中國儲能網訊：“十四五”儲能技術發(fā)展助力實現碳達峰
中科院工程熱物理研究所 陳海生
2020年9月22日，習近平主席在聯合國大會上提出我國碳達峰、碳中和遠景目標，向全世界展示了應對氣候變化的中國雄心和大國擔當，使我國從應對氣候變化的積極參與者，逐步成為關鍵引領者。
“雙碳”將是一次經濟社會的大轉型，也是未來國際競爭的戰(zhàn)略領域，我國需要積極研究，謀定而動，加強戰(zhàn)略規(guī)劃和系統布局。要充分發(fā)展，還要足夠低碳，綠色低碳、安全高效的能源革命勢在必行。在這個過程中，能源首當其沖也責無旁貸。未來我國能源結構中可再生能源將從補充能源變?yōu)橹黧w能源，相應地以集中式為主的電力系統將轉化成以集中式和分布式相結合的以新能源為主體的新型電力系統，這將推動能源的生產、運輸、消費、技術和體制的深刻變革。
一、儲能發(fā)展背景
（一）我國實現碳達峰、碳中和目標面臨的形勢與挑戰(zhàn)
一方面，我國實現碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標時間短、任務重。目前全球已有120多個國家制定了碳中和的目標與路線圖，碳中和已經成為大國競爭的重點領域，未來世界各國的脫碳轉型和低碳科技，也將成為21世紀重塑地緣政治的重要因素之一?，F實情況是，主要能源國家早已經實現了碳達峰，如英國、法國與德國早在20世紀90年代已經實現碳達峰，美國、日本也分別于2007、2008年碳達峰，這些國家從碳達峰到碳中和大致有50~70年的過渡期。相比之下，我國目前還尚未實現碳達峰，我們承諾到2030年實現碳達峰，到2060年實現碳中和，就意味著從碳達峰到碳中和大約只有30年的時間。用更短的時間，走更長的路，我國的碳中和之路可謂時間緊任務重。
另一方面，中國仍然處于工業(yè)化、現代化關鍵時期，能源作為經濟社會發(fā)展的基礎，需要兼顧經濟發(fā)展和低碳目標。目前我國人均GDP剛剛邁過1萬美元的門檻，與發(fā)達國家相比還有很大差距，經濟社會發(fā)展的很多領域對高碳產品依然有很大的需求。能源保障基礎不牢、能源結構偏煤、能源利用效率偏低，嚴重影響綠色低碳發(fā)展。我們既要為解決社會發(fā)展不充分問題提供充分的能源保障，還要兼顧“雙碳”目標，無疑增加了能源轉型的難度。
因此，“雙碳”的本質是更高質量地可持續(xù)發(fā)展，“雙碳”的關鍵是系統性的能源革命。在《中共中央關于制定國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標的建議》中，明確提出了單位GDP能源消耗和二氧化碳排放分別降低13.5%和18%的目標，并在構建現代能源體系下提出“推進能源革命，建設清潔低碳、安全高效的能源體系，提高能源供給保障能力”。
來源：清華大學氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究院《中國長期低碳發(fā)展戰(zhàn)略與轉型路徑研究》
圖1 我國實現“雙碳”目標的實施路徑
（二）“雙碳”背景下儲能的戰(zhàn)略意義
“雙碳”是一場廣泛而深刻的經濟社會變革，對于能源行業(yè)既是艱巨的挑戰(zhàn)，也是難得的機遇。在這場變革中能源是主戰(zhàn)場，電力是主力軍，新能源是關鍵。2021年可再生能源占全球新增發(fā)電裝機容量超過90%。未來，可再生能源裝機仍會保持較快的增長。按照《2030年前碳達峰行動方案》的要求，到2025年我國新型儲能裝機容量將達到3000萬千瓦以上，到2030年非化石能源消費比重達到25%左右，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億千瓦以上。伴隨著強隨機性、波動性的新能源大規(guī)模并網，以及電動汽車、分布式電源等交互式設備大量接入，電力系統將呈現高比例新能源、高比例電力電子化的“雙高”特點，電力系統在供需平衡、系統調節(jié)、穩(wěn)定特性、配網運行、控制保護和建設成本等方面都將發(fā)生顯著變化，面臨一系列新的挑戰(zhàn)。為了實現以可再生能源為主體的電力系統的負荷平衡，儲能將發(fā)揮重要作用。在國家國民經濟十四五規(guī)劃中，明確指出加強源網荷儲銜接，提升清潔能源消納和存儲能力，加快抽水蓄能電站建設和新型儲能技術規(guī)模化應用。
儲能是第三次工業(yè)革命的戰(zhàn)略性技術，也是新能源大規(guī)模發(fā)展的必要手段和支撐技術。2020年12月，國家能源局指出要大力提升新能源消納和存儲能力，加快推進“風光水火儲一體化”和“源網荷儲一體化”發(fā)展。2021年7月，國家發(fā)改委、國家能源局正式印發(fā)《關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》，明確了儲能行業(yè)的發(fā)展規(guī)劃與目標，到2025年實現新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉變，累計裝機規(guī)模30GW以上。2021年10月24日國務院連續(xù)發(fā)布《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達峰行動方案的通知》兩份重要文件，進一步明確了碳達峰實施路徑并突出了儲能的重要作用。在政府鼓勵和市場需求的雙重加持下，預計至2025年“新能源+儲能”將形成千億級市場。
二、儲能技術與產業(yè)發(fā)展現狀和路徑
（一）技術發(fā)展現狀
“十三五”時期我國儲能技術得到快速發(fā)展。在儲能本體技術方面，儲能用鋰離子電池循環(huán)壽命、能量密度等關鍵技術指標得到大幅度提升，應用成本快速下降，等效度電成本已達0.50元/千瓦時?次，且實現了百兆瓦級儲能電站系統集成應用；其他新型儲能技術如壓縮空氣儲能技術指標已經領跑全球，并且實現了十兆瓦級示范應用。在儲能應用技術方面，初步掌握了儲能容量配置、儲能電站能量管理、源—網—荷—儲協同控制等關鍵技術，先后開展了大容量儲能提升新能源并網友好性、儲能機組二次調頻、大容量儲能電站調峰、分布式儲能提升微電網運行可靠性等多樣性示范工程，相關核心技術指標也達到國際先進水平。在儲能技術支撐體系方面，我國初步建立電力儲能標準體系，先后發(fā)布國家標準13項、能源行業(yè)標準35項、各類團體140余項，主導并參與IEC和IEEE國際標準6項。在儲能裝備產業(yè)化方面，我國已初步建成包括儲能電池、電池管理系統、功率轉換系統、能量管理系統等在內電化學儲能裝備產業(yè)鏈，我國電化學儲能裝備技術方面處于國際領先，大量鋰離子電池、鉛碳電池等儲能系統出口到國外市場；壓縮空氣儲能裝備完全自主化，產業(yè)鏈完全支撐百兆瓦級儲能電站的建設與運行。在儲能應用產業(yè)化方面，依托國內外儲能商業(yè)或示范工程，我國已初步建立工程設計、工程施工、接入調試、運行維護、設備檢修等應用產業(yè)鏈。
目前我國主流儲能技術總體達到世界先進水平，儲能用鋰離子電池具備規(guī)模化發(fā)展的基礎、液流電池、壓縮空氣儲能技術已進入商業(yè)化示范階段，基本實現了關鍵材料和設備的國產化。
表1 儲能技術對比
（二）儲能技術應用現狀及發(fā)展路線
儲能技術的諸多特性使其在電力系統的發(fā)、輸、配、用及調度等各個環(huán)節(jié)得到廣泛應用?？傮w來看電力系統對儲能技術的需求可以分為功率服務和能量服務兩類。對于功率服務，儲能要滿足電網的暫態(tài)穩(wěn)定和短時功率平衡需求，因此需要響應快速的如飛輪儲能、超導磁儲能及超級電容儲能等功率型儲能技術。對于能量服務，儲能用于長時間的功率調節(jié)和電能存儲，主要應對系統峰谷調節(jié)以及輸配電線路的阻塞問題，則需要具備一定規(guī)模和高能量轉換效率的儲能技術，如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電化學儲能等能量型儲能技術。
為加快構建清潔低碳、安全高效的能源體系，促進儲能技術快速發(fā)展，國家能源局于2020年12月印發(fā)了首批科技創(chuàng)新（儲能）試點示范項目，示范項目分別采用了電化學儲能、物理儲能、儲熱等多種技術類型，并覆蓋了儲能的主要應用場景，示范效應明顯。從項目運行效果來看，可再生能源發(fā)電側項目實現了與風電、光伏發(fā)電聯合運行，能夠有效增發(fā)清潔能源，促進大規(guī)?？稍偕茉聪{。電網側項目既能夠削峰填谷又能夠參與輔助服務，實現了多功能復合應用，提升了電力系統運行的安全穩(wěn)定性。聯合火電廠參與輔助服務項目將明顯提高火電廠跟蹤調度曲線的能力，并避免機組反復調節(jié)出力帶來的設備疲勞、系統效率下降和污染物排放增加等情況。用戶側項目能夠有效調節(jié)用電負荷和增加分布式可再生能源應用，在為用戶節(jié)約用電成本的同時，促進節(jié)能減排。
至今我國儲能已經歷了15年左右的發(fā)展，歷經從技術驗證（2000-2010年），到示范應用（2011-2015年），再到商業(yè)化初期的階段（2016-2020年），目前已經進入到規(guī)?；?、產業(yè)化發(fā)展的新階段（2021-2025年）。根據中關村儲能產業(yè)技術聯盟不完全統計，截止到2021年6月，全球儲能裝機已經達到192.1GW，新增儲能裝機1.2GW。其中抽水蓄能裝機占儲能總裝機的89.8%，新型儲能裝機占比為8.4%（電化學儲能8%、壓縮空氣儲能和飛輪儲能各占0.2%），熔融鹽儲熱裝機占比為1.8%。我國已投運新型儲能項目累計裝機規(guī)模35.9GW，新增0.3GW，同比增長9.8%。2021年上半年，國內新增新型儲能（含規(guī)劃、在建和運行）項目共257個，儲能規(guī)模11.8GW，分別是去年同期的1.6倍和9倍，百兆瓦以上規(guī)模的項目個數是去年同期的8.5倍，百兆瓦級項目陸續(xù)開工，吉瓦級別項目也被列入開發(fā)日程。今年7月，國家發(fā)改委、國家能源局聯合印發(fā)《關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》，文件明確，到2025年，實現新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉變，裝機規(guī)模達3000萬千瓦以上；到2030年，實現新型儲能全面市場化發(fā)展。
在發(fā)展過程中，我們應該看到政策對儲能產業(yè)的影響。由于儲能技術成本和市場對其應用價值的支付尚不匹配，儲能投資敏感性極強，投資沖動和投資風險長期并存。“十三五”時期，儲能經歷了最為波動的發(fā)展階段。2017年，儲能指導意見應需落地，提升了儲能市場應用活躍度。2018年，我國儲能產業(yè)呈暴發(fā)式增長，當年新增投運新型儲能裝機規(guī)模達到882.9MW，國內已投運新型儲能累計裝機規(guī)模也首次突破GW。但進入2019年以來，我國新增投運新型儲能項目裝機規(guī)模僅為838MW。經歷了高速增長之后，我國儲能技術應用進入了調整期。2020年在“雙碳”目標背景下，儲能作為構建零碳電力系統的關鍵組成部分，迎來了暴發(fā)性的發(fā)展機遇。
三、發(fā)展趨勢及展望
“十四五”時期是實現碳達峰的關鍵窗口期，也是我國儲能技術從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展，形成成熟產業(yè)體系以及多種商業(yè)模式的重要時期。
在儲能技術創(chuàng)新方面，要明確技術應用的發(fā)展路線。大型抽水蓄能在“十四五”期間仍是電力儲能的主體，將在傳統技術基礎上研制大型變速抽水蓄能機組的關鍵設備，建立變速抽水蓄能技術體系。受新能源汽車產業(yè)的影響，儲能電池將是技術創(chuàng)新與示范應用的重點領域，“十四五”時期要集中攻克大容量長時儲能和長壽命低成本鋰離子電池的研究，開展液流電池關鍵材料、電堆設計及系統模塊集成設計研究。重點突破儲能電池老化檢測等相關研究，保證電池安全性的同時延長循環(huán)壽命，提高電池修復與回收再利用的技術能力。在此基礎上，關注和發(fā)展分布式儲能與分布式電源協同聚合技術，掌握多點布局儲能系統聚合調峰、調頻及緊急控制系列理論與成套技術，實現廣域布局的分布式儲能、儲能電站的規(guī)?；簠f同聚合。作為長時儲能技術的代表，壓縮空氣和液流電池完全具備100MW級以上的儲能電站示范和推廣條件。同樣，隨著智能微網關鍵技術的成熟，島嶼可再生能源開發(fā)和大規(guī)模源網荷儲一體化示范都將全面實施。
需要指出的是，“十四五”期間儲能要大規(guī)模應用，仍面臨不少挑戰(zhàn)。首先，關于儲能安全、規(guī)模、成本、壽命的技術先進性和成熟度還不能完全滿足應用的要求，部分核心技術還無法完全掌握。其次，儲能設備的安全和標準體系仍需繼續(xù)完善。再次，儲能的成本疏導難題依然存在，尚未形成穩(wěn)定、成熟的儲能價格機制。因此，“十四五”時期要不斷推進儲能技術裝備研發(fā)示范、提升可再生能源利用水平應用示范、提升電力系統靈活性和穩(wěn)定性應用示范、提升用能智能化水平應用示范，推進儲能多元化應用支撐能源互聯網應用示范。通過對不同技術路徑和應用場景的示范，不斷探索技術創(chuàng)新方向。更重要的是，要結合技術特性建立長效市場機制、明確政策導向，秉持“誰受益、誰承擔”原則，避免因政策制度和市場機制問題導致的技術創(chuàng)新停滯困境。
放眼2060年，為實現碳中和的遠景目標，我國非化石能源消費比重將達到80%以上。占主體地位的間歇性、不穩(wěn)定性、不可控的可再生能源，將對儲能提出更高要求。隨著儲能技術的突破和規(guī)模化發(fā)展，各類儲能技術的價格和成本將持續(xù)下降，隨著電力市場化改革的全面推進，儲能既可以作為獨立主體參與現貨市場和輔助服務市場，又可以配套可再生能源保障電力系統穩(wěn)定安全運行。在市場需求的驅動下，通過技術創(chuàng)新、工程示范、商業(yè)應用的有機結合實現多重應用價值疊加。在電力系統中既能夠獨立參與市場交易，又能夠發(fā)揮聚合效應，從而成為新型電力系統整體優(yōu)化必不可少的一環(huán)。我們完全可以期待，隨著儲能技術的進步、儲能產業(yè)競爭力的增強，新型儲能必然成為我國現代能源體系中保障能源安全供應、實現綠色低碳發(fā)展的重要利器。
結語：
黨的十八大以來，我國能源科技領域在綠色低碳的創(chuàng)新發(fā)展道路上取得了明顯成效。目前我國風電、光伏、水電、化學電池、抽水蓄能和壓縮空氣儲能的技術水平和產業(yè)競爭力總體處于全球前沿，在全球清潔能源產品供應鏈中占主導地位。在中央頂層設計和統籌協調下，完整的產業(yè)鏈基礎、快速發(fā)展的技術能力以及逐漸強大的科技資源，讓我國更加堅定、更有底氣地推動低碳技術創(chuàng)新、產品創(chuàng)新和商業(yè)模式創(chuàng)新，推動面向“清潔、低碳、安全、高效”的能源體系變革。在碳達峰、碳中和這場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革過程中，我們要深入貫徹習近平總書記的重要指示精神，加快能源綠色低碳轉型，加快構建以新能源為主體的新型電力系統，加快以儲能技術為代表的能源革命關鍵技術創(chuàng)新發(fā)展，為實現“雙碳”目標貢獻力量！
