在2022年全國(guó)能源工作會(huì)議上,國(guó)家能源局發(fā)布了2022年能源工作的七大重點(diǎn)任務(wù),“
儲(chǔ)能”的概念多次出現(xiàn),如重點(diǎn)推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)、核電、可再生能源、油氣、儲(chǔ)能、氫能等重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)攻關(guān);推動(dòng)新型儲(chǔ)能規(guī)?;袌?chǎng)化發(fā)展,探索氫能、綜合智慧能源服務(wù)發(fā)展新模式。
實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),需要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。然而,太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源供應(yīng)“靠天吃飯”、出力波動(dòng)不定。于是,儲(chǔ)能被視為調(diào)節(jié)新能源波動(dòng)性、實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)。
儲(chǔ)能究竟是什么?它能填上供電安全的“缺”嗎?
供電安全的“缺”,誰(shuí)來(lái)填?
能源分布不均、依賴化石能源,是我國(guó)能源發(fā)展格局中長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。
截至本世紀(jì)初,我國(guó)已探明煤炭?jī)?chǔ)量6044億噸,其中70%分布在山西、陜西和內(nèi)蒙古;可開(kāi)發(fā)水電資源1923.3億千瓦時(shí),99.4%分布在中、西部地區(qū)(其中65%分布在四川、云南和西藏);石油資源890億噸,主要分布在東、西部地區(qū);天然氣資源20×1013立方米,主要分布在新疆、青海和四川。
相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,20世紀(jì)70年代以來(lái),化石能源在我國(guó)一次能源構(gòu)成中的占比呈逐年下降趨勢(shì),但仍以煤炭為主。
東西部分布不均,富煤、貧油、少氣的能源資源特點(diǎn),決定了我國(guó)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期以燃煤發(fā)電為主,基本形成了“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的格局。
近年來(lái),隨著傳統(tǒng)能源日益匱乏、環(huán)境日趨惡化、新能源不斷發(fā)展,我國(guó)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐漸優(yōu)化。
國(guó)家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,2021年前11個(gè)月,我國(guó)新能源發(fā)電量達(dá)到10355.7億千瓦時(shí),年內(nèi)首次突破1萬(wàn)億千瓦時(shí),同比增長(zhǎng)32.97%,風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量穩(wěn)居世界首位;新能源發(fā)電量對(duì)全國(guó)電力供應(yīng)的貢獻(xiàn)不斷提升,占全國(guó)全社會(huì)用電量的比例達(dá)13.8%,同比提升2.14個(gè)百分點(diǎn)。
這也帶來(lái)了新的問(wèn)題——新能源出力缺乏可控性、供電不穩(wěn)定,威脅電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
以風(fēng)能和太陽(yáng)能為例。風(fēng)速、太陽(yáng)光輻射取決于自然條件、難以調(diào)節(jié)控制,這意味著風(fēng)能、太陽(yáng)能本身具有波動(dòng)性和間歇性,導(dǎo)致風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電出力不穩(wěn)定。當(dāng)其容量占比較小時(shí),尚可利用電網(wǎng)控制與配電技術(shù)保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行,反之則會(huì)對(duì)電網(wǎng)正常供電產(chǎn)生明顯影響。
【注:風(fēng)電單日波動(dòng)最大幅度可達(dá)裝機(jī)容量的80%,
光伏日內(nèi)出力波動(dòng)值可達(dá)裝機(jī)容量的100%。】
在我國(guó)新能源發(fā)電大規(guī)模開(kāi)發(fā)、并網(wǎng)背景下,新能源發(fā)電不穩(wěn)定成為電力系統(tǒng)發(fā)展的制約因素。如何才能有效控制新能源發(fā)電出力,確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定?面對(duì)以上現(xiàn)實(shí)需求,儲(chǔ)能技術(shù)逐漸走進(jìn)人們視野。
儲(chǔ)能,就是將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、勢(shì)能、動(dòng)能、電磁能等形態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ),待需要時(shí)再轉(zhuǎn)換為電能釋放。這一能量轉(zhuǎn)換過(guò)程,可實(shí)現(xiàn)電力的時(shí)序調(diào)節(jié),發(fā)電不需即時(shí)傳輸,有效提高新能源發(fā)電的可調(diào)可控性。
除發(fā)電側(cè)外,儲(chǔ)能技術(shù)還能參與電網(wǎng)側(cè)調(diào)峰調(diào)頻、用戶側(cè)削峰填谷等環(huán)節(jié),緩解高峰負(fù)荷供電需求,提高電能質(zhì)量和用電效率,助力新能源高效利用以及多種能源開(kāi)放互聯(lián)、協(xié)同發(fā)展。
【注:調(diào)峰,在用電高峰期為電網(wǎng)提供額外電量,或響應(yīng)新能源消納降低輸出功率;調(diào)頻,精準(zhǔn)調(diào)節(jié)波動(dòng)的電壓和功率;削峰填谷,在用電低谷時(shí)段充電、高峰時(shí)段放電,利用峰谷電價(jià)差獲得收益或減少成本?!?br />
根據(jù)國(guó)家規(guī)劃,預(yù)計(jì)到“十四五”末,可再生能源發(fā)電裝機(jī)占電力總裝機(jī)的比例將超過(guò)50%。2021年冬季,全國(guó)各地“拉閘限電”頻現(xiàn),再次提醒人們新能源充分承擔(dān)電力系統(tǒng)責(zé)任的重要性,而這恰恰需要儲(chǔ)能系統(tǒng)的跟進(jìn)調(diào)節(jié)。隨著“雙碳”進(jìn)程不斷推進(jìn),新能源將成為各地的主力電源,儲(chǔ)能系統(tǒng)更能發(fā)揮提高電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性的重要作用。
中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)兼秘書長(zhǎng)、中國(guó)能源研究會(huì)儲(chǔ)能專委會(huì)主任陳海生研究員認(rèn)為,既要實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、又要保障國(guó)家能源安全,這是中國(guó)面臨的重大需求和挑戰(zhàn),而發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)是一種有效的途徑。
存電,沒(méi)那么簡(jiǎn)單
提到儲(chǔ)存電能的方法,人們多會(huì)聯(lián)想到日常生活中隨處可見(jiàn)的電池。
實(shí)際上,儲(chǔ)能的方式多種多樣。按照存儲(chǔ)能量的形式,儲(chǔ)能可大致分為物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能兩大類。其中,物理儲(chǔ)能又包括機(jī)械儲(chǔ)能和電磁場(chǎng)儲(chǔ)能,化學(xué)儲(chǔ)能則分為電化學(xué)儲(chǔ)能(電池儲(chǔ)能)和氫儲(chǔ)能。
具體而言,抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等,都是比較常見(jiàn)的物理儲(chǔ)能形式。
抽水蓄能指在電力負(fù)荷低谷時(shí)段把下水庫(kù)的水抽到上水庫(kù)內(nèi),以水力勢(shì)能的形式蓄能;在負(fù)荷高峰時(shí)段再放水發(fā)電,將水力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能。但水資源易蒸發(fā)、泵水耗費(fèi)功率高,其能量轉(zhuǎn)換效率一般為70%左右。
壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)而發(fā)展,其工作原理是:用電負(fù)荷低谷時(shí),利用富余電量驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī),以高壓空氣形式存儲(chǔ)能量,負(fù)荷高峰時(shí)再釋放高壓空氣、驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。其儲(chǔ)能容量大、燃料消耗少,能源轉(zhuǎn)化率可達(dá)75%左右。
化學(xué)儲(chǔ)能中,電化學(xué)儲(chǔ)能主要利用電池正負(fù)極氧化還原反應(yīng)進(jìn)行充放電,電池是其能量轉(zhuǎn)換的主要載體。它不受地理等外部條件限制,適合大規(guī)模應(yīng)用和批量化生產(chǎn),但電池使用壽命有限、成本較高。
針對(duì)不同儲(chǔ)能應(yīng)用,電池類型也有所不同。傳統(tǒng)的電化學(xué)電池以鉛酸電池為代表;便攜電子產(chǎn)品的出現(xiàn)帶動(dòng)了鎳氫電池發(fā)展;電動(dòng)汽車的發(fā)展促進(jìn)了鋰離子電池技術(shù)進(jìn)步;新能源發(fā)電不斷推廣后,鈉硫電池、全釩液流電池等針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用的電池也隨之出現(xiàn)……
除了常規(guī)電池儲(chǔ)能,氫能也是備受關(guān)注的化學(xué)儲(chǔ)能方式。
氫的還原性強(qiáng),熱值(120.0MJ/kg)是同質(zhì)量化石燃料熱值的2-4倍,既能和氧氣燃燒產(chǎn)生熱能,也能通過(guò)燃料電池轉(zhuǎn)化成電能,且能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中不產(chǎn)生溫室氣體、清潔環(huán)保。
此外,相較電儲(chǔ)能方式,氫的能量密度高、能量容量成本小,儲(chǔ)能能力極佳,可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能或季節(jié)性儲(chǔ)能,對(duì)于新能源轉(zhuǎn)化電能而言也是很好的儲(chǔ)運(yùn)介質(zhì)。
氫能利用涉及制氫、儲(chǔ)氫、輸氫、用氫多個(gè)環(huán)節(jié)。天然氣制氫、煤制氫是氫氣工業(yè)生產(chǎn)主要方式。目前,主要使用的儲(chǔ)氫技術(shù)有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫和有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫。而利用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng),將新能源制氫混入天然氣管道,是氫能輸送的經(jīng)濟(jì)方法。
但從目前看來(lái),氫儲(chǔ)能還需在制氫效率、價(jià)格以及使用效率等方面進(jìn)一步突破,具體體現(xiàn)在:
制氫效率整體偏低,質(zhì)子交換膜、高溫電制氫等高效率制氫普遍存在技術(shù)不夠成熟、價(jià)格昂貴等問(wèn)題;
儲(chǔ)氫方式以高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)為主(國(guó)內(nèi)主要采用35 MPa 碳纖維復(fù)合鋼瓶?jī)?chǔ)運(yùn)),儲(chǔ)氫罐加壓過(guò)程成本較大,且隨著壓力增大儲(chǔ)氫安全性也會(huì)有所降低;
在用氫層面,燃料電池的實(shí)際工作效率(約為40%-60%)遠(yuǎn)達(dá)不到理論效率(85%-90%);氫氣若用作儲(chǔ)能媒介,在轉(zhuǎn)換過(guò)程中也存在著能量浪費(fèi)。
全球狂熱,后發(fā)趕超
可以說(shuō),儲(chǔ)能為電網(wǎng)系統(tǒng)提供了容量巨大的“充電寶”,成為新能源高比例并網(wǎng)背景下電網(wǎng)穩(wěn)定的重要技術(shù)支撐。
過(guò)去近20年來(lái),各國(guó)紛紛探索儲(chǔ)能領(lǐng)域,美國(guó)和日本發(fā)展較早。根據(jù)美國(guó)能源部信息中心數(shù)據(jù),2004-2014年,由美國(guó)、日本、歐盟等實(shí)施的MW(兆瓦)級(jí)及以上規(guī)模的儲(chǔ)能示范工程有180余項(xiàng)。從地域分布上看,美國(guó)項(xiàng)目數(shù)量占全球總項(xiàng)目數(shù)量的44%。
從儲(chǔ)能類型上看,抽水蓄能是目前技術(shù)成熟、應(yīng)用最廣泛的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。但由于地理?xiàng)l件限制,開(kāi)發(fā)潛力和增長(zhǎng)空間與電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)相比較弱。截至2020年底,在全球已投運(yùn)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)中,抽水蓄能所占份額達(dá)90%以上,但增速極低(同比增長(zhǎng)0.9%);與之相比,電化學(xué)儲(chǔ)能占比僅7%左右,同比增長(zhǎng)卻高達(dá)49.6%。
中國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步迅猛。2003年起,中國(guó)逐步實(shí)現(xiàn)抽水蓄能電站機(jī)組及成套設(shè)備制造自主化,抽水蓄能電站裝機(jī)容量躍居世界第一,解決了世界工程極限低溫下瀝青混凝土、高海拔低溫超長(zhǎng)面板一次成型、復(fù)雜地質(zhì)條件下過(guò)渡料爆破開(kāi)采等技術(shù)難題。
電化學(xué)儲(chǔ)能更是飛速發(fā)展:2015-2020年,電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)復(fù)合增長(zhǎng)率超80%;2020年,中國(guó)成為全球最大電化學(xué)儲(chǔ)能市場(chǎng)(市場(chǎng)占有率達(dá)33%),鋰離子電池、鉛炭電池和全釩液流電池等方面研發(fā)應(yīng)用已處國(guó)際先進(jìn)水平。
截至2020年底,中國(guó)已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模占全球市場(chǎng)總規(guī)模的18.6%。其中規(guī)模最大的是抽水蓄能,電化學(xué)儲(chǔ)能位列第二,各類電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中規(guī)模最大的是鋰離子電池。
此外,中國(guó)已發(fā)布儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)35項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)9項(xiàng)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)14項(xiàng)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)若干項(xiàng)。
電儲(chǔ)能技術(shù)迅猛發(fā)展的同時(shí),各個(gè)地方亦結(jié)合自身優(yōu)勢(shì),積極探索氫儲(chǔ)能發(fā)展之路。廣東省佛山市南海區(qū)就是其中之一。
“十二五”以來(lái),南海區(qū)地區(qū)生產(chǎn)總值呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì),占佛山市地區(qū)生產(chǎn)總值比重常年穩(wěn)定在27%以上。依托經(jīng)濟(jì)發(fā)展,南海區(qū)裝備制造業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級(jí),在數(shù)控機(jī)床、制造機(jī)器人等先進(jìn)裝備制造領(lǐng)域取得突破,并率先布局氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè),推動(dòng)新能源汽車制造業(yè)發(fā)展。
2017年,南海區(qū)于全國(guó)率先啟動(dòng)科技部/聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署“促進(jìn)中國(guó)燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展”項(xiàng)目,并建成了國(guó)內(nèi)首個(gè)商業(yè)化加氫站——瑞暉加氫站。目前,全區(qū)已投入847輛氫能車輛運(yùn)行,燃料電池汽車保有量超過(guò)全國(guó)的10%,是國(guó)內(nèi)燃料電池汽車運(yùn)行規(guī)模最大的縣級(jí)區(qū)。
如今,南海已匯集87家氫能企業(yè)、科研院所及相關(guān)機(jī)構(gòu),推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研用平臺(tái)建設(shè),涵蓋了氫氣生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)及設(shè)備研制、加氫站設(shè)計(jì)與建設(shè)、燃料電池及系統(tǒng)、核心材料與部件、整機(jī)研發(fā)制造、產(chǎn)品檢測(cè)及設(shè)備研制、標(biāo)準(zhǔn)制定、人才培養(yǎng)等8大環(huán)節(jié),形成了較完整的、具有國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。
近年來(lái),我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步有目共睹,但總體來(lái)看尚處于發(fā)展初步階段,尚存諸多問(wèn)題。比如:研發(fā)體系不健全、缺乏進(jìn)行運(yùn)行評(píng)估的實(shí)際數(shù)據(jù);儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展參差不齊,技術(shù)成本和安全性問(wèn)題有待進(jìn)一步突破。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),近10年間,全球共發(fā)生32起儲(chǔ)能電站起火爆炸事故,其中中國(guó)3起,給電池質(zhì)量、安全管理、預(yù)警監(jiān)控消防系統(tǒng)、運(yùn)行環(huán)境等多個(gè)環(huán)節(jié)敲響警鐘。
春日將至,穩(wěn)步前行
除了技術(shù)進(jìn)步,儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展還需要高站位的全景規(guī)劃。
我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略布局可追溯到2005年的《可再生能源發(fā)展指導(dǎo)目錄》;此后,2010年出臺(tái)的《可再生能源法修正案》明確規(guī)定電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)發(fā)展和應(yīng)用智能電網(wǎng)、儲(chǔ)能技術(shù);2011年,儲(chǔ)能被寫入“十二五”規(guī)劃綱要。
2017年10月,國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局等五部門聯(lián)合出臺(tái)《關(guān)于促進(jìn)我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》,指出要在“十三五”期間實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期過(guò)渡,“十四五”期間實(shí)現(xiàn)商業(yè)化初期向規(guī)?;l(fā)展轉(zhuǎn)變。同時(shí),各省區(qū)市也陸續(xù)出臺(tái)關(guān)于推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。
2021年,隨著“雙碳”目標(biāo)提出,國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局再次聯(lián)合發(fā)布針對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的國(guó)家級(jí)綜合性政策文件《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)(征求意見(jiàn)稿)》(以下簡(jiǎn)稱為《指導(dǎo)意見(jiàn)》),明確提出:到2025年,實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能從商業(yè)化初期向規(guī)?;l(fā)展轉(zhuǎn)變,裝機(jī)規(guī)模達(dá)3000萬(wàn)千瓦以上;到2030年,實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能全面市場(chǎng)化發(fā)展。
在國(guó)家政策引領(lǐng)下,張北國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程、遼寧臥牛石風(fēng)電場(chǎng)全釩液流電池儲(chǔ)能示范電站、甘肅酒泉MW級(jí)儲(chǔ)能電站、青海15MW儲(chǔ)能電站……大批示范性儲(chǔ)能電站和光儲(chǔ)一體化電站順利落地,并逐步從試驗(yàn)示范邁向商業(yè)化推廣。
據(jù)統(tǒng)計(jì),2021年上半年,國(guó)內(nèi)新增新型儲(chǔ)能項(xiàng)目257個(gè)(包括規(guī)劃、在建、運(yùn)行項(xiàng)目),儲(chǔ)能總規(guī)模達(dá)11.8吉瓦,是2020年同期的9倍;新增投運(yùn)項(xiàng)目規(guī)模304.4兆瓦,其中百兆瓦以上大規(guī)模項(xiàng)目是2020年同期的8.5倍。
【注:10000千瓦=10兆瓦=0.01吉瓦】
此外,《指導(dǎo)意見(jiàn)》還指出,儲(chǔ)能技術(shù)要以需求為向?qū)?,?jiān)持多元化發(fā)展。這提醒我們,要做好儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的前瞻性規(guī)劃研究,避免資源無(wú)效配置,推動(dòng)商業(yè)化發(fā)展。
儲(chǔ)能項(xiàng)目投資成本偏高,社會(huì)資本難以進(jìn)入;儲(chǔ)能項(xiàng)目商業(yè)模式的不穩(wěn)定性,導(dǎo)致融資渠道有限,儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化相關(guān)政策體系和價(jià)格機(jī)制有待完善……囿于以上因素,當(dāng)前我國(guó)電儲(chǔ)能商業(yè)化應(yīng)用仍集中在新能源發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè),在用戶側(cè)的商業(yè)化探索相對(duì)有限,亟待政策推動(dòng)。
2021年,已有多省在新能源競(jìng)價(jià)招標(biāo)方案中明確新能源配儲(chǔ)比例要求,一般在5%-20%之間、儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)2小時(shí)。隨著可再生能源占比不斷提高,我國(guó)電力結(jié)構(gòu)將發(fā)生重大變化,對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)和市場(chǎng)的要求也會(huì)不斷提高。我們要做的就是不斷提升技術(shù)、勇敢迎接挑戰(zhàn)。
原標(biāo)題:能有效避免“拉閘限電”!國(guó)家多次提到這個(gè)概念