在2022年全國能源工作會(huì )議上，國家能源局發(fā)布了2022年能源工作的七大重點(diǎn)任務(wù)，“儲能”的概念多次出現，如重點(diǎn)推動(dòng)燃氣輪機、核電、可再生能源、油氣、儲能、氫能等重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)攻關(guān);推動(dòng)新型儲能規?；袌?chǎng)化發(fā)展，探索氫能、綜合智慧能源服務(wù)發(fā)展新模式。
實(shí)現“雙碳”目標，需要構建以新能源為主體的新型電力系統。然而，太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源供應“靠天吃飯”、出力波動(dòng)不定。于是，儲能被視為調節新能源波動(dòng)性、實(shí)現并網(wǎng)穩定的關(guān)鍵技術(shù)。
儲能究竟是什么?它能填上供電安全的“缺”嗎?
供電安全的“缺”，誰(shuí)來(lái)填?
能源分布不均、依賴(lài)化石能源，是我國能源發(fā)展格局中長(cháng)期存在的問(wèn)題。
截至本世紀初，我國已探明煤炭?jì)α?044億噸，其中70%分布在山西、陜西和內蒙古;可開(kāi)發(fā)水電資源1923.3億千瓦時(shí)，99.4%分布在中、西部地區(其中65%分布在四川、云南和西藏);石油資源890億噸，主要分布在東、西部地區;天然氣資源20×1013立方米，主要分布在新疆、青海和四川。
相關(guān)統計數據顯示，20世紀70年代以來(lái)，化石能源在我國一次能源構成中的占比呈逐年下降趨勢，但仍以煤炭為主。
東西部分布不均，富煤、貧油、少氣的能源資源特點(diǎn)，決定了我國電力系統結構長(cháng)期以燃煤發(fā)電為主，基本形成了“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”的格局。
近年來(lái)，隨著(zhù)傳統能源日益匱乏、環(huán)境日趨惡化、新能源不斷發(fā)展，我國電力系統結構逐漸優(yōu)化。
國家能源局發(fā)布的數據顯示，2021年前11個(gè)月，我國新能源發(fā)電量達到10355.7億千瓦時(shí)，年內首次突破1萬(wàn)億千瓦時(shí)，同比增長(cháng)32.97%，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電累計裝機容量穩居世界首位;新能源發(fā)電量對全國電力供應的貢獻不斷提升，占全國全社會(huì )用電量的比例達13.8%，同比提升2.14個(gè)百分點(diǎn)。
這也帶來(lái)了新的問(wèn)題——新能源出力缺乏可控性、供電不穩定，威脅電力系統穩定運行。
以風(fēng)能和太陽(yáng)能為例。風(fēng)速、太陽(yáng)光輻射取決于自然條件、難以調節控制，這意味著(zhù)風(fēng)能、太陽(yáng)能本身具有波動(dòng)性和間歇性，導致風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電出力不穩定。當其容量占比較小時(shí)，尚可利用電網(wǎng)控制與配電技術(shù)保證電網(wǎng)穩定運行，反之則會(huì )對電網(wǎng)正常供電產(chǎn)生明顯影響。
【注：風(fēng)電單日波動(dòng)最大幅度可達裝機容量的80%，光伏日內出力波動(dòng)值可達裝機容量的100%?！?/p>
在我國新能源發(fā)電大規模開(kāi)發(fā)、并網(wǎng)背景下，新能源發(fā)電不穩定成為電力系統發(fā)展的制約因素。如何才能有效控制新能源發(fā)電出力，確保電網(wǎng)安全穩定?面對以上現實(shí)需求，儲能技術(shù)逐漸走進(jìn)人們視野。
儲能，就是將電能轉換為化學(xué)能、勢能、動(dòng)能、電磁能等形態(tài)進(jìn)行存儲，待需要時(shí)再轉換為電能釋放。這一能量轉換過(guò)程，可實(shí)現電力的時(shí)序調節，發(fā)電不需即時(shí)傳輸，有效提高新能源發(fā)電的可調可控性。
除發(fā)電側外，儲能技術(shù)還能參與電網(wǎng)側調峰調頻、用戶(hù)側削峰填谷等環(huán)節，緩解高峰負荷供電需求，提高電能質(zhì)量和用電效率，助力新能源高效利用以及多種能源開(kāi)放互聯(lián)、協(xié)同發(fā)展。
【注：調峰，在用電高峰期為電網(wǎng)提供額外電量，或響應新能源消納降低輸出功率;調頻，精準調節波動(dòng)的電壓和功率;削峰填谷，在用電低谷時(shí)段充電、高峰時(shí)段放電，利用峰谷電價(jià)差獲得收益或減少成本?！?/p>
根據國家規劃，預計到“十四五”末，可再生能源發(fā)電裝機占電力總裝機的比例將超過(guò)50%。2021年冬季，全國各地“拉閘限電”頻現，再次提醒人們新能源充分承擔電力系統責任的重要性，而這恰恰需要儲能系統的跟進(jìn)調節。隨著(zhù)“雙碳”進(jìn)程不斷推進(jìn)，新能源將成為各地的主力電源，儲能系統更能發(fā)揮提高電網(wǎng)安全性和穩定性的重要作用。
中國工程熱物理學(xué)會(huì )副理事長(cháng)兼秘書(shū)長(cháng)、中國能源研究會(huì )儲能專(zhuān)委會(huì )主任陳海生研究員認為，既要實(shí)現“雙碳”目標、又要保障國家能源安全，這是中國面臨的重大需求和挑戰，而發(fā)展儲能技術(shù)是一種有效的途徑。
存電，沒(méi)那么簡(jiǎn)單
提到儲存電能的方法，人們多會(huì )聯(lián)想到日常生活中隨處可見(jiàn)的電池。
實(shí)際上，儲能的方式多種多樣。按照存儲能量的形式，儲能可大致分為物理儲能和化學(xué)儲能兩大類(lèi)。其中，物理儲能又包括機械儲能和電磁場(chǎng)儲能，化學(xué)儲能則分為電化學(xué)儲能(電池儲能)和氫儲能。
具體而言，抽水蓄能、壓縮空氣儲能等，都是比較常見(jiàn)的物理儲能形式。
抽水蓄能指在電力負荷低谷時(shí)段把下水庫的水抽到上水庫內，以水力勢能的形式蓄能;在負荷高峰時(shí)段再放水發(fā)電，將水力勢能轉換為電能。但水資源易蒸發(fā)、泵水耗費功率高，其能量轉換效率一般為70%左右。
壓縮空氣儲能技術(shù)基于燃氣輪機技術(shù)而發(fā)展，其工作原理是：用電負荷低谷時(shí)，利用富余電量驅動(dòng)空氣壓縮機，以高壓空氣形式存儲能量，負荷高峰時(shí)再釋放高壓空氣、驅動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。其儲能容量大、燃料消耗少，能源轉化率可達75%左右。
化學(xué)儲能中，電化學(xué)儲能主要利用電池正負極氧化還原反應進(jìn)行充放電，電池是其能量轉換的主要載體。它不受地理等外部條件限制，適合大規模應用和批量化生產(chǎn)，但電池使用壽命有限、成本較高。
針對不同儲能應用，電池類(lèi)型也有所不同。傳統的電化學(xué)電池以鉛酸電池為代表;便攜電子產(chǎn)品的出現帶動(dòng)了鎳氫電池發(fā)展;電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展促進(jìn)了鋰離子電池技術(shù)進(jìn)步;新能源發(fā)電不斷推廣后，鈉硫電池、全釩液流電池等針對大規模儲能應用的電池也隨之出現……
除了常規電池儲能，氫能也是備受關(guān)注的化學(xué)儲能方式。
氫的還原性強，熱值(120.0MJ/kg)是同質(zhì)量化石燃料熱值的2-4倍，既能和氧氣燃燒產(chǎn)生熱能，也能通過(guò)燃料電池轉化成電能，且能量轉化過(guò)程中不產(chǎn)生溫室氣體、清潔環(huán)保。
此外，相較電儲能方式，氫的能量密度高、能量容量成本小，儲能能力極佳，可實(shí)現長(cháng)時(shí)間儲能或季節性?xún)δ?，對于新能源轉化電能而言也是很好的儲運介質(zhì)。
氫能利用涉及制氫、儲氫、輸氫、用氫多個(gè)環(huán)節。天然氣制氫、煤制氫是氫氣工業(yè)生產(chǎn)主要方式。目前，主要使用的儲氫技術(shù)有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫和有機液態(tài)儲氫。而利用現有天然氣管網(wǎng)，將新能源制氫混入天然氣管道，是氫能輸送的經(jīng)濟方法。
但從目前看來(lái)，氫儲能還需在制氫效率、價(jià)格以及使用效率等方面進(jìn)一步突破，具體體現在：
制氫效率整體偏低，質(zhì)子交換膜、高溫電制氫等高效率制氫普遍存在技術(shù)不夠成熟、價(jià)格昂貴等問(wèn)題;
儲氫方式以高壓氣態(tài)儲運為主(國內主要采用35 MPa 碳纖維復合鋼瓶?jì)\)，儲氫罐加壓過(guò)程成本較大，且隨著(zhù)壓力增大儲氫安全性也會(huì )有所降低;
在用氫層面，燃料電池的實(shí)際工作效率(約為40%-60%)遠達不到理論效率(85%-90%);氫氣若用作儲能媒介，在轉換過(guò)程中也存在著(zhù)能量浪費。
全球狂熱，后發(fā)趕超
可以說(shuō)，儲能為電網(wǎng)系統提供了容量巨大的“充電寶”，成為新能源高比例并網(wǎng)背景下電網(wǎng)穩定的重要技術(shù)支撐。
過(guò)去近20年來(lái)，各國紛紛探索儲能領(lǐng)域，美國和日本發(fā)展較早。根據美國能源部信息中心數據，2004-2014年，由美國、日本、歐盟等實(shí)施的MW(兆瓦)級及以上規模的儲能示范工程有180余項。從地域分布上看，美國項目數量占全球總項目數量的44%。
從儲能類(lèi)型上看，抽水蓄能是目前技術(shù)成熟、應用最廣泛的大規模儲能技術(shù)。但由于地理條件限制，開(kāi)發(fā)潛力和增長(cháng)空間與電化學(xué)儲能技術(shù)相比較弱。截至2020年底，在全球已投運儲能累計裝機中，抽水蓄能所占份額達90%以上，但增速極低(同比增長(cháng)0.9%);與之相比，電化學(xué)儲能占比僅7%左右，同比增長(cháng)卻高達49.6%。
中國儲能技術(shù)進(jìn)步迅猛。2003年起，中國逐步實(shí)現抽水蓄能電站機組及成套設備制造自主化，抽水蓄能電站裝機容量躍居世界第一，解決了世界工程極限低溫下瀝青混凝土、高海拔低溫超長(cháng)面板一次成型、復雜地質(zhì)條件下過(guò)渡料爆破開(kāi)采等技術(shù)難題。
電化學(xué)儲能更是飛速發(fā)展：2015-2020年，電化學(xué)儲能裝機復合增長(cháng)率超80%;2020年，中國成為全球最大電化學(xué)儲能市場(chǎng)(市場(chǎng)占有率達33%)，鋰離子電池、鉛炭電池和全釩液流電池等方面研發(fā)應用已處國際先進(jìn)水平。
截至2020年底，中國已投運儲能項目累計裝機規模占全球市場(chǎng)總規模的18.6%。其中規模最大的是抽水蓄能，電化學(xué)儲能位列第二，各類(lèi)電化學(xué)儲能技術(shù)中規模最大的是鋰離子電池。
此外，中國已發(fā)布儲能技術(shù)相關(guān)國家標準35項、行業(yè)標準9項、企業(yè)標準14項、團體標準若干項。
電儲能技術(shù)迅猛發(fā)展的同時(shí)，各個(gè)地方亦結合自身優(yōu)勢，積極探索氫儲能發(fā)展之路。廣東省佛山市南海區就是其中之一。
“十二五”以來(lái)，南海區地區生產(chǎn)總值呈現快速增長(cháng)趨勢，占佛山市地區生產(chǎn)總值比重常年穩定在27%以上。依托經(jīng)濟發(fā)展，南海區裝備制造業(yè)加速轉型升級，在數控機床、制造機器人等先進(jìn)裝備制造領(lǐng)域取得突破，并率先布局氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)新能源汽車(chē)制造業(yè)發(fā)展。
2017年，南海區于全國率先啟動(dòng)科技部/聯(lián)合國開(kāi)發(fā)計劃署“促進(jìn)中國燃料電池汽車(chē)商業(yè)化發(fā)展”項目，并建成了國內首個(gè)商業(yè)化加氫站——瑞暉加氫站。目前，全區已投入847輛氫能車(chē)輛運行，燃料電池汽車(chē)保有量超過(guò)全國的10%，是國內燃料電池汽車(chē)運行規模最大的縣級區。
如今，南海已匯集87家氫能企業(yè)、科研院所及相關(guān)機構，推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研用平臺建設，涵蓋了氫氣生產(chǎn)儲運及設備研制、加氫站設計與建設、燃料電池及系統、核心材料與部件、整機研發(fā)制造、產(chǎn)品檢測及設備研制、標準制定、人才培養等8大環(huán)節，形成了較完整的、具有國內自主知識產(chǎn)權的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。
近年來(lái)，我國儲能技術(shù)的進(jìn)步有目共睹，但總體來(lái)看尚處于發(fā)展初步階段，尚存諸多問(wèn)題。比如：研發(fā)體系不健全、缺乏進(jìn)行運行評估的實(shí)際數據;儲能技術(shù)發(fā)展參差不齊，技術(shù)成本和安全性問(wèn)題有待進(jìn)一步突破。
據不完全統計，近10年間，全球共發(fā)生32起儲能電站起火爆炸事故，其中中國3起，給電池質(zhì)量、安全管理、預警監控消防系統、運行環(huán)境等多個(gè)環(huán)節敲響警鐘。
春日將至，穩步前行
除了技術(shù)進(jìn)步，儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展還需要高站位的全景規劃。
我國儲能產(chǎn)業(yè)的戰略布局可追溯到2005年的《可再生能源發(fā)展指導目錄》;此后，2010年出臺的《可再生能源法修正案》明確規定電網(wǎng)企業(yè)應發(fā)展和應用智能電網(wǎng)、儲能技術(shù);2011年，儲能被寫(xiě)入“十二五”規劃綱要。
2017年10月，國家發(fā)展和改革委員會(huì )、國家能源局等五部門(mén)聯(lián)合出臺《關(guān)于促進(jìn)我國儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見(jiàn)》，指出要在“十三五”期間實(shí)現儲能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期過(guò)渡，“十四五”期間實(shí)現商業(yè)化初期向規?；l(fā)展轉變。同時(shí)，各省區市也陸續出臺關(guān)于推動(dòng)儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。
2021年，隨著(zhù)“雙碳”目標提出，國家發(fā)展和改革委員會(huì )、國家能源局再次聯(lián)合發(fā)布針對儲能產(chǎn)業(yè)的國家級綜合性政策文件《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲能發(fā)展的指導意見(jiàn)(征求意見(jiàn)稿)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為《指導意見(jiàn)》)，明確提出：到2025年，實(shí)現新型儲能從商業(yè)化初期向規?；l(fā)展轉變，裝機規模達3000萬(wàn)千瓦以上;到2030年，實(shí)現新型儲能全面市場(chǎng)化發(fā)展。
在國家政策引領(lǐng)下，張北國家風(fēng)光儲輸示范工程、遼寧臥牛石風(fēng)電場(chǎng)全釩液流電池儲能示范電站、甘肅酒泉MW級儲能電站、青海15MW儲能電站……大批示范性?xún)δ茈娬竞凸鈨σ惑w化電站順利落地，并逐步從試驗示范邁向商業(yè)化推廣。
據統計，2021年上半年，國內新增新型儲能項目257個(gè)(包括規劃、在建、運行項目)，儲能總規模達11.8吉瓦，是2020年同期的9倍;新增投運項目規模304.4兆瓦，其中百兆瓦以上大規模項目是2020年同期的8.5倍。
【注：10000千瓦=10兆瓦=0.01吉瓦】
此外，《指導意見(jiàn)》還指出，儲能技術(shù)要以需求為向導，堅持多元化發(fā)展。這提醒我們，要做好儲能產(chǎn)業(yè)的前瞻性規劃研究，避免資源無(wú)效配置，推動(dòng)商業(yè)化發(fā)展。
儲能項目投資成本偏高，社會(huì )資本難以進(jìn)入;儲能項目商業(yè)模式的不穩定性，導致融資渠道有限，儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化相關(guān)政策體系和價(jià)格機制有待完善……囿于以上因素，當前我國電儲能商業(yè)化應用仍集中在新能源發(fā)電側和電網(wǎng)側，在用戶(hù)側的商業(yè)化探索相對有限，亟待政策推動(dòng)。
2021年，已有多省在新能源競價(jià)招標方案中明確新能源配儲比例要求，一般在5%-20%之間、儲能時(shí)長(cháng)2小時(shí)。隨著(zhù)可再生能源占比不斷提高，我國電力結構將發(fā)生重大變化，對于儲能技術(shù)和市場(chǎng)的要求也會(huì )不斷提高。我們要做的就是不斷提升技術(shù)、勇敢迎接挑戰。
