近期,國家能源局和有關(guān)部門先后發(fā)布了《“十四五”新型儲能發(fā)展實(shí)施方案》、《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》,為新型儲能技術(shù)創(chuàng)新方向和技術(shù)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展提供了指導(dǎo)意見。“十四五”新型儲能技術(shù)發(fā)展以創(chuàng)新引領(lǐng)、示范先行為基本原則,補(bǔ)強(qiáng)短板,鍛造長板,推動儲能技術(shù)革新、產(chǎn)業(yè)升級、成本下降,支撐新型儲能從示范應(yīng)用向規(guī)模市場化的發(fā)展。通過推動多元化新型儲能技術(shù)開發(fā),實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力顯著提高、核心技術(shù)裝備自主可控水平大幅提升、標(biāo)準(zhǔn)體系基本完善的發(fā)展目標(biāo),為構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)提供關(guān)鍵支撐。
2、新型儲能技術(shù)類型
根據(jù)電力系統(tǒng)對儲能的需求,儲能技術(shù)的應(yīng)用場景涉及到電源側(cè)(集中式可再生能源并網(wǎng)、火電廠輔助AGC調(diào)頻)、電網(wǎng)側(cè)(電網(wǎng)輸配及輔助服務(wù))、用戶側(cè)(家庭、工業(yè)園區(qū))以及分布式微網(wǎng)。不同應(yīng)用場景對儲能技術(shù)的性能要求有所不同,儲能應(yīng)用場景的多樣性決定了儲能技術(shù)的多元化發(fā)展。特別地,根據(jù)不同儲能時長的需求,儲能的應(yīng)用場景可以分為容量型(≥4小時)、能量型(約1~2小時)、功率型(≤30分鐘)和備用型(≥15分鐘)四類1。根據(jù)儲能時長要求的不同進(jìn)行儲能類型劃分,有助于推進(jìn)以市場應(yīng)用為導(dǎo)向的技術(shù)開發(fā)思路,使不同儲能技術(shù)在各自適用的場景中發(fā)揮獨(dú)特的性能優(yōu)勢?!?ldquo;十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》中,將容量型、能量型、功率型和備用型儲能技術(shù)裝備及系統(tǒng)集成技術(shù)列為新型電力系統(tǒng)及其支撐技術(shù)中的重點(diǎn)任務(wù)。
(1)容量型儲能:該類型一般要求儲能時長不低于 4 h,應(yīng)用于削峰填谷或離網(wǎng)儲能等容量型儲能場景。利用長時儲能技術(shù)可以減小峰谷差,提升電力系統(tǒng)效率和設(shè)備利用率,降低新發(fā)電機(jī)組和輸電線路的建設(shè)需求。
(2)功率型儲能: 該類型儲能系統(tǒng)的儲能時長一般在 15~30 min,應(yīng)用于輔助AGC調(diào)頻或平滑間歇性電源功率波動等功率型儲能場景。在此場景下,要求儲能系統(tǒng)可以瞬時吸收或釋放能量,提供快速的功率支撐。
(3)能量型儲能: 該類型介于容量型和功率型儲能之間,一般應(yīng)用于復(fù)合儲能場景,要求儲能系統(tǒng)能夠提供調(diào)峰調(diào)頻和緊急備用等多重功能,連續(xù)儲能時長在1~2 h 之間,例如獨(dú)立儲能電站或電網(wǎng)側(cè)儲能。
(4)備用型儲能: 在電網(wǎng)突然斷電或電壓跌落時,儲能系統(tǒng)作為不間斷電源提供緊急電力,持續(xù)時間一般不低于15 min,應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和通訊基站等備用電源場景。
可再生能源發(fā)電存在分鐘、小時、連續(xù)數(shù)天甚至跨季節(jié)等不同時間尺度上的波動性或間歇性,因此存在對備用型、功率型、能量型、容量型等不同時長儲能技術(shù)類型的需求,以及儲能配置規(guī)模、成本要求等方面的差異。新型儲能技術(shù)的應(yīng)用需考慮系統(tǒng)發(fā)揮不同的功能價值,以及可再生能源電力系統(tǒng)可接受的成本約束。目前由于儲能技術(shù)成本仍然較高,商業(yè)模式單一,從經(jīng)濟(jì)性角度無法有效刺激新能源電站主動配置儲能系統(tǒng),需要電價政策的引導(dǎo)和支持。新型儲能技術(shù)的規(guī)?;l(fā)展將從備用型(離網(wǎng)黑啟動)和功率型(平滑功率波動,調(diào)頻)應(yīng)用逐步擴(kuò)展至能量型(1小時左右的臨時頂峰輸出)和容量型(4小時以上的削峰填谷)的應(yīng)用。
目前新能源側(cè)配置儲能系統(tǒng)通常以功率型或能量型為主,主要起到平滑功率波動的作用。隨著新能源裝機(jī)容量和發(fā)電比例的提升,對儲能時長的要求越來越高,容量型儲能的需求日益增長。例如,2021年美國新增電池儲能系統(tǒng)3.5GW/10.4GWh,大部分系統(tǒng)的持續(xù)放電時間要求不低于4小時。美國能源部表示,到2030年,長時儲能技術(shù)必須實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)營,以增加電網(wǎng)中可再生能源的份額。國內(nèi)各地也陸續(xù)出臺文件支持4小時以上容量型儲能的應(yīng)用。例如,2022年3月,內(nèi)蒙古自治區(qū)能源局發(fā)布文件,要求新增負(fù)荷所配置的新能源項(xiàng)目配建儲能比例不低于新能源配置規(guī)模的15%(4小時),存量自備負(fù)荷部分按需配置儲能比例。新疆維吾爾自治區(qū)發(fā)改委出臺文件以儲能規(guī)模確定新能源項(xiàng)目,建設(shè)不低于4小時時長儲能項(xiàng)目的企業(yè),允許配建儲能規(guī)模4倍的風(fēng)電光伏發(fā)電項(xiàng)目。隨著新能源裝機(jī)規(guī)模的提升和長時儲能技術(shù)的進(jìn)步,4小時以上的新型長時儲能技術(shù)將逐步進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用,滿足電力系統(tǒng)長時儲能的服務(wù)需求。
3、技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展趨勢
儲能應(yīng)用場景的復(fù)雜性決定了單一儲能技術(shù)無法滿足電網(wǎng)需求的多樣性。因此,針對特定場景選擇合適的儲能技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用將是儲能市場的主旋律。
(1)容量型儲能:容量型儲能技術(shù)種類較多,包括新型鋰離子電池、鉛碳電池、液流電池、鈉離子電池、壓縮空氣、儲熱蓄冷、氫儲能等。其中,鉛碳電池、儲熱蓄冷等雖已進(jìn)入商業(yè)推廣階段,但未來還需加強(qiáng)在大容量方向的技術(shù)創(chuàng)新,降低一次投入成本,延長使用壽命,開發(fā)綠色制造和綠色回收技術(shù)。液流電池、鈉離子電池等已經(jīng)進(jìn)入到示范應(yīng)用階段,目前面臨的普遍問題是成本較高、關(guān)鍵性能還需進(jìn)一步突破。新型鋰離子電池(例如,鋰漿料電池)目前正處于中試或關(guān)鍵技術(shù)突破階段,需要在已有鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開發(fā)高安全、低成本、易回收的大容量儲能專用電池。
(2)功率型儲能:功率型短時儲能技術(shù)主要包括超導(dǎo)儲能、飛輪儲能、超級電容器和各類功率型電池。目前面臨的主要問題是系統(tǒng)價格昂貴、可靠性低、維護(hù)要求較高,未來仍需在關(guān)鍵材料和大功率器件的開發(fā)方面加強(qiáng)創(chuàng)新,掌握核心技術(shù),建立自主知識產(chǎn)權(quán)體系。
(3)能量型儲能:能量型儲能技術(shù)以0. 5C 或1C 型磷酸鐵鋰電池為主,已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段,是目前鋰離子電池應(yīng)用于電力儲能的主要類型。未來該場景也有可能會成為功率型和容量型混合儲能的應(yīng)用場景。
(4)備用型儲能:備用型儲能技術(shù)要求具有低的自放電率、響應(yīng)時間短、性能穩(wěn)定、安全可靠,鉛蓄電池、梯級利用電池、飛輪儲能等都可滿足使用需求。
新型儲能技術(shù)亟待突破的共性關(guān)鍵技術(shù)集中在壽命、回收和安全三個方面,例如循環(huán)壽命的預(yù)測及測試評價技術(shù)、低成本修復(fù)延壽技術(shù)、退役電池的梯次利用技術(shù)、綠色回收再生技術(shù)、本質(zhì)安全技術(shù)、安全檢測及預(yù)警防護(hù)技術(shù)等。儲能技術(shù)未來發(fā)展的重點(diǎn)是圍繞“長效設(shè)計、低碳制造、安全運(yùn)維和綠色回收”的理念,加快技術(shù)創(chuàng)新和迭代升級,結(jié)合不同應(yīng)用場景需求建立和完善標(biāo)準(zhǔn)體系。
(1)壽命:相關(guān)技術(shù)包括壽命提升和壽命檢測兩個方面。通過材料體系優(yōu)化、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計、修復(fù)再生等方式可以提高儲能系統(tǒng)使用壽命,進(jìn)而降低度電成本,減少資源浪費(fèi),這是新型儲能技術(shù)開發(fā)的重要內(nèi)容。另一方面,由于儲能系統(tǒng)的復(fù)雜性,使用壽命受到運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行方式、電池一致性等較多因素的影響,而目前壽命預(yù)測大多停留于實(shí)驗(yàn)室階段,因此亟需結(jié)合實(shí)際工況開發(fā)面向用戶的儲能系統(tǒng)壽命有效預(yù)測及測試評價技術(shù)。
(2)回收:雙碳目標(biāo)的提出和上游資源供應(yīng)的波動推動了儲能電池回收產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。儲能電池回收后的處理主要包括修復(fù)再生、梯次利用和材料回收。修復(fù)再生技術(shù)的開發(fā)有助于減少回收壓力,同時推動具有低成本可修復(fù)再生特性的新型儲能材料及器件的資源循環(huán)利用,推廣從生產(chǎn)源端就考慮易回收的電池長效設(shè)計理念。梯次利用的性能評估和質(zhì)量控制技術(shù)有待突破,如果安全性不能得到保障,梯次利用電池將無法規(guī)模應(yīng)用于儲能領(lǐng)域。材料回收方面主要是提高電池自動化拆解和材料分選技術(shù)水平,降低回收環(huán)節(jié)的能耗和碳排放,提高回收率,發(fā)展綠色回收技術(shù)和產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計,促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
(3)安全:多起鋰離子電池儲能電站安全事故的發(fā)生為行業(yè)發(fā)展敲響了警鐘?!?ldquo;十四五”新型儲能發(fā)展實(shí)施方案》中提出要突破儲能全過程安全技術(shù),包括電池本質(zhì)安全控制、電化學(xué)儲能系統(tǒng)安全預(yù)警、系統(tǒng)多級防護(hù)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵材料、高效滅火及防復(fù)燃、儲能電站整體安全性設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù),以及多元新型儲能接入電網(wǎng)系統(tǒng)的控制保護(hù)與安全防御技術(shù)。其中,新型鋰離子電池的本質(zhì)安全技術(shù)開發(fā)至關(guān)重要,關(guān)系到未來鋰電長時儲能的規(guī)模發(fā)展。
4、總結(jié)
“高安全、低成本、可持續(xù)”是所有新型儲能技術(shù)發(fā)展的共同目標(biāo)。新型儲能技術(shù)從促進(jìn)可再生能源消納到降低可再生能源利用成本,需要結(jié)合不同儲能場景需求進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計,推動多元化技術(shù)發(fā)展。隨著新能源發(fā)電比例的快速提升,大容量長時儲能技術(shù)和長壽命大功率儲能器件的開發(fā)成為儲能產(chǎn)業(yè)亟需的重要攻關(guān)方向。
儲能是保障可再生能源大規(guī)模發(fā)展和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在支撐能源可再生發(fā)展的同時,儲能產(chǎn)業(yè)自身的可再生發(fā)展也至關(guān)重要。因此,在全球能源和資源緊張的背景下,儲能技術(shù)開發(fā)應(yīng)站在全產(chǎn)業(yè)鏈和全生命周期的角度,進(jìn)行安全、成本和可持續(xù)發(fā)展能力的綜合評估,發(fā)展新型儲能的可再生技術(shù)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)商業(yè)模式,加快建立以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的綠色儲能技術(shù)創(chuàng)新體系2。