新型電力系統(tǒng)中新型儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展路線探討
王雅婷 王一珺 蔡琛
（電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院）
新型儲(chǔ)能是支撐“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)和新型電力系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，規(guī)?；瘍?chǔ)能應(yīng)用將成為新型電力系統(tǒng)的重要標(biāo)志。目前應(yīng)用的新型儲(chǔ)能以鋰電池儲(chǔ)能為主，裝機(jī)占比超過90%，然而鋰電池儲(chǔ)能在安全性方面存在固有隱患，且相關(guān)技術(shù)指標(biāo)難以完全匹配未來新型電力系統(tǒng)建設(shè)需求，同時(shí)我國(guó)鋰礦對(duì)外依存度較高，2022年碳酸鋰等主要上游原材料價(jià)格漲至2021年同期的5~6倍，嚴(yán)重抬高鋰電池成本，制約鋰電池的大規(guī)模發(fā)展。本文重點(diǎn)對(duì)比分析了新型儲(chǔ)能不同技術(shù)路線與新型電力系統(tǒng)建設(shè)需求的匹配性，進(jìn)一步研究提出近期和遠(yuǎn)期的技術(shù)路線應(yīng)用建議，為后續(xù)新型儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展提供思路。
一、新型電力系統(tǒng)建設(shè)對(duì)新型儲(chǔ)能技術(shù)提出更高要求
新型電力系統(tǒng)為適應(yīng)新能源占比逐步提升，亟需新型儲(chǔ)能規(guī)?；瘧?yīng)用，充分發(fā)揮儲(chǔ)能在保障新能源合理消納利用、提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力、支撐新能源可靠替代等方面的重要作用，這也給新型儲(chǔ)能技術(shù)提出了更高要求。
新型電力系統(tǒng)建設(shè)要求新型儲(chǔ)能提供更長(zhǎng)的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)。我國(guó)電力系統(tǒng)是全球規(guī)模最大、結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的電力系統(tǒng)。由于電力行業(yè)技術(shù)資金密集，長(zhǎng)期形成的電力發(fā)展格局存在高度的路徑依賴，未來較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，我國(guó)電力系統(tǒng)仍將以大規(guī)模交流同步系統(tǒng)為主，需要電力供需時(shí)刻保持平衡。當(dāng)前電力系統(tǒng)主要依賴出力可調(diào)的常規(guī)電源，實(shí)現(xiàn)“源隨荷動(dòng)”的實(shí)時(shí)平衡。隨著新能源逐步成為電量供應(yīng)主體，其發(fā)電出力的隨機(jī)性、波動(dòng)性和季節(jié)不均衡性將使電力系統(tǒng)的平衡調(diào)節(jié)問題由日內(nèi)平衡調(diào)節(jié)向跨日、跨季平衡調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變。為此，就要求新型儲(chǔ)能具備更長(zhǎng)時(shí)間尺度能量存儲(chǔ)和搬移能力，通過大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能配合新能源運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)“發(fā)—用”實(shí)時(shí)平衡向“發(fā)—儲(chǔ)—用”動(dòng)態(tài)平衡轉(zhuǎn)變，支撐電力系統(tǒng)發(fā)用電解耦，滿足電力供需平衡要求。
新型電力系統(tǒng)建設(shè)要求新型儲(chǔ)能具備提供頻率、電壓、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等支撐能力。隨著新能源大規(guī)模開發(fā)、高比例并網(wǎng)，以及逆變器、變流器等電力電子設(shè)備的大量應(yīng)用，新型電力系統(tǒng)的“雙高”特征將進(jìn)一步凸顯?！半p碳”目標(biāo)下，化石電源將逐步退出，維持交流電網(wǎng)安全穩(wěn)定的物理基礎(chǔ)被不斷削弱，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，功角、頻率、電壓等傳統(tǒng)穩(wěn)定問題呈惡化趨勢(shì)。新型儲(chǔ)能通過合理的控制手段，具備有功調(diào)節(jié)和無功支撐能力，能有效支撐節(jié)點(diǎn)電壓、平抑系統(tǒng)頻率波動(dòng)，部分機(jī)械式儲(chǔ)能天然具備轉(zhuǎn)動(dòng)慣量支撐能力，可有效緩解上述“雙高”帶來的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性問題，降低電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。
新型電力系統(tǒng)建設(shè)要求新型儲(chǔ)能具備更高的技術(shù)安全性。安全問題始終是儲(chǔ)能行業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體安全性包括電氣安全、火災(zāi)安全、化學(xué)安全和機(jī)械安全等多方面內(nèi)容。不同儲(chǔ)能技術(shù)路線所對(duì)應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)不同，例如鋰離子電池儲(chǔ)能、鈉硫電池儲(chǔ)能以及氫儲(chǔ)能需要重點(diǎn)關(guān)注火災(zāi)安全，液流電池重點(diǎn)關(guān)注化學(xué)安全，飛輪儲(chǔ)能需要重點(diǎn)關(guān)注機(jī)械安全等。以目前應(yīng)用較為廣泛的鋰離子電池儲(chǔ)能為例，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2018年以來各國(guó)儲(chǔ)能電站共發(fā)生火災(zāi)事故三十余次。為適應(yīng)未來新型儲(chǔ)能規(guī)?；l(fā)展需求，新型儲(chǔ)能安全性能亟需突破。
新型電力系統(tǒng)建設(shè)需要更為靈活的新型儲(chǔ)能布局。新型電力系統(tǒng)下，源、網(wǎng)、荷各側(cè)都將對(duì)新型儲(chǔ)能具有廣泛的應(yīng)用需求，需以系統(tǒng)實(shí)際需求為導(dǎo)向進(jìn)行靈活布局。在源側(cè)，新型儲(chǔ)能將成為支撐新能源可靠替代化石電源的重要手段，作為配套的優(yōu)質(zhì)調(diào)節(jié)電源，支撐大型風(fēng)光基地的開發(fā)和外送。在網(wǎng)側(cè)，新型儲(chǔ)能在保障輸電通道安全可靠綠色運(yùn)行、提升電力可靠供應(yīng)能力、提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力等方面都將發(fā)揮重要作用。在荷側(cè)，新型儲(chǔ)能是支撐分布式系統(tǒng)運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化發(fā)展、提升需求側(cè)響應(yīng)能力的重要支撐。
新型儲(chǔ)能規(guī)?；l(fā)展需要具備較好的能量密度特性。伴隨著新能源的大規(guī)模發(fā)展，并逐步向主體電源轉(zhuǎn)變，新型儲(chǔ)能作為提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的重要舉措，也將加快步入規(guī)?；l(fā)展的窗口期。根據(jù)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院前期相關(guān)研究，預(yù)計(jì)2030年，新型儲(chǔ)能需求規(guī)模約2億千瓦；到2060年，新型儲(chǔ)能規(guī)模需求將超過12億千瓦。新型儲(chǔ)能的能量密度特性將成為影響其占地空間、布局靈活性、工程成本的重要因素，為此，需要新型儲(chǔ)能具備高能量密度，支撐規(guī)?；l(fā)展。
二、適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展需求的新型儲(chǔ)能技術(shù)路線研判
（一）不同新型儲(chǔ)能技術(shù)路線與系統(tǒng)建設(shè)需求的匹配性分析
新型儲(chǔ)能按照技術(shù)類別可以分為機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能。其中，機(jī)械儲(chǔ)能主要包括壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、二氧化碳儲(chǔ)能、重力儲(chǔ)能等；電化學(xué)儲(chǔ)能主要包括鋰離子電池、鈉離子電池、鉛蓄電池、液流電池等；電磁儲(chǔ)能主要包括超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容器等；熱儲(chǔ)能主要包括顯熱儲(chǔ)能、潛熱儲(chǔ)能及熱化學(xué)儲(chǔ)能。結(jié)合上述分析的新型電力系統(tǒng)建設(shè)對(duì)新型儲(chǔ)能的技術(shù)要求，對(duì)各類新型儲(chǔ)能技術(shù)與系統(tǒng)建設(shè)需求的匹配性進(jìn)行分析比較。
機(jī)械儲(chǔ)能具有類比于常規(guī)火電機(jī)組的主動(dòng)支撐能力，且能夠滿足長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能需求。尤其是機(jī)械儲(chǔ)能中的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)逐漸成熟，將成為未來極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦蛢?chǔ)能。常規(guī)基于天然鹽穴的壓縮空氣儲(chǔ)能受鹽穴資源限制，建設(shè)局限性較大，三北沙漠、戈壁、荒漠，東部沿海負(fù)荷中心等地區(qū)不具備建設(shè)條件，基于人工硐室壓縮空氣儲(chǔ)能利用基巖造穴，我國(guó)大部分地區(qū)基巖條件及深度適宜，理論上全國(guó)均可選址，布局較為靈活，未來發(fā)展前景廣闊。
電化學(xué)儲(chǔ)能充放時(shí)間可以控制在毫秒級(jí)，對(duì)受端電網(wǎng)頻率的支撐能力較高，且布局靈活，能量密度整體較高，其中鋰離子電池能量密度高達(dá)140~220Wh/kg。目前最常應(yīng)用的鋰離子電池儲(chǔ)能適用于4小時(shí)以內(nèi)的短時(shí)間尺度儲(chǔ)能場(chǎng)景，但因其存在燃爆風(fēng)險(xiǎn)，安全性仍需進(jìn)一步提升。同時(shí)鋰離子電池儲(chǔ)能受碳酸鋰等主要上游原材料價(jià)格制約，未來大規(guī)模發(fā)展存在一定不確定性。鈉離子電池、液流電池等新型的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電池的本質(zhì)安全，且具備一定長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能能力，但也存在運(yùn)行問題，鈉離子電池在高溫運(yùn)行下存在腐蝕問題和安全隱患，液流電池充放電效率偏低（60%～75%），關(guān)鍵設(shè)備仍需進(jìn)一步突破，但從中遠(yuǎn)期來看隨著技術(shù)進(jìn)步應(yīng)用前景廣闊。
電磁儲(chǔ)能具有較高的技術(shù)安全性和布局靈活性，效率較高且使用壽命長(zhǎng)。但此類儲(chǔ)能技術(shù)僅適用于超短時(shí)間尺度儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景，能量密度低、成本高，同時(shí)無法對(duì)系統(tǒng)提供主動(dòng)支撐，總體來看電力系統(tǒng)對(duì)其需求整體較小。
熱儲(chǔ)能具有容量大、壽命長(zhǎng)、安全性好、布局相對(duì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)階段轉(zhuǎn)化損耗大、效率較低。熱儲(chǔ)能可以作為能量轉(zhuǎn)化過程中的一個(gè)環(huán)節(jié)，如光熱發(fā)電、清潔電能供熱等，在支撐未來多能源品種轉(zhuǎn)換應(yīng)用、提升綜合能源系統(tǒng)利用效率方面前景廣闊。
氫儲(chǔ)能能量密度較高且外部環(huán)境依賴性小，儲(chǔ)能過程無污染，同時(shí)適用于極短或極長(zhǎng)時(shí)間供電，是極具潛力的新型大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。氫儲(chǔ)能缺點(diǎn)在于涉及電制氫、氫儲(chǔ)運(yùn)和氫發(fā)電等環(huán)節(jié)，全過程轉(zhuǎn)換效率低，并且氫屬于易燃易爆品，存在一定安全隱患。但目前來看，氫儲(chǔ)能是解決未來系統(tǒng)跨月跨季平衡調(diào)節(jié)問題的主要舉措，亟需大力推進(jìn)。
總體來看，各類儲(chǔ)能技術(shù)的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)、能量密度等特性不盡相同，存在各自匹配的應(yīng)用場(chǎng)景，不存在“包打天下”的儲(chǔ)能技術(shù)。應(yīng)積極推動(dòng)新型儲(chǔ)能技術(shù)多元化發(fā)展，根據(jù)新型電力系統(tǒng)不同建設(shè)階段的系統(tǒng)需求，重點(diǎn)發(fā)展推廣不同的儲(chǔ)能技術(shù)路線。
（二）新型儲(chǔ)能技術(shù)分階段應(yīng)用前景研判
按照黨中央提出的新時(shí)代“兩步走”戰(zhàn)略安排要求，錨定碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)，2030年、2060年是新型電力系統(tǒng)構(gòu)建目標(biāo)的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)。下面基于新型電力系統(tǒng)近期（2030年）、遠(yuǎn)期（2060年）對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的需求差異，研判新型儲(chǔ)能各類技術(shù)應(yīng)用前景。
新型電力系統(tǒng)建設(shè)近期，為加速新能源可靠替代、提升新能源并網(wǎng)友好性、提升分布式新能源可控可調(diào)水平，該階段對(duì)新型儲(chǔ)能技術(shù)的要求聚焦于技術(shù)安全性、布局靈活性、穩(wěn)定支撐性方面，結(jié)合各類儲(chǔ)能技術(shù)的性能指標(biāo)和發(fā)展成熟度，應(yīng)著力發(fā)展高安全性電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)及高靈活性壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，提升鋰電池安全性、降低鋰電池成本，發(fā)展鈉離子電池、液流電池等高安全水平的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，同時(shí)推進(jìn)基于人工硐室等靈活儲(chǔ)氣方式的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)日以內(nèi)時(shí)間尺度的電力系統(tǒng)調(diào)峰和能量調(diào)度，滿足大規(guī)模新能源調(diào)節(jié)、存儲(chǔ)、消納需求。
新型電力系統(tǒng)建設(shè)遠(yuǎn)期，隨著新能源逐步成為電量供應(yīng)主體，季節(jié)出力不均衡情況下電力系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間尺度平衡調(diào)節(jié)矛盾凸顯，需重點(diǎn)推動(dòng)壓縮空氣儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能、重力儲(chǔ)能等長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展。同時(shí)，為全面支撐碳中和目標(biāo)的如期實(shí)現(xiàn)、維護(hù)新型電力系統(tǒng)的長(zhǎng)期安全靈活穩(wěn)定運(yùn)行，新型儲(chǔ)能技術(shù)需要繼續(xù)朝著高支撐能力、高能量密度、環(huán)保安全、靈活布局的方向發(fā)展，應(yīng)持續(xù)革新改進(jìn)儲(chǔ)能本體材料，實(shí)現(xiàn)各類儲(chǔ)能技術(shù)的大容量、長(zhǎng)壽命、跨季節(jié)突破與規(guī)?；l(fā)展，持續(xù)推進(jìn)長(zhǎng)時(shí)、短時(shí)多元化新型儲(chǔ)能技術(shù)的有機(jī)結(jié)合和優(yōu)化運(yùn)行，充分發(fā)揮各類新型儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)、大范圍的可再生能源存儲(chǔ)與調(diào)節(jié)。
三、關(guān)于新型儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的幾點(diǎn)建議
一是結(jié)合系統(tǒng)需求統(tǒng)籌推進(jìn)多元化儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。以新型電力系統(tǒng)建設(shè)需要為導(dǎo)向，推動(dòng)新型儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新。綜合考慮技術(shù)成熟度、安全性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等因素，在發(fā)展電化學(xué)儲(chǔ)能的同時(shí)，當(dāng)前需統(tǒng)籌開展壓縮空氣儲(chǔ)能、鈉離子電池、液流電池、熱儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能等多元化新型儲(chǔ)能技術(shù)路線示范，加快關(guān)鍵儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)，開展重大工程示范，進(jìn)一步帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)各類新型儲(chǔ)能共同發(fā)展、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)調(diào)運(yùn)行，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下、不同發(fā)展階段的電力系統(tǒng)實(shí)際需求。
二是提前開展長(zhǎng)時(shí)新型儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)布局。未來電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需求將由日內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)榭缛铡⒖缰苣酥量缭碌乳L(zhǎng)時(shí)間尺度調(diào)節(jié)，亟需提前開展以氫儲(chǔ)能為代表的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)研究。大力推動(dòng)可再生能源制取“綠氫”，重點(diǎn)研發(fā)質(zhì)子交換膜和高溫固體氧化物電解制氫等關(guān)鍵技術(shù)，開展氫儲(chǔ)運(yùn)/加注關(guān)鍵技術(shù)、燃料電池設(shè)備及系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)氫能制備利用關(guān)鍵技術(shù)完全國(guó)產(chǎn)化，研發(fā)純氫氣燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。
三是積極建立多元靈活的新型儲(chǔ)能電價(jià)機(jī)制和市場(chǎng)機(jī)制。為更好推進(jìn)各類儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展，需結(jié)合發(fā)揮功能建立針對(duì)性配套價(jià)格機(jī)制。比如對(duì)于以支撐電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)為主要功能的新型儲(chǔ)能，可考慮參照抽水蓄能電價(jià)機(jī)制，建立電量電價(jià)與容量電價(jià)相結(jié)合的兩部制電價(jià)機(jī)制。倘若是用于替代電網(wǎng)輸變電設(shè)備投資的新型儲(chǔ)能，需確保其相較其他輸變電設(shè)備具有更好的經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)評(píng)估認(rèn)證后可納入輸配電價(jià)回收。同時(shí)，還需加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)，發(fā)揮移峰填谷和頂峰供電作用，充分發(fā)揮價(jià)格信號(hào)引導(dǎo)作用，適當(dāng)增加現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)差，擴(kuò)大儲(chǔ)能盈利空間。適時(shí)建立容量市場(chǎng)，體現(xiàn)儲(chǔ)能對(duì)系統(tǒng)容量支撐方面的價(jià)值，推動(dòng)儲(chǔ)能在市場(chǎng)中獲得合理收益。
