中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：儲(chǔ)能電池復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，決定了儲(chǔ)能電池技術(shù)多元化的發(fā)展方向。
文／陳永翀 馮彩梅
根據(jù)國際可再生能源署預(yù)測(cè)，到2050年，全球光伏發(fā)電的裝機(jī)容量將達(dá)到8519吉瓦，風(fēng)電的裝機(jī)容量為6014吉瓦，二者合計(jì)占全球電力裝機(jī)容量的72.5%。但風(fēng)電和光伏發(fā)電存在間歇性和波動(dòng)性，新能源發(fā)電輸出的安全和穩(wěn)定是亟待解決的問題。儲(chǔ)能可用于解決因風(fēng)光發(fā)電不穩(wěn)定導(dǎo)致的并網(wǎng)安全及棄風(fēng)棄光問題，在能源轉(zhuǎn)型背景下具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展空間。
與世界其他國家和地區(qū)相比，我國儲(chǔ)能與新能源裝機(jī)容量的比例（以下簡稱“儲(chǔ)新比”）明顯偏低：2020年中國的儲(chǔ)新比約為6.7%，而中國以外其他國家和地區(qū)的儲(chǔ)新比為15.8%，這個(gè)顯著差異某種程度上反映了能源電力結(jié)構(gòu)的差異。由于中國具有“堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)”架構(gòu)和高比例的調(diào)峰火電，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。在“雙碳”目標(biāo)下，火電行業(yè)面臨轉(zhuǎn)型，儲(chǔ)能作為靈活性調(diào)節(jié)資源，將逐步部分替代火電，承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻職能，在高比例新能源的電力結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要作用，儲(chǔ)新比也將逐步增至國際平均水平。
技術(shù)類型：場(chǎng)景匹配
根據(jù)儲(chǔ)能原理，可將儲(chǔ)能技術(shù)分為四大類：物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱蓄冷。電化學(xué)儲(chǔ)能和狹義的化學(xué)儲(chǔ)能是不同的，雖然化學(xué)反應(yīng)都涉及電荷的轉(zhuǎn)移：如果電荷對(duì)外做功，可以稱為電化學(xué)儲(chǔ)能，例如電池和超級(jí)電容器；如果電荷僅僅是內(nèi)部轉(zhuǎn)移、不對(duì)外做功，則可以稱之為化學(xué)儲(chǔ)能，例如儲(chǔ)氫和儲(chǔ)碳。
不同儲(chǔ)能技術(shù)有其不同的優(yōu)劣勢(shì)和技術(shù)特性，在儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，也在不斷涌現(xiàn)出新的技術(shù)。目前，抽水蓄能成本低、壽命長、技術(shù)成熟、裝機(jī)比例最高，但其發(fā)展受到地理環(huán)境、投資成本、建設(shè)周期等因素的制約。電化學(xué)儲(chǔ)能不受自然環(huán)境影響，裝機(jī)便捷，使用靈活，已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化階段，隨著成本的降低，電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展將步入快車道。根據(jù)中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)的不完全統(tǒng)計(jì)，截至2020年年底，全球已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目中，抽水蓄能占比達(dá)89.6%；電化學(xué)儲(chǔ)能的累計(jì)裝機(jī)容量排在其后，占比7.1%；其他儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模較小。
廣義來說，儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的功率至少要大于1千瓦，而狹義的電力儲(chǔ)能電池系統(tǒng)，1兆瓦才是基本單位。從儲(chǔ)能時(shí)長要求的角度來看，儲(chǔ)能電池大致可以分為四大類：容量型電池、功率型電池、能量型電池和備用型電池。容量型電池的工作倍率一般小于0.25C（例如,額定容量為100安時(shí)的電池用25安放電4小時(shí)放電倍率為0.25C），主要應(yīng)用于容量型儲(chǔ)能，例如調(diào)峰和削峰填谷場(chǎng)景；功率型電池的使用倍率一般大于2C，主要應(yīng)用于功率型儲(chǔ)能，例如輔助調(diào)頻和平滑功率波動(dòng)；能量型電池倍率則介于容量型與功率型，通常為1C左右，應(yīng)用于復(fù)合儲(chǔ)能場(chǎng)景；備用型電池在電網(wǎng)突然斷電或電壓跌落時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為不間斷電源立即提供緊急電力，持續(xù)時(shí)間不少于15分鐘。
儲(chǔ)能電池的應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜，決定了儲(chǔ)能電池技術(shù)的多元化發(fā)展方向。沒有任何一種電池路線適用于所有的場(chǎng)合，有時(shí)候需要功率型，有時(shí)候需要容量型，有時(shí)候需要混合搭配。對(duì)于電力調(diào)峰、離網(wǎng)型光伏儲(chǔ)能或用戶側(cè)的峰谷價(jià)差儲(chǔ)能場(chǎng)景，一般需要儲(chǔ)能電池連續(xù)充電或連續(xù)放電4小時(shí)以上，因此適合采用充放電倍率≤0.25C的容量型電池；對(duì)于電力調(diào)頻或平滑新能源波動(dòng)的儲(chǔ)能場(chǎng)景，需要儲(chǔ)能電池在分鐘級(jí)至半小時(shí)級(jí)的時(shí)間段快速充放電，所以適合≥2C功率型電池的應(yīng)用；而在一些同時(shí)需要承擔(dān)調(diào)頻和調(diào)峰的應(yīng)用場(chǎng)景，能量型電池更適合，當(dāng)然，這種場(chǎng)景下也可以將功率型與容量型電池配合在一起使用。
發(fā)展方向：需求牽引
提及電化學(xué)儲(chǔ)能，很多人第一反應(yīng)都是應(yīng)用于新能源汽車的動(dòng)力電池，但是儲(chǔ)能電池與動(dòng)力電池有很大的差別，主要集中在以下四個(gè)方面。第一是能量密度，儲(chǔ)能電池對(duì)于能量密度沒有直接的要求，而動(dòng)力電池要求在保證安全性的前提下，盡量具有高的能量密度。第二是使用壽命，儲(chǔ)能電池的壽命要求比動(dòng)力電池更長，一般要求具有十年以上的日歷使用壽命。第三是成本，儲(chǔ)能電池需要比動(dòng)力電池低得多的成本，尤其是全生命周期的度電成本。第四是安全要求，動(dòng)力電池應(yīng)用涉及乘客人身安全，因此要求當(dāng)安全事故發(fā)生后能夠給予乘客充分的逃離時(shí)間。儲(chǔ)能電站體量巨大，為確保電力系統(tǒng)的安全性，不允許發(fā)生燃燒和爆炸。
儲(chǔ)能的發(fā)展，核心是促進(jìn)新能源的消納。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。可以說，當(dāng)前功率型及能量型電池儲(chǔ)能的應(yīng)用只是“開胃菜”，未來大規(guī)模容量型電池儲(chǔ)能的應(yīng)用才是“正餐”。預(yù)計(jì)2050年全球容量型電池儲(chǔ)能的規(guī)模將達(dá)5000吉瓦時(shí)。
儲(chǔ)能需要大容量或大功率工作的電池，應(yīng)脫離小型電池的設(shè)計(jì)思路，這需要根本性的、顛覆性的創(chuàng)新突破，用以適應(yīng)不同儲(chǔ)能場(chǎng)景的應(yīng)用需求。針對(duì)特定場(chǎng)景選擇合適的儲(chǔ)能電池技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用將是未來很長時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)能市場(chǎng)的主旋律。未來新型儲(chǔ)能電池技術(shù)的研發(fā)方向也應(yīng)遵循這一規(guī)律，針對(duì)特定場(chǎng)景放大其優(yōu)點(diǎn)，以獲得未來商業(yè)化應(yīng)用的可能。
大型儲(chǔ)能電池未來的發(fā)展，材料技術(shù)只是其中一個(gè)重要方面，還需要綜合考慮結(jié)構(gòu)技術(shù)、制造技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)、運(yùn)維技術(shù)和回收技術(shù)等多個(gè)方面的內(nèi)容，遵循“長效設(shè)計(jì)、低碳制造、安全運(yùn)維、綠色回收”的發(fā)展原則。
產(chǎn)業(yè)前景：成本驅(qū)動(dòng)
在風(fēng)力、光伏等新能源快速發(fā)展的當(dāng)下，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展前景廣闊。目前主流應(yīng)用的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的度電成本普遍高于0.5元/千瓦時(shí)，加之國內(nèi)市場(chǎng)機(jī)制建設(shè)滯后，絕大部分缺少盈利模式，業(yè)主投資儲(chǔ)能的收益無法保障，企業(yè)缺乏自愿安裝儲(chǔ)能的積極性，因此影響了儲(chǔ)能的規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用。未來儲(chǔ)能度電成本還有較大下降空間，在電力市場(chǎng)改革和建設(shè)過程中，“新能源+儲(chǔ)能”的模式也可以通過多種手段參與電力市場(chǎng)獲益。
結(jié)合新能源發(fā)展及技術(shù)進(jìn)步、成本下降的趨勢(shì)分析，未來電化學(xué)儲(chǔ)能的產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程大致可分為四個(gè)階段。第一階段，重點(diǎn)在開發(fā)非調(diào)峰功能的儲(chǔ)能電池技術(shù)和市場(chǎng)，包括移動(dòng)儲(chǔ)能、調(diào)頻儲(chǔ)能等。第二階段， 在2025年之前，儲(chǔ)能成本下降到低于峰谷電價(jià)差的度電成本，利用峰谷電價(jià)可以套利，能夠吸引更多的資金，促使行業(yè)進(jìn)入良性循環(huán)。第三階段，2030年之前，儲(chǔ)能成本有望降至0.2~0.3元/千瓦時(shí)的水平，低于火電調(diào)峰和調(diào)度的成本，逐步規(guī)模應(yīng)用于電網(wǎng)。第四階段，2050年前，產(chǎn)業(yè)發(fā)展到較完善的階段，儲(chǔ)能成本低于同時(shí)期風(fēng)光發(fā)電的成本。相對(duì)于光伏配儲(chǔ)而言，理想的風(fēng)電配儲(chǔ)調(diào)峰對(duì)于儲(chǔ)能時(shí)長的要求更高，連續(xù)儲(chǔ)能時(shí)長或需達(dá)到10小時(shí)，這對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的度電成本要求也將更為苛刻。
“新能源+儲(chǔ)能”方面，盡可能遵循集中共享原則，提升公共資源利用效率，降低設(shè)備應(yīng)用成本。相關(guān)部門應(yīng)對(duì)新能源的并網(wǎng)質(zhì)量提出要求，由新能源業(yè)主根據(jù)質(zhì)量要求，結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，自行決定是否配置儲(chǔ)能或配置多大規(guī)模的儲(chǔ)能。中短期內(nèi)，業(yè)主可根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)揮的不同功能價(jià)值以及新能源電力系統(tǒng)可接受的成本約束，按照備用型（離網(wǎng)黑啟動(dòng)）、功率型（平滑功率波動(dòng)或調(diào)頻）、能量型（平滑波動(dòng)及不超過1小時(shí)的臨時(shí)頂峰輸出）、容量型（4小時(shí)以上的削峰填谷）的循序遞進(jìn)方式，逐步實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用目標(biāo)。
“高安全、低成本和可持續(xù)發(fā)展”是儲(chǔ)能電池的綜合發(fā)展目標(biāo)。未來，儲(chǔ)能系統(tǒng)的能耗計(jì)算方式也需要細(xì)化和規(guī)范化，把裝備、生產(chǎn)環(huán)境的能耗一并計(jì)入。換言之，生產(chǎn)、裝配風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)及與之配套的儲(chǔ)能設(shè)施的成本都納入考慮，才能體現(xiàn)真正的能耗水平，用以評(píng)價(jià)其是否滿足可持續(xù)發(fā)展要求。（作者均供職于中國科學(xué)院電工研究所）
