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以储能创新推进能源变革

2023-06-07 288

中国能源结构正在发生革命性变化。相关数据表明,截至2022年底,中国可再生能源装机达12.13亿千瓦,历史性超过全国煤电装机;截至今年4月底,中国风电装机3.8亿千瓦,光伏发电装机4.4亿千瓦,风电、光伏发电总装机达到8.2亿千瓦,占全国发电装机的30.9%,约为36个三峡电站的总装机容量。

历史告诉我们,每次能源革命都是先发明了新动力装置和交通工具,进而带动对新能源的开发利用并引发工业革命。我们有理由相信,以可再生能源为基础、电和氢为能源载体,以电池(光伏、锂离子、氢燃料)为动力、电动车为交通工具,以“绿色”和“智能”为特征的新的工业革命正加速到来。

新能源发展面临制约瓶颈

理想的能源必须同时满足三个标准,成为能源“三好生”,即供应安全、价格便宜、绿色环保。

我们用上述标准来衡量,不难发现:在绿色环保方面,风电、光伏等新能源具有先天优势;在价格方面,随着风机技术和光电转化效率的提高,发电成本不断下降,价格优势正日益显现出来;在安全性方面,由于受自然条件的影响很大,风电、光伏发电可谓“靠天吃饭”,具有随机性、波动性等特点,容易引发电网波动,造成安全风险,甚至可能导致停电事故。

如何提高风电、光伏等新能源接入电网的安全性,使其满足能源“三好生”标准呢? 答案是“储能”,就是针对可再生能源的随机性和波动性等特点,把富余的可再生能源储存起来,当可再生能源不足的时候,通过时空变换,再把存储的电能补回去,保障电网稳定运行。这样就可以有效弥补风电、光伏等新能源在安全性方面的不足,促进中国能源结构的变革。

电池储能形成“电力海绵”

锂离子电池是一种非常好的储能装置,能够与电力系统、通信基站、数据中心、轨道交通、电动汽车、智能电网等有机融合发展,用途很广,性能优异。此类电池可分为两类,一类是集中式储能电站,另一类是分布式储能电池。

集中式储能电站把很多大容量电池集中在一起对电力进行存储,在需要用电时释放出来。由于存在自放电现象和热失控问题,锂离子电池储能电站电池不能长周期储能,也不能大规模储能。近年来,随着技术的进步和电池正负极材料性能的改善等,集中式储能电站的应用安全性得到提升,应用范围和场景不断扩大。2021年,中国用于储能的锂离子电池产量达32吉瓦,增长了146%。

分布式储能电池其实就是电动汽车,让电动汽车与电网形成“车网互动”。在用电低谷时,电力系统给电动汽车充电;在用电高峰时,让电动汽车给系统放电。这样,电动汽车不仅是交通工具,而且可以成为以储能回馈能源的终端。随着汽车动力电池技术的进步,其价格不断降低,储能密度和使用寿命持续提升,单次储能成本将继续下降。

到2022年底,我国新能源汽车保有量约1310万辆,其中,纯电动汽车保有量1045万辆,占比近八成。如果这些汽车都参与进来,与充电桩、电网有机融合与协同,能够形成巨大的“电力海绵”网络,实现大规模、跨时空、低成本和高安全性的灵活储能。

制氢储能具有存储优势

氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源,具有能量密度大、零污染、零碳排等优点。氢储能是把太阳能、风能等清洁能源发出的电能,或夜间电网的过剩电能,通过电解水制取氢气,用储氢罐存储,需要的时候,利用燃料电池或氢燃气轮机发电返回电网的一种储能方式。它是电站调峰的有效方式,可以有效助力新能源并网,缓解区域能源分配不均问题。目前,我国目前在建和筹建一批风电、光伏制氢项目,该领域市场前景广阔。

氢储能是一种非常重要的长周期、大规模储能方式,其发展关键在于继续降低储能成本。与电池直接储能相比,氢能储能经济性看起来并不好,因为氢要用电解水制成,效率大打折扣。但是我们计算的是储能全链条的经济性,包括制备、储存、运输、加气、使用等环节。据计算,氢气在存储方面具有独特优势,成本远远小于电池储电成本。

储能种类众多,有高频的、有低频的,有小功率、有大功率,有短周期、有长周期,不同种类和应用场合需要不同的储能方式。电池储能和氢能储能各有特点,正好互补,组合形成主流储能方式,与其他的储能方式相互配合,形成良好的储能生态。

选择储能方式要因地制宜

选择储能方式不能一概而论,要根据具体情况,因地制宜。我国东北、华北北部、西北、西南地区是主要的风电、光伏、煤电、水电的能源基地,适宜通过建设电化学储能电站,配合特高压输电,将电送到东部沿海经济发达地区。东南部、中东部和南部,火电厂密集,适宜抽水蓄能,配合高压输电网进行输送。东部人口密集地区,适宜分布式光伏、低压配电网配合“车网互动”来储能和发电。

国家发展和改革委、国家能源局印发的《“十四五”新型储能发展实施方案》提出,到2025年,新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段,具备大规模商业化应用条件。在相关政策的支持下,预计会形成万亿级的“车网互动”的智慧能源的市场规模。

为促进中国储能领域的发展,笔者提出如下建议:第一,鉴于储能是实现“碳中和”的关键之一,要进一步明确主流储能技术的战略地位;第二,明确储能在新能源发展中的角色定位,进一步促进能源结构变革;第三,加强储能相关的关键技术研发,特别是加强大数据、云计算等电网智慧调控技术攻关,在电解水和燃料电池的核心材料,高效氢气制备、储运、加注等方面取得实质性突破;第四,建设“车网互动”车联万物(V2X)的基础设施;第五,健全多层次统一电力市场体系。

(作者为中国科学院院士、汽车动力系统专家、清华大学教授)

文章摘抄出处:中国能源网