中國儲能網(wǎng)訊：8月24日，由深圳市發(fā)展和改革委員會指導，中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會與南方科技大學碳中和能源研究院聯(lián)合主辦，100余家機構共同支持的碳中和能源高峰論壇暨第四屆中國國際新型儲能技術及工程應用大會與新型儲能技術青年科學家論壇在深圳召開。此次大會主題是“開拓新質生產(chǎn)力，推動儲能產(chǎn)業(yè)高質量發(fā)展”。
在下午的長時儲能技術與應用專場論壇上，中國電力顧問工程集團華北電力設計院重力儲能公司副總工程師史沁鵬以《重力儲能技術發(fā)展與工程應用》為題進行了演講。
中國電力顧問工程集團華北電力設計院重力儲能公司副總工程師史沁鵬
以下內(nèi)容根據(jù)大會發(fā)言整理，僅供參考。
重力儲能技術作為一個新型技術，現(xiàn)在已經(jīng)不僅停留在理論或者技術研究層面上，它其實已經(jīng)在工程實踐方面擁有落地的可能性，主要包括背景、概述、工程實踐和總結。
背景方面，儲能的整個背景是在“3060”雙碳戰(zhàn)略目標要求下的以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設，要完成雙碳戰(zhàn)略目標，以風光為代表的新能源的重要性很強。但是由于風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，本身不能獨立成為能源，必須和具有時間和空間轉移特性實現(xiàn)電量轉移和功率支撐功能的儲能來組合。
這里重申這一點，主要是強調(diào)儲能在新型電力系統(tǒng)中的作用不只是平滑波動這種容量的平衡，在電量平衡方面也要發(fā)揮作用，這也是長時儲能的價值。所以去年院士的科協(xié)大會上把尋找“適用于新型電力系統(tǒng)的長周期儲能”作為9個重大工程技術難題之一。
市場規(guī)模方面，我們分析新能源電量占比超過20%以后，儲能將會成為一種剛需。所謂的電量占比超20%，實際上是總電量占比超20%。這種情況下也就意味著，在某個月、日或者小時的新能源的滲透率要達到60%以上。我在后面有一個分析能看到，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，新能源的裝機已經(jīng)達10億kW。據(jù)今年7月剛剛發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，新能源的裝機已經(jīng)達12億kW。按照這個規(guī)模去預測，到2030年底，裝機規(guī)模保守估計應該在16億-18億kW，整個電量占比就會超過20%。所以到2030年，儲能就已經(jīng)不只是一種可能性，而成為一種必然的剛需。
從不同儲能形式的定位和發(fā)展趨勢來看，2030年，3-4億千瓦的新能源裝機中，除了2035年中長期規(guī)劃的1.2億千瓦的抽蓄儲能之外，新型儲能至少要占到1-2億千瓦。按照這個比例，其實包括抽蓄在內(nèi)的長時儲能最起碼要占到一半以上的規(guī)模。而從電量和整個投資的角度來看，應該占比更大。而且更關鍵的是，到2035年，比較好的抽蓄選址，也就是比較具有經(jīng)濟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時儲存形式。因為大家都知道，抽蓄還是目前最主要的儲能形式。
長時儲能，現(xiàn)在沒有明確的定義。從供給角度來說，一般認為超過4小時就是長時儲能。但是從需求的角度來講，我認為長時儲能最起碼要能跟光伏一起，實現(xiàn)日內(nèi)的平衡。按照這個要求，應該至少要達到8-10個小時的規(guī)模。再有，它還要實現(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)支撐的長時儲能最好具有構網(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，首先我們認為，“長時儲能+大型風光項目”將替代化石能源成為基本負荷發(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荷和調(diào)節(jié)電源的局面將不可持續(xù)。去年出臺的煤電容量電價，大家對這個結論有點懷疑。我個人認為容量電價政策是對現(xiàn)有的電力系統(tǒng)結構和儲能技術發(fā)展現(xiàn)狀的認可。也就是說整體上這個政策對儲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，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+儲能兩者相比的話，新能源+儲能的整體綜合造價已經(jīng)具有可比性了。另外，從調(diào)節(jié)電源來看，新能源+儲能比火電的調(diào)節(jié)性能會更好。
雖然隨著國際形勢可能發(fā)生的變化，比如特朗普如果上臺后，雙碳是不是還能如此堅決的推進，這一點其實有點存疑。但是整體來看，在雙碳的約束條件下，我們認為隨著波動性電源比例的逐步擴大，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，必須要實現(xiàn)調(diào)節(jié)時長，從日內(nèi)變?yōu)槿臻g周月的調(diào)節(jié)。所以通過提供相關的支撐，儲能就從目前調(diào)節(jié)的角色轉變?yōu)楹惋L光共同作用來承擔基本負荷，長時儲能就成為新型電力系統(tǒng)的一個基本的組成，這是一個基本的判斷。
第二，日以上天氣異常處理波動對長時儲能提出需求。在連續(xù)長時間低出力和極端天氣的條件下，需要儲能來實現(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時儲能。在目前新能源大基地+外送電力通道結構中，長時儲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。
內(nèi)蒙最新的細則確定的獨立儲能時長要求超過4個小時也與說明了此趨勢。
長期儲能的技術包括了機械儲能、電化學儲能。機械儲能包括壓縮空氣、抽水蓄能、重力儲能，電化學儲能包括鋰、鈉、碳、液流以及氫電耦合。整體來說各種儲能技術都有自己的優(yōu)勢，也都有自己的一些局限。比如抽蓄的劣勢就是在選址以及建設周期上。壓縮空氣的劣勢一方面是效率目前只能實現(xiàn)70%；另一方面其造價較高，選址不靈活。
以鋰電為代表的電化學電池，最主要的問題規(guī)模化時的安全性以及長時經(jīng)濟性會差一些。所以我們整體上認為，在安全性、經(jīng)濟性和建設條件等方面，目前還沒有能滿足所有場景需要的儲能技術。
以后儲能技術的發(fā)展方向，一方面是現(xiàn)有儲能技術的技術進步，另一方面就是還需要其他的儲能形式。
2022年的重力儲能研討會上，包括兩院院士在內(nèi)的專家，對重力儲能進行了探討，并認為重力儲能是一個值得研究的方向。
從國家政策角度來看，在2023年出臺的《新型電力系統(tǒng)藍皮書》和《產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整指導目錄（2024）》中，都已經(jīng)把重力儲能納入其中。另外在一些地方政策上，也已經(jīng)計入了重力儲能。
重力儲能技術本身比較簡單，它實際上就是牛頓運動學定律。因為抽水蓄能本身也是一種重力儲能，所以我今天談的重力儲能和抽蓄，它的能量轉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，包括摩擦電機損耗、動能損耗、庫輪損耗、電流損耗等都考慮在內(nèi)就會發(fā)現(xiàn)，重力儲能比抽水蓄能很明顯的一個優(yōu)勢，就在于是它能很明確地控制運行的重物速度。抽搐在水流過水泵水輪機之后，速度無辦法控制，所以必然會損失一部分水流的動能。但重力儲能對這方面的損失控制得比較好。所以從基本原理上看，重力儲能比抽水蓄能效率有較好提升。
就整個儲能行業(yè)的發(fā)展而言，目前各種技術路線都進行了一定的驗證。但我們研究發(fā)現(xiàn)，千瓦級和兆瓦級的項目是完全不一樣的，甚至可以說完全是兩個行業(yè)。所以我們整體判斷，目前全球范圍內(nèi)應該沒有能完全達到示范效果的工程項目。目前，江蘇如東100兆瓦時重力儲能示范項目和張家口300兆瓦時重力儲能國家級示范項目的建設，在全球范圍內(nèi)對重力儲能行業(yè)是比較大的促進。
分類上，按照落差實現(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，從儲能介質方面，除了固體，還有重力壓縮空氣和火災水泵這種利用液體的重力儲能。
不同技術路線對比。基于山體的重力儲能，它的優(yōu)勢在于投資比較低，結構比較穩(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)我們測算大概只有70%，另外選址也受到一定限制。
基于構筑物的重力儲能，選址非常靈活，而且因為高度有限，所以預期效率會高；但是也由于落差有限，導致重力儲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，在百米高空運行40年，如果發(fā)生安全事故，影響會非常大。
基于豎井，包括廢棄礦井和新建豎井，廢棄礦井的優(yōu)勢是成本比較低，可以對廢棄資源進行二次利用；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目的一個原因。而它的問題在于建設周期會比坡式的長，另外，技術和設備的難度會比較大。
我們認為，規(guī)?；亓δ茈娬咀畲蟮募夹g難點，就是重力儲能的低能量密度。因為它的能量密度大概一個千瓦時要到十噸、百噸級的能量密度，另外重力儲能是離散化的物理場景，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，機械系統(tǒng)運行本身是不確定性的，而且它是分鐘級的時間尺度，和電力系統(tǒng)要求的確定性以及毫秒級的時間尺度，這也是一個根本性的矛盾。
為了解決這些矛盾，要針對不同的應用場景，從0到1建立對應關系聚焦對象，搭建效率、投資水平等關鍵指標的模型，從而優(yōu)化系統(tǒng)結構、工藝程度和損耗等指標。另外，目前沒有相關的產(chǎn)業(yè)鏈，所以要落實和工程化落地的相關解決方案以及供應鏈。
最后，現(xiàn)在沒有成型的設備，也沒有成型的工程。所以為了降低這種研發(fā)的風險，所以要創(chuàng)新一些新的設計手段。在你沒有工程的時候，要進行仿真的分析，進行虛擬調(diào)試，從而優(yōu)化我們的技術方案，降低研發(fā)周期和研發(fā)成本。
對于未來的發(fā)展方向，我們認為首先是進行工程化商業(yè)化的運行示范。其次是要針對新型電力系統(tǒng)對長時儲能的高轉換效率，高經(jīng)濟性和構網(wǎng)要求，在大單機容量、大能量通道密度、超大落差構建路徑和超大型配套裝備，以及系統(tǒng)集成方面進行一些研究。
不同的儲存類型和技術路線、投資水平、壽命時長、效率等各方面差異都比較大。對于長時儲能來說，電量是它的價值所在，所以全生命周期度電成本是它的最關鍵指標。
從調(diào)節(jié)性能來講，重力儲能可以實現(xiàn)每分鐘級的調(diào)節(jié)速率和啟停時間的調(diào)節(jié)。另外和其他的儲能調(diào)節(jié)電源來做對比到，在這方面應該重力儲能只比電化學儲能要差，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)濟性、建設可行性，以及電網(wǎng)和環(huán)境友好性等方面來看，重力儲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，建設周期比較短。在沙戈荒大基地的場景下，和抽水蓄能的經(jīng)濟性方面的差異也會縮小。和其他新型儲能相比，運行壽命和轉化效率，都是比較優(yōu)勢的地方。
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的資質。在儲能領域，我們是種類最多、場景最齊全和工程技術最先進的企業(yè)。
重力儲能領域，我們組建了國內(nèi)首個重力儲能專職團隊，團隊將近20人，還有包括兩院院士、全國勘察設計大師等在內(nèi)的專家團隊。技術創(chuàng)新上，目前已經(jīng)形成了包括重力儲能工藝包和運行及能量管控系統(tǒng)在內(nèi)的創(chuàng)新工程方案，我們在新建豎井、廢棄礦井、山地、構筑物等技術路線方面，均實現(xiàn)了工程技術產(chǎn)業(yè)鏈構建和項目儲備方面的一些布局，可以支持相關的項目落地。
豎井式領域，我們在全球首次提出單機容量最大約為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，目前短期內(nèi)應該很難低于1萬元每千瓦，按照千瓦時算，大概在2000元左右。技術方案經(jīng)過專家評審，認為相關技術已經(jīng)達到國際的先進水平。依上述技術方案建設的張家口赤城項目，已入選2023年國家能源局新型儲能試點示范項目。
除此之外，我們與華北電力大學共建了一個物理場景的動模式仿真實驗平臺，實現(xiàn)了產(chǎn)學研一體化。
重力儲能工程實踐，最主要是在效率投資、系統(tǒng)運行等方面核心指標的優(yōu)化。在效率指標方面，我們對損耗進行模型構建之后，經(jīng)測算，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、重物運行及能量管控，以及電站集成方案等等。
對于下一個階段的研究計劃，我們希望單機容量能實現(xiàn)20兆瓦級，系統(tǒng)效率能大于80%，單位造價低于1500每千瓦時。同時在響應電力系統(tǒng)需求的這種構網(wǎng)特性上面能實現(xiàn)進一步的優(yōu)化。
綜上所述，我們認為，在當前新型電力系統(tǒng)建設的背景下，重力儲能作為一種長時、大容量、安全性高、具有構網(wǎng)特性的儲能形式，因地制宜建設，可為新型儲能發(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研究、系統(tǒng)優(yōu)化和工程化應用，也形成了一些重力儲能解決方案，我們希望與各位同行共同促進產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和行業(yè)的進步。
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