在“雙碳”目標(biāo)推動下，能源行業(yè)正面臨新的變革，作為行業(yè)重要一環(huán)的儲能溫控，也迎來了高速發(fā)展期。
中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA) 數(shù)據(jù)顯示，2021年以前全球每年的儲能項目新增裝機(jī)規(guī)?；揪S持在6HW左右，而2021年新增裝機(jī)達(dá)到18.3GW，同比增長181.54%，其中以鋰離子電池為代表的新型儲能是儲能裝機(jī)的主要增量。同時，根據(jù)CNESA數(shù)據(jù)，2021年全球新型儲能新增裝機(jī)達(dá)10.24GW，同比增長82.8%，2016—2021年的年平均復(fù)合增長率達(dá)到69.11%。就國內(nèi)而言，2022年國內(nèi)新型儲能新增裝機(jī)6.90GW，同比增長182.07%，累計裝機(jī)達(dá)到12.70GW。
“新型儲能”指的是除抽水蓄能以外的新型儲能技術(shù)，包括新型鋰離子電池、液流電池、飛輪、壓縮空氣等。這些儲能技術(shù)，包括比較成熟的鋰電儲能，也都是各有各的優(yōu)勢，同時也各有各的局限性。對于電力系統(tǒng)來說，新型儲能不但可以提升電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，還可以保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。通俗理解，新型儲能就像是一個“充電寶”，在用電低谷時“充電”，在用電高峰時“放電”。隨著波動性、間歇性的新能源電力不斷增長，“充電寶”的作用日趨明顯，與此同時，新能源“充電寶”的選項，也逐漸多樣化。
那么，新型儲能“家族”中成員分布情況如何呢?最新發(fā)布的《中國新型儲能發(fā)展報告2023》提到，在已投產(chǎn)的新型儲能裝機(jī)中，鋰離子電池儲能仍占主導(dǎo)地位，占比約94.5%。2022年新增裝機(jī)中，壓縮空氣儲能、液流電池儲能發(fā)展提速，占比分別達(dá)到3.4%、2.3%。此外，鈉離子電池儲能、二氧化碳儲能、重力儲能等新技術(shù)陸續(xù)開展示范應(yīng)用，我國新型儲能技術(shù)呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢。
電化學(xué)儲能“一枝獨(dú)秀”
雖然新型儲能逐漸步入規(guī)模化發(fā)展階段，多元化趨勢也逐漸顯現(xiàn)，但目前來看，新型儲能領(lǐng)域仍呈現(xiàn)電化學(xué)儲能“一枝獨(dú)秀”的現(xiàn)狀，其他新型儲能則受到市場和資本冷遇。顧名思義，電化學(xué)儲能是指利用化學(xué)元素做儲能介質(zhì)的各種二次電池儲能，充放電過程伴隨儲能介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)或者變化。主要包括鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池等。目前以鋰電池和鉛蓄電池為主。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、歐盟科學(xué)院院士孫金華曾表示，在“雙碳”國家戰(zhàn)略目標(biāo)和新能源革命的大背景下，大力發(fā)展電化學(xué)儲能的趨勢不可逆轉(zhuǎn)。
電化學(xué)儲能何以能“一枝獨(dú)秀”?電池的成本經(jīng)過長時間的積累和科技創(chuàng)新，是推動電化學(xué)儲能相較于其他新型儲能更快發(fā)展的一大原因。此外，全球電池行業(yè)高速發(fā)展，在高需求的環(huán)境下，電池行業(yè)也迎來自己的黃金時代。“電化學(xué)儲能擁有更高的能量密度，產(chǎn)業(yè)鏈配套更加成熟。” 在廈門科華數(shù)能科技有限公司常務(wù)副總裁崔劍看來，其他新型儲能受市場和資本冷遇的原因在于，在場景應(yīng)用、技術(shù)、成本、建設(shè)周期、轉(zhuǎn)換效率及選址要求上，電化學(xué)儲能更具優(yōu)勢，具有高度的靈活性、安全性和性價比。
近日，國家能源局組織發(fā)布《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書》，對新型儲能技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用提供了指導(dǎo)?！端{(lán)皮書》明確，打造“新能源+”模式，加快提升新能源可靠替代能力，深度融合長時間尺度新能源資源評估和功率預(yù)測、智慧調(diào)控、新型儲能等技術(shù)應(yīng)用。業(yè)內(nèi)人士分析稱，短期更看好電化學(xué)儲能技術(shù)的發(fā)展，可以進(jìn)一步細(xì)分為鋰電池儲能、鈉電池儲能、液流電池儲能等，從目前的發(fā)展現(xiàn)狀對比來看，電化學(xué)儲能是在安全性、能量密度、成本、發(fā)展路徑等方面性價比最高的技術(shù)方向。華電國際相關(guān)負(fù)責(zé)人也表示，公司目前正在積極推進(jìn)多個涉及新型儲能業(yè)務(wù)的項目，有幾項在做前期準(zhǔn)備，已經(jīng)投產(chǎn)的一項為鋰電類項目。此外，甘肅電化學(xué)儲能并網(wǎng)規(guī)模持續(xù)高速增長，五月底，甘肅電網(wǎng)儲能并網(wǎng)容量突破百萬千瓦，達(dá)到101萬千瓦/214萬千瓦時;幾乎同期，山西省規(guī)模最大的鋰離子電化學(xué)儲能電站全面落成，國網(wǎng)時代華電大同熱電儲能工程一次性全容量并網(wǎng)成功，投入試運(yùn)行。
即便是較為成熟的電化學(xué)儲能也同樣需要關(guān)注安全問題。去年9月，位于美國加州蒙特利縣的埃爾克霍恩變電站發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)由特斯拉的儲能系統(tǒng)Megapack起火所致。從全球范圍的電化學(xué)儲能項目來看，特斯拉Megapack儲能系統(tǒng)的火災(zāi)事故，不是個案。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至去年9月，全球總共發(fā)生了60多起電化學(xué)儲能火災(zāi)事故，大部分儲能電池使用的是三元鋰電池，事故發(fā)生時段主要在設(shè)備調(diào)試階段和充放電后的休止中。如何保障安全與穩(wěn)定，是發(fā)展電化學(xué)儲能亟須解決的重大問題。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，未來電化學(xué)儲能電站的安全管理應(yīng)覆蓋全生命周期，構(gòu)建本體安全、主動安全、消防防御三重防線。對此，孫金華提出，在電池開發(fā)方面，研發(fā)難燃、不燃的電池材料，構(gòu)建本體安全電池體系第一道防線;在電池應(yīng)用方面，通過多信號融合和基于熱失控模型的預(yù)警，保障電池使用過程安全的第二道防線;在火災(zāi)處置方面，研發(fā)多次滅火技術(shù)，抑制電池復(fù)燃，形成消防安全第三道防線。
壓縮空氣儲能系統(tǒng)新突破
當(dāng)鋰離子電池在固定儲能領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位時，越來越多的產(chǎn)業(yè)企業(yè)正積極開發(fā)不同的技術(shù)以提升自身競爭力，為市場帶來更具競爭力的儲能系統(tǒng)。其中，壓縮空氣儲能尤其適合未來支撐更長時間維度的儲能需求，適應(yīng)新型電力系統(tǒng)中新能源高滲透率的特點(diǎn)，甚至到達(dá)天或者季度的儲能需求。
5月30日，在2023中關(guān)村論壇上，世界首個百兆瓦級先進(jìn)壓縮空氣儲能示范系統(tǒng)亮相。該技術(shù)實現(xiàn)了先進(jìn)壓縮空氣儲能從10兆瓦到100兆瓦質(zhì)的飛躍，為我國長時大規(guī)模儲能技術(shù)發(fā)展再添利器。先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)是多學(xué)科交叉、多過程耦合的系統(tǒng)，涵蓋了工程熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電力系統(tǒng)及其自動化等十余個學(xué)科，作為典型的長時大規(guī)模儲能技術(shù)，可實現(xiàn)風(fēng)電、光伏等可再生能源大規(guī)模開發(fā)利用。簡單來說，它的原理就是將空氣壓縮以后存儲起來，待需要發(fā)電的時候讓壓縮空氣推動發(fā)電機(jī)工作。
據(jù)中國科學(xué)院工程熱物理研究所儲能研發(fā)中心主任徐玉杰介紹，未來我國的電力系統(tǒng)是以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，而風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電具有波動性和間歇性，如果大規(guī)模接入電網(wǎng)，會造成安全隱患。此時，需要儲能系統(tǒng)作為靈活性調(diào)節(jié)資源調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)。壓縮空氣儲能是一大亮點(diǎn)。
“壓縮空氣儲能技術(shù)并非新鮮事，傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)已經(jīng)在德國、美國應(yīng)用多年，但傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)存在依賴化石燃料、需要大型天然洞穴、儲能效率較低等問題，大規(guī)模推廣始終受限。”徐玉杰說，我國的先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)回收利用壓縮熱，不再使用化石燃料，并可采用地上儲氣裝置、人工硐室和地下天然洞穴等多種形式建設(shè)儲氣室。此外，該系統(tǒng)極大地提升了儲能效率。
目前，利用百兆瓦級先進(jìn)壓縮空氣儲能技術(shù)，我國已建成國際首座百兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲能示范電站，并順利并網(wǎng)發(fā)電。該電站位于河北省張北縣，是全世界已建成運(yùn)行的項目中，規(guī)模最大、性能最優(yōu)的新型壓縮空氣儲能電站。年發(fā)電可達(dá)1.32億度，能為約5萬用戶提供用電高峰電力保障。同時，每年可節(jié)約4.2萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減少10.9萬噸二氧化碳排放。
壓縮氣體儲能相比其他新型儲能有何優(yōu)勢?總體可概況為安全、長壽、爆發(fā)力強(qiáng)三點(diǎn)。壓縮氣體儲能首先非常安全。以液化二氧化碳儲能項目為例，由于二氧化碳液化很容易，因此儲存它只需幾兆帕的壓力，不用擔(dān)心高壓儲氣帶來的隱患，同時二氧化碳無毒、不易燃易爆，本身的安全性就很好。此外，因為都是機(jī)械裝置,正常維護(hù)情況下壓縮空氣儲能系統(tǒng)壽命可達(dá)30~50年。“壓縮空氣儲能是基于熱力循環(huán)的物理過程，在安全性和性能衰減方面具有天然優(yōu)勢，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲能技術(shù)之一。”基于這些優(yōu)點(diǎn)，中科院工程熱物理所陳海生研究員曾表示，壓縮空氣儲能技術(shù)的應(yīng)用，對實現(xiàn)國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)和自然環(huán)境改善，具有重大的戰(zhàn)略意義和巨大的市場需求。
值得一提的是，壓縮空氣儲能的能量爆發(fā)力比較強(qiáng)。這可以直接作用于一些有趣的應(yīng)用場合。以大型船舶使用的柴油發(fā)動機(jī)為例，壓縮空氣平常會被存儲在壓力罐中，通過特殊的啟動閥直接作用于活塞，在開始燃油噴射之前轉(zhuǎn)動曲軸。這種布置比相同規(guī)模的電動啟動馬達(dá)更緊湊、更便宜，并且能夠提供必要的極高功率爆發(fā)，而不會對船舶的發(fā)電機(jī)和配電系統(tǒng)施加過高的負(fù)載。
對于壓縮空氣儲能系統(tǒng)而言，未來應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)大規(guī)模示范和應(yīng)用，積累工程設(shè)計和建設(shè)經(jīng)驗，發(fā)展完整成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，以進(jìn)一步加快其建設(shè)應(yīng)用。
共享儲能遍地開花
在各種儲能技術(shù)飛速發(fā)展的同時，新型儲能商業(yè)模式也找到了新的路徑。新能源消納與電網(wǎng)調(diào)峰壓力日益突出，為新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。近兩年，共享儲能呈異軍突起之勢，其以調(diào)度運(yùn)行更高效、經(jīng)濟(jì)效益更凸顯、運(yùn)營路徑可持續(xù)等優(yōu)勢，成為促進(jìn)新能源配置儲能高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。
據(jù)了解，“共享儲能”概念最早由青海省于2018年提出，青海省將共享儲能的充放電模式由每日“一充一放”調(diào)整為“多充多放”，通過提高儲能電站利用率來實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益。之后，全國迅速跟進(jìn)。根據(jù)不完全數(shù)據(jù)顯示，2022年，全國共享儲能報備項目數(shù)目一度出現(xiàn)“井噴”，陜西、山東、浙江、河北、四川成都、安徽、廣西、湖南、青海、河南等十省市先后公布新型儲能示范項目216個，規(guī)模合計22.2GW/53.8GWh，其中新增的共享儲能項目達(dá)到38GWh。
共享儲能本質(zhì)上是引入第三方投資商，由第三方投資建設(shè)的集中式大型獨(dú)立儲能電站，除了滿足自身電站需求外，也為其它新能源電站提供服務(wù);電站通過雙邊協(xié)商、雙邊競價及單邊調(diào)用等模式參與電力交易，降低新能源場站棄電量，并參與電力輔助服務(wù)市場。在共享儲能模式下，業(yè)主無需承擔(dān)建設(shè)儲能電站成本，只需每年支付租賃費(fèi)，有利于減輕一次性投入的資本開支，緩解資金壓力;第三方共享儲能的投資商需承擔(dān)建設(shè)儲能電站的費(fèi)用，收益來源為穩(wěn)定的租賃費(fèi)用，若考慮調(diào)峰輔助服務(wù)的收益，經(jīng)濟(jì)性較好，收益可觀。2022年伊始，內(nèi)蒙古、浙江相繼發(fā)布指導(dǎo)意見，提出投資建設(shè)共享儲能，研究建立電網(wǎng)替代性儲能設(shè)施的成本疏導(dǎo)機(jī)制，激勵新能源發(fā)電側(cè)儲能項目落地。共享儲能的火熱也從另一個側(cè)面促進(jìn)了各種新型能源技術(shù)的發(fā)展。
縱覽全國已推行的共享儲能商業(yè)模式，大致可以歸納為以下幾類：為新能源電站提供儲能能力租賃服務(wù)，獲取租賃收益，是目前大部分獨(dú)立共享儲能電站最主要的收益來源。二是通過與新能源電站進(jìn)行雙邊競價或協(xié)商交易，進(jìn)行“低充高放”，降低新能源電站棄電率，實現(xiàn)雙方利益共享和分?jǐn)?。這主要在青海等新能源消納形勢嚴(yán)峻的省份應(yīng)用。三是通過單邊調(diào)用，參與電力輔助服務(wù)，儲能電站獲取調(diào)峰、調(diào)頻輔助服務(wù)費(fèi)等，該模式主要應(yīng)用于山東、青海、甘肅等省份。四是在電力現(xiàn)貨試點(diǎn)省份，通過參與電力現(xiàn)貨電能量市場，實現(xiàn)峰谷價差盈利。
目前新型儲能正處于從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展階段，產(chǎn)業(yè)體系逐步成熟，是形成多種商業(yè)模式的關(guān)鍵時期。除了共享儲能外，削峰填谷、容量出租或出售、電網(wǎng)有效資產(chǎn)回收等儲能商業(yè)模式，也逐漸吸引著各方主體主動投身儲能發(fā)展與建設(shè)。
