實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，需要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。然而，太陽能、風(fēng)能等新能源供應(yīng)“靠天吃飯”、出力波動(dòng)不定。于是，儲(chǔ)能被視為調(diào)節(jié)新能源波動(dòng)性、實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)。

儲(chǔ)能究竟是什么?它能填上供電安全的“缺”嗎?

供電安全的“缺”，誰來填?

能源分布不均、依賴化石能源，是我國能源發(fā)展格局中長期存在的問題。

截至本世紀(jì)初，我國已探明煤炭儲(chǔ)量6044億噸，其中70%分布在山西、陜西和內(nèi)蒙古;可開發(fā)水電資源1923.3億千瓦時(shí)，99.4%分布在中、西部地區(qū)(其中65%分布在四川、云南和西藏);石油資源890億噸，主要分布在東、西部地區(qū);天然氣資源20×1013立方米，主要分布在新疆、青海和四川。

相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，20世紀(jì)70年代以來，化石能源在我國一次能源構(gòu)成中的占比呈逐年下降趨勢(shì)，但仍以煤炭為主。

東西部分布不均，富煤、貧油、少氣的能源資源特點(diǎn)，決定了我國電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)長期以燃煤發(fā)電為主，基本形成了“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”的格局。

近年來，隨著傳統(tǒng)能源日益匱乏、環(huán)境日趨惡化、新能源不斷發(fā)展，我國電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐漸優(yōu)化。

國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2021年前11個(gè)月，我國新能源發(fā)電量達(dá)到10355.7億千瓦時(shí)，年內(nèi)首次突破1萬億千瓦時(shí)，同比增長32.97%，風(fēng)電、太陽能發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量穩(wěn)居世界首位;新能源發(fā)電量對(duì)全國電力供應(yīng)的貢獻(xiàn)不斷提升，占全國全社會(huì)用電量的比例達(dá)13.8%，同比提升2.14個(gè)百分點(diǎn)。

這也帶來了新的問題——新能源出力缺乏可控性、供電不穩(wěn)定，威脅電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

以風(fēng)能和太陽能為例。風(fēng)速、太陽光輻射取決于自然條件、難以調(diào)節(jié)控制，這意味著風(fēng)能、太陽能本身具有波動(dòng)性和間歇性，導(dǎo)致風(fēng)電、太陽能發(fā)電出力不穩(wěn)定。當(dāng)其容量占比較小時(shí)，尚可利用電網(wǎng)控制與配電技術(shù)保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，反之則會(huì)對(duì)電網(wǎng)正常供電產(chǎn)生明顯影響。

【注：風(fēng)電單日波動(dòng)最大幅度可達(dá)裝機(jī)容量的80%，光伏日內(nèi)出力波動(dòng)值可達(dá)裝機(jī)容量的100%。】

在我國新能源發(fā)電大規(guī)模開發(fā)、并網(wǎng)背景下，新能源發(fā)電不穩(wěn)定成為電力系統(tǒng)發(fā)展的制約因素。如何才能有效控制新能源發(fā)電出力，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定?面對(duì)以上現(xiàn)實(shí)需求，儲(chǔ)能技術(shù)逐漸走進(jìn)人們視野。

儲(chǔ)能，就是將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、勢(shì)能、動(dòng)能、電磁能等形態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)，待需要時(shí)再轉(zhuǎn)換為電能釋放。這一能量轉(zhuǎn)換過程，可實(shí)現(xiàn)電力的時(shí)序調(diào)節(jié)，發(fā)電不需即時(shí)傳輸，有效提高新能源發(fā)電的可調(diào)可控性。

除發(fā)電側(cè)外，儲(chǔ)能技術(shù)還能參與電網(wǎng)側(cè)調(diào)峰調(diào)頻、用戶側(cè)削峰填谷等環(huán)節(jié)，緩解高峰負(fù)荷供電需求，提高電能質(zhì)量和用電效率，助力新能源高效利用以及多種能源開放互聯(lián)、協(xié)同發(fā)展。

【注：調(diào)峰，在用電高峰期為電網(wǎng)提供額外電量，或響應(yīng)新能源消納降低輸出功率;調(diào)頻，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)波動(dòng)的電壓和功率;削峰填谷，在用電低谷時(shí)段充電、高峰時(shí)段放電，利用峰谷電價(jià)差獲得收益或減少成本。】

根據(jù)國家規(guī)劃，預(yù)計(jì)到“十四五”末，可再生能源發(fā)電裝機(jī)占電力總裝機(jī)的比例將超過50%。2021年冬季，全國各地“拉閘限電”頻現(xiàn)，再次提醒人們新能源充分承擔(dān)電力系統(tǒng)責(zé)任的重要性，而這恰恰需要儲(chǔ)能系統(tǒng)的跟進(jìn)調(diào)節(jié)。隨著“雙碳”進(jìn)程不斷推進(jìn)，新能源將成為各地的主力電源，儲(chǔ)能系統(tǒng)更能發(fā)揮提高電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性的重要作用。

中國工程熱物理學(xué)會(huì)副理事長兼秘書長、中國能源研究會(huì)儲(chǔ)能專委會(huì)主任陳海生研究員認(rèn)為，既要實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、又要保障國家能源安全，這是中國面臨的重大需求和挑戰(zhàn)，而發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)是一種有效的途徑。

存電，沒那么簡單

提到儲(chǔ)存電能的方法，人們多會(huì)聯(lián)想到日常生活中隨處可見的電池。

實(shí)際上，儲(chǔ)能的方式多種多樣。按照存儲(chǔ)能量的形式，儲(chǔ)能可大致分為物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能兩大類。其中，物理儲(chǔ)能又包括機(jī)械儲(chǔ)能和電磁場儲(chǔ)能，化學(xué)儲(chǔ)能則分為電化學(xué)儲(chǔ)能(電池儲(chǔ)能)和氫儲(chǔ)能。

具體而言，抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等，都是比較常見的物理儲(chǔ)能形式。

抽水蓄能指在電力負(fù)荷低谷時(shí)段把下水庫的水抽到上水庫內(nèi)，以水力勢(shì)能的形式蓄能;在負(fù)荷高峰時(shí)段再放水發(fā)電，將水力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能。但水資源易蒸發(fā)、泵水耗費(fèi)功率高，其能量轉(zhuǎn)換效率一般為70%左右。

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)而發(fā)展，其工作原理是：用電負(fù)荷低谷時(shí)，利用富余電量驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)，以高壓空氣形式存儲(chǔ)能量，負(fù)荷高峰時(shí)再釋放高壓空氣、驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。其儲(chǔ)能容量大、燃料消耗少，能源轉(zhuǎn)化率可達(dá)75%左右。

化學(xué)儲(chǔ)能中，電化學(xué)儲(chǔ)能主要利用電池正負(fù)極氧化還原反應(yīng)進(jìn)行充放電，電池是其能量轉(zhuǎn)換的主要載體。它不受地理等外部條件限制，適合大規(guī)模應(yīng)用和批量化生產(chǎn)，但電池使用壽命有限、成本較高。

針對(duì)不同儲(chǔ)能應(yīng)用，電池類型也有所不同。傳統(tǒng)的電化學(xué)電池以鉛酸電池為代表;便攜電子產(chǎn)品的出現(xiàn)帶動(dòng)了鎳氫電池發(fā)展;電動(dòng)汽車的發(fā)展促進(jìn)了鋰離子電池技術(shù)進(jìn)步;新能源發(fā)電不斷推廣后，鈉硫電池、全釩液流電池等針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用的電池也隨之出現(xiàn)……

除了常規(guī)電池儲(chǔ)能，氫能也是備受關(guān)注的化學(xué)儲(chǔ)能方式。

氫的還原性強(qiáng)，熱值(120.0MJ/kg)是同質(zhì)量化石燃料熱值的2-4倍，既能和氧氣燃燒產(chǎn)生熱能，也能通過燃料電池轉(zhuǎn)化成電能，且能量轉(zhuǎn)化過程中不產(chǎn)生溫室氣體、清潔環(huán)保。

此外，相較電儲(chǔ)能方式，氫的能量密度高、能量容量成本小，儲(chǔ)能能力極佳，可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間儲(chǔ)能或季節(jié)性儲(chǔ)能，對(duì)于新能源轉(zhuǎn)化電能而言也是很好的儲(chǔ)運(yùn)介質(zhì)。

氫能利用涉及制氫、儲(chǔ)氫、輸氫、用氫多個(gè)環(huán)節(jié)。天然氣制氫、煤制氫是氫氣工業(yè)生產(chǎn)主要方式。目前，主要使用的儲(chǔ)氫技術(shù)有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫和有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫。而利用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)，將新能源制氫混入天然氣管道，是氫能輸送的經(jīng)濟(jì)方法。

但從目前看來，氫儲(chǔ)能還需在制氫效率、價(jià)格以及使用效率等方面進(jìn)一步突破，具體體現(xiàn)在：

制氫效率整體偏低，質(zhì)子交換膜、高溫電制氫等高效率制氫普遍存在技術(shù)不夠成熟、價(jià)格昂貴等問題;

儲(chǔ)氫方式以高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)為主(國內(nèi)主要采用35 MPa 碳纖維復(fù)合鋼瓶儲(chǔ)運(yùn))，儲(chǔ)氫罐加壓過程成本較大，且隨著壓力增大儲(chǔ)氫安全性也會(huì)有所降低;

在用氫層面，燃料電池的實(shí)際工作效率(約為40%-60%)遠(yuǎn)達(dá)不到理論效率(85%-90%);氫氣若用作儲(chǔ)能媒介，在轉(zhuǎn)換過程中也存在著能量浪費(fèi)。

全球狂熱，后發(fā)趕超

可以說，儲(chǔ)能為電網(wǎng)系統(tǒng)提供了容量巨大的“充電寶”，成為新能源高比例并網(wǎng)背景下電網(wǎng)穩(wěn)定的重要技術(shù)支撐。

過去近20年來，各國紛紛探索儲(chǔ)能領(lǐng)域，美國和日本發(fā)展較早。根據(jù)美國能源部信息中心數(shù)據(jù)，2004-2014年，由美國、日本、歐盟等實(shí)施的MW(兆瓦)級(jí)及以上規(guī)模的儲(chǔ)能示范工程有180余項(xiàng)。從地域分布上看，美國項(xiàng)目數(shù)量占全球總項(xiàng)目數(shù)量的44%。

從儲(chǔ)能類型上看，抽水蓄能是目前技術(shù)成熟、應(yīng)用最廣泛的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。但由于地理?xiàng)l件限制，開發(fā)潛力和增長空間與電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)相比較弱。截至2020年底，在全球已投運(yùn)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)中，抽水蓄能所占份額達(dá)90%以上，但增速極低(同比增長0.9%);與之相比，電化學(xué)儲(chǔ)能占比僅7%左右，同比增長卻高達(dá)49.6%。

中國儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步迅猛。2003年起，中國逐步實(shí)現(xiàn)抽水蓄能電站機(jī)組及成套設(shè)備制造自主化，抽水蓄能電站裝機(jī)容量躍居世界第一，解決了世界工程極限低溫下瀝青混凝土、高海拔低溫超長面板一次成型、復(fù)雜地質(zhì)條件下過渡料爆破開采等技術(shù)難題。

電化學(xué)儲(chǔ)能更是飛速發(fā)展：2015-2020年，電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)復(fù)合增長率超80%;2020年，中國成為全球最大電化學(xué)儲(chǔ)能市場(市場占有率達(dá)33%)，鋰離子電池、鉛炭電池和全釩液流電池等方面研發(fā)應(yīng)用已處國際先進(jìn)水平。

截至2020年底，中國已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模占全球市場總規(guī)模的18.6%。其中規(guī)模最大的是抽水蓄能，電化學(xué)儲(chǔ)能位列第二，各類電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中規(guī)模最大的是鋰離子電池。

此外，中國已發(fā)布儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)35項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)9項(xiàng)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)14項(xiàng)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)若干項(xiàng)。

電儲(chǔ)能技術(shù)迅猛發(fā)展的同時(shí)，各個(gè)地方亦結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)，積極探索氫儲(chǔ)能發(fā)展之路。廣東省佛山市南海區(qū)就是其中之一。

“十二五”以來，南海區(qū)地區(qū)生產(chǎn)總值呈現(xiàn)快速增長趨勢(shì)，占佛山市地區(qū)生產(chǎn)總值比重常年穩(wěn)定在27%以上。依托經(jīng)濟(jì)發(fā)展，南海區(qū)裝備制造業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級(jí)，在數(shù)控機(jī)床、制造機(jī)器人等先進(jìn)裝備制造領(lǐng)域取得突破，并率先布局氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)新能源汽車制造業(yè)發(fā)展。

2017年，南海區(qū)于全國率先啟動(dòng)科技部/聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署“促進(jìn)中國燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展”項(xiàng)目，并建成了國內(nèi)首個(gè)商業(yè)化加氫站——瑞暉加氫站。目前，全區(qū)已投入847輛氫能車輛運(yùn)行，燃料電池汽車保有量超過全國的10%，是國內(nèi)燃料電池汽車運(yùn)行規(guī)模最大的縣級(jí)區(qū)。

如今，南海已匯集87家氫能企業(yè)、科研院所及相關(guān)機(jī)構(gòu)，推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研用平臺(tái)建設(shè)，涵蓋了氫氣生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)及設(shè)備研制、加氫站設(shè)計(jì)與建設(shè)、燃料電池及系統(tǒng)、核心材料與部件、整機(jī)研發(fā)制造、產(chǎn)品檢測及設(shè)備研制、標(biāo)準(zhǔn)制定、人才培養(yǎng)等8大環(huán)節(jié)，形成了較完整的、具有國內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。

近年來，我國儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步有目共睹，但總體來看尚處于發(fā)展初步階段，尚存諸多問題。比如：研發(fā)體系不健全、缺乏進(jìn)行運(yùn)行評(píng)估的實(shí)際數(shù)據(jù);儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展參差不齊，技術(shù)成本和安全性問題有待進(jìn)一步突破。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近10年間，全球共發(fā)生32起儲(chǔ)能電站起火爆炸事故，其中中國3起，給電池質(zhì)量、安全管理、預(yù)警監(jiān)控消防系統(tǒng)、運(yùn)行環(huán)境等多個(gè)環(huán)節(jié)敲響警鐘。

春日將至，穩(wěn)步前行

除了技術(shù)進(jìn)步，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展還需要高站位的全景規(guī)劃。

我國儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略布局可追溯到2005年的《可再生能源發(fā)展指導(dǎo)目錄》;此后，2010年出臺(tái)的《可再生能源法修正案》明確規(guī)定電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)發(fā)展和應(yīng)用智能電網(wǎng)、儲(chǔ)能技術(shù);2011年，儲(chǔ)能被寫入“十二五”規(guī)劃綱要。

2017年10月，國家發(fā)展和改革委員會(huì)、國家能源局等五部門聯(lián)合出臺(tái)《關(guān)于促進(jìn)我國儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，指出要在“十三五”期間實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期過渡，“十四五”期間實(shí)現(xiàn)商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展轉(zhuǎn)變。同時(shí)，各省區(qū)市也陸續(xù)出臺(tái)關(guān)于推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。

2021年，隨著“雙碳”目標(biāo)提出，國家發(fā)展和改革委員會(huì)、國家能源局再次聯(lián)合發(fā)布針對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的國家級(jí)綜合性政策文件《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(征求意見稿)》(以下簡稱為《指導(dǎo)意見》)，明確提出：到2025年，實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能從商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展轉(zhuǎn)變，裝機(jī)規(guī)模達(dá)3000萬千瓦以上;到2030年，實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能全面市場化發(fā)展。

在國家政策引領(lǐng)下，張北國家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程、遼寧臥牛石風(fēng)電場全釩液流電池儲(chǔ)能示范電站、甘肅酒泉MW級(jí)儲(chǔ)能電站、青海15MW儲(chǔ)能電站……大批示范性儲(chǔ)能電站和光儲(chǔ)一體化電站順利落地，并逐步從試驗(yàn)示范邁向商業(yè)化推廣。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年上半年，國內(nèi)新增新型儲(chǔ)能項(xiàng)目257個(gè)(包括規(guī)劃、在建、運(yùn)行項(xiàng)目)，儲(chǔ)能總規(guī)模達(dá)11.8吉瓦，是2020年同期的9倍;新增投運(yùn)項(xiàng)目規(guī)模304.4兆瓦，其中百兆瓦以上大規(guī)模項(xiàng)目是2020年同期的8.5倍。

【注：10000千瓦=10兆瓦=0.01吉瓦】

此外，《指導(dǎo)意見》還指出，儲(chǔ)能技術(shù)要以需求為向?qū)В瑘?jiān)持多元化發(fā)展。這提醒我們，要做好儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的前瞻性規(guī)劃研究，避免資源無效配置，推動(dòng)商業(yè)化發(fā)展。

儲(chǔ)能項(xiàng)目投資成本偏高，社會(huì)資本難以進(jìn)入;儲(chǔ)能項(xiàng)目商業(yè)模式的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致融資渠道有限，儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化相關(guān)政策體系和價(jià)格機(jī)制有待完善……囿于以上因素，當(dāng)前我國電儲(chǔ)能商業(yè)化應(yīng)用仍集中在新能源發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)，在用戶側(cè)的商業(yè)化探索相對(duì)有限，亟待政策推動(dòng)。

2021年，已有多省在新能源競價(jià)招標(biāo)方案中明確新能源配儲(chǔ)比例要求，一般在5%-20%之間、儲(chǔ)能時(shí)長2小時(shí)。隨著可再生能源占比不斷提高，我國電力結(jié)構(gòu)將發(fā)生重大變化，對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)和市場的要求也會(huì)不斷提高。我們要做的就是不斷提升技術(shù)、勇敢迎接挑戰(zhàn)。