碳達(dá)峰、碳中和背景下儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展建議

鄭 瓊 江麗霞 徐玉杰 高 嵩 劉 濤 曲 超 陳海生* 李先鋒*

1 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所 大連 116000

2 中國科學(xué)院 重大科技任務(wù)局 北京 100864

3 中國科學(xué)院工程熱物理研究所 北京 100086

能源利用是我國溫室氣體的主要來源。作為流程工業(yè)的典型高排放行業(yè)，即化工、鋼鐵、有色、建材工業(yè)過程的二氧化碳（CO2）排放約占全國總排放的近 40%，是我國碳排放的主要來源。因此，CO2高排放行業(yè)能源利用清潔低碳化轉(zhuǎn)型發(fā)展勢(shì)在必行。我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和（以下簡稱“雙碳”）目標(biāo)意味著必須進(jìn)行顛覆性的能源革命、科技革命和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。發(fā)展變革性低碳技術(shù)，通過工藝源頭創(chuàng)新和流程再造，在典型流程工業(yè)中率先實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，是支撐我國“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。儲(chǔ)能作為電能的載體，可有效地平抑大規(guī)模新能源發(fā)電接入電網(wǎng)帶來的波動(dòng)性，促進(jìn)電力系統(tǒng)運(yùn)行中電源和負(fù)荷的平衡，提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)型和靈活性；儲(chǔ)能技術(shù)也成為構(gòu)建智能電網(wǎng)與實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電的核心關(guān)鍵。隨著碳中和成為全球共識(shí)，新能源在整個(gè)能源體系中的比重將快速增加，儲(chǔ)能技術(shù)也迎來爆發(fā)式增長。國內(nèi)外大規(guī)模新型儲(chǔ)能項(xiàng)目陸續(xù)啟動(dòng)，儲(chǔ)能技術(shù)呈現(xiàn)出液流電池、鈉離子電池、鋰離子電池、壓縮空氣儲(chǔ)能、鉛碳電池、儲(chǔ)熱技術(shù)等“百家爭鳴”局面；與此同時(shí)，越來越多的企業(yè)投身儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)，或擴(kuò)產(chǎn)或跨界合作，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的良好局面。

1 儲(chǔ)能在“雙碳”中的作用與地位

儲(chǔ)能技術(shù)是解決以風(fēng)、光為主的新能源系統(tǒng)波動(dòng)性、間歇性的有效技術(shù)。未來能源系統(tǒng)將是以新能源為主體、多種形式能源共同構(gòu)成的多元化能源系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電本身的波動(dòng)性和間歇性決定了靈活性將是新的能源系統(tǒng)必不可少的組成部分。而從技術(shù)屬性來看，儲(chǔ)能正好能夠滿足新的能源系統(tǒng)對(duì)靈活性的需求。因此，通過儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)可再生能源大規(guī)模接入，從而推動(dòng)能源低碳轉(zhuǎn)型的技術(shù)路徑被業(yè)界寄予厚望。

在政策層面，國家發(fā)展和改革委員會(huì)（簡稱“國家發(fā)展改革委”）和國家能源局啟動(dòng)了對(duì)儲(chǔ)能發(fā)展的整體規(guī)劃部署，密集出臺(tái)了一系列儲(chǔ)能相關(guān)政策。2021 年 7 月，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》；相比同年 2 月 25 日發(fā)布的《推進(jìn)電力源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展的指導(dǎo)意見》和 4 月 19 日發(fā)布的《關(guān)于 2021 年風(fēng)電、光伏發(fā)電開發(fā)建設(shè)有關(guān)事項(xiàng)的通知（征求意見稿）》，儲(chǔ)能的市場地位、商業(yè)模式和經(jīng)濟(jì)價(jià)值逐漸得到承認(rèn)與明確。2021 年 10 月，中共中央、國務(wù)院先后發(fā)布了《中共中央 國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》和《國務(wù)院關(guān)于印發(fā) 2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》，首次將推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展作為加快構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系、建設(shè)新型電力系統(tǒng)的重要布局和主要工作之一；并明確了到 2025 年，新型儲(chǔ)能裝機(jī)容量達(dá)到 3 000 萬千瓦以上的總體目標(biāo)。2021 年 12 月，國家能源局正式頒布《電力并網(wǎng)運(yùn)行管理規(guī)定》和《電力輔助服務(wù)管理辦法》文件，明確將新型儲(chǔ)能、虛擬電廠、負(fù)荷聚集商等作為輔助服務(wù)市場的新主體；并增加了電力輔助服務(wù)新品種，完善了輔助服務(wù)分擔(dān)共享新機(jī)制，疏導(dǎo)電力系統(tǒng)運(yùn)行日益增加的輔助服務(wù)費(fèi)用。在此政策的指引下，2021 年約有 21 個(gè)省份出臺(tái)電力輔助服務(wù)相關(guān)政策。2022 年 2 月，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)的《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》提出，到 2025 年，新型儲(chǔ)能由商業(yè)化初期步入規(guī)?；l(fā)展階段、具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用條件；到 2030 年，新型儲(chǔ)能全面市場化發(fā)展，全面支撐能源領(lǐng)域碳達(dá)峰目標(biāo)如期實(shí)現(xiàn)。因此，儲(chǔ)能是實(shí)現(xiàn)可再生能源規(guī)模應(yīng)用和構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵核心技術(shù)。

2 主流儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外在新型儲(chǔ)能技術(shù)，包括液流電池、鈉離子電池、鋰離子電池、壓縮空氣儲(chǔ)能等技術(shù)的基礎(chǔ)研發(fā)和工程化方面均取得了重大進(jìn)展。其中，鋰離子電池技術(shù)發(fā)展最快，目前所占市場份額最大。全釩液流電池、壓縮空氣儲(chǔ)能已具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化條件；鈉離子電池、鉛碳電池、鋅基液流電池等也已具備初步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化準(zhǔn)入條件，這些技術(shù)有望在“雙碳”目標(biāo)突破的過程中扮演重要角色。

2.1 液流電池儲(chǔ)能發(fā)展現(xiàn)狀

液流電池通過電解液內(nèi)離子的價(jià)態(tài)變化實(shí)現(xiàn)電能存儲(chǔ)和釋放。其功率和容量可獨(dú)立設(shè)計(jì)、安全性高、儲(chǔ)能規(guī)模大、效率高、壽命長、生命周期的性價(jià)比高等特點(diǎn)，使其在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。根據(jù)活性物質(zhì)種類不同，液流電池可分為全釩液流電池、鋅基液流電池等。

2.2.1 全釩液流電池

作為長時(shí)儲(chǔ)能優(yōu)選技術(shù)之一的全釩液流電池，得益于其高安全性、長壽命、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，目前發(fā)展成熟度最高，商業(yè)化進(jìn)程最快。2021 年 11月，微軟、谷歌等 10 余家公司在《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第 26 次締約方大會(huì)（COP26）上成立國際長時(shí)儲(chǔ)能委員會(huì)（LDES），旨在部署和加快推動(dòng)可存儲(chǔ)和釋放 8 小時(shí)或更長時(shí)間的儲(chǔ)能技術(shù)快速發(fā)展。由此可見，快速發(fā)展全釩液流電池長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的迫切性。

國外從事全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的單位主要有日本的住友電工集團(tuán)、英國的 Invinity 公司、德國的Fraunhofer UMSICHT、美國的西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室和 UNIEnergy Technology（UET）等企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)。2020 年住友電工集團(tuán)與北海道電力有限公司簽署合同將于 2022 年建成 17 MW/51 MWh 的全釩液流電池儲(chǔ)能電站①住友電氣工業(yè)株式會(huì)社. 住友電工獲得北海道電網(wǎng)株式會(huì)社液流電池設(shè)備訂單. (2020-08-07). https://global-sei.cn/company/press/2020/08/prs078.html.。2021 年 12 月，牛津超級(jí)能源樞紐項(xiàng)目（ESO）進(jìn)入帶電調(diào)試階段，該項(xiàng)目由 Invinity 公司在英國制造的 5 MWh 全釩液流電池系統(tǒng)與 50 MW 瓦錫蘭鋰離子電池結(jié)合，作為單一的儲(chǔ)能資產(chǎn)運(yùn)行，這是目前投運(yùn)的最大的全釩液流+鋰離子混合電池②北極星儲(chǔ)能網(wǎng). 英國牛津超級(jí)能源樞紐項(xiàng)目5 MWh全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入帶電調(diào)試階段. (2021-12-20). https://chuneng.bjx.com.cn/news/20211220/1194494.shtml.。其中，全釩液流電池在系統(tǒng)投入使用時(shí)充當(dāng)?shù)谝痪€響應(yīng)，只有在所需的響應(yīng)超過全釩液流電池的容量后，鋰離子電池才會(huì)被調(diào)用，從而充分利用全釩液流電池長壽命、不衰減的特點(diǎn)，減少鋰離子電池的消耗。這種混合儲(chǔ)能方式可利用 2 種電池各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)來提高電網(wǎng)彈性，并創(chuàng)建更加智能、更加靈活的能源系統(tǒng)，最終將支持更多的可再生能源發(fā)電并網(wǎng)到英國電網(wǎng)中。

國內(nèi)主要有中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）、大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司（以下簡稱“大連融科”）、北京普能世紀(jì)科技有限公司（以下簡稱“北京普能”）、上海電氣儲(chǔ)能科技有限公司、清華大學(xué)、中國科學(xué)院沈陽金屬研究所、中南大學(xué)等多家機(jī)構(gòu)從事全釩液流電池的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作。大連化物所自 2000 年開始液流電池的研究，在液流電池關(guān)鍵材料、核心部件、電堆及系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成、控制管理等方面都取得了國際領(lǐng)先的成果；已在液流電池領(lǐng)域獲得國家授權(quán)專利 150 余項(xiàng)，國際專利 7 項(xiàng)，形成了完整的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系。2021 年在大連瓦房店建成了目前國內(nèi)最大規(guī)模的全釩液流電池系統(tǒng)，即大唐國際鎮(zhèn)海網(wǎng)源友好型風(fēng)電場 10 MW/40 MWh 和國電投駝山網(wǎng)源友好型風(fēng)電場 10 MW/40 MWh 全釩液流電池系統(tǒng)。在國家及地方政府的大力支持下，成功推進(jìn)了全球最大 200 MW/800 MWh 全釩液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站國家示范項(xiàng)目一期工程（100 MW/400 MWh）的全面開工建設(shè)。目前，100 MW 儲(chǔ)能系統(tǒng)項(xiàng)目已完成主體工程建設(shè)（圖 1），進(jìn)入單體模塊調(diào)試階段，預(yù)計(jì) 2022 年 6 月完成并網(wǎng)調(diào)試，這將對(duì)緩解大連市乃至遼寧省電網(wǎng)調(diào)峰壓力、提高大連南部地區(qū)供電可靠性、加快新能源發(fā)展發(fā)揮重要作用③韓揚(yáng)眉. 100 MW級(jí)全釩液流電池儲(chǔ)能電站開始調(diào)試. (2022-02-17). https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/2/474104.shtm.。

圖1 大連100 MW/400 MWh全釩液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站Figure 1 Dalian 100 MW/400 MWh all-vanadium redox flow battery energy storage peak-shaving power station

此外，國內(nèi)多個(gè)地區(qū)正在實(shí)施或籌建全釩液流電池生產(chǎn)或應(yīng)用示范項(xiàng)目，包括國家電投湖北襄陽 100 MW/500 MWh 全釩液流電池儲(chǔ)能項(xiàng)目④高原. 國家電投湖北100 MW/500 MWh全釩液流電池儲(chǔ)能項(xiàng)目開工. (2021-08-31). https://chuneng.bjx.com.cn/news/20210831/1173646.shtml.；中廣核新能源襄陽有限公司 100 MW/200 MWh 全釩液流電池儲(chǔ)能電站項(xiàng)目⑤北極星儲(chǔ)能網(wǎng). 中廣核100 MW/200 MWh全釩液流集中式儲(chǔ)能電站計(jì)劃12月份開工建設(shè). (2021-12-06 ) https://chuneng.bjx.com.cn/news/20211206/1191854.shtml.；正在建設(shè)偉力得新疆阿瓦提 7.5 MW/22.5 MWh 全釩液流儲(chǔ)能電站⑥中國儲(chǔ)能網(wǎng)新聞中心. 偉力得新疆阿瓦提7.5 MW/22.5 MWh全釩液流儲(chǔ)能電站一期成功并網(wǎng). (2020-12-25). http://www.escn.com.cn/news/show-1147667.html.；北京普能將在湖北建設(shè)1 GW全釩液流儲(chǔ)能電池生產(chǎn)基地⑦北極星儲(chǔ)能網(wǎng). 北京普能將在湖北建設(shè)1 GW全釩液流儲(chǔ)能電池生產(chǎn)基地. (2021-03-18). https://chuneng.bjx.com.cn/news/20210318/1142534.shtml.；河南開封、江西宜春、陜西安康、湖北鄖西、甘肅張掖也都將打造全釩液流電池生產(chǎn)基地。

2.2.2 鋅基液流電池體系

與全釩液流電池不同，以金屬鋅為負(fù)極活性組分的鋅基液流電池體系具有儲(chǔ)能活性物質(zhì)來源廣泛、價(jià)格便宜、能量密度高等優(yōu)勢(shì)，在分布式儲(chǔ)能領(lǐng)域極具應(yīng)用價(jià)值和競爭優(yōu)勢(shì)。目前，發(fā)展較為成熟的技術(shù)主要有鋅溴液流電池和鋅鐵液流電池。

鋅溴液流電池生產(chǎn)企業(yè)主要有澳大利亞的Redflow、美國的 ZBB 和 Primus Power、韓國的樂天化學(xué)，以及中國的安徽美能和百能匯通等公司。鋅鐵液流電池的生產(chǎn)企業(yè)主要有美國的 ViZn 公司、中國的中國電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司。Redflow 公司推出的小型家用光伏發(fā)電鋅溴液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（5 kW/10 kWh）已在澳大利亞、新西蘭、美國等地成功實(shí)施[1]。2022 年大連化物所成功開發(fā)出 10 kW/30 kWh用戶側(cè)鋅溴液流電池系統(tǒng)（圖 2）。該系統(tǒng)的成功開發(fā)，將進(jìn)一步推動(dòng)用戶側(cè)新型鋅基液流電池的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)鋅基液流電池可持續(xù)發(fā)展具有重要意義⑧儲(chǔ)能技術(shù)研究部. 發(fā)出面向用戶側(cè)的30kWh鋅溴液流電池系統(tǒng). (2022-01-17). http://www.dicp.cas.cn/xwdt/kyjz/202201/t20220117_6344516.html.。

2.2 鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年中國儲(chǔ)能市場中，儲(chǔ)能鋰離子電池出貨量達(dá)到 32 GWh，同比增長 146%，在新型儲(chǔ)能產(chǎn)品中占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著政策對(duì)新型儲(chǔ)能支持力度加大、電力市場商業(yè)化機(jī)制建立、儲(chǔ)能商業(yè)模式清晰、鋰離子電池成本的持續(xù)下降，儲(chǔ)能鋰離子電池市場正式進(jìn)入加速發(fā)展期。全球從事鋰離子電池產(chǎn)業(yè)相關(guān)的企業(yè)超過 1 000 家，已經(jīng)形成了從鋰電池材料、電芯、模組到系統(tǒng)集成的完整產(chǎn)業(yè)鏈；特別是近年來由于電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)，鋰離子電池成本快速下降，從而極大地推動(dòng)了其在電力儲(chǔ)能方面的應(yīng)用。全球主要的鋰離子電池儲(chǔ)能生產(chǎn)商來自日本（松下、三菱）、韓國（三星 SDI、LGChem）、美國（特斯拉）和中國（寧德時(shí)代新能源、比亞迪、力神等）。目前，鋰離子電池在電力儲(chǔ)能方面的應(yīng)用主要包括電網(wǎng)調(diào)頻和電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能等。此外，雖然鋰離子電池市場份額最大，但其在大規(guī)模應(yīng)用過程中也會(huì)出現(xiàn)安全、可靠性等問題，急需布局相關(guān)課題重點(diǎn)攻關(guān)該難題。

鋰離子電池具有很好的功率倍率特性，是目前儲(chǔ)能調(diào)頻市場的主流技術(shù)。鋰離子電池調(diào)頻性能遠(yuǎn)超火電機(jī)組，響應(yīng)時(shí)間短，能夠滿足快速精準(zhǔn)的調(diào)頻需求。目前，在全球范圍內(nèi)鋰離子電池調(diào)頻項(xiàng)目主要應(yīng)用在美國、英國、韓國、澳大利亞和中國。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前已經(jīng)投運(yùn)及在建的鋰離子電池儲(chǔ)能調(diào)頻電站超過 1 000 MW。2018 年以來發(fā)布的調(diào)頻輔助服務(wù)儲(chǔ)能項(xiàng)目總規(guī)模已經(jīng)超過 180 MW、技術(shù)路線主要為磷酸鐵鋰鋰離子電池和三元鋰離子電池。

鋰離子電池在電力系統(tǒng)中另一大應(yīng)用在電網(wǎng)側(cè)。在變電站配套儲(chǔ)能系統(tǒng)、通過電網(wǎng)的智能調(diào)度來實(shí)現(xiàn)削峰填谷，延緩電網(wǎng)的投資及提高電網(wǎng)主動(dòng)調(diào)節(jié)能力。2016 年，美國加利福尼亞州緊急開展 100 MW 的鋰離子電池儲(chǔ)能實(shí)施計(jì)劃，以應(yīng)對(duì)電力短缺問題。該電池系統(tǒng)主要用于在白天儲(chǔ)存加利福尼亞州光伏電站資源發(fā)出的電力；在太陽落山后，儲(chǔ)能系統(tǒng)被調(diào)度將電力釋放給電網(wǎng)。2017 年 1 月，美國特斯拉公司為南加利福尼亞州愛迪生公司的 Mira Roma 變電站建成了輸出功率 20 MW、總?cè)萘?80 MWh 的鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)成為當(dāng)時(shí)全球最大的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。隨后在 2017 年 2 月，AES 公司采用三星公司的鋰離子電池為圣迭戈煤氣電力公司（SDG&E）在加利福尼亞州 Escondido 市部署了輸出功率 30 MW、總?cè)萘?120 MWh 的儲(chǔ)能系統(tǒng)。該項(xiàng)目 30 MW 鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)全部在 6 個(gè)月內(nèi)并網(wǎng)投運(yùn)，這不僅推動(dòng)儲(chǔ)能成了未來應(yīng)對(duì)電網(wǎng)危機(jī)的重要解決方案，也為利用分布式儲(chǔ)能滿足當(dāng)?shù)仉娏θ萘啃枨筇峁┝藦?qiáng)有力的支撐。2021 年 7 月，英荷殼牌石油公司宣布 100 MW 儲(chǔ)能電站全面投入運(yùn)營，這是歐洲目前最大規(guī)模的儲(chǔ)能電站；其位于英國西南部威爾特郡附近，由 2 個(gè)裝機(jī)容量均為 50 MW/50 MWh 的電池儲(chǔ)能設(shè)施構(gòu)成，采用磷酸鐵鋰/三元鋰電池技術(shù)。2018 年，為解決國電諫壁發(fā)電廠 3 臺(tái) 330 MW 發(fā)電機(jī)組退役后帶來的電力缺口問題，中國國家電網(wǎng)江蘇省電力有限公司利用丹陽、揚(yáng)中、鎮(zhèn)江等地 8 處退役變電站場地，緊急建設(shè)鎮(zhèn)江儲(chǔ)能電站工程，充分發(fā)揮儲(chǔ)能設(shè)備建設(shè)周期短、配置靈活、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，有效緩解了供電壓力。該電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目采用“分散式布置集中式控制”方式，建設(shè)了 8 個(gè)儲(chǔ)能電站項(xiàng)目，全部采用磷酸鐵鋰電池技術(shù)，規(guī)模共計(jì) 101 MW/202 MWh。該儲(chǔ)能電站于 2018 年 7 月 18 日正式并網(wǎng)投運(yùn)。2020 年度，江蘇中天科技股份有限公司承建的全球最大的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站江蘇二期昆山 48.4 MWh 儲(chǔ)能電站投入運(yùn)營（圖 3）；該公司承建的國家“863 計(jì)劃”重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目——?jiǎng)恿﹄姵匾?guī)?；荽卫霉こ虄?chǔ)能電站則是全國最大的用戶側(cè)梯次利用儲(chǔ)能電站項(xiàng)目，亦于2020年末投入試運(yùn)行。

圖3 中天科技承建的48.4 MWh鋰離子電池電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站Figure 3 48.4 MWh lithium-ion battery system developed by Zhongtian Technology Co. Ltd.

2.3 鈉離子電池發(fā)展現(xiàn)狀

鈉離子電池具有資源豐富、性價(jià)比高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，因此有望在中低速電動(dòng)車及大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域取代或部分取代鋰離子電池和鉛酸電池而獲得廣泛應(yīng)用。2022 年 2 月國家發(fā)展改革委、國家能源局正式發(fā)布《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》，將鈉離子電池列為“十四五”新型儲(chǔ)能核心技術(shù)裝備攻關(guān)的重點(diǎn)方向之一，并提出鈉離子電池新型儲(chǔ)能技術(shù)試點(diǎn)示范要求。因此，發(fā)展資源豐富型鈉離子電池技術(shù)已成為國家重大戰(zhàn)略需求。

近 10 年，鈉離子電池已逐步實(shí)現(xiàn)了從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的跨越。國內(nèi)外已有超過 20 家企業(yè)正在進(jìn)行鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)布局，并取得了重要進(jìn)展。全球主要的鈉離子電池代表性企業(yè)和機(jī)構(gòu)有英國 FARADION 公司、法國 Tiamat 公司、日本岸田化學(xué)公司等，以及我國的中科海鈉科技有限責(zé)任公司、浙江鈉創(chuàng)新能源有限公司、寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司、大連化物所等[2]。不同企業(yè)采用的材料體系各有不同，按照正極材料體系，主要包括氧化物、普魯士藍(lán)類材料和聚陰離子型化合物 3 類。① 氧化物。目前，英國 FRADION 公司基于 Ni-Mn-Ti 基層狀氧化物，開發(fā)出了 10 Ah 軟包電池樣品；該電池比能量達(dá)到 140 Wh/kg，在80%放電深度下的循環(huán)壽命預(yù)測可超過 1 000 周。中科海鈉科技有限責(zé)任公司依托中國科學(xué)院物理研究所已開發(fā)出基于層狀氧化物的系列鈉離子電池產(chǎn)品；該電池比能量達(dá)到 140 Wh/kg 以上，并已應(yīng)用于低速電動(dòng)車、100 kWh 儲(chǔ)能電站和 1 MWh 光儲(chǔ)充智能微網(wǎng)系統(tǒng)（圖 4）。浙江鈉創(chuàng)新能源有限公司制備的 Na[Ni1/3Fe1/3Mn1/3]O2層狀氧化物基鈉離子電池軟包的比能量為 100—120 Wh/kg，循環(huán) 1 000 周后容量保持率超過 92%。② 普魯士藍(lán)類材料。寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司于 2021 年 7 月發(fā)布的普魯士白基電芯，比能量達(dá)到 160 Wh/kg⑨雷科技.告別續(xù)航難題！寧德時(shí)代鈉離子電池來了：能量密度全球第一. (2021-07-29). https://baijiahao.baidu.com/s?id=17066122524 51278846&wfr=spider&for=pc.。③ 聚陰離子型化合物。法國 Tiamat 公司開發(fā)出的氟磷酸釩鈉基電芯，可實(shí)現(xiàn) 5 min 快充，比功率可達(dá)到 2—5 kW/kg，比能量為 120 Wh/kg。近年來，大連化物所基于磷酸鹽基聚陰離子型化合物正極，先后研制出比能量約為 127 Wh/kg 的磷酸釩鈉基軟包電池和比能量超過 143 Wh/kg 并可實(shí)現(xiàn) 6 min 快充的氟磷酸釩鈉基軟包電池，還集成出 48 V/10 Ah 磷酸鹽基鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)并作為電源成功應(yīng)用于低速電動(dòng)車中⑩卜葉. 新型磷酸鹽基鈉離子電池開展應(yīng)用示范. (2022-01-01). https://news.sciencenet.cn//sbhtmlnews/2022/1/367555.shtm?id=367555.。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)成熟度和制造規(guī)模，鈉離子電池將首先從各類中低速電動(dòng)車領(lǐng)域進(jìn)入市場。隨著鈉離子電池技術(shù)上下游產(chǎn)業(yè)鏈的逐步完善和規(guī)模化，其應(yīng)用將逐步切入到用戶側(cè)、大規(guī)模儲(chǔ)能等各類應(yīng)用領(lǐng)域。

圖4 1 MWh光儲(chǔ)充智能微網(wǎng)鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)Figure 4 1 MWh light storage and charging smart microgrid sodium-ion battery energy storage system

2.4 壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)具有儲(chǔ)能容量大、儲(chǔ)能周期長、系統(tǒng)效率高、運(yùn)行壽命長、投資小等優(yōu)點(diǎn)，是非常適用于長時(shí)儲(chǔ)能的大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)之一。近 3 年來，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在系統(tǒng)集成示范方面，國內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)取得了顯著的成績。中國科學(xué)院工程熱物理研究所儲(chǔ)能研發(fā)團(tuán)隊(duì)于 2021 年 9 月在山東肥城建成了國際首套 10 MW 鹽穴先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能商業(yè)示范電站（圖 5）；該電站已順利通過發(fā)電并網(wǎng)驗(yàn)收，并正式并網(wǎng)發(fā)電，系統(tǒng)效率達(dá) 60.7%?李文, 趙鋼煒. 國際首套鹽穴先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能國家示范電站投產(chǎn)并網(wǎng)發(fā)電儀式在肥城市隆重舉行. (2021-10-11). http://www.iet.cas.cn/xwdt/zhxw/202110/t20211011_6220995.html.。位于貴州畢節(jié)的 10 MW 先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)于 2021 年 10 月完成并網(wǎng)發(fā)電?左志濤. 國際首套集氣裝置儲(chǔ)氣10 MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)成功并網(wǎng). (2021-10-15). http://www.iet.cas.cn/news/zh/202110/t20211019_6225649.html.。在河北張家口市張北縣建設(shè)國際首套 100 MW 先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能國家示范項(xiàng)目，已完成系統(tǒng)研制與示范系統(tǒng)集成建設(shè)，正開展系統(tǒng)調(diào)試，計(jì)劃于 2022 年底投入商業(yè)運(yùn)行?中儲(chǔ)國際. 重大進(jìn)展：國際首套百兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能國家示范項(xiàng)目順利并網(wǎng). (2022-01-01). https://baijiahao.baidu.com/s?id=1720681754062230221.。

圖5 山東肥城10 MW鹽穴先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能調(diào)峰示范項(xiàng)目Figure 5 Feicheng 10 MW salt cave advanced compressed air energy storage peak shaving power station

近幾年，國外也先后布局了多項(xiàng)大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目。加拿大的 Hydrostor 公司于 2019 年在加拿大安大略湖建成了 1.75 MW/10 MWh 的絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能電站；在澳大利亞 Broken Hill 市規(guī)劃建造 200 MW/1600 MWh 壓縮空氣儲(chǔ)能電站，計(jì)劃于 2025 年完成建設(shè)；在美國加利福尼亞州 San Luis Obispo 郡規(guī)劃建設(shè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站，規(guī)模為 400 MW/3200 MWh，計(jì)劃于 2027 年完成。英國的 Highview 公司在英國曼徹斯特市建設(shè) 50 MW/250 MWh 液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，計(jì)劃于 2022 年實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行；該公司于 2019 年宣布將在美國的佛蒙特州建設(shè) 50 MW/400 MWh 的液態(tài)空氣儲(chǔ)能電站，至今尚未建設(shè)。清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)在江蘇金壇建設(shè)的鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，已于 2021 年 10 月并網(wǎng)試驗(yàn)，項(xiàng)目規(guī)模為 60 MW/300 MWh?弓潔. 重磅！金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能國家試驗(yàn)示范項(xiàng)目并網(wǎng)試驗(yàn)成功. (2021-09-30). https://m.thepaper.cn/baijiahao_14737599.。

2.5 其他儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

鉛炭電池是一種在鉛酸電池技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來新型儲(chǔ)能技術(shù)，具有儲(chǔ)能成本低廉和安全性高等突出優(yōu)點(diǎn)。國際上如先進(jìn)鉛酸電池聯(lián)盟（ALABC）、澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)及工業(yè)研究組織、美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室等，國內(nèi)如大連化物所、中國人民解放軍防化研究院、南都電源動(dòng)力股份有限公司等開展相關(guān)研究。目前，國內(nèi)外已實(shí)施了多個(gè) MW 級(jí)以上的風(fēng)電及光伏電站用鉛炭電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用示范?王爾德. 南都電源布局鉛炭儲(chǔ)能 籌建能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營公司. (2016-06-22). https://m.21jingji.com/article/20160622/herald/07fd5ba763f8 db2073d75f8932420819.html.。

熱物理儲(chǔ)能技術(shù)主要包括顯熱儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱，是獲得了大規(guī)模應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)，世界裝機(jī)總量超過 4 GW。其中，太陽能熱發(fā)電中的熔鹽儲(chǔ)熱裝機(jī)超過3.5 GW。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)方面，美國處于領(lǐng)先地位，其開發(fā)出 20 MW/5 MWh 飛輪儲(chǔ)能調(diào)頻電站運(yùn)行良好。當(dāng)前，我國僅建成 MW 級(jí)飛輪儲(chǔ)能陣列工程示范應(yīng)用系統(tǒng)，較國外發(fā)展相對(duì)偏慢。

3 儲(chǔ)能發(fā)展存在的問題及挑戰(zhàn)

我國新型儲(chǔ)能行業(yè)整體處于由研發(fā)、示范向商業(yè)化初期的過渡階段，在技術(shù)裝備研發(fā)、示范項(xiàng)目建設(shè)、商業(yè)模式探索、政策體系構(gòu)建等方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展；市場應(yīng)用規(guī)模穩(wěn)步擴(kuò)大，對(duì)能源轉(zhuǎn)型的支撐作用初步顯現(xiàn)。但是，其發(fā)展過程中仍面臨著從技術(shù)、應(yīng)用到市場的不同層面的問題和挑戰(zhàn)。

（1）基礎(chǔ)性、原創(chuàng)性、突破性創(chuàng)新不足。目前，儲(chǔ)能領(lǐng)域中我國具有“領(lǐng)跑”意義的先進(jìn)技術(shù)還不多，儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化的相關(guān)機(jī)理、技術(shù)及系統(tǒng)的研究還不足夠成熟，對(duì)儲(chǔ)能的基礎(chǔ)性和關(guān)鍵共性技術(shù)研究不足，尤其在設(shè)計(jì)軟件、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與理念方面缺少話語權(quán)。

（2）風(fēng)電、光伏等新能源并網(wǎng)消納壓力巨大，制約其大規(guī)模推廣。發(fā)電是當(dāng)前新能源的最主要利用方式，但新能源大規(guī)模并網(wǎng)，將對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生重大影響：① 對(duì)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大壓力。主要由于新能源涉網(wǎng)性能標(biāo)準(zhǔn)偏低，頻率、電壓耐受能力有限，新能源大規(guī)模并網(wǎng)可能導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不足所致。同時(shí)，電力系統(tǒng)電子化趨勢(shì)的發(fā)展將引發(fā)次同步諧波與次同步振蕩，給高滲透率的分布式電源帶來運(yùn)行管理問題。② 給系統(tǒng)供給側(cè)穩(wěn)定性帶來隱患。風(fēng)電、光伏發(fā)電的間歇性和反調(diào)峰特性明顯，電力電量時(shí)空平衡困難，加之系統(tǒng)調(diào)峰能力不足，給電力系統(tǒng)供給側(cè)的穩(wěn)定性帶來隱患。③ 易引發(fā)電力供給與需求失衡。目前，新能源并網(wǎng)配套的輸電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)滯后，電網(wǎng)建設(shè)和新能源電力輸送需求尚未達(dá)到同步，電力無法及時(shí)被輸送到需求端，進(jìn)而引發(fā)電力供給與需求失衡。

（3）大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)推廣受電力系統(tǒng)市場機(jī)制不完善等方面限制。近年來，我國儲(chǔ)能技術(shù)取得長足的發(fā)展，在電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用等環(huán)節(jié)的應(yīng)用規(guī)模也不斷壯大。儲(chǔ)能技術(shù)自主化程度不斷提高，部分技術(shù)如液流電池技術(shù)等處于國際領(lǐng)先地位。盡管如此，仍存在儲(chǔ)能市場主體地位不明晰、市場機(jī)制不完善導(dǎo)致儲(chǔ)能價(jià)值收益難以得到合理補(bǔ)償?shù)葐栴}。我國現(xiàn)階段還遠(yuǎn)未建立起成熟的競爭性電力市場運(yùn)行機(jī)制，很難合理地核定出各類電力輔助服務(wù)的價(jià)格，從而造成儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)值和收益難以實(shí)現(xiàn)對(duì)接。因此，從簡化電力市場設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度、有利于電力市場化改革順利推進(jìn)的角度出發(fā)，宜針對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的系統(tǒng)性效用或社會(huì)價(jià)值制定更為合理的運(yùn)行機(jī)制和政策保證。

4 推進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施的建議

為全面支撐能源領(lǐng)域“雙碳”目標(biāo)如期實(shí)現(xiàn)，特對(duì)儲(chǔ)能發(fā)展提出 4 點(diǎn)建議。

（1）加大支持具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣。加快制定和完善針對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的支持和激勵(lì)政策，推進(jìn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展；進(jìn)一步提升儲(chǔ)能系統(tǒng)可為電力系統(tǒng)提供靈活調(diào)節(jié)能力的重要作用地位；開展多種儲(chǔ)能技術(shù)集成的應(yīng)用示范，明確不同儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于發(fā)、輸、配、用不同環(huán)節(jié)均可為電力系統(tǒng)提供公共服務(wù)的基本屬性，結(jié)合不同場景實(shí)際需求合理布局，加快多元化儲(chǔ)能技術(shù)示范應(yīng)用及市場化推廣。

（2）明確儲(chǔ)能在獨(dú)立市場中的主體地位，完善市場運(yùn)行機(jī)制，建立合理的儲(chǔ)能長效補(bǔ)償和補(bǔ)償監(jiān)管機(jī)制。賦予新能源發(fā)電側(cè)配套儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電力輔助服務(wù)平等的市場主體地位；建立可持續(xù)的長效儲(chǔ)能行業(yè)市場運(yùn)行機(jī)制，降低市場的不確定性；建立合理的電價(jià)補(bǔ)償機(jī)制，結(jié)合電力體制改革，建立行之有效的補(bǔ)償機(jī)制細(xì)則和具體的產(chǎn)業(yè)扶持政策；鼓勵(lì)多元化的投資及交易方式，提高性價(jià)比，促進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，形成大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)良性發(fā)展的態(tài)勢(shì)，助力我國電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

（3）加強(qiáng)下一代儲(chǔ)能技術(shù)的基礎(chǔ)創(chuàng)新研究，加強(qiáng)儲(chǔ)能領(lǐng)域核心技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局，提高儲(chǔ)能技術(shù)在國際上的競爭力。目前，還沒有任何一項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)能夠完全勝任各種應(yīng)用領(lǐng)域的要求。因此，在重點(diǎn)推動(dòng)現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的同時(shí)，鼓勵(lì)和支持新型變革性儲(chǔ)能技術(shù)開發(fā)，特別是低成本、長壽命、高安全、環(huán)境友好的長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)。進(jìn)一步加大對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)基礎(chǔ)研究的投入，鼓勵(lì)原始創(chuàng)新，掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。建議科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)等部門設(shè)立專項(xiàng)、加大科技投入，支持變革性儲(chǔ)能技術(shù)研究開發(fā)，以降低儲(chǔ)能關(guān)鍵核心技術(shù)的成本，提高儲(chǔ)能技術(shù)的性價(jià)比。

（4）建設(shè)國家級(jí)儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)，引領(lǐng)儲(chǔ)能技術(shù)快速發(fā)展，搶占儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展制高點(diǎn)。匯集國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)、高校、企業(yè)等的創(chuàng)新資源，建立國家級(jí)儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)。這對(duì)加快儲(chǔ)能技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化，占據(jù)未來儲(chǔ)能科學(xué)技術(shù)制高點(diǎn)并形成集群優(yōu)勢(shì)，引領(lǐng)并帶動(dòng)我國儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。通過國家級(jí)儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)，開展相關(guān)儲(chǔ)能技術(shù)的工程化應(yīng)用研究，突破共性關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)；堅(jiān)持“產(chǎn)、學(xué)、研、用”的創(chuàng)新合作機(jī)制，快速實(shí)現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)移和成果轉(zhuǎn)化，推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。