中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：8月24日，由深圳市發(fā)展和改革委員會(huì)指導(dǎo)，中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)與南方科技大學(xué)碳中和能源研究院聯(lián)合主辦，100余家機(jī)構(gòu)共同支持的碳中和能源高峰論壇暨第四屆中國(guó)國(guó)際新型儲(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用大會(huì)與新型儲(chǔ)能技術(shù)青年科學(xué)家論壇在深圳召開。此次大會(huì)主題是“開拓新質(zhì)生產(chǎn)力，推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展”。
在下午的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)與應(yīng)用專場(chǎng)論壇上，中國(guó)電力顧問工程集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院重力儲(chǔ)能公司副總工程師史沁鵬以《重力儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展與工程應(yīng)用》為題進(jìn)行了演講。
中國(guó)電力顧問工程集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院重力儲(chǔ)能公司副總工程師史沁鵬
以下內(nèi)容根據(jù)大會(huì)發(fā)言整理，僅供參考。
重力儲(chǔ)能技術(shù)作為一個(gè)新型技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)不僅停留在理論或者技術(shù)研究層面上，它其實(shí)已經(jīng)在工程實(shí)踐方面擁有落地的可能性，主要包括背景、概述、工程實(shí)踐和總結(jié)。
背景方面，儲(chǔ)能的整個(gè)背景是在“3060”雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)要求下的以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè)，要完成雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)，以風(fēng)光為代表的新能源的重要性很強(qiáng)。但是由于風(fēng)光三性或者四性的固有特性，在以其為主體的新型電力系統(tǒng)中無法滿足電量和容量平衡的電能基本要求，從能源的安全角度看，本身不能獨(dú)立成為能源，必須和具有時(shí)間和空間轉(zhuǎn)移特性實(shí)現(xiàn)電量轉(zhuǎn)移和功率支撐功能的儲(chǔ)能來組合。
這里重申這一點(diǎn)，主要是強(qiáng)調(diào)儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中的作用不只是平滑波動(dòng)這種容量的平衡，在電量平衡方面也要發(fā)揮作用，這也是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的價(jià)值。所以去年院士的科協(xié)大會(huì)上把尋找“適用于新型電力系統(tǒng)的長(zhǎng)周期儲(chǔ)能”作為9個(gè)重大工程技術(shù)難題之一。
市場(chǎng)規(guī)模方面，我們分析新能源電量占比超過20%以后，儲(chǔ)能將會(huì)成為一種剛需。所謂的電量占比超20%，實(shí)際上是總電量占比超20%。這種情況下也就意味著，在某個(gè)月、日或者小時(shí)的新能源的滲透率要達(dá)到60%以上。我在后面有一個(gè)分析能看到，如果新能源的電量或者滲透率占比超過60%，電能的輸出就不符合電力系統(tǒng)的要求了。
截至2023年，新能源的裝機(jī)已經(jīng)達(dá)10億kW。據(jù)今年7月剛剛發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，新能源的裝機(jī)已經(jīng)達(dá)12億kW。按照這個(gè)規(guī)模去預(yù)測(cè)，到2030年底，裝機(jī)規(guī)模保守估計(jì)應(yīng)該在16億-18億kW，整個(gè)電量占比就會(huì)超過20%。所以到2030年，儲(chǔ)能就已經(jīng)不只是一種可能性，而成為一種必然的剛需。
從不同儲(chǔ)能形式的定位和發(fā)展趨勢(shì)來看，2030年，3-4億千瓦的新能源裝機(jī)中，除了2035年中長(zhǎng)期規(guī)劃的1.2億千瓦的抽蓄儲(chǔ)能之外，新型儲(chǔ)能至少要占到1-2億千瓦。按照這個(gè)比例，其實(shí)包括抽蓄在內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能最起碼要占到一半以上的規(guī)模。而從電量和整個(gè)投資的角度來看，應(yīng)該占比更大。而且更關(guān)鍵的是，到2035年，比較好的抽蓄選址，也就是比較具有經(jīng)濟(jì)性的抽蓄選址可能就不那么多了。在這種情況下，我們需要在十年內(nèi)找到可類比抽蓄的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)存形式。因?yàn)榇蠹叶贾?，抽蓄還是目前最主要的儲(chǔ)能形式。
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，現(xiàn)在沒有明確的定義。從供給角度來說，一般認(rèn)為超過4小時(shí)就是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。但是從需求的角度來講，我認(rèn)為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能最起碼要能跟光伏一起，實(shí)現(xiàn)日內(nèi)的平衡。按照這個(gè)要求，應(yīng)該至少要達(dá)到8-10個(gè)小時(shí)的規(guī)模。再有，它還要實(shí)現(xiàn)能夠跨日、跨周甚至跨月的充電循環(huán)間隔尺度。除此之外，作為系統(tǒng)支撐的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能最好具有構(gòu)網(wǎng)能力，能夠在新型電力系統(tǒng)中提供穩(wěn)定、可靠和靈活的電力支持。
需求邏輯，首先我們認(rèn)為，“長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能+大型風(fēng)光項(xiàng)目”將替代化石能源成為基本負(fù)荷發(fā)電廠。在新型電力系統(tǒng)中，現(xiàn)有的以化石能源為基本負(fù)荷和調(diào)節(jié)電源的局面將不可持續(xù)。去年出臺(tái)的煤電容量電價(jià)，大家對(duì)這個(gè)結(jié)論有點(diǎn)懷疑。我個(gè)人認(rèn)為容量電價(jià)政策是對(duì)現(xiàn)有的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的認(rèn)可。也就是說整體上這個(gè)政策對(duì)儲(chǔ)能的必要性是削弱的。但只要是在雙碳背景下，火電加上脫碳的指標(biāo)，不管脫碳的手段是CCUS，還是摻燒氨，度電成本都要增加到6-8毛以上。從新能源的角度出發(fā)，比如內(nèi)蒙、青海等地，新能源本身的度電成本要到一毛多，儲(chǔ)能的成本大概在5毛左右，加在一起也是6-8毛的水平。所以整體來看，火電+脫碳和新能源+儲(chǔ)能兩者相比的話，新能源+儲(chǔ)能的整體綜合造價(jià)已經(jīng)具有可比性了。另外，從調(diào)節(jié)電源來看，新能源+儲(chǔ)能比火電的調(diào)節(jié)性能會(huì)更好。
雖然隨著國(guó)際形勢(shì)可能發(fā)生的變化，比如特朗普如果上臺(tái)后，雙碳是不是還能如此堅(jiān)決的推進(jìn)，這一點(diǎn)其實(shí)有點(diǎn)存疑。但是整體來看，在雙碳的約束條件下，我們認(rèn)為隨著波動(dòng)性電源比例的逐步擴(kuò)大，綜合考慮氣電、輸電和電網(wǎng)靈活性各種因素，和新能源配儲(chǔ)，必須要實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)，從日內(nèi)變?yōu)槿臻g周月的調(diào)節(jié)。所以通過提供相關(guān)的支撐，儲(chǔ)能就從目前調(diào)節(jié)的角色轉(zhuǎn)變?yōu)楹惋L(fēng)光共同作用來承擔(dān)基本負(fù)荷，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能就成為新型電力系統(tǒng)的一個(gè)基本的組成，這是一個(gè)基本的判斷。
第二，日以上天氣異常處理波動(dòng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能提出需求。在連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間低出力和極端天氣的條件下，需要儲(chǔ)能來實(shí)現(xiàn)跨日跨周的調(diào)節(jié)。
第三，外送通道限制、提升新能源占比及通道利用率需要長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。在目前新能源大基地+外送電力通道結(jié)構(gòu)中，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能在提升外送通道可再生能源電量輸送占比、通道利用率水平及降低電網(wǎng)投資水平方面更有優(yōu)勢(shì)。
內(nèi)蒙最新的細(xì)則確定的獨(dú)立儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)要求超過4個(gè)小時(shí)也與說明了此趨勢(shì)。
長(zhǎng)期儲(chǔ)能的技術(shù)包括了機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能。機(jī)械儲(chǔ)能包括壓縮空氣、抽水蓄能、重力儲(chǔ)能，電化學(xué)儲(chǔ)能包括鋰、鈉、碳、液流以及氫電耦合。整體來說各種儲(chǔ)能技術(shù)都有自己的優(yōu)勢(shì)，也都有自己的一些局限。比如抽蓄的劣勢(shì)就是在選址以及建設(shè)周期上。壓縮空氣的劣勢(shì)一方面是效率目前只能實(shí)現(xiàn)70%；另一方面其造價(jià)較高，選址不靈活。
以鋰電為代表的電化學(xué)電池，最主要的問題規(guī)?；瘯r(shí)的安全性以及長(zhǎng)時(shí)經(jīng)濟(jì)性會(huì)差一些。所以我們整體上認(rèn)為，在安全性、經(jīng)濟(jì)性和建設(shè)條件等方面，目前還沒有能滿足所有場(chǎng)景需要的儲(chǔ)能技術(shù)。
以后儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展方向，一方面是現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)的技術(shù)進(jìn)步，另一方面就是還需要其他的儲(chǔ)能形式。
2022年的重力儲(chǔ)能研討會(huì)上，包括兩院院士在內(nèi)的專家，對(duì)重力儲(chǔ)能進(jìn)行了探討，并認(rèn)為重力儲(chǔ)能是一個(gè)值得研究的方向。
從國(guó)家政策角度來看，在2023年出臺(tái)的《新型電力系統(tǒng)藍(lán)皮書》和《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2024）》中，都已經(jīng)把重力儲(chǔ)能納入其中。另外在一些地方政策上，也已經(jīng)計(jì)入了重力儲(chǔ)能。
重力儲(chǔ)能技術(shù)本身比較簡(jiǎn)單，它實(shí)際上就是牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)定律。因?yàn)槌樗钅鼙旧硪彩且环N重力儲(chǔ)能，所以我今天談的重力儲(chǔ)能和抽蓄，它的能量轉(zhuǎn)換路徑和基本原理都是完全一樣的。
從損耗的角度來講，把各種損耗，包括摩擦電機(jī)損耗、動(dòng)能損耗、庫輪損耗、電流損耗等都考慮在內(nèi)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，重力儲(chǔ)能比抽水蓄能很明顯的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，就在于是它能很明確地控制運(yùn)行的重物速度。抽搐在水流過水泵水輪機(jī)之后，速度無辦法控制，所以必然會(huì)損失一部分水流的動(dòng)能。但重力儲(chǔ)能對(duì)這方面的損失控制得比較好。所以從基本原理上看，重力儲(chǔ)能比抽水蓄能效率有較好提升。
就整個(gè)儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展而言，目前各種技術(shù)路線都進(jìn)行了一定的驗(yàn)證。但我們研究發(fā)現(xiàn)，千瓦級(jí)和兆瓦級(jí)的項(xiàng)目是完全不一樣的，甚至可以說完全是兩個(gè)行業(yè)。所以我們整體判斷，目前全球范圍內(nèi)應(yīng)該沒有能完全達(dá)到示范效果的工程項(xiàng)目。目前，江蘇如東100兆瓦時(shí)重力儲(chǔ)能示范項(xiàng)目和張家口300兆瓦時(shí)重力儲(chǔ)能國(guó)家級(jí)示范項(xiàng)目的建設(shè)，在全球范圍內(nèi)對(duì)重力儲(chǔ)能行業(yè)是比較大的促進(jìn)。
分類上，按照落差實(shí)現(xiàn)路徑，包括了往地下打落差和在地面平地上建新的落差，以及利用現(xiàn)有山坡或者山體落差。
除此之外，從儲(chǔ)能介質(zhì)方面，除了固體，還有重力壓縮空氣和火災(zāi)水泵這種利用液體的重力儲(chǔ)能。
不同技術(shù)路線對(duì)比。基于山體的重力儲(chǔ)能，它的優(yōu)勢(shì)在于投資比較低，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，而且重物選擇的范圍比較大；但是它的理論效率比較低，據(jù)我們測(cè)算大概只有70%，另外選址也受到一定限制。
基于構(gòu)筑物的重力儲(chǔ)能，選址非常靈活，而且因?yàn)楦叨扔邢?，所以預(yù)期效率會(huì)高；但是也由于落差有限，導(dǎo)致重力儲(chǔ)能所利用的核心資源很低，單位投資水平和度電成本比較高，且同容量之下占地比較大，再有，十幾萬噸到三十多萬噸的重物，在百米高空運(yùn)行40年，如果發(fā)生安全事故，影響會(huì)非常大。
基于豎井，包括廢棄礦井和新建豎井，廢棄礦井的優(yōu)勢(shì)是成本比較低，可以對(duì)廢棄資源進(jìn)行二次利用；但是選址受到限制。綜合來看，新建豎井在同規(guī)模容量的情況下，投資和效率比較好，選址比較靈活，運(yùn)行環(huán)境也比較安全穩(wěn)定。這也是我們選擇豎井方式做示范項(xiàng)目的一個(gè)原因。而它的問題在于建設(shè)周期會(huì)比坡式的長(zhǎng)，另外，技術(shù)和設(shè)備的難度會(huì)比較大。
我們認(rèn)為，規(guī)?；亓?chǔ)能電站最大的技術(shù)難點(diǎn)，就是重力儲(chǔ)能的低能量密度。因?yàn)樗哪芰棵芏却蟾乓粋€(gè)千瓦時(shí)要到十噸、百噸級(jí)的能量密度，另外重力儲(chǔ)能是離散化的物理場(chǎng)景，和電力系統(tǒng)的大容量以及連續(xù)性的需求，這是很明顯的矛盾。再有，機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行本身是不確定性的，而且它是分鐘級(jí)的時(shí)間尺度，和電力系統(tǒng)要求的確定性以及毫秒級(jí)的時(shí)間尺度，這也是一個(gè)根本性的矛盾。
為了解決這些矛盾，要針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，從0到1建立對(duì)應(yīng)關(guān)系聚焦對(duì)象，搭建效率、投資水平等關(guān)鍵指標(biāo)的模型，從而優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工藝程度和損耗等指標(biāo)。另外，目前沒有相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈，所以要落實(shí)和工程化落地的相關(guān)解決方案以及供應(yīng)鏈。
最后，現(xiàn)在沒有成型的設(shè)備，也沒有成型的工程。所以為了降低這種研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，所以要?jiǎng)?chuàng)新一些新的設(shè)計(jì)手段。在你沒有工程的時(shí)候，要進(jìn)行仿真的分析，進(jìn)行虛擬調(diào)試，從而優(yōu)化我們的技術(shù)方案，降低研發(fā)周期和研發(fā)成本。
對(duì)于未來的發(fā)展方向，我們認(rèn)為首先是進(jìn)行工程化商業(yè)化的運(yùn)行示范。其次是要針對(duì)新型電力系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的高轉(zhuǎn)換效率，高經(jīng)濟(jì)性和構(gòu)網(wǎng)要求，在大單機(jī)容量、大能量通道密度、超大落差構(gòu)建路徑和超大型配套裝備，以及系統(tǒng)集成方面進(jìn)行一些研究。
不同的儲(chǔ)存類型和技術(shù)路線、投資水平、壽命時(shí)長(zhǎng)、效率等各方面差異都比較大。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能來說，電量是它的價(jià)值所在，所以全生命周期度電成本是它的最關(guān)鍵指標(biāo)。
從調(diào)節(jié)性能來講，重力儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)每分鐘級(jí)的調(diào)節(jié)速率和啟停時(shí)間的調(diào)節(jié)。另外和其他的儲(chǔ)能調(diào)節(jié)電源來做對(duì)比到，在這方面應(yīng)該重力儲(chǔ)能只比電化學(xué)儲(chǔ)能要差，比其他所有的電源形式調(diào)節(jié)性能都要好。
因此，在安全性、經(jīng)濟(jì)性、建設(shè)可行性，以及電網(wǎng)和環(huán)境友好性等方面來看，重力儲(chǔ)能的綜合性能比較好。比如和抽水蓄能相比，它的選址約束比較小，建設(shè)周期比較短。在沙戈荒大基地的場(chǎng)景下，和抽水蓄能的經(jīng)濟(jì)性方面的差異也會(huì)縮小。和其他新型儲(chǔ)能相比，運(yùn)行壽命和轉(zhuǎn)化效率，都是比較優(yōu)勢(shì)的地方。
華北院是中能建的核心企業(yè)之一，我們擁有雙綜甲以及總承包一級(jí)的資質(zhì)。在儲(chǔ)能領(lǐng)域，我們是種類最多、場(chǎng)景最齊全和工程技術(shù)最先進(jìn)的企業(yè)。
重力儲(chǔ)能領(lǐng)域，我們組建了國(guó)內(nèi)首個(gè)重力儲(chǔ)能專職團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)將近20人，還有包括兩院院士、全國(guó)勘察設(shè)計(jì)大師等在內(nèi)的專家團(tuán)隊(duì)。技術(shù)創(chuàng)新上，目前已經(jīng)形成了包括重力儲(chǔ)能工藝包和運(yùn)行及能量管控系統(tǒng)在內(nèi)的創(chuàng)新工程方案，我們?cè)谛陆ㄘQ井、廢棄礦井、山地、構(gòu)筑物等技術(shù)路線方面，均實(shí)現(xiàn)了工程技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建和項(xiàng)目?jī)?chǔ)備方面的一些布局，可以支持相關(guān)的項(xiàng)目落地。
豎井式領(lǐng)域，我們?cè)谌蚴状翁岢鰡螜C(jī)容量最大約為16兆瓦，單模塊容量最大約為60兆瓦，系統(tǒng)效率約在78%的全國(guó)產(chǎn)自主可控產(chǎn)業(yè)鏈的模塊化工程方案。整體上的造價(jià)，目前短期內(nèi)應(yīng)該很難低于1萬元每千瓦，按照千瓦時(shí)算，大概在2000元左右。技術(shù)方案經(jīng)過專家評(píng)審，認(rèn)為相關(guān)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際的先進(jìn)水平。依上述技術(shù)方案建設(shè)的張家口赤城項(xiàng)目，已入選2023年國(guó)家能源局新型儲(chǔ)能試點(diǎn)示范項(xiàng)目。
除此之外，我們與華北電力大學(xué)共建了一個(gè)物理場(chǎng)景的動(dòng)模式仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研一體化。
重力儲(chǔ)能工程實(shí)踐，最主要是在效率投資、系統(tǒng)運(yùn)行等方面核心指標(biāo)的優(yōu)化。在效率指標(biāo)方面，我們對(duì)損耗進(jìn)行模型構(gòu)建之后，經(jīng)測(cè)算，系統(tǒng)綜合效率大概在77%-82%。
在規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化上，包括落差、重物輸送、重物運(yùn)行及能量管控，以及電站集成方案等等。
對(duì)于下一個(gè)階段的研究計(jì)劃，我們希望單機(jī)容量能實(shí)現(xiàn)20兆瓦級(jí)，系統(tǒng)效率能大于80%，單位造價(jià)低于1500每千瓦時(shí)。同時(shí)在響應(yīng)電力系統(tǒng)需求的這種構(gòu)網(wǎng)特性上面能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的優(yōu)化。
綜上所述，我們認(rèn)為，在當(dāng)前新型電力系統(tǒng)建設(shè)的背景下，重力儲(chǔ)能作為一種長(zhǎng)時(shí)、大容量、安全性高、具有構(gòu)網(wǎng)特性的儲(chǔ)能形式，因地制宜建設(shè)，可為新型儲(chǔ)能發(fā)展開辟新的方向，尤其適合為“沙戈荒”大基地可再生能源的大規(guī)模消納提供支撐。華北院通過前期的一些技術(shù)研究、系統(tǒng)優(yōu)化和工程化應(yīng)用，也形成了一些重力儲(chǔ)能解決方案，我們希望與各位同行共同促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和行業(yè)的進(jìn)步。
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