨勢，同時，按照美國能源部發起的Energy Earthshots計劃，未來十年內可將長時儲能的成本降低90%，長時儲能更會進一步凸顯出商業應用的優勢，與此相對應，可支持長時儲能的壓縮空氣儲能等新型儲能的覆蓋面有望加速擴展。

 

其五，儲能安全性越來越受到重視。據不完全統計，過去10年全球儲能安全事故已發生50余起，而今年韓國SK能源公司電池儲能大樓發生的火災給市場再次敲響了警鐘，儲能安全問題成為全球共同面對的難題。為此，建立儲能技術應用的標準體系，限制低價低質競爭，明確儲能安全主體責任，完善相關安全制度規范等基礎設施建設議題也將快速提到國際社會關注與各國政府決策的前臺。