北极星智能电网在线讯:摘要:储能是实现可再生能源高效利用、多种能源开放互联、协同发展的关键技术之一。基于储能技术发展趋势和需求分析,展望了2050年电网功能形态中,技术常规发展和关键技术获得突破发展模式下储能的作用模式和应用场景。分析了储能基础理论、本体技术和系统集成及工程化等关键技术的研究重点和技术路线图,并制定了与电力网络发展相适应的分阶段目标。同时依据能源革命和电网形态发展的客观需求,给出了大规模储能的重点攻关技术和路线图。
0引言
在能源革命的驱动下,可再生能源开发利用力度持续加大,接入电网的比例和在终端能源消费的占比将不断提高。根据国际能源署的研究,为满足新能源消纳需求,预测美国、欧洲、中国和印度到2050年将需要增加310GW并网电力储存能力,为此至少需投资3800亿美元。麦肯锡的研究则将储能列为到2025 年将产生颠覆性作用、对经济发生显著影响的技术,预测市场价值将达0.1万亿~ 0.6万亿美元。世界许多国际组织和国家把发展储能作为缓解能源供应矛盾、应对气候变化的重要措施,并制定了发展战略,提出了2030年、2050年明确的发展目标和相应的激励政策[1]。
此外,随着交通的电动化,电动汽车也逐步进入规模化推广阶段;同时,我国的第二轮电力体制改革也在逐步深入推进,能源生产和消费方式逐步走向开放互联,多种分布式能源综合高效利用、用户广泛参与将成为电力生产和消费的一种新模式,电网的规划运行和调度管理模式将面临重大变革。储能特有的功率控制和能量搬移功能不仅能改善可再生能源可调可控特性,参与电网调峰、调频等辅助服务,同时也是分布式发电和微电网必不可少的调控手段,将成为实现可再生能源高效利用、多种能源开放互联、协同发展的关键技术和重要途径[1-5]。
1 储能应用需求及技术现状
1.1 储能应用需求
从国内外储能产业发展分析来看[6],储能在电力供给侧、用户侧及电网运行调度管理和微电网运行控制等方面的应用逐年快速增长。
储能在电网的应用,可靠安全性是必要前提。在用户侧应用中,免维护特性也是一个必要条件。对于以提高资源利用率和运行效益为目标的能量型应用,如提高可再生能源利用率、调峰、调频、需求侧响应等,应用储能电池的经济性是其可行性的决定因素。对于频繁启动和快速响应的功率型应用,如在可再生能源接入相关的爬坡控制、电压支持及微网无缝切换控制等,储能电池的快速响应能力和浅充浅放条件下的循环寿命是需要重点关注的技术特征。在分布式系统能量管理和微电网运行控制的应用中,储能系统不仅参与电压和频率的调节,还参与系统稳定、供需平衡和协调优化,储能选型需要在技术要求和经济性之间进行权衡。必要时,为降低成本、便于控制,可选择2种及以上的储能分别满足不同的应用需求。
短期内储能的选型更多的取决于当前储能技术的成熟度,示范应用的具体要求和实际条件。长远看来,市场化推广应用取决于工程寿命周期内的整体综合评估。
1.2 储能技术现状
目前大规模储能技术中只有抽水蓄能技术相对成熟,但是由于地理资源限制,其广泛应用受到制约,而其他储能方式还处于实验示范阶段甚至初期研究阶段,相关产业处于培育期[7-21]。储能装置的可靠性、使用寿命、制造成本以及应用能力等方面有待突破。目前我国应用较多的几种电化学储能特性如图1雷达图[21]所示。
总体来看,我国储能技术研究尚处于发展初步阶段,还不适于在电网全面推广应用,同时随着研发深入和应用推进也暴露出一些问题。这些问题与不足都应在2050的技术攻关过程和顶层设计中加以重视。
1)研发体系不健全。
缺乏顶层设计,没有系统成熟的基础理论体系、本体及材料等底层核心技术环节做为支撑,顶端应用领域的引领作用无法准确传导至全产业链,造成应用需求和核心技术对接不畅,储能材料和本体经济性指标与未来应用需求尚不适配。
2)技术经济性有待进一步突破。
目前储能技术成本高,绝大部分储能项目缺乏可预期的收益以吸引资本跟进。而且在系统容量、转换率、寿命、安全性等问题上还有待进一步提高,以满足可再生能源并网消纳和电力系统调节需求。
3)缺乏运行数据支撑。
目前缺乏进行运行评估的实际数据,需要在电源侧、负荷侧进行多方试点示范,积累运行数据,厘清数据的关联性,明确电力储能的运行工况和功效,让试点和政策相互促进,为储能的工程化推广和商业模式研究提供数据支撑。
1.3 储能发展趋势
对于下一代储能本体的预期,国内外均将目标设定在了大容量、高安全、长寿命和低成本的目标上。随着应用需求的多样化,储能技术呈现多种类型协同发展的格局,用户侧应用则向结构紧凑、控制智能、接入灵活的方向发展。
储能应用的关键是技术经济性,近年来,几类电化学储能成本均有大幅下降,如图2所示。从锂离子电池的历史发展规律来看,寿命提升较快,成本下降较快,主要原因在于每种材料的内生性增长。可以通过基于材料本身的改性、储能材料体系的匹配以及储能本体制造工艺的改善等外部因素来进行跨越式的提升,成本则可以通过规模化效应快速下降。
预计到2020年[22],目前国内安装量较大的磷酸铁锂电池的成本价有望降到人民币1000元/(kW•h)左右。而随着各类验证、示范应用以及标准的建立,储能技术的安全性也将逐步提升,达到标准要求。铅酸电池也在不断改进技术,多家企业已经开始从事铅碳电池的开发,重点提升铅酸电池的使用寿命。液流电池相关制造企业少,目前液流电池储能系统的整体转换效率约70%,尚无法与磷酸铁锂和先进铅酸电池相比,但在使用寿命方面有明显优势。
锂离子电池、液流电池、铅碳电池等新型电化学储能技术水平进步较快,具有巨大的发展潜力和广泛的应用前景,有望率先迈入产业化发展阶段,使储能技术成为与发-输-配-用并列的电力系统第5环节。
2 技术愿景
2.1 技术驱动因素
促使储能技术发展的驱动力因素主要有以下几个方面。
1)可再生能源发电比例将持续提升。
随着能源结构调整力度的不断加强,加之雾霾治理、生态压力和绿色低碳发展的倒逼,风电、光伏发电为代表的可再生能源发电占比将持续增长。需要借助大规模储能系统与新能源发电协调优化运行,提高间歇性可再生能源消纳能力。
2)电动汽车比例持续快速增长。
世界各国均从科研投入、产业化发展、法规标准等多角度制订了大量支持电动发展的政策。我国多次明确到2020年纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销达到500万辆的发展目标,预计2030年以后电动汽车与传统汽车在市场上将并行发展,产量将达到同类汽车产量的50%。大规模电动汽车电池和退役电池的梯次利用,以及与充电设施配套的储能设施,将为电力系统提供潜力巨大的储能资源。
3)电网调度控制日益困难和复杂。
未来特高压交直流混合电网的建设,使得我国电网结构和运行方式日益复杂。此外,随着新能源大规模接入电网,其波动性和间歇性给电网的安全稳定运行带来了巨大挑战[23-25]。通过储能技术的应用可以改善可再生能源的可调可控特性,进而提高新型电网的安全可靠运行能力。
4)电力体制改革推向深入。
随着电力体制改革试点范围的扩大和发展,政府部门将在总结试点经验和修改完善相关法律法规的基础上推进电力体制改革的实施,逐渐形成有效竞争的市场结构和市场体系。现代电力市场体系会大大促进储能为输电网提供调频、调压、备用和黑启动等辅助服务应用的需求。
5)能源互联网建设逐步落地。
能源互联网将从初步理论概念逐步进行落地实施,计划2016—2020年,将着力推进储能在能源互联网应用的试点示范工作,建成一批不同类型、不同规模的试点示范项目;2021—2030年,会推进储能系统在能源互联网对多元化、规模化发展,使储能技术成为能源互联网推进的主要推动力。
