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電池和氫氣在未來清潔能源系統(tǒng)中的作用是什么？德國TEAM CONSULT公司的顧問Matthias Simolka審視了電池儲能和氫氣在當下扮演的角色，此外還有大型可再生能源綜合項目和輸電等各個方面的可能發(fā)展動態(tài)。                   

人們需要儲存可再生能源發(fā)電以便隨時使用及用于移動式應用。近年來，作為可再生能源發(fā)電的儲存手段，電池和氫氣技術已成為關注焦點。這兩種技術都可以用于固定類應用和移動類應用。但是在市場上，這些技術是否是競爭對手？一種技術是不是比另一種技術更有優(yōu)勢，從而會導致競爭力較弱的技術被取而代之？或者說，它們是互為補充的技術么？能源系統(tǒng)整合了越來越多的可再生能源，同時還維持著電網的穩(wěn)定，這兩種技術是其中的必需元素么？

在下文中，我們分析了德國的現(xiàn)狀并展望了這兩種技術的未來發(fā)展。

在討論能源系統(tǒng)從化石能源向可再生能源的過渡時，人們常常會使用德語 "Energiewende "一詞，甚至在國際場合中也是如此，這表明，德國在全球能源轉型中發(fā)揮了先鋒作用。“Energiewende”的核心特征是能源供應的低碳化和向可再生能源的轉變，迄今為止，這些情況主要出現(xiàn)在電力系統(tǒng)中?？稍偕茉磶淼闹饕魬?zhàn)是發(fā)電量的波動，這阻礙了穩(wěn)定的、以需求為導向的能源供應。多年來，隨著可再生能源的占比越來越高，電網中的負荷變化（上網梯度）也越來越大（見圖1）。


股市小心翼翼的關注著這兩項技術。自2019年年中以來，有兩個特別關注電動汽車的指數(shù)，一個針對電池，一個針對氫氣技術。自那時以來，這兩個指數(shù)都呈正向發(fā)展，其中氫指數(shù)的增長明顯超出電池指數(shù)（見圖2）。

德國儲能行業(yè)的現(xiàn)狀如何？

TEAM CONSULT對德國儲能協(xié)會BVES的分析顯示，德國儲能供應商的收入從2015年的40多億歐元（合47.9億美元）增長到2019年的約55億歐元。家庭、工業(yè)和電網應用的電池板塊收入超過了20億歐元，在德國儲能市場中占有相當大的份額。氫氣技術制造商的2019年總收入約為1.2億歐元，目前遠遠落后于電池板塊。但是，由于德國氫產能的預期增長，他們的收入有望在未來幾年大幅提升。

電池和氫氣技術的工作原理

電池的工作原理與氫氣技術（即燃料電池和電解器）的工作原理相似。電池和氫氣技術都是把通過化學方法儲存的能量轉化為電能，反之亦然。關于氫氣，我們主要關注的是用于生產綠色氫氣的電力轉化設施（電解器）和使用氫氣生產電能的燃料電池。

平均而言，在電池充電使用的電力中，80%-90%可在放電過程中被回收。對于電解器和燃料電池組合來說，在用于制氫的電解器用電中，約40%-50%可作為電能被燃料電池回收。

固定式儲能電池的應用和投資成本

不同技術適合的應用是由這些技術的特性決定的。電池技術具有快速響應能力和高充放電能力（最高可達100MW以上），因此，電池能夠提供和吸收較大的功率梯度。長時間大量儲能并不是電池的強項，這就是大型電池主要用于一次控制能源市場，也就是所謂的調頻控制儲備（FCR）市場的原因——這些電池需要在30秒內被激活，可運行15分鐘。它們代表的是對電網不平衡性的短期反應，而不是提供二次或三次能源控制功能。這些能源控制產品需要5分鐘和15分鐘才能達到滿功率，可運行15分鐘，最長1小時，它們代表的是對電網不平衡性的緩慢的、長期的反應。

德國的大型電池項目

一次控制能源市場價格下跌導致大型電池和其他控制能源的供應商面臨著經濟困境。除了提供一次控制能源外，固定式電池還有其他各種應用，這些措施包括用戶的削峰填谷以降低并網所需容量。電池還被進一步用于將用戶從電網取電的時間轉移到電網非高峰時段，也就是“非典型電網利用方式”，德國以電網費用折扣的形式對其進行補償。 此外，電池還被用作緩沖器以提升電動汽車充電站的功率，這極大加速了充電流程，而不需要為延伸當?shù)仉娋W付出成本。通常，人們通過不同應用的組合（所謂的“多用途應用”）來實現(xiàn)大型電池的盈利運行，由于現(xiàn)有應用的多樣性，這種方式是可行的。

由于技術改進和規(guī)模生產經濟效益，電池片價格有所下降，大型電池的資本支出幾乎減少了一半，從2014年的135萬歐元/MW下降到2018年和2019年的約70萬歐元/MW。

目前，德國用于為公共電網供電的在運大型電池總裝機容量為551MW。德國最大的電池由位于勃蘭登堡的LEAG公司運行，裝機容量為66MWh，功率為53MWh。這一電池被用于FCR市場和可再生能源整合中。德國大型電池市場規(guī)模最大的擴張出現(xiàn)在2018年，新增裝機總量為181MW。初步數(shù)據(jù)顯示，2020年，擴張產能將降至約81MW。



目前，在德國的在運項目和已公布項目中，固定式氫氣技術的應用主要集中在燃料、原料以及注入現(xiàn)有天然氣網絡等方面。將熱損耗用于其他工業(yè)流程、住宅供暖以及利用氫氣發(fā)電是這些項目更為深入的、重復性的應用。

這些固定式項目將能源轉化為不同形式，可長期儲存在現(xiàn)有基礎設施中。未來，這些技術可以用來生產氫氣，之后用于實現(xiàn)工業(yè)流程和移動領域的低碳化發(fā)展。利用氫氣發(fā)電/生熱的燃料電池主要用于分散的、熱電聯(lián)產固定式應用的供熱/供電（例如在工業(yè)領域），并會越來越多的取代備用供電系統(tǒng)中的柴油發(fā)電機。

德國的固定式氫氣技術設施

截至2019年年底，德國大約有30MW的固定氫技術設備在運行。根據(jù)德國政府2020年6月公布的國家氫能戰(zhàn)略，預計未來幾年，裝機容量將出現(xiàn)陡增；至2030年，達到5GW。

當前項目的資本支出為每兆瓦80-200萬歐元（電解器容量），成本取決于電解器的技術類型；由于部署的機組數(shù)量較少，因而資本支出的范圍仍然相當廣泛。預計未來幾年，隨著裝機容量的增加，資本支出將出現(xiàn)下降。

移動領域成為越來越重要的儲能應用場景

在移動領域，電池的普及程度遠遠超過燃料電池。2019年年初，德國注冊的電池驅動電動汽車共計超過83000輛。自2015年以來，這類汽車的數(shù)量增加了四倍多。登記在冊的電池驅動卡車超過了17000輛。幾乎所有注冊的電動卡車的載重量都不到兩噸，因此屬于小型卡車范疇。

相比之下，截至2019年，德國注冊的燃料電池電動汽車（FCEV）有507輛。雖然人們認為燃料電池技術本身已具備了量產條件，但燃料電池卡車目前還沒有做好量產準備。預計燃料電池卡車和巴士將在未來幾年進入市場。在這一市場領域，燃料電池片具有巨大潛力，尤其是鑒于柴油卡車和燃料電池片卡車的總持有成本會在2030年趨于一致的預期。（來源：Roland Berger (2020)——巴登-符騰堡州燃料電池片產業(yè)潛力) 有資料顯示，至2030年，歐洲將有45000輛燃料電池片卡車投入使用（資料來源：Deloitte & Ballard (2020)——推動交通的未來)

對于乘用車來說，電池電動車每百公里覆蓋距離能耗從11kWh到23kWh不等，大型和重型（長距離）車輛的能耗往往高于小型和輕型車輛。通常情況下，F(xiàn)CEV百公里需要1.0kg-1.2kg氫氣，換算成每百公里覆蓋距離能耗為33kWh-41kWh。


電動交通的基礎設施情況如何？

根據(jù)聯(lián)邦網絡局的清單，截至2019年，德國約有26500個可公開使用的注冊充電點。相比之下，可公開使用的氫氣加油站共計87個。

與同樣數(shù)量的FCEV所需的氫燃料站相比，電動汽車所需的充電站數(shù)量更多。其中的主要原因是，與FCEV相比，電動汽車的充電流程更長。盡管如此，電動汽車的充電基礎設施還是超過了FCEV的燃料基礎設施，但是，差距比顯示的絕對數(shù)要小。與電動汽車基礎設施相比，目前內燃機車輛的汽油或柴油加油站有14000多個，其中360個加油站位于高速公路上，這對于重型運輸尤為重要。

結論：是互補技術而非競爭對手

總之，每種技術都有其特定優(yōu)勢，必須根據(jù)各自應用的要求以及這些技術的特性逐一決定使用哪種技術。

在移動領域，目前電池儲能系統(tǒng)仍然具有成本優(yōu)勢，而且使用更為普遍。氫氣技術的效率明顯低于電池效率。由于重載運輸需要長距離行駛，從長遠來看，燃料電池在這一領域可能會比電池更具優(yōu)勢。

在固定式應用方面，電池儲能系統(tǒng)已經是一項成熟的、可以以較低成本參與市場競爭的技術。氫氣技術還需要數(shù)年時間才能實現(xiàn)經濟效益。然而，從長遠來看，氫氣技術在儲能方面具有很大的潛力，可以為一些不同的領域供電，同時還可以利用現(xiàn)有基礎設施。

因此，電池和氫氣技術是互補技術，而不是競爭對手。在實現(xiàn)低碳化和高效能源系統(tǒng)的道路上，它們都是必需的。

長期以來，電池在各個領域得到了應用并在不斷征服新領域。然而，在實際應用中，電池技術的局限性顯而易見，例如，電池驅動車輛所需的充電時間長，固定式應用的儲能容量有限等。這些因素或是電動汽車電池指數(shù)在資本市場上的表現(xiàn)不如電動汽車氫氣指數(shù)的原因。展望未來，氫氣技術具備了解鎖能源密集型應用領域的更大潛力，這些領域目前還沒有脫碳解決方案。這種前景反映在氫指數(shù)的較好表現(xiàn)上，未來會告訴人們，氫氣技術能在多大程度上滿足這些期望。

原標題：德國電池和氫氣：現(xiàn)代能源系統(tǒng)的關鍵組成部分比較