新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)——儲能

　　導(dǎo)讀

　　儲能是新能源發(fā)展的必備基礎(chǔ)設(shè)施：以風(fēng)光為例的可再生資源發(fā)電具有極強(qiáng)的不可控性，為了維持電網(wǎng)供電方和用電方的平衡，保障電網(wǎng)安全，有必要引入儲能作為靈活性調(diào)節(jié)資源。傳統(tǒng)的抽水蓄能和新型儲能例如電化學(xué)儲能、壓縮空氣儲能等技術(shù)百花齊放。目前全球儲能市場呈現(xiàn)中美大儲、歐洲戶儲的格局，未來，儲能將為電力部門碳中和做出巨大貢獻(xiàn)。

　　01 新型電力系統(tǒng)必須依靠儲能進(jìn)行調(diào)節(jié)

　　2021年3月15日，習(xí)近平總書記在中央財經(jīng)委員會第九次會議上提出構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，為新時代能源電力發(fā)展指明了科學(xué)方向，也為全球電力可持續(xù)發(fā)展提供了中國方案。2023年1月，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)》，提出新型電力系統(tǒng)是以確保能源電力安全為基本前提，以滿足經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展的電力需求為首要目標(biāo)，以高比例新能源供給消納體系建設(shè)為主線任務(wù)，以源網(wǎng)荷儲多項協(xié)同、靈活互動為堅強(qiáng)支撐的新時代電力系統(tǒng)。儲能作為新型電力系統(tǒng)四大部門的關(guān)鍵一環(huán)，其重要性不言而喻。

圖1 光伏、風(fēng)電出力和負(fù)荷曲線(資料來源：《面向園區(qū)微網(wǎng)的“源-網(wǎng)-荷-儲”一體化運營模式》)

　　電能是一種即發(fā)即用的能量，發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的功率必須匹配，才能保障電網(wǎng)的穩(wěn)定。根據(jù)EIA預(yù)測，到2050年，風(fēng)光發(fā)電將占可再生能源發(fā)電量的72%，相比2020年占比提升近一倍。與傳統(tǒng)火電可調(diào)節(jié)性強(qiáng)不同，風(fēng)光發(fā)電具有低慣量、低阻尼、弱電壓支撐的特點。也就是說，風(fēng)光發(fā)電具有巨大的波動性，會使發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的平衡更加難以實現(xiàn)。因此，為保持電網(wǎng)的平衡，很多時候風(fēng)光發(fā)電并未接入電網(wǎng)而被浪費，產(chǎn)生“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象。2023年，我國棄風(fēng)、棄光量超過300億千瓦時，對應(yīng)價值超過100億元。配備儲能可以完美地解決該問題：當(dāng)發(fā)電側(cè)功率過高時，儲能將多余電量儲存起來;當(dāng)用電負(fù)荷過高時，儲能將此前儲存的電能釋放出去，從而實現(xiàn)能量的實時匹配，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定。

圖2 2022年各月份棄風(fēng)、棄光率(圖源：全國新能源消納監(jiān)測預(yù)警中心)

　　02 儲能的應(yīng)用場景涵蓋電力系統(tǒng)的各個方面

　　儲能按照應(yīng)用場景可以分為發(fā)電側(cè)儲能、電網(wǎng)側(cè)儲能和用電側(cè)儲能。其中發(fā)電側(cè)儲能和電網(wǎng)側(cè)儲能被稱為表前儲能，用電側(cè)儲能被稱為表后儲能。用電側(cè)儲能按照主體不同可進(jìn)一步劃分為工商業(yè)儲能和戶用儲能。

　　發(fā)電側(cè)儲能主要用于電力調(diào)峰、輔助動態(tài)運行、系統(tǒng)調(diào)頻和可再生能源并網(wǎng);電網(wǎng)側(cè)儲能主要用于緩解電網(wǎng)阻塞、延緩輸配電擴(kuò)容升級、調(diào)峰調(diào)頻;用電側(cè)儲能主要用于電力自發(fā)自用、峰谷價差套利、容量電費管理和提升供電可靠性。

圖3 儲能在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用電側(cè)的應(yīng)用場景(圖源：派能科技)

　　一般而言，表前儲能和大工商業(yè)儲能功率往往大于30MW且能量大于30MWh，在國標(biāo)《電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范》中被定義為大儲，戶用儲能和小型工商業(yè)儲能被定義為小儲。

　　03新型儲能技術(shù)百花齊放

　　鋰電池儲能商業(yè)化程度最好

　　儲能，即把電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能力儲存起來，需要使用時再將其轉(zhuǎn)化為電能。儲能根據(jù)能量形式可分為抽水蓄能、電化學(xué)儲能、壓縮空氣儲能、機(jī)械能儲能等多種技術(shù)種類。

　　一、抽水儲能

　　抽水蓄能是最主流的傳統(tǒng)儲能技術(shù)。抽水蓄能電站由存在一定落差的上水庫、下水庫和連接兩個水庫的引水系統(tǒng)、地下廠房(可逆式水輪機(jī)組)組成。利用下半夜過剩的電力驅(qū)動水泵，將水從下水庫抽到上水庫儲存，在白天和前半夜將水放出發(fā)電，并流入下水庫。抽水蓄能具有技術(shù)成熟、儲能容量大、系統(tǒng)效率高、運行壽命長、安全性能高等優(yōu)勢，是目前最主流的儲能方式。抽水蓄能的造價已相對平穩(wěn)，單GW靜態(tài)投資額為53.67億元。截至2022年底，我國抽水蓄能累計裝機(jī)容量達(dá)到45GW，占所有儲能裝機(jī)規(guī)模的79%，同比增長24%，裝機(jī)規(guī)模據(jù)全球首位。

圖4 抽水蓄能原理(圖源：數(shù)字經(jīng)濟(jì)網(wǎng))

圖5 我國儲能裝機(jī)結(jié)構(gòu)(圖源：CNESA)

　　然而，由于水庫建設(shè)周期長，抽水蓄能電站建設(shè)的地理條件苛刻(上下水庫需達(dá)到40-600m的高度差)等因素，抽水蓄能未來的發(fā)展空間相對有限?！缎滦碗娏ο到y(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書(征求意見稿)》計劃，2030年裝機(jī)規(guī)模達(dá)到120GW，相比2022年年化增長13%

圖6 全球主要國家抽水蓄能裝機(jī)容量(GW)(圖源：IRENA，Statista)

　　二、電化學(xué)儲能

　　如圖5所示，以鋰離子電池為代表的的電化學(xué)儲能是新型儲能中目前占比最高的儲能技術(shù)。完整的電化學(xué)儲能系統(tǒng)包括電池組、電池管理系統(tǒng)(BMS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)、儲能變流器(PCS)以及其他電氣設(shè)備構(gòu)成。

圖7 電化學(xué)儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖(圖源：派能科技)

　　電池組是儲能系統(tǒng)最主要的構(gòu)成部分，用來儲存能量;電池管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)電池的監(jiān)測、評估、保護(hù)以及均衡等;能量管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和能量調(diào)度;儲能變流器是連接交流和直流的裝置，實現(xiàn)交直流的雙向轉(zhuǎn)換，可控制蓄電池的充電和放電過程。從成本結(jié)構(gòu)來看，儲能電池成本占比60%以上，儲能PCS成本占比約10%

圖8 儲能系統(tǒng)工作原理圖(圖源：陽光電源官網(wǎng))

圖9 電化學(xué)儲能系統(tǒng)成本構(gòu)成(資料來源：高工鋰電)

　　按照正極材料的不同，鋰離子電池儲能可分為磷酸鐵鋰儲能和三元鋰電池儲能。其中磷酸鐵鋰安全性好、低溫性能好、循環(huán)性能好、成本較低，是我國鋰電池儲能的主要技術(shù)路線。而三元鋰電池憑借能量密度高、空間占用小、發(fā)展較早的優(yōu)勢，在歐美等地區(qū)仍然占據(jù)較大的市場空間，例如特斯拉在北美的儲能業(yè)務(wù)依然主要是三元鋰電池。除了鋰離子電池，電化學(xué)儲能系統(tǒng)還包括全釩液流電池、鈉離子電池、鉛蓄電池、鈉硫電池等。全釩液流電池是目前產(chǎn)業(yè)鏈成熟度最高的液流電池。

圖10 全釩液流電池原理(圖源：中和儲能、電氣時代)

　　與鋰離子電池能量載體是固態(tài)的正負(fù)極材料不同，全釩液流電池以不同價態(tài)的釩離子溶液作為正負(fù)極，電解液決定容量大小，電堆決定功率大小。因此，液流電池不會受到固態(tài)正極材料因充放電導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)破壞、容量降低的問題，可以實現(xiàn)長時儲能。目前的主要制約因素是原料五氧化二釩的價格較高，并會對環(huán)境造成污染。

表1 電化學(xué)儲能數(shù)據(jù)對比(表源：蔡世超《儲能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用》)

　　由于鋰離子電池能量密度高、效率高、循環(huán)性能好、適用范圍廣，且因為動力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)積累了先發(fā)優(yōu)勢，成本控制較好，其已經(jīng)成為目前最主流、最成熟的新型儲能技術(shù)。2023年以后，碳酸鋰價格快速下跌，使得鋰離子電池儲能的成本進(jìn)一步下降，目前建造成本為0.8-2元/Wh，平準(zhǔn)化全壽命度電成本(LCOE)約為0.5-0.8元/W·h。預(yù)計未來隨著碳酸鋰價格的下跌，鋰離子電池成本進(jìn)一步下降，鋰離子電池的優(yōu)勢或可長期保持。

圖11 2023年后電池級碳酸鋰價格快速下跌(元/噸)(資料來源：Wind資訊)

　　三、壓縮空氣儲能

　　壓縮空氣儲能在電網(wǎng)負(fù)荷低谷通過壓縮機(jī)壓縮空氣儲能能量，并將壓縮空氣運輸至廢棄鹽洞等壓力容器保存，在電力負(fù)荷較大時，放出儲氣庫內(nèi)的高壓氣體，并將氣體加熱至一定溫度后輸送到膨脹劑，將壓縮空氣的勢能轉(zhuǎn)化為膨脹機(jī)的機(jī)械能，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。壓縮空氣儲能放電時長可達(dá)4小時以上，適合作為長時儲能系統(tǒng)，且壽命較長，可循環(huán)上萬次，使用期長達(dá)40年。壓縮空氣儲能在我國已經(jīng)進(jìn)入100MW級示范項目階段，十四五期間效率有望提升至65%-70%，建造成本降至1000-1500元/kWh，平準(zhǔn)化全壽命度電成本0.68元/Wh。目前的主要制約因素是大型壓氣設(shè)備、膨脹設(shè)備、蓄熱設(shè)備和儲罐等性能的提升。

圖12 壓縮空氣儲能原理(圖源：《壓縮空氣儲能中的蓄熱技術(shù)及其經(jīng)濟(jì)性研究》)

　　四、機(jī)械能儲能

　　機(jī)械能儲能目前包括重力儲能和飛輪儲能。重力儲能通過電力將重物提升至高處，將電能儲存起來;需要放電時將中午下落，帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能。重力儲能安全性強(qiáng)，且不會造成地質(zhì)生態(tài)破壞，目前基于全生命周期測算其儲能度電成本約為0.5-0.8元/kWh，經(jīng)濟(jì)性較好。但重力儲能規(guī)模相較抽水蓄能較小，且響應(yīng)速度為秒級，不及電化學(xué)儲能。目前國內(nèi)在建的首個重力儲能項目為中國天楹于2022年一季度在江蘇如東建設(shè)的100MWh項目。

圖13 重力儲能原理(圖源：陳云良等《重力儲能發(fā)電現(xiàn)狀、技術(shù)構(gòu)想及關(guān)鍵問題》)

　　飛輪儲能是用電能將一個放在真空外殼內(nèi)的轉(zhuǎn)子加速，從而將電能以動能的形式儲存起來，利用大轉(zhuǎn)輪所儲存的旋轉(zhuǎn)動能和電能的相互轉(zhuǎn)化實現(xiàn)充放電。

圖14 飛輪儲能工作原理(圖源：高春輝等《飛輪儲能系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電調(diào)頻中的應(yīng)用研究》)

　　飛輪儲能具有響應(yīng)速度快、功率密度高、不受充放電次數(shù)限制、綠色無污染的特點。其相應(yīng)可達(dá)毫秒級，主要用于調(diào)頻，單機(jī)功率2-3MW，可實現(xiàn)儲能0.5-100kWh。但目前飛輪儲能使用的飛輪和磁懸浮軸承價格較高，投資成本達(dá)100-150億元/GW。飛輪儲能也面臨安全風(fēng)險，2021年8月，弘慧能源在進(jìn)行飛輪實驗時飛輪脫離造成人員傷亡。

　　五、熔融鹽光熱儲能

　　熔融鹽光熱儲能通過光伏發(fā)電加熱和太陽能聚光集熱加熱，將能量轉(zhuǎn)化為熱能儲存在熔融鹽儲熱系統(tǒng)中。需要發(fā)電時在換熱系統(tǒng)中將高溫熔鹽(主要是二元硝酸鹽)與水進(jìn)行換熱，釋放熱量。光熱儲能具有規(guī)模大、時間長、安全環(huán)保等優(yōu)點，具備單日10小時儲熱能力，儲能規(guī)?？蛇_(dá)數(shù)百兆瓦。此外，熱交換系統(tǒng)具有較好的可控性和調(diào)節(jié)能力，能支持汽輪機(jī)組進(jìn)行快速出力調(diào)節(jié)，具有與燃?xì)鈾C(jī)組類似的爬坡能力。根據(jù)CNESA全球儲能數(shù)據(jù)庫，截至2021年，光熱熔融鹽儲熱占我國儲能規(guī)模的1.2%，達(dá)到0.5GW。截至2022年10月，我國西北風(fēng)光大基地已經(jīng)有4.5GW風(fēng)光發(fā)電項目配套光熱儲能項目。

圖15 熔融鹽光熱儲能原理(圖源：西勘院規(guī)劃研究中心)

表2 已建成的熔融鹽光熱儲能項目(資料來源：公開資料整理)

　　由于該技術(shù)先將光能轉(zhuǎn)化為熱能，再用熱能加熱水，產(chǎn)生水蒸氣驅(qū)動渦輪發(fā)電，涉及能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)多，導(dǎo)致總體能量轉(zhuǎn)化效率較低，約為不到60%，此時度電成本達(dá)到0.738元/kWh，成本較高。

　　六、氫儲能

　　氫氣能量密度140.4MJ/kg(39kWh/kg),約為汽油、柴油、天然氣的3倍。可長時間存儲且可實現(xiàn)過程無污染，是少有的能夠儲存上百吉瓦時以上的能量儲備。氫儲能的環(huán)節(jié)包括主要包含電解制氫、儲氫、燃料電池發(fā)電。

圖16 風(fēng)光發(fā)電+氫儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　盡管目前氫儲能的經(jīng)濟(jì)性較差，平準(zhǔn)化全壽命度電成本約1.8元/Wh，但氫儲能具備其他儲能技術(shù)不具有的長時性的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)能量的跨季節(jié)周期的調(diào)配。2022年1月，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》，提出到2025年氫儲能等長時間尺度的儲能技術(shù)取得突破。

　　04 全球儲能呈現(xiàn)“中美大儲+歐洲戶儲”齊爆發(fā)的格局

　　2022年全球儲能市場規(guī)模50GWh，其中美國、EMEA(歐洲、中東、非洲三地區(qū)的合稱)和中國分別占比49.8%、14.2%、26.7%。預(yù)計到2026年三者占比將為34.3%、19.2%、33.7%。占比由高到低從美國、EMEA、中國變?yōu)槊绹⒅袊?、EMEA。

圖17 2022年全球儲能市場結(jié)構(gòu)

圖18 預(yù)計2026年全球儲能市場結(jié)構(gòu)

　　一、強(qiáng)制配儲+獨立儲能經(jīng)濟(jì)性改善，中國大儲高速發(fā)展

　　2022年中國新增儲能裝機(jī)6.9GW，其中以電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)為主，占比約90%。目前中國的總發(fā)電量中，4%來自光伏，8%來自風(fēng)電，相對較高的風(fēng)光發(fā)電占比對電網(wǎng)造成了巨大負(fù)擔(dān)。通過儲能實現(xiàn)可再生能源消納，已經(jīng)成為我國必須面臨的問題。截至2022年底，全國已有24個省級行政區(qū)在全省或部分地區(qū)明確了新增新能源發(fā)電項目規(guī)制性配儲能比例以及配儲時長。3個省份出臺鼓勵配儲政策。綜合來看，平均配儲比例約為10%，配儲時長約為2h。這些省份2022年風(fēng)電光伏裝機(jī)量達(dá)到全國風(fēng)光裝機(jī)量的81%，是儲能裝機(jī)量增加的主要來源。

表3 各省強(qiáng)制配儲比例及時長

表4 儲能項目假設(shè)

　　2022年11月25日，國家能源局發(fā)布《電力現(xiàn)貨市場基本規(guī)則(征求意見稿)》，第一次從國家層面提出容量補(bǔ)償機(jī)制。我國大儲有望獲得“現(xiàn)貨市場峰谷套利+輔助服務(wù)調(diào)頻等+容量補(bǔ)償”的多樣化收益模式。若考慮同時參與調(diào)峰和調(diào)頻服務(wù)，基于表4的假設(shè)，測算得到全生命周期的IRR超過20%(表5)，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

表5 儲能項目IRR測算

　　基于對強(qiáng)制配儲和光伏建設(shè)進(jìn)度的預(yù)測，如表6所示，預(yù)計2023年中國儲能新增裝機(jī)超過40GWh，其中大儲占比90%以上;2024年中國儲能新增裝機(jī)超過70GWh。

表6 中國儲能裝機(jī)規(guī)模測算

　　二、彌補(bǔ)電網(wǎng)缺陷+各級政府補(bǔ)貼，美國大儲領(lǐng)跑全球

　　美國是全球最大的大儲市場，結(jié)構(gòu)上也以大儲為主導(dǎo)。根據(jù)BNEF，美國2022年電化學(xué)儲能新增裝機(jī)4.99GW/13.58GWh，其中大儲新增裝機(jī)3.5GW，占裝機(jī)總功率的88.2%。戶用、工商業(yè)分別占比8.6%和3.2%。2022年在光伏降速背景下繼續(xù)高增長，前三季度美國儲能新增裝機(jī)達(dá)3.57GW(10.67GWh)，同比增102%(93%)。從滲透率來看，2022Q3新增裝機(jī)光儲滲透率已達(dá)31.5%(其中地面51.1%，分布式27.2%)，去年同期2021Q3光儲滲透率21.2%(地面26.3%，分布式9%)。根據(jù)Berkeley Lab，美國儲能項目備案正在不斷加速，截至2022年11月底總備案為22.53GW去年同期水平為13.13GW同比增長71.6%。

　　全國范圍內(nèi)，美國的ITC稅收抵免政策進(jìn)行了延長和抵免比例的提高。2022年8月，美國《通脹削減法案》發(fā)布ITC新政，在儲能方面的主要政策為延長ITC十年和提升基礎(chǔ)抵免比例。核心區(qū)別1：過去儲能只能跟著光伏配套享受，新政中獨立大儲或戶儲均可享受;核心區(qū)別2：過去最高抵稅比例為26%，無額外補(bǔ)償條款，新政中最高比例提高到70%。

　　除了全國范圍內(nèi)的政策，各州也出臺了眾多鼓勵政策。加州、內(nèi)華達(dá)州、弗羅里達(dá)州等17州出臺了明晰的儲能補(bǔ)貼制度。加州的SGIP政策補(bǔ)貼力度大，持續(xù)時間長，加州成為美國儲能裝機(jī)增長最快的州。2020年，內(nèi)華達(dá)州發(fā)布了NV儲能激勵政策，最高每瓦時0.5美元的非戶用儲能補(bǔ)貼，對非戶用儲能經(jīng)濟(jì)性有較大提升，內(nèi)華達(dá)州2021年成為美國分州儲能裝機(jī)前五。

表7 美國各州儲能激勵政策

表8 美國儲能裝機(jī)規(guī)模測算

　　美國2023年儲能新增裝機(jī)約為36GWh，大儲占比接近90%，預(yù)計2024年儲能裝機(jī)60GWh，大儲占比84%。

　　三、高居民電價仍將維持，歐洲戶儲穩(wěn)步成長

　　短期來看，目前歐洲短期居民電價仍處于高位。歐洲采取居民電價長協(xié)機(jī)制，2023年新簽居民電價合約明顯漲價。以德國為例，2022年及以前居民電價合約價格穩(wěn)定在20-30歐分/kWh，因此2022年批發(fā)電價的大幅上漲并未傳導(dǎo)至居民端，但2023年新簽合約電價大幅上漲，電價平均為50歐分/kWh以上，同比提高80-120%。從長期來看，歐洲居民電價仍將處于較高水平。盡管歐洲電價回落顯著，但可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性勢必推高電價。俄烏沖突前，德國批發(fā)電價在10歐分/kWh，但居民電價接近30歐分/kWh，主要是各種稅費(綠色能源附加費、生態(tài)稅等)占比超過50%，且為了補(bǔ)貼綠電仍在持續(xù)增加。長期看，即使歐洲批發(fā)電價回落到俄烏沖突前，整體居民電價仍將維持在20-40歐分/kWh。

圖19 德國居民電價結(jié)構(gòu)(圖源：EMBER)

表9 歐洲儲能裝機(jī)規(guī)模測算

　　05 碳中和遠(yuǎn)景下的儲能發(fā)展展望

　　在實現(xiàn)碳中和的未來，電力部門作為碳排放占比最高的部門將發(fā)生革命性的改變?？稍偕茉窗l(fā)電將支撐幾乎整個社會的用電量，為了實現(xiàn)電能發(fā)生與消納的同時性，既能作為電源，也能作為電器的儲能，將得到極大的發(fā)展。展望未來，儲能的分布將遍布發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用電側(cè)，發(fā)電側(cè)儲能將賦予可再生能源電站超越火電站的靈活性，電網(wǎng)側(cè)儲能與智慧電網(wǎng)建設(shè)將實現(xiàn)精準(zhǔn)的電力供需匹配，用電側(cè)儲能將提高家庭和企業(yè)的供電穩(wěn)定性，甚至形成“光伏+儲能”自發(fā)自用、各戶獨立的離網(wǎng)模式。從儲能技術(shù)上看，抽水蓄能仍將是儲能的重要組成部分，電化學(xué)儲能等可實現(xiàn)日內(nèi)的靈活調(diào)節(jié)，飛輪儲能等技術(shù)可實現(xiàn)電網(wǎng)極短時間內(nèi)的調(diào)頻，壓縮空氣儲能、氫儲能將作為長時儲能，實現(xiàn)能量跨日乃至跨季度的匹配。至此，整個電力從產(chǎn)生到運輸?shù)絻Υ?、使用的環(huán)節(jié)將不再涉及碳的排放，電力部門減碳將為碳中和提供最強(qiáng)大的助力。

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　　來源：探臻科技評論