從技術視角分析上海儲能技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

杜坤杰

上海新能源科技成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)促進中心

0 前言

當前，新一輪的能源革命已初露端倪，努力構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系是“十三五”時期我國能源發(fā)展的目標[1]。儲能是構(gòu)建現(xiàn)代能源體系的關鍵支撐技術之一。2019年，諾貝爾化學獎授予美國固體物理學家約翰·巴尼斯特·古迪納夫（John B.Goodenough）等三位科學家，以表彰他們在鋰電池方面做出的巨大貢獻，儲能領域也成為國際能源界關注的熱點。

儲能市場前景廣闊，發(fā)展空間巨大。在電力系統(tǒng)，儲能可為電網(wǎng)提供調(diào)峰調(diào)頻、削峰填谷、黑啟動、需求響應支撐等多種服務，提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的靈活性、經(jīng)濟性和安全性。在新能源開發(fā)上，可顯著提高風、光等可再生能源的消納水平，支撐分布式電力及微網(wǎng)。面對越來越普及的新能源汽車，儲能將在能源互聯(lián)互通、融合新能源汽車在內(nèi)的智慧交通網(wǎng)絡起到關鍵作用。

“十三五”以來，國內(nèi)外儲能行業(yè)發(fā)展勢頭強勁。據(jù)中關村儲能產(chǎn)業(yè)技術聯(lián)盟（CNESA)的統(tǒng)計和預測，2016～2020年我國儲能行業(yè)投資建設規(guī)模在1 400～2 300億元，年均投資規(guī)模約為280～460億元[2]，未來10年我國儲能行業(yè)將迎來快速發(fā)展期，目前正處于發(fā)展的臨界點。2016年，國家發(fā)改委等三部門聯(lián)合印發(fā)《中國制造2025——能源裝備實施方案》，儲能成為能源裝備發(fā)展任務的15個領域之一。2017年，國家能源局等多部委聯(lián)合印發(fā)《促進儲能技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》，這是我國首個國家層面出臺的儲能產(chǎn)業(yè)政策。在地方層面，山西省針對儲能參與電力調(diào)峰調(diào)頻服務出臺了有關鼓勵政策，國網(wǎng)江蘇省電力公司制定了支持客戶側(cè)儲能系統(tǒng)發(fā)展的管理規(guī)范，北京、廣東、福建等地方政府和電力公司也在積極探索儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑，制定相關支持政策。

1 儲能技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

儲能作為能源產(chǎn)業(yè)最具發(fā)展前景的前瞻性技術，呈現(xiàn)多元發(fā)展的良好態(tài)勢。按照技術類型大致可分為：物理儲能（抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）；電磁儲能（超級電容器、超導電磁儲能等）；電化學儲能（鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池等）；熱儲能和化學類儲能（氫能、合成燃料等）“五類”。

在物理儲能方面，抽水蓄能占全球總儲能容量的98%，是目前最為成熟的儲能技術。壓縮空氣儲能發(fā)展也較快，在德國和美國得到一定的商業(yè)應用。抽水蓄能和壓縮空氣儲能對環(huán)境、地理條件都有較高的要求，應用受到限制。在新型壓縮空氣儲能方面，國際上只有美國、英國等個別機構(gòu)具備兆瓦級的生產(chǎn)設計能力。中科院工程熱物理研究所經(jīng)過十多年的研究攻關，已突破1～10 MW新型壓縮空氣儲能各項關鍵技術，10 MW儲能示范系統(tǒng)效率達60.2%，是全球目前效率最高的壓縮空氣儲能系統(tǒng)。中科院工程熱物理研究所正在研發(fā)100 MW級技術，預計額定效率將達到70%左右[3]。飛輪儲能屬于功率型儲能，主要應用在UPS中。

在電磁儲能方面，超級電容器充放電速度快，適合于需要提供短時較大脈沖功率的場合。美國、日本、俄羅斯等產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個超級電容器市場。國內(nèi)超級電容研發(fā)起步晚，達到市場化水平的企業(yè)僅有10多家，其中上海奧威公司技術領先，已達到了國際同類先進產(chǎn)品的水平。目前，能量密度低、成本高，以及電池壽命和安全問題是超級電容器面臨的主要挑戰(zhàn)。石墨烯柔性超級電容器為其發(fā)展提供了新思路。超導電磁儲能是將電能以電磁能的形式儲存在超導線圈中，具有功率密度高、綜合效率高和響應速度快的優(yōu)點，尚處于前期研發(fā)階段，僅在美國、日本和歐洲得到初步應用。

在化學儲能方面，鉛酸電池技術成型早、材料成本低，是目前發(fā)展最為成熟的一種化學電池，缺點是能量密度低、可充放電次數(shù)少，制造過程中存在一定污染。我國是鉛酸電池的第一大生產(chǎn)國和使用國。鉛碳電池是鉛酸電池的演進技術，提升了電池的功率密度，延長循環(huán)壽命，是鉛酸電池發(fā)展的主流方向。鋰電池已成為全球最具競爭力的化學儲能技術，發(fā)展勢頭迅猛，是當前增速最快的儲能技術。鈉離子電池是前沿技術的研究熱點，也將是未來儲能技術發(fā)展的重要選擇之一。液流電池的發(fā)展較為平穩(wěn)，全釩液流電池和鋅溴液流電池相對成熟，主要應用于大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)領域。鈉硫電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，最近20年發(fā)展迅猛。日本NGK公司是國際上唯一實現(xiàn)鈉硫電池產(chǎn)業(yè)化的機構(gòu)。2015年，鈉硫電池系統(tǒng)發(fā)生火災事件后，NGK公司改進了電池結(jié)構(gòu)并加強安全性研發(fā)，目前仍然引領著全球鈉硫電池的發(fā)展。中科院上海硅酸鹽研究所在國內(nèi)鈉硫電池領域一直處于領先水平，在國際上也具有很強的研發(fā)競爭力[4]。

儲熱技術包括顯熱儲熱、潛熱儲熱、熱化學儲熱。目前，潛熱儲熱是研究熱點，熱化學儲熱在前沿技術方面發(fā)展得最快。

氫儲能技術是解決大規(guī)模風電儲存的一種新途徑,適于商業(yè)應用的有高壓氣態(tài)儲氫技術、低溫液態(tài)儲氫技術、金屬氫化物儲氫技術，研究側(cè)重于安全性、成本和體積密度。

美國為支持儲能發(fā)展，從2009年開始出臺一系列產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和財稅政策支持研發(fā)及示范應用。日本也投入大量資金支持核心設備開發(fā)、示范項目建設及商業(yè)化運作。歐盟、加拿大、韓國等國家也分別出臺相應政策激勵儲能行業(yè)發(fā)展。近年來，我國在儲能項目規(guī)劃、政策支持和產(chǎn)能布局等方面也加快了步伐，國內(nèi)儲能行業(yè)正蓄勢待發(fā)。

2 上海發(fā)展儲能技術的重要性和優(yōu)勢基礎

當前，在全球大力倡導發(fā)展清潔能源的時代背景下，開發(fā)能量密度更高、循環(huán)壽命更長、系統(tǒng)成本更低、安全性能更好的儲能技術已成為各國政府支持研究計劃的一個重要內(nèi)容。近年來，上海在相關部門引導和支持下，在儲能領域組織開展了大量的研發(fā)和示范工作，促進了儲能產(chǎn)業(yè)化應用。在新形勢下，我們認為上海發(fā)展儲能的重要性和具備的基礎有以下5點。

1）能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展給儲能技術帶來新的機遇，儲能技術將帶來變革性的突破

在可再生能源、電動汽車和能源互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的推動下，儲能行業(yè)有望呈爆發(fā)性增長態(tài)勢，儲能系統(tǒng)性能和技術將進入一個良性快速的發(fā)展階段。目前，儲能電池成本、能量密度與市場的期望值還有很大距離，從當前的研究成果看，儲能技術有望迎來重大突破，未來市場前景廣闊。2017年，國家能源局等五部門聯(lián)合印發(fā)《關于促進儲能技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》[5]，提出未來10年二步走的實施路經(jīng)，即“十三五”期間儲能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期過渡，“十四五”期間實現(xiàn)商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變。上海必須牢牢把握產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大機遇，以全面掌握國際領先的儲能關鍵技術和核心裝備、形成完整的產(chǎn)業(yè)體系為目標，大力推動儲能技術研發(fā)和應用，支撐上海能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，并拉動能源相關產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

2）以儲能技術的發(fā)展應用為突破口，保障上海電力安全，牢固守住超大城市的能源安全底線

“十三五”以來，我國能源供應緊張的現(xiàn)象得到有效緩解，但上海作為超大城市，能源安全面臨新的問題：全市最大用電峰谷差已超過1 300萬kw，電力調(diào)峰矛盾十分突出；上海全市平均供電可靠性為99.969%，低于新加坡（99.9999%）、東京（99.9994%）、香港（99.9981%）。這些問題的解決，近期主要通過華東電網(wǎng)電量置換等管理措施，但是未來更多是需要儲能、分布式供能等新技術的突破。

3）代表國家參與全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設，打造長三角區(qū)域先進儲能技術的策源地

能源互聯(lián)網(wǎng)是未來能源發(fā)展的重要方向。2015年9月，中國提出探討構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的倡議。儲能是構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)、推動我國電力體制改革和促進能源新業(yè)態(tài)發(fā)展的核心基礎和關鍵支撐技術。上海應抓住機遇，結(jié)合落實“長三角區(qū)域一體化發(fā)展”等國家戰(zhàn)略，充分發(fā)揮上?？蒲谢A雄厚、國際化程度高的優(yōu)勢，著力推進儲能技術研發(fā)示范，爭取在全國率先取得突破，帶動國內(nèi)能源技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，也為國家參與全球能源治理發(fā)揮重要作用，并將其成為上海建設全球科創(chuàng)中心的重要載體。

4）上?？蒲辛α烤奂?，研發(fā)創(chuàng)新鏈較為齊全，具備發(fā)展儲能的良好科研基礎

自“十五”以來，在市科委等部門的推動下，上海在鈉硫電池、鋰電池和超級電容等技術研發(fā)及示范上取得了一批在國內(nèi)外有較大影響的科研成果。2008年，中科院硅酸鹽研究所研發(fā)出650 Ah(安時)的單體鈉硫電池，使我國成為自日本之后第二個掌握單體鈉硫電池技術的國家。2014年，中科院硅酸鹽研究所在崇明島建設了國內(nèi)首個鈉硫電站工程化示范項目。上?？臻g電源研究所和上海動力儲能電池系統(tǒng)工程技術有限公司在國內(nèi)首次完成兆瓦級儲能電池系統(tǒng)的全生命周期安全性評估和多層級安全性設計。面對上海已成為全球新能源汽車擁有量最大城市的現(xiàn)狀，上海動力儲能電池系統(tǒng)工程技術有限公司采用電動大巴退役鋰電池，建成了電池梯次利用儲能系統(tǒng)。上海電氣集團研發(fā)動力儲能梯次電池快速檢測和篩選方法，解決電池梯次利用的一致性難題，并應用于工程示范。上海交通大學馬紫峰團隊完成的“磷酸鐵鋰動力電池制造及其應用過程關鍵技術”項目榮獲2018年國家科技進步二等獎。此外，復旦大學、上海交通大學開展了鈉離子電池等前沿技術研究。復旦大學建成我國第一條具有自主知識產(chǎn)權的水系離子電池生產(chǎn)線。上海奧威科技開發(fā)有限公司研制的超級電容公交車除供上海使用外，還出口到東歐、西亞和北非等國家，產(chǎn)品滿足歐盟標準認證，成為了上海特色產(chǎn)品。在儲熱領域，中科院上海應用物理研究所掌握高溫熔鹽蓄熱系統(tǒng)方案，建設國際首個10 MW超高溫熔鹽儲能示范裝置。沙特電力（ACWA）和上海電氣聯(lián)合體中標全球最大的迪拜700 MW光熱電站，極大地推動了中國光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈拓展國際市場的步伐。

5）長三角一體化戰(zhàn)略為上海發(fā)展儲能技術提供了新機遇

受土地、人力成本及環(huán)保等要素制約，上海的儲能電池生產(chǎn)企業(yè)相對較少，產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為薄弱。但周邊省市強大的產(chǎn)業(yè)基礎，為上海推動儲能技術發(fā)展提供了有利條件。據(jù)初步調(diào)研，浙江南都電源動力股份有限公司是全球最大的蓄電池生產(chǎn)企業(yè)之一，杉杉股份是國內(nèi)最大的鋰電池綜合材料供應商，合肥國軒高科具有完整的鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈，陽光電源利用其技術優(yōu)勢構(gòu)建了儲能云平臺，江蘇國泰具有優(yōu)勢的鋰離子電池電解液。在2018年首屆中國國際進口博覽會上，習近平宣布將長三角區(qū)域一體化發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略。上海要以落實國家戰(zhàn)略為契機，依托豐富的科技資源，全力打造包括儲能技術等新能源科技創(chuàng)新的策源高地。

3 上海發(fā)展儲能技術和產(chǎn)業(yè)的建議

儲能系統(tǒng)作為新能源發(fā)展的“最后一公里”，在可再生能源、能源互聯(lián)網(wǎng)等領域具有重要作用。上海要站在提升科技創(chuàng)新策源能力的高度，將“科研密度”轉(zhuǎn)化為“創(chuàng)新濃度”，有效地推動上海儲能技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1）緊盯國際前沿技術趨勢，打造具有國際水準的技術高地

不同的儲能技術在原理上差異很大，其關鍵科學問題與技術難點也有所不同。要組織專家團隊深入論證，科學研判儲能技術發(fā)展及市場走勢，制定發(fā)展路線圖。現(xiàn)階段不但要加強低成本、高安全、長壽命的鋰電池技術研究，也要密切關注液態(tài)鈉離子電池、固態(tài)電池、基于石墨烯的儲能電池等國際前沿技術，提前布局研發(fā)一批重大關鍵技術與核心裝備，建成一批不同技術類型、不同應用場景的試點示范項目，在更高起點上形成上海的技術競爭力。

2）依托長三角一體化發(fā)展戰(zhàn)略,打造科技創(chuàng)新的策源高地

上海有交通大學、復旦大學等著名高校，以及中科院、航天集團旗下的研究所等國家隊，還有上海電氣、上海奧威等地方生力軍，儲能研發(fā)力量雄厚。上海要與蘇浙皖三省的企業(yè)形成產(chǎn)學研合作模式，將其納入長三角產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新城市聯(lián)盟等開放創(chuàng)新平臺，緊密協(xié)作，以上海技術培育出國內(nèi)更多的具有新技術、新模式、新業(yè)態(tài)的“獨角獸”和“隱形冠軍”企業(yè)，共同把長三角地區(qū)建設成為我國儲能技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展強勁活躍的聚集地。

3）開放上海創(chuàng)新資源,打造儲能電池標準及檢測服務高地

依托上海的工程技術中心、公共服務平臺等基礎，集合上海市儲能各領域的力量，開放科研設施，建立新能源發(fā)電并網(wǎng)、風電調(diào)頻、削峰填谷、戶用儲能、電動車儲充一體等不同應用領域和應用場景下的儲能系統(tǒng)準入標準，建設相應的檢測評價平臺，形成儲能電池及系統(tǒng)性能診斷、壽命預測、殘值評估及失效分析服務能力，為長三角乃至全國儲能系統(tǒng)應用推廣提供評測與分析服務。

4 結(jié)語

儲能技術被稱為“能源革命的支撐技術”，正處于研發(fā)示范向商業(yè)化過渡的關鍵階段。上海要發(fā)揮科技資源集聚的優(yōu)勢，依托長三角一體化發(fā)展國家戰(zhàn)略，打造科技創(chuàng)新的策源高地，大力開展儲能技術研發(fā)和綜合應用示范，對于推動儲能技術和產(chǎn)業(yè)在我國的快速發(fā)展具有重要的意義。