能源轉(zhuǎn)型中的電化學(xué)儲(chǔ)能

文 | 裴哲義

作者系國(guó)家電網(wǎng)有限公司國(guó)家電力調(diào)度控制中心原副總工程師

新能源裝機(jī)的增長(zhǎng)直接刺激著電化學(xué)儲(chǔ)能的發(fā)展。

綠色、低碳發(fā)展是一場(chǎng)國(guó)際比賽，其中，能源革命是關(guān)鍵。大力發(fā)展清潔能源已在世界范圍形成共識(shí)。全球多個(gè)國(guó)家和國(guó)際組織發(fā)布了面向中長(zhǎng)期的清潔能源發(fā)展規(guī)劃，173個(gè)國(guó)家制定了清潔能源發(fā)展目標(biāo)，146個(gè)國(guó)家出臺(tái)了支持政策。

對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，發(fā)展新能源是能源安全的必然選擇。隨著能源需求穩(wěn)步增長(zhǎng)和“三高”問(wèn)題影響日益突出，我國(guó)能源電力發(fā)展面臨保障持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)和加快清潔低碳轉(zhuǎn)型的雙重挑戰(zhàn)。大力發(fā)展新能源，是破解能源安全難題的關(guān)鍵之一。

同時(shí)，發(fā)展新能源是實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)、應(yīng)對(duì)氣候變化的重要途徑。二氧化碳排放不斷增加，氣候變暖日益加劇，深刻影響人類的生存與發(fā)展，是當(dāng)今國(guó)際社會(huì)共同面臨的重大挑戰(zhàn)。國(guó)家主席習(xí)近平在去年9月22日召開(kāi)的聯(lián)合國(guó)大會(huì)上表示：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。新能源具有的清潔低碳優(yōu)勢(shì)有助于完成減排目標(biāo)。

最后，發(fā)展新能源也是落實(shí)新發(fā)展理念、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的必然要求。2015年10月 29日，習(xí)近平總書(shū)記提出了創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享的發(fā)展理念。在十九大報(bào)告中，習(xí)近平總書(shū)記指出，加快生態(tài)文明體制改革，建設(shè)美麗中國(guó)。這就要求做到。開(kāi)發(fā)利用新能源，創(chuàng)新高科技，培育新模式、新業(yè)態(tài)，推進(jìn)我國(guó)新能源高質(zhì)量發(fā)展。

電化學(xué)儲(chǔ)能并網(wǎng)情況

電化學(xué)儲(chǔ)能不斷發(fā)展的前提是新能源的快速增長(zhǎng)。2020年，我國(guó)新能源新增裝機(jī)容量1.2億千瓦，同比增加6377萬(wàn)千瓦。截至2020年底，我國(guó)新能源裝機(jī)容量5.3億千瓦，占全國(guó)發(fā)電總裝機(jī)比重達(dá)到24%，較2015年提高13個(gè)百分點(diǎn)?！笆濉逼陂g，我國(guó)新能源累計(jì)新增3.6億千瓦，年均增長(zhǎng)超過(guò)7000萬(wàn)千瓦，是“十二五”的2.5倍。

2020年，我國(guó)新能源發(fā)電量7275億千瓦時(shí)，是2015年的3.2倍，占總發(fā)電量比例的9.5%，較2015年提高了5.6個(gè)百分點(diǎn)。國(guó)家電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)區(qū)新能源發(fā)電量5872億千瓦時(shí)，占發(fā)電量的10.2%，較2015年提高了6.2個(gè)百分點(diǎn)。

在快速發(fā)展的同時(shí)，新能源的發(fā)展也開(kāi)始進(jìn)入新的階段。新能源裝機(jī)已經(jīng)成為我國(guó)第二大電源，在一些地區(qū)已成為第一大電源，如冀北、甘肅、青海。近20省區(qū)新能源成為第二大電源。有的電網(wǎng)新能源發(fā)電滲透率超過(guò)40%，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響日益突出。

在這種情況下，儲(chǔ)能的重要性和地位也就愈加突出。

目前，在建及在運(yùn)儲(chǔ)能電站總功率383萬(wàn)千瓦、總?cè)萘?10萬(wàn)千瓦時(shí)，其中電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站120萬(wàn)千瓦/269萬(wàn)千瓦時(shí)，電源側(cè)儲(chǔ)能電站228萬(wàn)千瓦/469萬(wàn)千瓦時(shí)，用戶側(cè)儲(chǔ)能電站35萬(wàn)千瓦/172萬(wàn)千瓦時(shí)。

目前電化學(xué)儲(chǔ)能主要分布在東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、三北、西藏及部分東部島嶼，主要承擔(dān)消納電源側(cè)可再生能源、電網(wǎng)側(cè)輔助服務(wù)、火電聯(lián)合調(diào)頻、用戶側(cè)削峰填谷、構(gòu)建微電網(wǎng)等功能。

目前電化學(xué)儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)的不同環(huán)節(jié)有不同的商業(yè)模式。用戶側(cè)主要是通過(guò)峰谷差套利，光儲(chǔ)一體化增加效益；電源側(cè)與火電和新能源電站一起參與輔助服務(wù)，與新能源電站一起增發(fā)電量；電網(wǎng)側(cè)主要是租賃收益；獨(dú)立第三方依靠容量電價(jià)和綜合服務(wù)獲得收入。

高比例新能源的風(fēng)險(xiǎn)

在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)依然將保持快速的發(fā)展態(tài)勢(shì)。2030年我國(guó)新能源裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到12億千瓦以上，并逐漸形成以新能源為主的電力系統(tǒng)。

高比例新能源的第一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)就是增加了電網(wǎng)調(diào)節(jié)難度。新能源高比例接入電力系統(tǒng)后，常規(guī)電源不僅要跟隨負(fù)荷變化，還要平衡新能源出力波動(dòng)。電網(wǎng)負(fù)荷變化規(guī)律性強(qiáng)，用電高峰、低谷明顯；但風(fēng)電出力隨機(jī)性、波動(dòng)性強(qiáng)，預(yù)測(cè)難度大，大規(guī)模接入后極大增加了電網(wǎng)平衡困難。2018年3月，西部電網(wǎng)風(fēng)電出力最大超過(guò)3000萬(wàn)千瓦，最小200多萬(wàn)千瓦；日內(nèi)最大波動(dòng)超過(guò)1700萬(wàn)千瓦。隨著高比例新能源的逐漸實(shí)現(xiàn)，這樣大幅度的波動(dòng)將成為常態(tài)。

第二個(gè)風(fēng)險(xiǎn)是電力可靠供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)增大。隨著新能源大規(guī)模發(fā)展，常規(guī)電源發(fā)展趨緩，新能源逐漸成為主力電源，“大裝機(jī)小電量”、“極熱無(wú)風(fēng)”等特征突出，與電網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行、實(shí)時(shí)平衡的要求不匹配，對(duì)保障電力穩(wěn)定供應(yīng)提出了新課題。2020年末寒潮期間，湖南超八成風(fēng)電機(jī)組因冰凍無(wú)法發(fā)電，12月14日 （湖南冬季新高日）晚高峰期間，風(fēng)電最低出力降至50萬(wàn)千瓦以下，寒潮期間風(fēng)電出力最低降至20萬(wàn)千瓦以下，加之晚峰無(wú)光（風(fēng)光裝機(jī)910萬(wàn)千瓦），基本不提供電力支撐。

第三是降低了系統(tǒng)的抗干擾能力。對(duì)于送端系統(tǒng)，風(fēng)電大出力時(shí)，系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)能力顯著下降。以西部某電網(wǎng)為例，6800萬(wàn)千瓦負(fù)荷水平下，損失350萬(wàn)千瓦功率：若網(wǎng)內(nèi)無(wú)風(fēng)電，頻率下跌0.65Hz；若風(fēng)電出力1200萬(wàn)千瓦，頻率下跌0.95Hz，比無(wú)風(fēng)電時(shí)增加0.3Hz。未來(lái)隨著風(fēng)機(jī)規(guī)模和太陽(yáng)能規(guī)模的擴(kuò)大，系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)能力進(jìn)一步惡化。

儲(chǔ)能的機(jī)遇和建議

高比例新能源帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)就是發(fā)展機(jī)遇。國(guó)家能源局在《加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)（征求意見(jiàn)稿）》提出了新型儲(chǔ)能跨越式發(fā)展目和保障措施，在《2021年能源工作指導(dǎo)意見(jiàn)》提出要推動(dòng)新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化示范。目前地方層面已有13個(gè)省份相繼出臺(tái)配置儲(chǔ)能政策。預(yù)計(jì)十四五末裝機(jī)達(dá)到3000萬(wàn)千瓦，2030年裝機(jī)需求突破1億千瓦，有望超過(guò)抽蓄。

電化學(xué)儲(chǔ)能在各類調(diào)節(jié)手段中占據(jù)重要位置，最具發(fā)展?jié)摿?。以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲(chǔ)能建設(shè)周期短、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，發(fā)展空間廣闊，代表了未來(lái)發(fā)展的方向?；痣婌`活性改造、需求側(cè)管理措施及其他形式的儲(chǔ)能均具有各自不同的特點(diǎn)和局限性，隨著電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用成本進(jìn)一步降低，其布局靈活、響應(yīng)速度快、能量效率高等優(yōu)勢(shì)將不斷凸顯。

對(duì)于儲(chǔ)能行業(yè)的未來(lái)發(fā)展，我個(gè)人提出了以下建議。

首先，新版的《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》要求電源應(yīng)具備足夠的調(diào)頻、快速調(diào)壓、調(diào)峰能力，新能源場(chǎng)站以及分布式電源的電壓和頻率耐受能力原則上與同步發(fā)電機(jī)組的電壓和頻率耐受能力一致，確保各類電源性能滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。這一規(guī)則的落實(shí)，就能很好地推動(dòng)儲(chǔ)能的發(fā)展。

另外，新能源電站接入電力系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和電化學(xué)儲(chǔ)能的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)還存在不完善的地方。政府和有關(guān)機(jī)構(gòu)要總結(jié)已有經(jīng)驗(yàn)，加快制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程。

儲(chǔ)能的安全穩(wěn)定也不容忽視。安全事故的發(fā)生對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能的發(fā)展會(huì)產(chǎn)生重要影響，這需要深入開(kāi)展電池系統(tǒng)火災(zāi)蔓延的影響規(guī)律研究；建立電池?zé)崾Э仡A(yù)警模型，制定電池系統(tǒng)安全防護(hù)體系和防護(hù)裝置聯(lián)動(dòng)控制策略；開(kāi)發(fā)具有清潔、高效的電池安全防護(hù)裝置，有效抑制電池?zé)崾Э財(cái)U(kuò)散及火災(zāi)蔓延。也要加快制定和完善電化學(xué)儲(chǔ)能電站消防安全有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

儲(chǔ)能行業(yè)也要深入研究并網(wǎng)運(yùn)行管理有關(guān)問(wèn)題，及時(shí)總結(jié)現(xiàn)有儲(chǔ)能電站并網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，包括電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，針對(duì)出現(xiàn)的電池模塊缺陷、BMS缺陷、充放電時(shí)間、充放電功率達(dá)不到設(shè)計(jì)值、電池一致性差等問(wèn)題，提出改進(jìn)措施。

最后，還要探索完善儲(chǔ)能運(yùn)行商業(yè)模式，深入研究?jī)?chǔ)能參與調(diào)峰、調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)市場(chǎng)的市場(chǎng)主體定位、價(jià)格形成機(jī)制和交易模式，通過(guò)建立市場(chǎng)機(jī)制，創(chuàng)新開(kāi)展儲(chǔ)能調(diào)峰輔助服務(wù)以及參與新能源消納市場(chǎng)化交易，不斷探索和完善儲(chǔ)能商業(yè)模式，使電化學(xué)儲(chǔ)能健康有序發(fā)展。