核心提示：隨著我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，新能源未來將成為電力供應(yīng)的主體。當(dāng)前，電源側(cè)新能源裝機(jī)快速增長，用戶側(cè)負(fù)荷呈多樣性變化，電力系統(tǒng)面臨諸多挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能技術(shù)可在提高可再生能源消納比例、保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行等方面發(fā)揮重要作用，是支撐我國大規(guī)模發(fā)展新能源、保障能源安全的關(guān)鍵技術(shù)。
儲(chǔ)能：支撐大規(guī)模新能源發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)
隨著我國能源轉(zhuǎn)型的不斷深入，電力系統(tǒng)面臨諸多挑戰(zhàn)：
大規(guī)模隨機(jī)波動(dòng)新能源并網(wǎng)給電網(wǎng)運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。風(fēng)能、太陽能等發(fā)電方式受自然因素影響較大，具有明顯的隨機(jī)性和波動(dòng)性。未來新能源并網(wǎng)容量增加，電力系統(tǒng)將由原來的需求側(cè)單側(cè)隨機(jī)性波動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展為“需求側(cè)-電源側(cè)”雙側(cè)隨機(jī)性波動(dòng)系統(tǒng)。
電力峰谷差日益加大，按照高峰負(fù)荷需求擴(kuò)建增容將影響電力資產(chǎn)利用率。從我國整體用電負(fù)荷來看，日間電力負(fù)荷峰谷差持續(xù)拉大，尖峰負(fù)荷增長顯著，谷電期負(fù)荷水平不及峰值的一半;年峰值負(fù)荷持續(xù)時(shí)間僅數(shù)日到數(shù)小時(shí)不等，為滿足短時(shí)間高峰負(fù)荷需求，需擴(kuò)大電廠規(guī)模、提高輸配電能力，投資大且利用率低。
多種能量間的耦合關(guān)系和相互制約，影響多能系統(tǒng)的靈活性和可靠性。以常見的熱電聯(lián)供系統(tǒng)為例，當(dāng)系統(tǒng)中沒有儲(chǔ)能設(shè)施時(shí)，熱電聯(lián)供系統(tǒng)將按照以熱定電、以電定熱或混合運(yùn)行三種模式工作，靈活性較差。隨著電力系統(tǒng)中能量單元種類增加，多種能源之間的強(qiáng)相關(guān)和緊密耦合關(guān)系將更突出，多能系統(tǒng)的靈活性和可靠性亟待提升。
儲(chǔ)能技術(shù)是支撐我國大規(guī)模發(fā)展新能源、保障能源安全的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有提高新能源消納比例、保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、提高發(fā)輸配電設(shè)施利用率、促進(jìn)多網(wǎng)融合等多方面作用。
儲(chǔ)能技術(shù)是將隨機(jī)波動(dòng)能源變?yōu)橛押媚茉吹年P(guān)鍵技術(shù)之一。應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，可打破原有電力系統(tǒng)發(fā)輸變配用必須實(shí)時(shí)平衡的瓶頸。在電源側(cè)，儲(chǔ)能技術(shù)可聯(lián)合火電機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻、平抑新能源出力波動(dòng);在電網(wǎng)側(cè)，儲(chǔ)能技術(shù)可支撐電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻，在系統(tǒng)發(fā)生故障或異常情況下保障電網(wǎng)運(yùn)行安全;在用戶側(cè)，儲(chǔ)能技術(shù)可在實(shí)現(xiàn)用戶冷熱電氣綜合供應(yīng)的同時(shí)，充分調(diào)動(dòng)負(fù)荷側(cè)資源彈性，支撐電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)。
儲(chǔ)能設(shè)備相對于發(fā)電廠來說建設(shè)周期短，可移動(dòng)，便于靈活配置。因此，應(yīng)用儲(chǔ)能設(shè)備是應(yīng)對峰值負(fù)荷、延緩發(fā)輸配電設(shè)施升級的有效措施之一。儲(chǔ)能裝置還可作為調(diào)峰資源，主動(dòng)參與電力需求響應(yīng)，進(jìn)一步提升電力資產(chǎn)利用效率和經(jīng)濟(jì)性。
儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)多能融合、跨能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化的重要媒介。利用電化工(P2X)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)電能向多種能源的轉(zhuǎn)化。儲(chǔ)能技術(shù)作為能源轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)的關(guān)鍵連接點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)的連接，是多網(wǎng)融合的紐帶，將在能源互聯(lián)網(wǎng)各環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用，具有廣闊的發(fā)展前景。
新型儲(chǔ)能技術(shù)有望在更多應(yīng)用場景展現(xiàn)價(jià)值
按照能量的存儲(chǔ)方式，儲(chǔ)能技術(shù)可分為化學(xué)儲(chǔ)能(如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鋰電池等電化學(xué)儲(chǔ)能及氫儲(chǔ)能)、電磁儲(chǔ)能(如超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能、超級電容器等)、物理儲(chǔ)能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能)、儲(chǔ)熱(如顯熱、潛熱、化學(xué)儲(chǔ)熱)等。
根據(jù)中國能源研究會(huì)儲(chǔ)能專業(yè)委員會(huì)的不完全統(tǒng)計(jì)，目前全球發(fā)展最成熟、裝機(jī)規(guī)模最大的儲(chǔ)能是抽水蓄能，電化學(xué)儲(chǔ)能緊隨其后。同時(shí)，以氫儲(chǔ)能技術(shù)、儲(chǔ)熱/冷技術(shù)、壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)為代表的新型儲(chǔ)能技術(shù)也在越來越多的應(yīng)用場景展現(xiàn)價(jià)值。
● 商業(yè)化應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)
抽水蓄能技術(shù)是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的能量型儲(chǔ)能技術(shù)，具有規(guī)模大、壽命長、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，具備調(diào)峰、調(diào)頻、黑啟動(dòng)等功能，但其建設(shè)周期較長，且需要適宜的地理資源條件。抽水蓄能技術(shù)在我國的應(yīng)用已較成熟。截至2020年年底，全國在運(yùn)抽水蓄能電站總裝機(jī)容量3146萬千瓦，可開發(fā)站址資源約1.6億千瓦。
電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)主要通過電池內(nèi)部不同材料間的可逆電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化，電池類型主要有鋰離子電池、鉛蓄電池、液流電池和鈉硫電池等。電化學(xué)儲(chǔ)能響應(yīng)速度快，主要作為功率型儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用。目前，電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用已覆蓋電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，能夠滿足多樣化的場景需求。全生命周期成本、安全問題是在推廣應(yīng)用電化學(xué)儲(chǔ)能過程中應(yīng)持續(xù)關(guān)注的問題。
一方面，儲(chǔ)能系統(tǒng)安全問題涉及儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型、生產(chǎn)制造、施工等多個(gè)環(huán)節(jié)，需盡快推進(jìn)儲(chǔ)能安全標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè);另一方面，還需進(jìn)一步完善市場機(jī)制和價(jià)格機(jī)制，確保儲(chǔ)能工程質(zhì)量和安全。
● 新型儲(chǔ)能技術(shù)
近年來，隨著儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，多種新型儲(chǔ)能技術(shù)不斷突破，在越來越多的場景實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)用，主要有儲(chǔ)熱技術(shù)、氫儲(chǔ)能技術(shù)、電磁儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等。
儲(chǔ)熱技術(shù)屬于能量型儲(chǔ)能技術(shù)，能量密度高、成本低、壽命長、利用方式多樣、綜合熱利用效率高，在可再生能源消納、清潔供暖及太陽能光熱電站儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域均可發(fā)揮較大作用。
近年來，備受關(guān)注的儲(chǔ)熱技術(shù)主要有熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)和高溫相變儲(chǔ)熱技術(shù)。熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是規(guī)模大，方便配合常規(guī)燃?xì)鈾C(jī)使用，主要應(yīng)用于大型塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)和槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)。
高溫相變儲(chǔ)熱技術(shù)具有能量密度高、系統(tǒng)體積小、儲(chǔ)熱和釋熱溫度基本恒定、成本低廉、壽命較長等優(yōu)點(diǎn)，也是目前研究的熱點(diǎn)。該技術(shù)適用于新能源消納、集中/分布式電制熱清潔供暖、工業(yè)高品質(zhì)供熱供冷，同時(shí)可作為規(guī)?；膬?chǔ)熱負(fù)荷，為電網(wǎng)提供需求側(cè)響應(yīng)等輔助服務(wù)，目前已應(yīng)用于民用供熱領(lǐng)域，并逐步向?qū)┠苡懈咝枨蟮墓I(yè)供熱領(lǐng)域拓展。
氫儲(chǔ)能技術(shù)是通過電解水制取氫氣，將氫氣存儲(chǔ)或通過管道運(yùn)輸，有用能需求時(shí)通過燃料電池進(jìn)行熱(冷)電聯(lián)供的能源利用方式。該技術(shù)適用于大規(guī)模儲(chǔ)能和長周期能量調(diào)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)電、氣、交通等多類型能源互聯(lián)的關(guān)鍵。氫儲(chǔ)能技術(shù)主要包含電解制氫、儲(chǔ)氫及燃料電池發(fā)電技術(shù)。該技術(shù)可用于新能源消納、削峰填谷、熱(冷)電聯(lián)供，以及備用電源等諸多場景。
在國內(nèi)，氫儲(chǔ)能技術(shù)目前還處于示范應(yīng)用階段。全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司作為該技術(shù)的核心研發(fā)單位，正與各省級電力公司開展氫能技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)，并在多地開展不同場景的示范應(yīng)用，如和國網(wǎng)安徽電力在六安建設(shè)的國內(nèi)首個(gè)兆瓦級固體聚合物電解水制氫及燃料電池發(fā)電示范項(xiàng)目，以及與國網(wǎng)浙江電力在臺(tái)州市椒江區(qū)大陳島建設(shè)的“綠氫”綜合能源系統(tǒng)示范工程等。
電磁儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能屬于功率型儲(chǔ)能技術(shù)。電磁儲(chǔ)能中，超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能功率特性好，但能量密度較低、成本高;超級電容器功率密度高，充放電循環(huán)次數(shù)達(dá)十萬甚至數(shù)百萬次，但儲(chǔ)能密度較低，成本高。飛輪儲(chǔ)能壽命長，對環(huán)境無不良影響，但自放電率高、成本高。這些儲(chǔ)能技術(shù)離實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用尚有一段距離。
規(guī)模化儲(chǔ)能技術(shù)將向多元化方向發(fā)展
綜合考慮技術(shù)成熟度與場景適用性，各種儲(chǔ)能技術(shù)將在不同應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。
抽水蓄能技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在儲(chǔ)能應(yīng)用中將持續(xù)保持高占比。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)響應(yīng)速度快，可滿足多樣化場景需求，是電力行業(yè)發(fā)展的新焦點(diǎn)。儲(chǔ)熱技術(shù)相比其他儲(chǔ)能技術(shù)，在電供暖、電供熱、工業(yè)高溫供熱等熱能利用市場有更好的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)在電力輔助服務(wù)市場及綜合能源服務(wù)等領(lǐng)域均有應(yīng)用價(jià)值和市場空間。
氫儲(chǔ)能技術(shù)是極具發(fā)展?jié)摿Φ囊?guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)，有望在可再生能源消納、電網(wǎng)削峰填谷、用戶冷熱電氣聯(lián)供等場合推廣應(yīng)用。
隨著儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)的推進(jìn)，以及市場機(jī)制的逐步完善，綜合經(jīng)濟(jì)效益將是影響儲(chǔ)能技術(shù)大規(guī)模推廣的重要因素。未來，儲(chǔ)能材料會(huì)朝著低成本、高儲(chǔ)能密度、高循環(huán)穩(wěn)定性、長周期存儲(chǔ)的方向發(fā)展。儲(chǔ)能裝置的發(fā)展也將從關(guān)注單體設(shè)備效率、成本，轉(zhuǎn)向滿足差異性需求的高品質(zhì)供能、儲(chǔ)用協(xié)調(diào)方向。規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)將從單純供能轉(zhuǎn)向兼顧電網(wǎng)輔助服務(wù)和綜合能源服務(wù)的多元化用能。儲(chǔ)能將為構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)提供有力支撐，助力碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。
(作者單位：全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司)
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