混合儲能如何實(shí)現(xiàn)“1+1>2”

盧奇秀

與傳統(tǒng)單一儲能技術(shù)相比，混合儲能組合了多種不同儲能技術(shù)路線，能達(dá)到縮減系統(tǒng)成本或增加生命周期、提升系統(tǒng)效率和綜合性能的效果，是目前電力系統(tǒng)儲能領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。1月17日，國家能源局正式發(fā)布《新型儲能試點(diǎn)示范項(xiàng)目名單》，共56個項(xiàng)目成功入選，其中包括山東省利津縣795MW/1600MWh、山西省朔州市平魯區(qū)100MW/200MWh、新疆維吾爾自治區(qū)哈密市伊州區(qū)256.5MW/1000MWh在內(nèi)的混合儲能項(xiàng)目7個。入選的混合儲能項(xiàng)目之多也成為此次新型儲能試點(diǎn)示范的一大亮點(diǎn)。

示范的意義是為了引領(lǐng)行業(yè)。與傳統(tǒng)單一儲能技術(shù)相比，混合儲能組合了多種不同儲能技術(shù)路線，充分利用各自優(yōu)勢，彌補(bǔ)單一儲能的技術(shù)缺陷，以縮減整個系統(tǒng)成本或增加生命周期，提升系統(tǒng)效率和綜合性能，是目前電力系統(tǒng)儲能領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。

取長補(bǔ)短、恰逢其時

目前，常見的儲能技術(shù)包括能量型的抽水蓄能、鋰離子電池、壓縮空氣、液流電池，功率型的飛輪儲能、超級電容等，各儲能技術(shù)參數(shù)、優(yōu)勢特點(diǎn)、適合場景各不相同。隨著電力系統(tǒng)需求的不斷細(xì)化，單一類型的儲能已難以同時滿足建設(shè)周期、配置靈活性、安全性、響應(yīng)速度、儲能時長、使用壽命、經(jīng)濟(jì)效益等方面的要求。

取長補(bǔ)短——混合儲能應(yīng)運(yùn)而生。華北電力大學(xué)教授鄭華介紹道，混合儲能形式多樣，多為兩種或兩種以上不同性能特點(diǎn)的儲能技術(shù)組合，可簡單分為：不同類型儲能的混合，比如“液流電池+磷酸鐵鋰電池”“液流電池+飛輪儲能”“超級電容+磷酸鐵鋰”“飛輪+磷酸鐵鋰電池”“儲熱+磷酸鐵鋰”等；同類型儲能技術(shù)的混合，比如“1C+0.25C磷酸鐵鋰”等?；旌蟽δ芙Y(jié)合能量型儲能的經(jīng)濟(jì)性和功率型儲能充放電速度陜特性，能大幅提升儲能系統(tǒng)的整體性能和經(jīng)濟(jì)性。

國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)的《“十四五”新型儲能發(fā)展實(shí)施方案》明確提出，結(jié)合系統(tǒng)需求推動多種儲能技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，開展復(fù)合型儲能試點(diǎn)示范。在政策引導(dǎo)下，近年來，包括山西朔州市8兆瓦“飛輪+鋰離子電池”火電機(jī)組配置混儲調(diào)頻示范項(xiàng)目、華能羅源發(fā)電廠“5兆瓦超級電容+15兆瓦鋰離子電池”混合儲能項(xiàng)目、內(nèi)蒙古霍林郭勒“鐵鉻液流+飛輪+鋰電”在內(nèi)的混合儲能項(xiàng)目陸續(xù)投產(chǎn)運(yùn)行。

在鄭華看來，隨著新能源滲透率的快速增長，新型電力系統(tǒng)越來越需要具備更短時間尺度響應(yīng)能力和更長時間尺度支撐能力的靈活性調(diào)節(jié)資源的加持。傳統(tǒng)機(jī)組具備分時復(fù)用和分容量復(fù)用的能力，比如燃煤機(jī)組和水電機(jī)組，可以同時承擔(dān)電量支撐和AGC（自動發(fā)電控制）調(diào)頻支撐。隨著儲能單站容量的增長，儲能電站也需要具備分時復(fù)用能力和分容量復(fù)用能力，比如在參與現(xiàn)貨的基礎(chǔ)上，參與AGC調(diào)頻市場等。因此，混合儲能的出現(xiàn)可謂是恰逢其時。

綜合效應(yīng)明顯

從實(shí)際運(yùn)行情況來看，混合儲能表現(xiàn)如何？

2020年7月，依托老千山風(fēng)場，山西省電力公司電力科學(xué)研究院率先在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了混合儲能技術(shù)（飛輪+鋰電）應(yīng)用于新能源一次調(diào)頻的并網(wǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了多種儲能裝置平抑風(fēng)功率波動的可行性，為“能量型+功率型”混合儲能技術(shù)大規(guī)模部署提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

“試驗(yàn)非常成功，功率性能指標(biāo)達(dá)到了我們的預(yù)期效果。”國網(wǎng)山西電科院新能源所所長郭強(qiáng)表示，單一儲能系統(tǒng)性能指標(biāo)也能滿足電網(wǎng)需求，當(dāng)初提出混合儲能是基于儲能系統(tǒng)性價比的考慮。由于電網(wǎng)一次調(diào)頻具有高頻次特性，單一鋰電儲能為保證安全運(yùn)行，電芯更換頻率高，成本高昂。而電網(wǎng)一次調(diào)頻的隨機(jī)性，適合高頻次充放電但容量低的飛輪、超級電容儲能系統(tǒng)，為保證概率發(fā)生較低的大功率、長時間的一次調(diào)頻性能，配備功率更高、容量更大的儲能系統(tǒng)大大增加了項(xiàng)目投資成本?；旌蟽δ茏尭哳l次調(diào)頻由高頻次儲能（飛輪）完成，概率較低的大功率、長時間的一次調(diào)頻需求超出了高頻次儲能的功率和容量時，由長時儲能（鋰電）在功率和容量上進(jìn)行補(bǔ)充。這樣可以最大程度減少鋰電裝置的動作次數(shù)，提高整體系統(tǒng)使用壽命，降低事故（著火、爆炸）概率。同時，還能解決飛輪儲能高成本問題，提高儲能裝置的經(jīng)濟(jì)性。

“打個比方，混合儲能就像合唱團(tuán)有高音部和低音部，高音部唱高調(diào)，頻率高、幅度?。坏鸵舨款l次低，幅度大。”中國能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計院副總工程師林雪峰表示，新疆鋰電儲能項(xiàng)目年調(diào)用充放電次數(shù)約為200次，10年2000次，而鋰電使用壽命達(dá)8至10年，循環(huán)壽命5000次。這就意味著，會有3000次循環(huán)充放電的閑置和浪費(fèi)。若采用鉛碳電池或鈉離子電池，又不足以支撐項(xiàng)目10年的充放電調(diào)用?；旌吓渲脙δ埽l繁充電部分由鋰電池承擔(dān)，不太頻繁充電部分交給鈉離子、鉛碳電池電池。這樣既可以滿足應(yīng)用需求，又避免浪費(fèi)、降低投資。

還存在著難題

然而，混合儲能在實(shí)際落地過程中仍面臨諸多困難。

“混合儲能規(guī)模應(yīng)用首先要算得過經(jīng)濟(jì)賬，其次技術(shù)上要可行?！绷盅┓逄寡?，現(xiàn)在面臨最大的問題是業(yè)主能否接受，混合儲能是新技術(shù)、新模式，有些業(yè)主、投資方持觀望態(tài)度，不敢大膽嘗試。“在‘鈉離子+鋰電混合儲能中，隨著上游碳酸鋰價格由2023年60萬元／噸的高位暴跌至10萬元／噸，鋰電池價格隨之出現(xiàn)腰斬。對儲能投資方而言，鋰電價格便宜，足夠負(fù)擔(dān)循環(huán)壽命的浪費(fèi)，混合的意義并不大。況且電網(wǎng)對儲能技術(shù)路線并沒有明確要求，整體能滿足充放電功率、容量調(diào)度要求即可。”

鄭華認(rèn)為，混合儲能還處于示范應(yīng)用和技術(shù)驗(yàn)證階段?；旌蟽δ芸梢越档途C合成本，提升項(xiàng)目整體性能，拓寬適用場景。但不同類型的儲能設(shè)備之間存在著相互作用和協(xié)作的關(guān)系，其運(yùn)行方式、控制策略復(fù)雜，對人員素質(zhì)要求較高。

業(yè)內(nèi)人士指出，混合儲能中各類儲能技術(shù)性能、壽命折損差異較大，如何準(zhǔn)確評估系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，保持內(nèi)部性能的穩(wěn)定一致，延緩系統(tǒng)壽命的衰退，也是混合儲能系統(tǒng)應(yīng)用的一大難點(diǎn)。

“混合儲能相比與單一儲能不會大幅增加項(xiàng)目的運(yùn)營成本，單一的儲能系統(tǒng)也需要運(yùn)營和維護(hù)。”郭強(qiáng)認(rèn)為，混合儲能最大的難題是多種儲能系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制和配合，儲能是一個系統(tǒng)，不是設(shè)備的簡單堆疊。儲能本體、控制系統(tǒng)、通訊傳輸都需要協(xié)調(diào)配合，相互適應(yīng)才能顯現(xiàn)出最好的性能特性。

科陸電子首席戰(zhàn)略專家郭鴻進(jìn)一步指出，混合儲能主要是增加了一次調(diào)頻的能力，目前一次調(diào)頻的計量尚未做到法制計量，還未有實(shí)際的市場機(jī)制支撐，暫時無明確的盈利模式。

配置要因地制宜

顯然，混合儲能不適用于所有情況。鄭華認(rèn)為，單—類型的場景，更適合單一儲能，比如一次調(diào)頻場景、慣量支撐場景、調(diào)蜂場景等；而多場景耦合更適合混合儲能，如一次“AGC調(diào)頻+中長時調(diào)蜂”。隨著輔助服務(wù)市場規(guī)則的完善和新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，分時復(fù)用場景會越來越多，混合儲能的應(yīng)用會越來越廣泛。

“在目前電網(wǎng)調(diào)頻（包括一次調(diào)頻和二次調(diào)頻）、調(diào)峰等多種應(yīng)用場景下，混合儲能是一種性價比最高的模式。”郭強(qiáng)表示，混合儲能系統(tǒng)的功率和容量配置應(yīng)該一場一案，高頻次儲能的功率和容量要能覆蓋當(dāng)?shù)?5%以上的調(diào)頻需求，才能保證不適用于高頻次充放電儲能的安全性?；旌蟽δ艿奶岢鲋饕窃跐M足電網(wǎng)需求和保證儲能系統(tǒng)安全的前提下，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。不同特性的儲能互補(bǔ)短板，不是為了混合而混合。

“電池混合利用不是將鈉電池和鋰電池簡單地堆疊在一起，而是將鈉電池和鋰電池各自組成一個系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)由一套EMS系統(tǒng)（Energy Management System系統(tǒng)，即電能管理系統(tǒng)）進(jìn)行管理，類比為兩個拳擊手共用一個大腦，該出重拳時出重拳，該出快拳時出快拳?！绷盅┓暹M(jìn)一步指出，每個場站充放電形式不一，沒辦法簡單劃定某個容量配置最優(yōu)。要根據(jù)不同工作模式，將儲能特性、價格、電池老化衰減等因素統(tǒng)統(tǒng)考慮進(jìn)去，做模擬仿真計算，找到最佳配比，既滿足負(fù)載性能需求又不浪費(fèi)資源，讓性價比最大化。

要想混合儲能發(fā)揮出“1+1>2”的效果，模型預(yù)測控制將扮演愈發(fā)重要的角色。鄭華表示，混合儲能在控制策略、運(yùn)維策略上要根據(jù)具體應(yīng)用場景進(jìn)行優(yōu)化，充分發(fā)揮各儲能優(yōu)勢，避免其劣勢，提升綜合運(yùn)營性能和降低綜合運(yùn)營成本是關(guān)鍵，而這需要注重數(shù)字化技術(shù)的加持和對運(yùn)營技術(shù)的深刻理解。此外，混合儲能在并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)度運(yùn)行方面還缺乏相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則支撐，后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)示范與標(biāo)準(zhǔn)編制工作。

摘自微信公眾號“中國能源報”