文 | 陳永翀 馮彩梅 劉勇
作者供職于中國(guó)科學(xué)院電工研究所儲(chǔ)能技術(shù)組、中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)
風(fēng)電、太陽能發(fā)電等非化石能源的發(fā)展是推進(jìn)能源清潔低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。世界各主要國(guó)家和地區(qū)都制定了提高新能源占比的能源轉(zhuǎn)型發(fā)展目標(biāo)。我國(guó)也提出要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，新能源在“碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)下進(jìn)入了快速發(fā)展階段。新能源的發(fā)展需要儲(chǔ)能等靈活性資源作為支撐，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)保持電壓頻率穩(wěn)定、提供可靠備用電源、增強(qiáng)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和靈活性、提高風(fēng)電和光伏發(fā)電的利用率。
全球各地新能源和儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展各有特點(diǎn)，不能一概而論，但總體而言，儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模會(huì)隨新能源發(fā)電比例的提高而逐步增加，以支撐新能源發(fā)電的并網(wǎng)消納。本文在國(guó)內(nèi)外新能源和儲(chǔ)能發(fā)展趨勢(shì)研究的基礎(chǔ)上，分析新能源發(fā)展與儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的比例關(guān)系，提出促進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)合理規(guī)劃、健康發(fā)展的建議。
國(guó)際市場(chǎng)
2010～2020年，全球新能源發(fā)電（風(fēng)電+光伏發(fā)電）裝機(jī)年均增長(zhǎng)率約20%。根據(jù)國(guó)際可再生能源署預(yù)測(cè)，到2050年，全球光伏發(fā)電的裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到8519GW，風(fēng)電的裝機(jī)規(guī)模為6014GW，二者合計(jì)占全球電力裝機(jī)的72.5%。
從20世紀(jì)70年代開始風(fēng)電技術(shù)得到重視，技術(shù)不斷進(jìn)步。2008年全球風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模突破100GW，至今全球有90多個(gè)國(guó)家建設(shè)了風(fēng)電項(xiàng)目，主要集中在亞洲、歐洲、美洲。全球風(fēng)能理事會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2020年底，全球風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到743GW。
光伏發(fā)電于1958年首次應(yīng)用于美國(guó)發(fā)射的人造衛(wèi)星，隨后光伏應(yīng)用技術(shù)開始迅速發(fā)展，至2012年全球光伏累計(jì)裝機(jī)規(guī)模突破100GW。2016年是全球光伏裝機(jī)增長(zhǎng)的里程碑，全球光伏裝機(jī)總量達(dá)到300GW。國(guó)際能源署統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2020年底全球光伏裝機(jī)累計(jì)容量760.4GW。
國(guó)際儲(chǔ)能裝機(jī)方面，抽水蓄能一直為主導(dǎo)技術(shù)，但近年來電化學(xué)儲(chǔ)能增長(zhǎng)迅速。抽水蓄能初具規(guī)模的發(fā)展始于20世紀(jì)50年代，前期發(fā)展緩慢，主要用于調(diào)節(jié)常規(guī)水電站發(fā)電的季節(jié)不平衡性，到1960年僅有3.5GW的規(guī)模。20世紀(jì)60～80年代，發(fā)達(dá)國(guó)家核電站的發(fā)展速度較快，為配合核電運(yùn)行，建設(shè)了較多抽水蓄能電站，主要承擔(dān)調(diào)峰和備用功能，1980年抽水蓄能電站裝機(jī)規(guī)模增加至46GW。20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初，發(fā)達(dá)國(guó)家電力負(fù)荷增長(zhǎng)放慢，抽水蓄能電站增長(zhǎng)速度隨之放緩。21世紀(jì)初至今，隨著新能源的快速發(fā)展，抽水蓄能電站的規(guī)劃建設(shè)再次受到重視，2010年達(dá)到135GW。
2016年之后，在電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的帶動(dòng)下，鋰離子電池成本快速下降，加之世界各地儲(chǔ)能政策的推動(dòng)，電化學(xué)儲(chǔ)能得到快速發(fā)展，在儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模中的比例開始提升。據(jù)中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)統(tǒng)計(jì)分析，截至2020年底，全球儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模192.2GW，其中抽水蓄能172.2GW，電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模13.6GW。
國(guó)內(nèi)市場(chǎng)
我國(guó)風(fēng)電行業(yè)受政策調(diào)整影響較大，呈現(xiàn)周期發(fā)展的特點(diǎn)。2005年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1GW以上。2008年進(jìn)入快速增長(zhǎng)階段，年裝機(jī)規(guī)模達(dá)到6GW，全國(guó)累計(jì)裝機(jī)規(guī)模翻倍，突破12GW。2011年至2018年期間，除了2015年受政策激勵(lì)裝機(jī)規(guī)模突破30GW外，其他年度裝機(jī)規(guī)模多在15-20GW區(qū)間。2018年之后新增裝機(jī)規(guī)模逐年增加，2020年達(dá)到72GW，創(chuàng)下歷史新高。到2020年底，我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)281GW，在全球風(fēng)電市場(chǎng)中占比約38%。
光伏方面，我國(guó)從上世紀(jì)五六十年代開始相關(guān)研究，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。上世紀(jì)九十年代到本世紀(jì)初，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)從國(guó)家層面落地到企業(yè)層面。2007年，中國(guó)成為光伏器件生產(chǎn)能力最強(qiáng)的國(guó)家。2013年開始，國(guó)家加大對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的扶持力度，國(guó)內(nèi)光伏市場(chǎng)開始迅速發(fā)展。2016年進(jìn)入快速發(fā)展期，我國(guó)光伏發(fā)電新增與累計(jì)裝機(jī)量均為世界第一。截至2020年底，我國(guó)光伏累計(jì)裝機(jī)253GW，在全球市場(chǎng)中占比約33%。
中國(guó)儲(chǔ)能應(yīng)用與全球類似，抽水蓄能占據(jù)主導(dǎo)地位，最近5年電化學(xué)儲(chǔ)能開始加速發(fā)展。我國(guó)在20世紀(jì)60年代后期開始抽水蓄能的開發(fā)；20世紀(jì)90年代開始，改革開放帶來社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，廣東、華北和華東等以火電為主的電網(wǎng)缺少經(jīng)濟(jì)的調(diào)峰手段，為配合核電、火電運(yùn)行及作為重點(diǎn)地區(qū)安保電源，建設(shè)了一批抽水蓄能電站，電站單機(jī)容量、裝機(jī)規(guī)模達(dá)到一定水平。截至2010年底，我國(guó)抽水蓄能裝機(jī)約為15GW，電化學(xué)儲(chǔ)能僅幾十MW，儲(chǔ)能與新能源發(fā)電之間尚無直接關(guān)聯(lián)性。
2010年之后，為適應(yīng)新能源和特高壓電網(wǎng)的快速發(fā)展，抽水蓄能發(fā)展迎來高峰，至2015年底達(dá)到23.5GW。同時(shí)，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)開始逐步示范應(yīng)用，2011年底我國(guó)第一個(gè)風(fēng)光儲(chǔ)輸綜合示范項(xiàng)目在張北建成投運(yùn)；2015年底全國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模首次突破100MW。隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和發(fā)電比例的提升，儲(chǔ)能對(duì)于電力系統(tǒng)安全性和靈活性的價(jià)值逐漸得到重視。2017年《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》出臺(tái)，推動(dòng)我國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)?？焖偬嵘?jù)中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)統(tǒng)計(jì)分析，截至2020年底，我國(guó)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)36.04GW，其中電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)為3.27GW。
國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)規(guī)模比較
我國(guó)新能源（風(fēng)電+光伏發(fā)電）裝機(jī)規(guī)模在全球市場(chǎng)的占比逐年提高，近十年發(fā)展迅速，由13.3%提升至35.5%。儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模在全球市場(chǎng)的占比除了2016年外，其他年份也保持逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但遠(yuǎn)低于新能源比例的增長(zhǎng)幅度，近十年中國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模在全球市場(chǎng)的占比從12.6%提升至19.1%。
截至2020年底，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量約2200GW，其中火電裝機(jī)占比56.6%，水電16.8%，風(fēng)電12.8%，光伏發(fā)電11.5%，核電2.3%。發(fā)電量方面，2020年全國(guó)發(fā)電量約760萬GWh，其中風(fēng)電貢獻(xiàn)46.65萬GWh，光伏發(fā)電26.11GWh，風(fēng)電和光伏發(fā)電量一共占比不到10%。如果將儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模與發(fā)電裝機(jī)容量進(jìn)行比較，2020年該比例約1.59%。
近十年來，儲(chǔ)能與發(fā)電裝機(jī)總量的比值變化不大，2010年至2016年期間逐年下降，從1.76%降至1.47%，2017年之后保持在1.60%~1.65%，該值小于全球平均數(shù)據(jù)（2～3%）。這與我國(guó)火電占比偏高有關(guān)，火電機(jī)組承擔(dān)著主要的調(diào)節(jié)功能；在“30/60”雙碳目標(biāo)下，火電行業(yè)面臨轉(zhuǎn)型，儲(chǔ)能將作為靈活性調(diào)節(jié)資源，逐步部分替代火電，承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻職責(zé)，在高比例新能源的電力結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要作用。
儲(chǔ)能與新能源裝機(jī)規(guī)模的比例（簡(jiǎn)稱“儲(chǔ)新比”）在2015年之前快速下降，在該階段儲(chǔ)能（抽水蓄能）主要服務(wù)于傳統(tǒng)能源發(fā)電的調(diào)頻調(diào)峰服務(wù)，與新能源發(fā)電的關(guān)聯(lián)性不大。2015年之后儲(chǔ)新比數(shù)值下降幅度趨緩，國(guó)際和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)呈現(xiàn)了相同的趨勢(shì)（圖1~圖3）。雖然最近幾年儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得到各國(guó)重視，保持了良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，但同時(shí)，風(fēng)電和光伏發(fā)電也在近幾年得到快速發(fā)展，因此總體而言，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展步伐仍然落后于新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，儲(chǔ)新比呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。
與世界其他國(guó)家和地區(qū)相比，我國(guó)儲(chǔ)新比明顯偏低：2020年中國(guó)的儲(chǔ)新比約為6.7%，而中國(guó)以外其他國(guó)家和地區(qū)的儲(chǔ)新比為15.8%（圖4），這個(gè)比值的顯著差異在某種程度上反映了國(guó)內(nèi)與國(guó)際能源電力結(jié)構(gòu)的差異，尤其是中國(guó)具有“堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)”架構(gòu)和高比例的調(diào)峰火電，因此在儲(chǔ)新比較低的水平下，新能源仍然能夠得到快速發(fā)展。未來在雙碳目標(biāo)的激勵(lì)下，隨著風(fēng)電、光伏并網(wǎng)規(guī)模的快速提升，儲(chǔ)能與新能源發(fā)電的關(guān)聯(lián)性將越來越緊密，儲(chǔ)新比將逐步增至國(guó)際平均水平。
未來儲(chǔ)新比發(fā)展趨勢(shì)分析
1. 國(guó)際儲(chǔ)新比的未來發(fā)展趨勢(shì)
儲(chǔ)能是解決高比例新能源并網(wǎng)消納的重要支撐，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得到了高度重視。近年來中國(guó)及全球儲(chǔ)新比數(shù)據(jù)的下降幅度都已經(jīng)明顯趨緩；考慮儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)需求，預(yù)計(jì)中國(guó)以外世界其他國(guó)家和地區(qū)的儲(chǔ)新比有可能在2024年左右達(dá)到最低值，預(yù)計(jì)為13-15%左右，之后趨于穩(wěn)定或略有回升。假設(shè)全球風(fēng)電和光伏裝機(jī)按照平均每年10%的增速發(fā)展，到2030年累計(jì)裝機(jī)將達(dá)3900GW；而全球儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模若按13-15%的比例計(jì)算，2030年將達(dá)507-585GW的規(guī)模（截至2020年底為192.2GW）。
2. 中國(guó)儲(chǔ)新比的未來發(fā)展趨勢(shì)
2020年12月，習(xí)近平主席在氣候雄心峰會(huì)上宣布，到2030年，中國(guó)非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到1200GW以上。業(yè)界普遍認(rèn)為該規(guī)模是發(fā)展的下限，樂觀情況下有可能達(dá)到1800GW。假設(shè)未來10年平均年增速為13%，則到2025年的裝機(jī)規(guī)模約1000GW；到2030年，裝機(jī)規(guī)模為1800GW。儲(chǔ)能方面，全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織于2021年發(fā)布的報(bào)告中預(yù)測(cè)，2025年我國(guó)抽水蓄能裝機(jī)規(guī)模約為68GW，2030年達(dá)到113GW。國(guó)家發(fā)改委、能源局發(fā)布的《加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》提出，到2025年實(shí)現(xiàn)抽水蓄能以外的新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模達(dá)到30GW以上，2030年實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能全面市場(chǎng)化發(fā)展。
根據(jù)以上預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)分析，到2025年，我國(guó)儲(chǔ)新比約為10%?；谀壳拔覈?guó)的儲(chǔ)新比水平（6.7%）較低，要在5年內(nèi)達(dá)到預(yù)期水平，需要盡快扭轉(zhuǎn)儲(chǔ)新比下降的趨勢(shì)：抽水蓄能全面建設(shè)，新型儲(chǔ)能技術(shù)尤其是容量型儲(chǔ)能技術(shù)在安全、成本和可持續(xù)發(fā)展方面需取得綜合性突破，并得以商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用。產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面，儲(chǔ)能收益模式需盡快明晰，2025年之前風(fēng)光儲(chǔ)電力度電平均售價(jià)能夠等于甚至低于全國(guó)煤電平均售價(jià)，新增新能源發(fā)電站因地制宜合理配置電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)；電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能除抽水蓄能外，結(jié)合火電靈活性改造的需求，自主布局電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)；在電價(jià)政策或儲(chǔ)能成本等因素，用戶側(cè)儲(chǔ)能的電價(jià)政策或技術(shù)經(jīng)濟(jì)性需優(yōu)于當(dāng)前環(huán)境，電動(dòng)汽車及虛擬電廠等比例大幅增加，與電動(dòng)車智慧充電或換電結(jié)合的儲(chǔ)能項(xiàng)目得到廣泛應(yīng)用。
基于以上產(chǎn)業(yè)條件的支持，2030年我國(guó)儲(chǔ)新比將進(jìn)一步提高，按12-13%計(jì)算，則儲(chǔ)能規(guī)模有可能達(dá)到216-234GW（新能源規(guī)模按1800GW計(jì)算）。減去抽水蓄能113GW，新型儲(chǔ)能規(guī)模為103-121GW。這意味著2021年至2030年之間的新增儲(chǔ)能裝機(jī)與新增新能源裝機(jī)的比例需達(dá)到15%左右，才能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，而且到2030年，新型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)在儲(chǔ)能裝機(jī)總量中的占比需提高至50%左右的水平。
更長(zhǎng)期而言，中國(guó)儲(chǔ)新比將逐步與全球儲(chǔ)新比水平趨于一致。全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織于2021年3月發(fā)布的《中國(guó)2060年前碳中和研究報(bào)告》提出：預(yù)計(jì)到2050年，我國(guó)電源總裝機(jī)為7500GW，其中風(fēng)電及光伏共計(jì)5570GW；儲(chǔ)能方面，抽蓄裝機(jī)170GW、電化學(xué)裝機(jī)660GW。依據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算，儲(chǔ)新比為14.9%，與本文對(duì)中國(guó)以外其他國(guó)家和地區(qū)的發(fā)展趨勢(shì)分析數(shù)據(jù)基本吻合。
目前新能源發(fā)電+儲(chǔ)能模式得到顯著關(guān)注。從2020年開始，多省出臺(tái)鼓勵(lì)或強(qiáng)制要求新能源配套儲(chǔ)能的相關(guān)政策，規(guī)定新能源發(fā)電側(cè)配置儲(chǔ)能的比例為5%～20%，新能源發(fā)電側(cè)有必要配置一定比例的儲(chǔ)能用于減小波動(dòng)性已形成共識(shí)。截至2020年底，新能源發(fā)電側(cè)配置新型儲(chǔ)能不足1GW，按照2030年風(fēng)光總量1800GW的裝機(jī)上限計(jì)算，未來十年風(fēng)光發(fā)電新增裝機(jī)約1265GW。若新增新能源按5%的比例配置新型儲(chǔ)能，其規(guī)模有63GW，在各種應(yīng)用場(chǎng)景中占比最高?？紤]各地新能源資源條件的不同，以及在儲(chǔ)能配置需求方面存在的差異，預(yù)計(jì)2025年以后單站配儲(chǔ)能將不再需要作為強(qiáng)制措施。合理的新能源發(fā)電配儲(chǔ)能模式應(yīng)由發(fā)電方根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y源特點(diǎn)和并網(wǎng)質(zhì)量要求的實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)算，提出適宜的配置規(guī)模需求，可以結(jié)合各地新能源發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行商業(yè)模式的探索，并最大限度發(fā)揮共享儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用效率和經(jīng)濟(jì)效益，避免無效配置造成的資源浪費(fèi)。儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用類型方面，目前新能源側(cè)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)通常以1~2小時(shí)功率型或能量型應(yīng)用為主，主要起到平滑功率波動(dòng)的作用，未來將逐步過渡到4小時(shí)以上的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，為電力系統(tǒng)提供削峰填谷的容量型服務(wù)功能。
總結(jié)
儲(chǔ)能的快速發(fā)展是提高新能源比例、實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)背景下的必然趨勢(shì)。本文基于儲(chǔ)新比數(shù)據(jù)分析中國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，并提出實(shí)現(xiàn)預(yù)期規(guī)模所需的產(chǎn)業(yè)環(huán)境需求。目前中國(guó)儲(chǔ)新比遠(yuǎn)低于全球平均水平，僅為6.7%；未來要達(dá)到預(yù)期產(chǎn)業(yè)規(guī)模以支撐雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，需盡快在最近兩年扭轉(zhuǎn)儲(chǔ)新比下降的趨勢(shì)，爭(zhēng)取在2025年提高到10%，2030年提高到12~13%，2050年長(zhǎng)期目標(biāo)達(dá)到與全球其他國(guó)家和地區(qū)基本一致的水平（15%左右）。
為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的目標(biāo)，國(guó)家和地方政府已陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策。2021年7月，國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局出臺(tái)《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》，這將進(jìn)一步積極促進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的安全快速發(fā)展。因此預(yù)計(jì)中國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模將持續(xù)增長(zhǎng)，到2025年達(dá)到5000億元，其中新型儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模700~800億元（30GW）；到2030年中國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)總規(guī)模達(dá)到萬億元，其中新型儲(chǔ)能2800億元以上（100GW以上）。
(致謝：感謝世界銀行彭喜明先生的建議與指正)
