儲能技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用探討

宋丹丹馬憲國

1.上海市能效中心 2.上海理工大學(xué)

0 概述

隨著我國社會發(fā)展，能源與環(huán)境問題日益突出。能源互聯(lián)網(wǎng)能夠提高能源利用效率，促進清潔能源利用，降低國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展對傳統(tǒng)化石能源的依賴程度，從根本上改變我國的能源生產(chǎn)和消費模式，從而有效解決我國能源消費與經(jīng)濟發(fā)展之間的矛盾以及能源安全問題。儲能是提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟性和安全性的重要手段，是推動能源消費由化石能源向可再生能源更替的關(guān)鍵技術(shù)，也是構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)、推動電力體制改革和促進能源新業(yè)態(tài)發(fā)展的核心基礎(chǔ)。大規(guī)模電力儲能作為能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的重要支撐環(huán)節(jié)，具有削峰填谷、平滑電網(wǎng)波動以及消納清潔能源等重要作用。

2014年11月，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014-2020）》明確提出：“提高可再生能源利用水平，加快電源與電網(wǎng)的統(tǒng)籌規(guī)劃，科學(xué)安排調(diào)峰調(diào)頻、儲能配套能力，切實解決棄風(fēng)、棄光問題”。首次將發(fā)展儲能技術(shù)列入國家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。

2017年10月，國家發(fā)展改革委、國家能源局等五部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于促進儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確了未來十年中國儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)和任務(wù)?！吨笇?dǎo)意見》指出，儲能是智能電網(wǎng)、可再生能源高占比能源系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源（簡稱能源互聯(lián)網(wǎng)）的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù)。

在全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略需求下，大規(guī)模電力儲能作為國家確定的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在提高新能源接入、削峰填谷和電能質(zhì)量補償?shù)葢?yīng)用領(lǐng)域潛在市場容量巨大。近年來，我國儲能呈現(xiàn)多元發(fā)展的良好態(tài)勢，總體上已經(jīng)初步具備了產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)一些地方已經(jīng)在電網(wǎng)側(cè)建成儲能示范項目，并已投入運行。

1 儲能技術(shù)路線

現(xiàn)階段，電力儲能技術(shù)主要包括抽水蓄能、電化學(xué)儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能等類型。抽水蓄能電站具有啟動靈活、爬坡速度快和低谷儲能的特點，在削峰填谷和提高新能源接入等領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，是目前商業(yè)化運行的主流儲能類型，但其存在建設(shè)周期較長、受地形制約、環(huán)境破壞等問題。壓縮空氣儲能成本較低、壽命長，安全系數(shù)高，與抽水蓄能類似，也會受地形制約，建設(shè)周期也較長，還會帶來一定的生態(tài)問題。其它諸如飛輪儲能、超導(dǎo)儲能等新型儲能技術(shù)目前還處于示范應(yīng)用階段。相比其它類型儲能技術(shù)，電化學(xué)儲能系統(tǒng)具有選址靈活、建設(shè)周期短、功率容量靈活可控、響應(yīng)速度快、易規(guī)?；忍攸c，在電力儲能領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

電化學(xué)儲能主要是通過氧化還原化學(xué)反應(yīng)進行能量的存儲和釋放，這類儲能技術(shù)運用非常廣泛。電化學(xué)儲能系統(tǒng)主要包括電化學(xué)儲能單元、儲能單元管理系統(tǒng)、儲能雙向變流器、就地監(jiān)控系統(tǒng)、儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)等幾部分組成。監(jiān)控系統(tǒng)采用層次化的監(jiān)控架構(gòu)，實現(xiàn)對電化學(xué)儲能系統(tǒng)的智能化監(jiān)測、控制和保護功能。雙向變流器是電化學(xué)儲能單元與電網(wǎng)之間實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的聯(lián)系紐帶，以實現(xiàn)儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)的柔性連接。同時雙向變流器采集電網(wǎng)信息，參與電網(wǎng)的電壓/無功控制，實現(xiàn)防孤島保護或作為應(yīng)急電源使用。

本文主要介紹電化學(xué)儲能技術(shù)中的三種儲能技術(shù)：鉛酸/碳電池、磷酸鐵鋰電池和全釩液流電池儲能技術(shù)。

電化學(xué)儲能系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 電化學(xué)儲能系統(tǒng)組成示意圖

1.1 鉛酸/碳電池

鉛酸電池是比較成熟的蓄電技術(shù)，是世界上應(yīng)用最廣泛的電池之一。鉛酸電池內(nèi)的陽極（PbO2）及陰極（Pb）浸到電解液（稀硫酸）中，兩極間會產(chǎn)生2V的電勢（鉛酸電池的原理）。鉛酸電池具有價格低廉、安全性相對可靠的優(yōu)點。但存在循環(huán)壽命短、不可深度放電、運行和維護費用高等缺點。

鉛碳電池的技術(shù)由傳統(tǒng)的鉛酸電池演化而來，它是在鉛酸電池的負極中加入活性碳，能夠顯著提高鉛酸電池的壽命。鉛碳電池較鉛酸電池在使用壽命、循環(huán)次數(shù)、系統(tǒng)效率和放電深度等方面均有較明顯的提升，同時鉛碳電池具有成本較低、安全性較好和可再生回收率高等優(yōu)勢。

1.2 鋰離子電池

鋰離子電池分為液態(tài)鋰離子電池（LIB）和聚合物鋰離子電池（PLB）。其中，液態(tài)鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負極的二次電池。電池正極采用鋰化合物L(fēng)iCoO2或LiMn2O4等，負極采用鋰-碳層間化合物。

鋰離子電池的主要優(yōu)點是儲能密度高、儲能效率高、循環(huán)壽命長等。鋰離子電池技術(shù)近年來發(fā)展迅速，成本不斷降低。但鋰離子電池的價格依然偏高，且鋰離子電池有時會因過分充電而導(dǎo)致發(fā)熱、燃燒等安全問題。

1.3 液流電池

液流電池是電池的正負極或某一極活性物質(zhì)為液態(tài)流體氧化還原電的一種電池。根據(jù)活性物質(zhì)不同，研究較多的液流電池有鋅溴電池、多硫化鈉/溴電池及全釩液流電池三種。其中全釩液流電池被認為是最具應(yīng)用前景的液流儲能電池技術(shù)。

全釩液流儲能電池具有循環(huán)壽命長（大于16000次）、蓄電容量大、能量轉(zhuǎn)換效率高、選址自由、可深度放電、系統(tǒng)設(shè)計靈活、安全環(huán)保、維護費用低等優(yōu)點，在輸出功率為若干KW至數(shù)10MW，儲能容量若干小時以上級的規(guī)?；潭▋δ軋龊希毫麟姵貎δ芫哂忻黠@的優(yōu)勢，是大規(guī)模高效儲能的首選技術(shù)之一。

1.4 不同儲能技術(shù)比較

目前比較成熟的電儲能電池包括鉛碳電池、鋰離子電池和液流電池等。衡量各種儲能技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)包括：循環(huán)壽命、儲能效率、最大儲能容量、能量密度、功率密度、響應(yīng)時間、建設(shè)和運行維護成本、技術(shù)成熟度等。不同儲能技術(shù)選型主要取決于循環(huán)壽命、效率、規(guī)模化、成本和安全性等因素。各種儲能電池技術(shù)性能比較如表1所示。

2 儲能應(yīng)用領(lǐng)域

隨著可再生能源的普及、分布式發(fā)電及微電網(wǎng)、電動汽車產(chǎn)業(yè)、智能電網(wǎng)建設(shè)及調(diào)頻輔助服務(wù)的發(fā)展，各種儲能技術(shù)都面臨巨大挑戰(zhàn)和前所未有的發(fā)展機遇，儲能應(yīng)用前景廣闊。目前，我國儲能商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域主要有：可再生能源發(fā)電，用戶側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、電源側(cè)和輔助服務(wù)領(lǐng)域?！巴顿Y+運營”已成為現(xiàn)階段國內(nèi)推進儲能項目開發(fā)的主要模式。

表1 不同儲能技術(shù)性能參數(shù)表

2.1 可再生能源發(fā)電

在集中式可再生能源發(fā)電領(lǐng)域，儲能已被驗證的應(yīng)用主要包括：解決棄風(fēng)/棄光、跟蹤計劃出力、平滑輸出和參與調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)。在此領(lǐng)域，儲能系統(tǒng)的大容量、大規(guī)模建設(shè)和應(yīng)用是重點，因此對儲能的成本、壽命、安全性的要求都很高。但這一模式的投資收益問題還沒有得到解決。在歐美一些國家，配套的儲能會從電網(wǎng)得到補償，而我國目前還沒有形成這種模式，電網(wǎng)不給補償。部分地區(qū)參照抽水蓄能的兩部制補償，即通過容量電價和電量電價對參與輔助調(diào)峰的儲能企業(yè)給予補償。

2.2 用戶側(cè)領(lǐng)域

安裝于工商業(yè)用戶端或是園區(qū)的儲能系統(tǒng)是我國用戶側(cè)儲能的主要應(yīng)用形式，主要服務(wù)于電費管理，幫助用戶降低需量電費和電量電費。在這些領(lǐng)域，儲能既可以與光伏系統(tǒng)聯(lián)合使用，也可以獨立存在。通過峰谷電價差套利是最主要的盈利手段，根據(jù)不同地區(qū)的政策，需量電費管理和需求側(cè)管理是輔助盈利點。由于儲能系統(tǒng)成本有差異，各地區(qū)的峰谷電價差不同，因此項目的盈利空間也有差別。一般情況，當(dāng)峰谷電價差大于0.75元/kWh時才有盈利的空間，以套利為盈利點的儲能項目靜態(tài)投資回收周期在7-9年不等。另一個盈利點是幫助用戶管理電費，削減用戶的高峰用電功率，從而達到削減需量電費的目的。從節(jié)省下來的電費中收取部分費用作為其自身收入。目前，儲能企業(yè)在經(jīng)濟條件較好、峰谷電價差大的地區(qū)密集推進商業(yè)示范項目的開發(fā)。

2.3 電網(wǎng)側(cè)領(lǐng)域

江蘇、河南已有項目正在建設(shè)，部分省市正在積極規(guī)劃。該類儲能項目分為兩種情況：1）不考慮投資效益，一般由電網(wǎng)企業(yè)直接投資、租賃或其它帶資模式；2）考慮投資收益，由政府補貼或發(fā)電企業(yè)購買服務(wù)。第一種情況目前江蘇已經(jīng)有項目正在實施。第二種情況涉及多方利益，需平衡各方利益，目前無相關(guān)政策，推進相對困難。

2.4 輔助服務(wù)領(lǐng)域

儲能系統(tǒng)聯(lián)合火電機組參與調(diào)頻服務(wù)的模式得到快速推廣應(yīng)用。儲能系統(tǒng)與火電機組捆綁參與電網(wǎng)調(diào)頻輔助服務(wù)的商業(yè)示范項目取得了較好的應(yīng)用效果。該類儲能接受電網(wǎng)調(diào)度進行調(diào)峰調(diào)頻服務(wù)時，其容量和效果都是至關(guān)重要的保障條件。這種模式的收益來源主要分享輔助服務(wù)收益。但由于調(diào)頻市場的整體規(guī)模不大，特別是采用類似“按效果付費”的調(diào)頻電價尚未在全國范圍推廣，儲能大規(guī)模參與輔助服務(wù)還需要政策的進一步支持。當(dāng)前，我國正在逐步建立電儲能參與的調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)共享新機制，充分發(fā)揮電儲能技術(shù)在電力調(diào)峰調(diào)頻方面的優(yōu)勢，電力儲能系統(tǒng)在獲得參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)的同時，也能夠按照應(yīng)用效果獲得應(yīng)有的收益。

3 結(jié)論

我國儲能產(chǎn)業(yè)經(jīng)過十多年的發(fā)展，正處于從示范應(yīng)用向商業(yè)化發(fā)展過渡的重要階段。隨著我國能源變革、大規(guī)?？稍偕茉吹慕尤牒碗娏w制改革的進一步深化，都將給儲能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造巨大的市場商機。同時儲能技術(shù)已日趨成熟、儲能成本已大幅降低、儲能的盈利模式也逐步建立、儲能的價值也得到認同以及儲能補貼和補償政策逐步出臺，這些都為儲能未來的廣泛應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。