中國儲能網(wǎng)訊：1月6日，國家能源局發(fā)布了《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書（征求意見稿）》，這是我國官方發(fā)布的首部關(guān)于新型電力系統(tǒng)建設(shè)文件，清晰擘畫了2023-2060年新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)圖，為我國新型電力系統(tǒng)建設(shè)指明了發(fā)展道路。
藍(lán)皮書重點從源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)挖掘核心技術(shù)與重大裝備的發(fā)展?jié)摿?，其中也明確了新型儲能在技術(shù)裝備領(lǐng)域的發(fā)展路線。
《藍(lán)皮書》在規(guī)模化、高安全性新型儲能技術(shù)裝備領(lǐng)域方面提出：
重點開展長壽命、低成本及高安全的電化學(xué)儲能關(guān)鍵核心技術(shù)、裝備集成優(yōu)化研究，提升鋰電池安全性、降低成本，發(fā)展鈉離子電池、液流電池等多元化技術(shù)路線。大力推動壓縮空氣儲能、飛輪儲能、重力儲能等技術(shù)向大規(guī)模、高效率、靈活運行方向發(fā)展。
國內(nèi)新型儲能將以多技術(shù)路線并存的方式發(fā)展，各儲能技術(shù)路線將圍繞高安全性、低成本、高性能以及高環(huán)保性四個方向發(fā)展?！端{(lán)皮書》提出了新型儲能六大技術(shù)路線，都有哪些特點、具備怎樣的發(fā)展?jié)摿δ兀?
圖片鋰電池儲能
據(jù)CNESA數(shù)據(jù)，截至2022年9月底，中國已投運新型儲能項目累計裝機(jī)規(guī)模6663.4MW，其中鋰離子電池儲能累計裝機(jī)規(guī)模5950.42MW，占比89.30%。鋰離子電池是目前技術(shù)比較成熟，發(fā)展勢頭最為迅猛的電化學(xué)儲能。鋰離子電池?zé)o疑是未來新型儲能發(fā)展的C位技術(shù)路線。
鋰離子電池由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成，目前主流產(chǎn)品正極常用鎳錳鈷三元材料或磷酸鐵鋰，負(fù)極多為石墨等碳素材料。鋰離子電池具有能量密度大、沒有記憶效應(yīng)、充放電快速、響應(yīng)速度快、配置靈活、建設(shè)周期短等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于風(fēng)電光伏等新能源發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)儲能項目。
2.產(chǎn)業(yè)鏈
鋰離子儲能產(chǎn)業(yè)鏈，由上游設(shè)備商，中游集成商和下游應(yīng)用端組成。其中設(shè)備包括電池、EMS、BMS、PCS、熱管理等；集成商包括儲能系統(tǒng)集成和EPC；應(yīng)用端主要由電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)組成。
鋰電池儲能產(chǎn)業(yè)鏈全景圖
3.發(fā)展方向
鋰離子電池，尤其是磷酸鋰鐵電池，從安全性、能量密度、成本、發(fā)展路徑等方面性價比最高的技術(shù)方向。鋰離子儲能電池材料體系以磷酸鐵鋰為主，鋰電池正在向大容量方向持續(xù)演進(jìn)。
根據(jù)工信部要求，儲能型電池能量密度≥145Wh/kg，電池組能量密度≥110Wh/kg。循環(huán)壽命≥5000次且容量保持率≥80%。當(dāng)前的電化學(xué)儲能尤其是鋰電儲能技術(shù)進(jìn)入了一個新變革周期，大電芯、高電壓、水冷/液冷等新產(chǎn)品新技術(shù)逐漸登上舞臺，儲能系統(tǒng)向大容量方向在持續(xù)演進(jìn)，同時鈉離子電池在未來憑借成本優(yōu)勢可能占據(jù)一席之位。
儲能電池技術(shù)趨勢
鈉電池儲能
1.工作原理
鈉離子電池是一種依靠鈉離子在正負(fù)極間移動來完成充放電工作的二次電池。鈉離子電池工作原理與鋰離子電池“搖椅式”原理相似，充電時，鈉離子從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極；放電時則相反，與鋰離子電池的工作原理相似。
近年來由于鋰離子電池的核心原材料碳酸鋰價格飛漲，就原材料方面而言，鈉資源儲量大且分布廣泛，原材料價格較為低廉，鈉離子電池性能較為優(yōu)良，在交通領(lǐng)域和大規(guī)模儲能領(lǐng)域表現(xiàn)出了一定的潛力。
2.性能分析
鈉離子電池與磷酸鐵鋰電池定位較為相近。
磷酸鐵鋰電池的能量密度主要在150-210Wh/kg，三元鋰電池的能量密度則更高，超過200Wh/kg，而目前主流鈉離子電池的能量密度普遍在100-200Wh/kg，整體不及鋰電池，但與磷酸鐵鋰電池的能量密度區(qū)間存在部分重疊，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出鉛酸電池。鈉離子較大的體積還會造成循環(huán)性能的不穩(wěn)定，現(xiàn)階段鈉電池的循環(huán)壽命普遍在2000-3000次，遠(yuǎn)高于鉛酸，但較磷酸鐵鋰電池3000-6000 次的循環(huán)壽命仍存在差距。綜合來看，鈉離子電池與磷酸鐵鋰電池的性能指標(biāo)最接近，定位較為相似。
3.產(chǎn)業(yè)鏈
鈉離子電池主要由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成，和鋰離子電池的生產(chǎn)設(shè)備基本可實現(xiàn)兼容，降低了產(chǎn)業(yè)化難度。
我國鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈還處于初級階段，產(chǎn)業(yè)布局尚不成熟。鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)與鋰電類似，包括上游資源企業(yè)、中游電池材料及電芯企業(yè)。
圖源：國泰君安
液流電池儲能
1.工作原理
液流電池目前有：全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池、鋅鐵液流電池、全鐵液流電池、多硫化鈉溴液流電池、鋰離子液流電池、鋅鎳液流電池等多種技術(shù)。
全釩液流電池，是其中最為成熟、最可能實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的技術(shù)路線。
全釩液流電池，是一種以金屬釩離子為活性物質(zhì)的液態(tài)氧化還原可再生電池。全釩液流電池正、負(fù)極活性物質(zhì)，分別儲存在獨立的電解液儲罐中。在對電池進(jìn)行充、放電時，正負(fù)極電解液在離子交換膜兩側(cè)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。同時，通過電堆外泵的作用，儲液罐中的電解液不斷送入正極室和負(fù)極室內(nèi)，以維持離子的濃度，實現(xiàn)對電池的充放電。
釩液流電池具有有著系統(tǒng)安全性高、壽命長、易擴(kuò)容、項目建設(shè)周期短、選址靈活等優(yōu)點，是大規(guī)模長時儲能頗具發(fā)展前景技術(shù)路線之一。
2.成本分析
全釩液流電池儲能系統(tǒng)的初次投資成本，隨儲能時長的增加而不斷降低。
據(jù)張華民在《全釩液流電池的技術(shù)進(jìn)展、不同儲能時長系統(tǒng)的價格分析及展望》一文的分析：當(dāng)儲能時長為1小時的情況下，液流電池儲能系統(tǒng)的初次投資成本為7500元/kWh，但當(dāng)儲能時長延長到4小時后全釩液流電池儲能系統(tǒng)的總價格為3000元/kWh?？梢?，全釩液流電池儲能系統(tǒng)工作時間越長，單位kWh價格越低。
全釩液流電池的電解液可再生循環(huán)使用，其殘值較高。從全生命周期成本來看，以儲能時長為4小時的釩液流電池儲能系統(tǒng)為例，實際成本為1875元/kWh；當(dāng)儲能時長為10小時，實際成本僅為1020元/kWh。
3.產(chǎn)業(yè)鏈
全釩液流電池產(chǎn)業(yè)鏈初步形成，包括上游原材料供應(yīng)商、中游釩電池集成商、下游EPC及用戶等。上游涉及電堆及電解液制備原材料，包含V?O?、離子交換膜、電極、雙極板等；中游涉及電解液、電堆的制備與電池的制造，其中電解液價值量占比40%~80%、離子交換膜占電堆成本的30%-40%。電池制造與儲能系統(tǒng)集成已有大連融科、國潤儲能、北京普能、上海電氣、偉力得等多家全釩液流電池產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)。
圖源：中信證券
4.發(fā)展?jié)摿?
目前國內(nèi)已有百兆瓦級全釩液流儲能電站投運。
能源電力說統(tǒng)計了2019年至今20個全釩液流儲能項目，其中百兆瓦時級以上項目10個。
2022年9月20日，國內(nèi)首個開工的GWh級全釩液流儲能電站開工——察布查爾縣25萬千瓦/100萬千瓦時全釩液流電池儲能項目。2022年5月，總建設(shè)規(guī)模200MW/800MWh的大連液流電池儲能調(diào)峰電站國家示范項目一期并網(wǎng)投運，項目位于遼寧大連市沙河口區(qū)，一期建設(shè)規(guī)模100MW/400MWh。
壓縮空氣儲能
1.工作原理
壓縮空氣儲能是一種以空氣為儲能介質(zhì)的物理儲能方式。
工作原理是：當(dāng)電力過剩時，將空氣壓縮儲存到地下儲氣洞穴里（洞穴可以是鹽穴、報廢礦井、儲氣罐、山洞、過期油氣井、新建儲氣井等），將電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣勢能。當(dāng)需要用電時，高壓空氣經(jīng)過加熱，進(jìn)入膨脹機(jī)，變成常壓的空氣，在此過程中帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，空氣壓縮勢能轉(zhuǎn)化成電能輸出。
壓縮空氣儲能，具有規(guī)模大、壽命長、建設(shè)周期短、站址布局相對靈活等優(yōu)點，有望成為抽水蓄能在大規(guī)模儲能電站領(lǐng)域的重要補(bǔ)充。
2.成本分析
從目前已建成和在建的項目來看，10兆瓦的系統(tǒng)效率可達(dá)60%以上，百兆瓦級別以上的系統(tǒng)設(shè)計效率可以達(dá)到70%，先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)效率能夠逼近75%。造價成本上，根據(jù)中國科學(xué)院熱物理研究所公開數(shù)據(jù)，100MW的壓縮空氣儲能，初建成本在4000-5000元/kW，1000元/kWh，度電成本在0.15-0.25元之間。
3.產(chǎn)業(yè)鏈
壓縮空氣儲能的產(chǎn)業(yè)鏈，上游為設(shè)備、資源供應(yīng)，核心核心設(shè)備包括空氣壓縮機(jī)、透平膨脹機(jī)、蓄熱換熱系統(tǒng)等，此外還需要儲氣鹽穴資源等；中游為技術(shù)提供與項目建設(shè)；下游為電網(wǎng)系統(tǒng)，壓縮空氣儲能電站接入電網(wǎng)系統(tǒng)，服務(wù)于工業(yè)用電、商業(yè)用電、居民用電等部門，起到調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、儲能、事故備用等關(guān)鍵作用。
4.發(fā)展?jié)摿?
據(jù)CNESA數(shù)據(jù)，截至2022年9月底，中國已投運壓縮空氣儲能在新型儲能中的占比是2.9%，裝機(jī)規(guī)模約193.24MW。
效率的提升以及成本的下降，是壓縮空氣儲能商業(yè)化發(fā)展的基礎(chǔ)。
能源電力說根據(jù)公開數(shù)據(jù)，不完全統(tǒng)計了山東、河南、河北、江蘇、浙江、廣東等12省備案、簽約、在建、投運壓縮空氣儲能項目合計35個，多為推進(jìn)中項目；其中25個有公開規(guī)模數(shù)據(jù)，這25個項目合計規(guī)模已超8.2GW；壓縮空氣儲能頗有蓄勢待發(fā)的發(fā)展勢頭，相信2023將是大功率壓縮空氣儲能項目快速上馬的一年。
飛輪儲能
1.工作原理
飛輪儲能，一種通過旋轉(zhuǎn)“陀螺”來儲能的物理儲能技術(shù)。
工作原理是：利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪所擁有的慣性來儲存能量。充電時，飛輪電動機(jī)加速旋轉(zhuǎn)，把電能轉(zhuǎn)換為飛輪的機(jī)械動能并儲存起來；放電時，由高速旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動發(fā)電機(jī)，將機(jī)械動能轉(zhuǎn)換為電能。
飛輪儲能系統(tǒng)具有響應(yīng)快、壽命長、溫度適應(yīng)性好、效率高、容量大、對環(huán)境友好等優(yōu)點。
2.發(fā)展?jié)摿?
據(jù)CNESA數(shù)據(jù)，截至2022年9月底，中國已投運飛輪儲能項目累計裝機(jī)量僅6.66MW。
相比于其他儲能技術(shù)，目前飛輪儲能成本仍較高，裝機(jī)規(guī)模在儲能市場中的占比還是很小。但材料主要是鋼材和電子元器件原材料成本較低，大規(guī)模制造后成本下降；此外，設(shè)備可精確測量和控制機(jī)械損耗很小，維護(hù)成較低。
飛輪儲能目前主要應(yīng)用在：電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、軌道交通、航空航天、軍工、UPS電源、儲能式電動汽車充電樁等領(lǐng)域。
2023年，值得關(guān)注的是飛輪儲能在電網(wǎng)調(diào)頻中的應(yīng)用。
在電網(wǎng)調(diào)頻過程中，飛輪系統(tǒng)可隨著電網(wǎng)的變化快速、有效地進(jìn)行有功/無功補(bǔ)償，平抑波動負(fù)荷，緩沖發(fā)電輸出瞬變，為電網(wǎng)穩(wěn)定性保駕護(hù)航。飛輪儲能對電網(wǎng)調(diào)頻的價值更多的是陪伴作用，目前比較常見的應(yīng)用是與火電及其他機(jī)組配合進(jìn)行調(diào)峰調(diào)頻，作為陪伴式的輔助調(diào)節(jié)手段。
2021年11月寧夏靈武電力光火儲耦合22MW/4.5MWh飛輪儲能工程開工，在600MW火電機(jī)組配置22MW/4.5MWh飛輪儲能進(jìn)行調(diào)頻，提高火電機(jī)組精準(zhǔn)靈活性。
△靈武項目飛輪儲能平面效果圖
在部分省份發(fā)布的新型儲能示范項目中，也出現(xiàn)了百兆瓦級的飛輪儲能示范項目，如河北省的河北建投新能源圍場飛輪儲能示范項目、國合節(jié)能設(shè)備有限公司貝肯（石家莊）井陘飛輪儲能示范項目容量規(guī)模均達(dá)100MW；此外也有飛輪儲能與磷酸鐵鋰、鈉離子等的混合儲能示范項目。
重力儲能
1.工作原理
重力儲能，是利用建筑物、山體、地形等高度差，通過將“重物”運上運下，實現(xiàn)電能和重力勢能之間的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而儲電與發(fā)電。目前重力儲能形式有：“搬磚儲能”、礦井儲能、活塞式儲能、軌道機(jī)車儲能、纜車儲能等。
2022年，國內(nèi)首個采用重力儲能技術(shù)開發(fā)商Energy Vault公司解決方案的重力儲能示范項目在江蘇如東開工，項目規(guī)模25MW/100MWh，預(yù)計將于2023年初投入商業(yè)運營。
如東重力儲能示范項目效果圖
2022年1月30日，中國天楹旗下控股子公司AtlasRenewableLLC與重力儲能技術(shù)開發(fā)商Energy Vault公司簽署了《技能答應(yīng)運用協(xié)議》，EV公司授權(quán)Atlas在中國區(qū)(含香港和澳門)獨家運用答應(yīng)技能建造和運營重力儲能體系設(shè)備。
中國天楹引進(jìn)的EV公司重力儲能技術(shù)方案是“Energy Vault Resiliency Center”（EVRC）。EVRC原理是：采用建筑機(jī)械流程和能源管理系統(tǒng)來儲存和釋放電力。當(dāng)可再生能源發(fā)電高時，EVRC利用能量將30噸的磚塊“搬”到高處，將勢能存儲起來，當(dāng)需要電時，EVRC通過控制磚塊下降，將動能釋放回電網(wǎng)。EVx是EVRC系統(tǒng)的模塊化建筑磚，每個EVx建筑磚可以轉(zhuǎn)化電量10MWh，可通過磚塊的疊加，實現(xiàn)儲能的靈活配置。
2.發(fā)展?jié)摿?
“搬磚儲能”系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率為80%-90%，壽命達(dá)25-40年。據(jù)EV公司公開數(shù)據(jù)，重力儲能項目初始投入成本在3000元/kWh左右，度電成本在0.5元/kWh左右，具備一定成本優(yōu)勢。
除了江蘇如東項目，2022年以來，中國天楹與貴州畢節(jié)人民政府、內(nèi)蒙通遼市人民政府、湖北省宜昌市人民政府、中國投資協(xié)會、三峽建工、中建七局、國家電投、中電建、國網(wǎng)綜能等單位達(dá)成戰(zhàn)略合作，合作內(nèi)容均有涉及重力儲能。
畢節(jié)市“風(fēng)光水儲”一體化能源基地，將建設(shè)不低于40萬千瓦時的重力儲能項目；通遼千萬千瓦級風(fēng)光儲氫氨一體化零碳產(chǎn)業(yè)園，重力儲能規(guī)模2GWh；與國家電投浙江公司協(xié)議中，在長三角地區(qū)獲取不低于1GWh重力儲能項目；與中電建水電公司協(xié)議中，力爭在“十四五”期間在全國共同開發(fā)投資不少于2GW的重力儲能電站。
作為較為“冷門”的新型儲能技術(shù)路線，重力儲能具有建設(shè)周期短、轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、度電成本較低等優(yōu)勢。隨著百兆瓦級項目的落地，重力儲能也將逐漸走上商業(yè)化道路。
2023年，你更看好新型儲能哪一條技術(shù)路線呢？
