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新一代電網系統下的大規模儲能技術路線與實施路徑

摘要:儲能是實現可再生能源高效利用、多種能源開放互聯、協同發展的關鍵技術之一。本文基于儲能技術發展趨勢和需求分析,展望了2050年電網功能形態中,技術常規發展和關鍵技術獲得突破

  0、引言

  在能源革命的驅動下,可再生能源開發利用力度持續加大,接入電網的比例和在終端能源消費的占比將不斷提高。根據國際能源署的研究,為滿足新能源消納需求,預測美國、歐洲、中國和印度到2050年將需要增加310GW并網電力儲存能力,為此至少需投資3800億美元。麥肯錫的研究則將儲能列為到2025 年將產生顛覆性作用、對經濟發生顯著影響的技術,預測市場價值將達0.1萬億~ 0.6萬億美元。世界許多國際組織和國家把發展儲能作為緩解能源供應矛盾、應對氣候變化的重要措施,并制定了發展戰略,提出了2030年、2050年明確的發展目標和相應的激勵政策。

  此外,隨著交通的電動化,電動汽車也逐步進入規模化推廣階段;同時,我國的第二輪電力體制改革也在逐步深入推進,能源生產和消費方式逐步走向開放互聯,多種分布式能源綜合高效利用、用戶廣泛參與將成為電力生產和消費的一種新模式,電網的規劃運行和調度管理模式將面臨重大變革。儲能特有的功率控制和能量搬移功能不僅能改善可再生能源可調可控特性,參與電網調峰、調頻等輔助服務,同時也是分布式發電和微電網必不可少的調控手段,將成為實現可再生能源高效利用、多種能源開放互聯、協同發展的關鍵技術和重要途徑。

  1、儲能應用需求及技術現狀

  1.1 儲能應用需求

  從國內外儲能產業發展分析來看,儲能在電力供給側、用戶側及電網運行調度管理和微電網運行控制等方面的應用逐年快速增長。

  儲能在電網的應用,可靠安全性是必要前提。在用戶側應用中,免維護特性也是一個必要條件。對于以提高資源利用率和運行效益為目標的能量型應用,如提高可再生能源利用率、調峰、調頻、需求側響應等,應用儲能電池的經濟性是其可行性的決定因素。對于頻繁啟動和快速響應的功率型應用,如在可再生能源接入相關的爬坡控制、電壓支持及微網無縫切換控制等,儲能電池的快速響應能力和淺充淺放條件下的循環壽命是需要重點關注的技術特征。在分布式系統能量管理和微電網運行控制的應用中,儲能系統不僅參與電壓和頻率的調節,還參與系統穩定、供需平衡和協調優化,儲能選型需要在技術要求和經濟性之間進行權衡。必要時,為降低成本、便于控制,可選擇2種及以上的儲能分別滿足不同的應用需求。

  短期內儲能的選型更多的取決于當前儲能技術的成熟度,示范應用的具體要求和實際條件。長遠看來,市場化推廣應用取決于工程壽命周期內的整體綜合評估。

  1.2 儲能技術現狀

  目前大規模儲能技術中只有抽水蓄能技術相對成熟,但是由于地理資源限制,其廣泛應用受到制約,而其他儲能方式還處于實驗示范階段甚至初期研究階段,相關產業處于培育期。儲能裝置的可靠性、使用壽命、制造成本以及應用能力等方面有待突破。目前我國應用較多的幾種電化學儲能特性如圖1雷達圖所示。




  總體來看,我國儲能技術研究尚處于發展初步階段,還不適于在電網全面推廣應用,同時隨著研發深入和應用推進也暴露出一些問題。這些問題與不足都應在2050的技術攻關過程和頂層設計中加以重視。

  1)研發體系不健全。

  缺乏頂層設計,沒有系統成熟的基礎理論體系、本體及材料等底層核心技術環節做為支撐,頂端應用領域的引領作用無法準確傳導至全產業鏈,造成應用需求和核心技術對接不暢,儲能材料和本體經濟性指標與未來應用需求尚不適配。

  2)技術經濟性有待進一步突破。

  目前儲能技術成本高,絕大部分儲能項目缺乏可預期的收益以吸引資本跟進。而且在系統容量、轉換率、壽命、安全性等問題上還有待進一步提高,以滿足可再生能源并網消納和電力系統調節需求。

  3)缺乏運行數據支撐。

  目前缺乏進行運行評估的實際數據,需要在電源側、負荷側進行多方試點示范,積累運行數據,厘清數據的關聯性,明確電力儲能的運行工況和功效,讓試點和政策相互促進,為儲能的工程化推廣和商業模式研究提供數據支撐。

  1.3 儲能發展趨勢

  對于下一代儲能本體的預期,國內外均將目標設定在了大容量、高安全、長壽命和低成本的目標上。隨著應用需求的多樣化,儲能技術呈現多種類型協同發展的格局,用戶側應用則向結構緊湊、控制智能、接入靈活的方向發展。

  儲能應用的關鍵是技術經濟性,近年來,幾類電化學儲能成本均有大幅下降,如圖2所示。從鋰離子電池的歷史發展規律來看,壽命提升較快,成本下降較快,主要原因在于每種材料的內生性增長。可以通過基于材料本身的改性、儲能材料體系的匹配以及儲能本體制造工藝的改善等外部因素來進行跨越式的提升,成本則可以通過規模化效應快速下降。



  預計到2020年,目前國內安裝量較大的磷酸鐵鋰電池的成本價有望降到人民幣1000元/(kW?h)左右。而隨著各類驗證、示范應用以及標準的建立,儲能技術的安全性也將逐步提升,達到標準要求。鉛酸電池也在不斷改進技術,多家企業已經開始從事鉛碳電池的開發,重點提升鉛酸電池的使用壽命。液流電池相關制造企業少,目前液流電池儲能系統的整體轉換效率約70%,尚無法與磷酸鐵鋰和先進鉛酸電池相比,但在使用壽命方面有明顯優勢。

  鋰離子電池、液流電池、鉛碳電池等新型電化學儲能技術水平進步較快,具有巨大的發展潛力和廣泛的應用前景,有望率先邁入產業化發展階段,使儲能技術成為與發-輸-配-用并列的電力系統第5環節。
  2、技術愿景

  2.1 技術驅動因素

  促使儲能技術發展的驅動力因素主要有以下幾個方面。

  1)可再生能源發電比例將持續提升。

  隨著能源結構調整力度的不斷加強,加之霧霾治理、生態壓力和綠色低碳發展的倒逼,風電、光伏發電為代表的可再生能源發電占比將持續增長。需要借助大規模儲能系統與新能源發電協調優化運行,提高間歇性可再生能源消納能力。

  2)電動汽車比例持續快速增長。

  世界各國均從科研投入、產業化發展、法規標準等多角度制訂了大量支持電動發展的政策。我國多次明確到2020年純電動汽車和插電式混合動力汽車累計產銷達到500萬輛的發展目標,預計2030年以后電動汽車與傳統汽車在市場上將并行發展,產量將達到同類汽車產量的50%。大規模電動汽車電池和退役電池的梯次利用,以及與充電設施配套的儲能設施,將為電力系統提供潛力巨大的儲能資源。

  3)電網調度控制日益困難和復雜。

  未來特高壓交直流混合電網的建設,使得我國電網結構和運行方式日益復雜。此外,隨著新能源大規模接入電網,其波動性和間歇性給電網的安全穩定運行帶來了巨大挑戰。通過儲能技術的應用可以改善可再生能源的可調可控特性,進而提高新型電網的安全可靠運行能力。

  4)電力體制改革推向深入。

  隨著電力體制改革試點范圍的擴大和發展,政府部門將在總結試點經驗和修改完善相關法律法規的基礎上推進電力體制改革的實施,逐漸形成有效競爭的市場結構和市場體系。現代電力市場體系會大大促進儲能為輸電網提供調頻、調壓、備用和黑啟動等輔助服務應用的需求。

  5)能源互聯網建設逐步落地。

  能源互聯網將從初步理論概念逐步進行落地實施,計劃2016—2020年,將著力推進儲能在能源互聯網應用的試點示范工作,建成一批不同類型、不同規模的試點示范項目;2021—2030年,會推進儲能系統在能源互聯網對多元化、規模化發展,使儲能技術成為能源互聯網推進的主要推動力。

  2.2 2050年技術情景

  2.2.1 常規模式

  基于儲能技術的研究現狀及發展趨勢,綜合考慮電力網絡多種能源互聯和需求側響應等功能形態發展方向及能源革命需求等多方面因素,在常規發展模式下,預測2050年前儲能本體材料革新改進,成本將得到實質突破;掌握壓縮(液化)空氣儲能技術,儲能系統規模從百MW級提升到10GW級,滿足全球能源互聯網清潔調頻、調峰等多樣化需求,相關關鍵技術經濟指標如表1所示。



  1)儲能成為電力系統“發-輸-配-用”之外的第5環節。

  2030年以前,大容量、低成本、長壽命、高安全儲能電池技術和低成本、高效率壓縮空氣儲能將初步實現;儲能系統容量支撐電網消納非水可再生能源發電電量的比例達到10%,發-輸-配-用-儲的運行模式在電力系統得到廣泛實現,儲能資源的廣泛存在和靈活高效的特性大大改善電網系統的調度和管理能力,使電力供需從現在的瞬時平衡變成廣域時空下的長期平衡。

  2)儲能應用向用戶側緊湊型和系統級大型應用發展。

  隨著能源互聯體系的逐步建立,包含可再生能源的多種能源的互聯互補不僅改變電網的調度運營模式,也將改變用戶的用電模式。在現有應用于可再生能源的接入和消納之外,緊湊型儲能還將廣泛應用于用戶側參與需求響應,提高用戶能效,滿足用戶多元化需求;同時,系統級大型儲能也將在電力網絡調峰、調頻服務中發揮重要作用,從系統規劃和調度管理層面實現資源利用最大化。

  3)分布式儲能的規模化匯聚效應凸顯。

  伴隨用戶側分布式儲能的廣泛應用以及電動汽車比例的持續快速增長,分布式儲能作為能源互聯網絡體系構建的必要環節,其規模化匯聚效應逐步顯現,通過統籌部署、協同管理充分挖掘其平衡能力,同時跟進切實有效的商業運行模式,促進多種能源的開放互聯和供需各方的柔性互動。

  2.2.2 突破模式

  結合國內外的基礎性前瞻性儲能本體技術發展趨勢,在突破模式下,預測2050年前,鋰空氣電池等高能量密度儲能應用關鍵材料及本體制備技術實現實質性突破;相變儲能技術實現低成本、高穩定性和高能量密度等核心技術的突破;攻克新型氫能儲能及應用關鍵材料及器件制備技術。儲能技術作為關鍵因素推動能源革命,掌握電網、氣網和熱力網等能源高效轉化及多時空協同控制技術,實現以電為中心的不同能源網絡柔性互聯、調劑和聯合調控。

  1)電動汽車等高密度分布式儲能使電網形態發生根本改變。

  根據巴黎協定2050年全球溫升不超過2℃,國際能源署預測2050年電動汽車保有量須達10億輛。按照每輛車80kW?h計算,儲能容量將達800億kW?h,基本滿足2050年預期儲能需求(預計風光等可再生能源發電量約1萬億kW?h,需配置不到10%的儲能,即1000億kW?h滿足消納需求)。鋰空氣電池等高密度儲能關鍵技術突破將使電動汽車占比超過90%,電動汽車續駛里程和充電速度將實現燃油車完全替代,靜態和移動分布式儲能接入使集中式的電網結構向分布式結構轉變,運行管理方式隨之變化,傳統電網的形態發生根本改變。

  2)相變儲能技術普及使能源互聯得以實現。

  據統計,40%能源消費用于溫度調節,蓄冷/熱儲能與能源轉化技術是能源體系中的重要環節。熱相變儲能技術的突破和普及,將使能源互聯的實現成為可能。高溫儲熱系統釋能控制及調節技術得到突破,復合型高溫相變儲熱材料及大容量規模化儲熱裝置裝備在建筑物的溫度調節和能源系統得到普及,實現高溫儲熱技術在太陽能光熱電站的技術應用;基于化學儲熱的儲熱關鍵技術實現突破和普及,高效高儲能密度的儲熱裝置在用戶側得到普及,實現化學儲熱技術應用于可再生能源制熱-儲熱電站。

  3)氫儲能的普及將實現多類型能源的廣泛利用和靈活轉變。

  氫儲能技術的發展完善將帶來氫能利用比例在能源存儲與轉換系統中實現普及,不同能源形式下各種儲能方式共存,用能需求多樣化。能源轉換和控制運行由單一功能向融合多能源+新型用電等多元復合功能過渡,呈現分散自治和集中協調相結合的模式。電網通過氫儲能和P2G技術實現多種能源方式的轉換與存儲,改善調控手段等方式促進可再生能源的利用;可再生能源發電配合儲氫裝置,成為可調度、可預測、可控制的電源;實現終端用戶供用電關系轉換、用能設備的能量緩沖、靈活互動以及智能交互;廣泛存在氫動力電動汽車資源為氫能接入提供重要的支持。

  3、關鍵技術的實現路徑

  3.1 關鍵技術

  在儲能系統應用基礎理論方面,研究廣域布局的儲能系統與常規電源、新能源發電的協同調度方法;掌握多個百MW級儲能在新能源發-輸-配各環節中的規劃布局方法;研究新型技術與供電商業模式下儲能的選型配置方法和經濟性;分布式儲能系統的匯聚效應及在虛擬電廠中的運行模式和管理策略。研究儲能技術實現市場化應用的政策和制度需求,包括促進儲能發展的電價機制、準入制度及電力市場機制;研究多種類電力市場交易下儲能與其他能源的協調運作機制。

  在儲能本體技術研究方面,研究針對現有體系下鋰離子、鉛炭、液流等儲能電池的關鍵材料改性、本體改進、低成本化制備、能效提升和產業化技術,研究基于離子液體、固態電解質的高安全性電池材料體系和液流電池低成本高可靠膜制備技術;研究空氣壓縮機和膨脹機技術,研究儲冷儲熱和儲氣技術,提高轉換效率,降低成本。針對下一代儲能技術,研究鋰硫、鋰空氣等新型高比能量電池技術;研制高效制氫及氫發電裝備,突破低成本、高效率和規模化儲氫技術;研發大容量高溫高能量密度儲熱儲冷技術裝備,突破熱相變儲能關鍵技術。

  在儲能系統集成及工程化技術研究方面,研究適用于百MW級儲能電站集成與控制技術研究及工程示范;開發儲能系統的虛擬電廠匯聚效應控制技術;探索多個百MW級儲能在新能源發-輸-配各環節中的廣域規劃布局方法;基于新型器件、拓撲及控制方法的儲能變流器研制;研究規模化梯次利用電池的重組、集成和熱疏導等安全管理技術;研究儲氫系統的集成及工程應用技術;掌握相變儲能系統的集成及工程應用技術;研究飛輪儲能系統的集成及工程應用技術;海水抽水蓄能的集成及工程應用技術;研究深冷儲能系統集成與試驗技術。

  3.2 實現路徑

  儲能技術發展及推廣應用可分3個階段。

  第1階段(2017—2030年)是關鍵技術突破及商業應用階段。突破現有體系下的儲能本體制造、能量轉換及規模化集成等關鍵技術,研制具有自主知識產權的GW級儲能系統,實現多個GW級儲能系統在用戶側和間歇式可再生發電接入電網中的示范應用,提出大規模儲能系統并網接入技術規范。

  第2階段(2030—2040年)是大規模推廣和下一代技術攻關階段。完善GW級儲能裝置的研制,并推廣GW級儲能裝置在電力調峰、可再生能源大規模接入、提高供電可靠性和電能質量等場合的應用。突破鋰空氣、儲氫、熱相變等下一代儲能關鍵技術,并逐步開展示范應用。

  第3階段(2040—2050年)是全面推廣應用階段。電化學儲能、壓縮空氣、熱相變和儲氫等不同類型的大容量電網儲能技術得到推廣應用。高比能電動汽車移動式鋰空氣儲能、家庭分散儲能裝置等實現“即插即用”。實現多種儲能方式的協調互補和統一規劃調控。大規模儲能關鍵技術突破的總體思路見圖3。



  在充分評估該技術領域我國現有水平和國內相關科研工作的基礎上,參考國外儲能技術相關技術路線圖,依據國家電網發展和建設對大規模儲能技術的迫切需求,應該以集中式儲能系統在可再生能源接入中的應用、分布式儲能系統在用戶側峰值負荷轉移和提高電能質量中的應用為目標和突破口,集中力量解決制約大規模儲能技術在關鍵部件、容量、壽命、可靠性等方面的制約瓶頸,實現示范應用。同時通過標準體系建設和完善,規范引導本體技術研發,為儲能技術長期健康發展奠定基礎,滿足電網發展和建設對大規模儲能技術和裝置的迫切要求。

  3.3 技術路線圖

  3.3.1 常規模式下技術路線

  作為一個戰略性新興技術領域,常規模式下的儲能技術路線研究核心在于各種儲能本體技術,包含關鍵材料、本體制造、特性分析、產業化轉移等多個技術環節,涉及材料、固體物理、電化學、化工、自動控制等多個學科,是一個典型的前沿性交叉技術學科。通過資源整合和體系化平臺,直面關鍵科學問題和技術難點,推動原始創新,加快集中攻關步伐。

  如圖4所示,常規模式技術路線下,全面掌握戰略布局的先進儲能技術,重點攻關化學儲能、壓縮空氣儲能、高溫儲熱的材料制備和核心裝置制造技術。突破儲能系統集成和能量管理等關鍵技術,實現不同場景不同規模的示范驗證和推廣應用。構建完備的儲能技術標準體系,形成相對完善的產業鏈結構。



  .3.2 突破模式下技術路線

  突破模式下的整體技術路線應突破現有格局的限制,轉而構建包括基礎理論、材料制備和表征、本體制造、中試級產業化轉移和綜合性能評估分析等覆蓋全產業鏈的體系化研究實驗平臺,并建立相應的高水平研發實驗能力,通過貫通材料設計、裝置開發、工程示范和綜合評估等全部環節,創新體系化研究模式,方能夯實研究基礎,以頂層設計思維充分發揮頂端引領作用,加速推進技術與需求對接。

  突破模式下的技術路線應該積極探索新材料、新方法,實現具有優勢的先進儲能技術儲備,在液體電池、鎂基電池等新概念化學電池獲得突破;研究熱化學儲熱等前瞻性儲熱技術,探索高儲熱密度、低成本、循環特性良好的新型材料配對機制;應用V2G虛擬儲能前瞻理論,研究服務與支撐電動汽車推廣應用技術。

  開展10~100MW?h級示范工程,示范驗證10~100MW?h級面向分布式供能的儲熱(冷)系統和10MW級以上太陽能光熱電站用高溫儲熱系統;研究可再生能源發電與質子交換膜/固體氧化物電池電解水制氫一體化技術,突破高效催化劑、聚合物膜、膜電極和雙極板等材料與部件核心技術,掌握適應可再生能源快速變載的高效中壓電解制氫電解池技術,研發成本低、循環穩定性好、使用溫度接近燃料電池操作溫度的氮基、硼基、鋁基、鎂基和碳基等輕質元素儲氫材料,技術路線如圖5所示。



  4、結論

  我國儲能技術在基礎性研究方向,尤其是儲能基礎理論、新型材料研究方面尚有欠缺,在基礎性、前瞻性交叉技術領域的個別環節較為薄弱,儲能裝置技術水平與巨大需求之間存在較大差距,在產業化轉移能力建設方面有待加強,尚未建成完整的體系化研究閉環,還不能發揮戰略作用,亟待補充和強化。

  在2050年技術攻關重點和頂層設計中,以需求引導為驅動,建立以基礎理論為指導、先進儲能材料及本體技術為創新根本、關鍵裝備技術為抓手的全新研發模式,完善儲能領域創新研究體系。

  目標是突破大規模儲能技術局限,滿足電網接納大比例新能源并網消納及調峰需求。針對未來電網與熱力網、氫-天然氣網等不同能源網絡之間互聯互通的需求,突破低成本相變儲熱(蓄冷)技術、高轉換效率、長壽命儲氫技術,實現以電為中心的不同能源網絡間柔性互聯、調劑和聯合調控,促進清潔能源大規模轉化、網絡化存儲和多形態消納。突破高比能量鋰空氣儲能電池技術,滿足電動汽車續航里程的要求,并在電動汽車領域的大規模、大范圍推廣應用,實現V2G運行模式,開創適用于電網新形態的電網運行管理新模式。

  我國儲能技術在基礎性研究方向,尤其是儲能基礎理論、新型材料研究方面尚有欠缺,在基礎性、前瞻性交叉技術領域的個別環節較為薄弱,儲能裝置技術水平與巨大需求之間存在較大差距,在產業化轉移能力建設方面有待加強,尚未建成完整的體系化研究閉環,還不能發揮戰略作用,亟待補充和強化。

  在2050年技術攻關重點和頂層設計中,以需求引導為驅動,建立以基礎理論為指導、先進儲能材料及本體技術為創新根本、關鍵裝備技術為抓手的全新研發模式,完善儲能領域創新研究體系。

  目標是突破大規模儲能技術局限,滿足電網接納大比例新能源并網消納及調峰需求。針對未來電網與熱力網、氫-天然氣網等不同能源網絡之間互聯互通的需求,突破低成本相變儲熱(蓄冷)技術、高轉換效率、長壽命儲氫技術,實現以電為中心的不同能源網絡間柔性互聯、調劑和聯合調控,促進清潔能源大規模轉化、網絡化存儲和多形態消納。突破高比能量鋰空氣儲能電池技術,滿足電動汽車續航里程的要求,并在電動汽車領域的大規模、大范圍推廣應用,實現V2G運行模式,開創適用于電網新形態的電網運行管理新模式。

 
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