能有效避免“拉閘限電”!國家多次提到這個概念

發(fā)布日期:2022-02-17

核心提示:在2022年全國能源工作會議上,國家能源局發(fā)布了2022年能源工作的七大重點任務(wù),儲能的概念多次出現(xiàn),如重點推動燃?xì)廨啓C、核電、
 在2022年全國能源工作會議上,國家能源局發(fā)布了2022年能源工作的七大重點任務(wù),“儲能”的概念多次出現(xiàn),如重點推動燃?xì)廨啓C、核電、可再生能源、油氣、儲能、氫能等重點領(lǐng)域技術(shù)攻關(guān);推動新型儲能規(guī)?;袌龌l(fā)展,探索氫能、綜合智慧能源服務(wù)發(fā)展新模式。

實現(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,太陽能、風(fēng)能等新能源供應(yīng)“靠天吃飯”、出力波動不定。于是,儲能被視為調(diào)節(jié)新能源波動性、實現(xiàn)并網(wǎng)穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)。

儲能究竟是什么?它能填上供電安全的“缺”嗎?

文 | 丁貴梓 瞭望智庫觀察員

本文為瞭望智庫原創(chuàng)文章,如需轉(zhuǎn)載請在文前注明來源瞭望智庫(zhczyj)及作者信息,否則將嚴(yán)格追究法律責(zé)任。

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供電安全的“缺”,誰來填?

能源分布不均、依賴化石能源,是我國能源發(fā)展格局中長期存在的問題。

截至本世紀(jì)初,我國已探明煤炭儲量6044億噸,其中70%分布在山西、陜西和內(nèi)蒙古;可開發(fā)水電資源1923.3億千瓦時,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。

我國一次能源構(gòu)成情況

相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,20世紀(jì)70年代以來,化石能源在我國一次能源構(gòu)成中的占比呈逐年下降趨勢,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,決定了我國電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)長期以燃煤發(fā)電為主,基本形成了“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”的格局。

2021年12月15日,安徽省渦陽縣的和新風(fēng)力發(fā)電場配備的10兆瓦時儲能設(shè)施,可在發(fā)電高峰時將電能暫時儲存,在用電高峰時釋放。圖|新華社

近年來,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,我國電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐漸優(yōu)化。

國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,2021年前11個月,我國新能源發(fā)電量達(dá)到10355.7億千瓦時,年內(nèi)首次突破1萬億千瓦時,同比增長32.97%,風(fēng)電、太陽能發(fā)電累計裝機容量穩(wěn)居世界首位;新能源發(fā)電量對全國電力供應(yīng)的貢獻(xiàn)不斷提升,占全國全社會用電量的比例達(dá)13.8%,同比提升2.14個百分點。

這也帶來了新的問題——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)定運行。

以風(fēng)能和太陽能為例。風(fēng)速、太陽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、太陽能本身具有波動性和間歇性,導(dǎo)致風(fēng)電、太陽能發(fā)電出力不穩(wěn)定。當(dāng)其容量占比較小時,尚可利用電網(wǎng)控制與配電技術(shù)保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行,反之則會對電網(wǎng)正常供電產(chǎn)生明顯影響。

【注:風(fēng)電單日波動最大幅度可達(dá)裝機容量的80%,光伏日內(nèi)出力波動值可達(dá)裝機容量的100%?!?/p>

在我國新能源發(fā)電大規(guī)模開發(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?面對以上現(xiàn)實需求,儲能技術(shù)逐漸走進(jìn)人們視野。

儲能,就是將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、勢能、動能、電磁能等形態(tài)進(jìn)行存儲,待需要時再轉(zhuǎn)換為電能釋放。這一能量轉(zhuǎn)換過程,可實現(xiàn)電力的時序調(diào)節(jié),發(fā)電不需即時傳輸,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)波動的電壓和功率;削峰填谷,在用電低谷時段充電、高峰時段放電,利用峰谷電價差獲得收益或減少成本。】

根據(jù)國家規(guī)劃,預(yù)計到“十四五”末,可再生能源發(fā)電裝機占電力總裝機的比例將超過50%。2021年冬季,全國各地“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。

中國工程熱物理學(xué)會副理事長兼秘書長、中國能源研究會儲能專委會主任陳海生研究員認(rèn)為,既要實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、又要保障國家能源安全,這是中國面臨的重大需求和挑戰(zhàn),而發(fā)展儲能技術(shù)是一種有效的途徑。

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存電,沒那么簡單

提到儲存電能的方法,人們多會聯(lián)想到日常生活中隨處可見的電池。

實際上,儲能的方式多種多樣。按照存儲能量的形式,儲能可大致分為物理儲能和化學(xué)儲能兩大類。其中,物理儲能又包括機械儲能和電磁場儲能,化學(xué)儲能則分為電化學(xué)儲能(電池儲能)和氫儲能。

電能存儲技術(shù)的分類

具體而言,抽水蓄能、壓縮空氣儲能等,都是比較常見的物理儲能形式。

2021年11月16日,安徽蕪湖市弋江區(qū)峨橋鎮(zhèn)響水澗抽水蓄能電站的上水庫和下水庫。圖|新華社

抽水蓄能指在電力負(fù)荷低谷時段把下水庫的水抽到上水庫內(nèi),以水力勢能的形式蓄能;在負(fù)荷高峰時段再放水發(fā)電,將水力勢能轉(zhuǎn)換為電能。但水資源易蒸發(fā)、泵水耗費功率高,其能量轉(zhuǎn)換效率一般為70%左右。

壓縮空氣儲能技術(shù)基于燃?xì)廨啓C技術(shù)而發(fā)展,其工作原理是:用電負(fù)荷低谷時,利用富余電量驅(qū)動空氣壓縮機,以高壓空氣形式存儲能量,負(fù)荷高峰時再釋放高壓空氣、驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。其儲能容量大、燃料消耗少,能源轉(zhuǎn)化率可達(dá)75%左右。

化學(xué)儲能中,電化學(xué)儲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。

針對不同儲能應(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)帶動了鎳氫電池發(fā)展;電動汽車的發(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大規(guī)模儲能應(yīng)用的電池也隨之出現(xiàn)……

除了常規(guī)電池儲能,氫能也是備受關(guān)注的化學(xué)儲能方式。

氫的還原性強,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,也能通過燃料電池轉(zhuǎn)化成電能,且能量轉(zhuǎn)化過程中不產(chǎn)生溫室氣體、清潔環(huán)保。

此外,相較電儲能方式,氫的能量密度高、能量容量成本小,儲能能力極佳,可實現(xiàn)長時間儲能或季節(jié)性儲能,對于新能源轉(zhuǎn)化電能而言也是很好的儲運介質(zhì)。

氫能利用涉及制氫、儲氫、輸氫、用氫多個環(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,主要使用的儲氫技術(shù)有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫和有機液態(tài)儲氫。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。

制氫、儲運與利用全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D

但從目前看來,氫儲能還需在制氫效率、價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、價格昂貴等問題;

儲氫方式以高壓氣態(tài)儲運為主(國內(nèi)主要采用35 MPa 碳纖維復(fù)合鋼瓶儲運),儲氫罐加壓過程成本較大,且隨著壓力增大儲氫安全性也會有所降低;

在用氫層面,燃料電池的實際工作效率(約為40%-60%)遠(yuǎn)達(dá)不到理論效率(85%-90%);氫氣若用作儲能媒介,在轉(zhuǎn)換過程中也存在著能量浪費。

產(chǎn)氫成本估算(假設(shè):電$0.095/kWh,天然氣$9/MMBtu,煤價$20/t)

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全球狂熱,后發(fā)趕超

可以說,儲能為電網(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。

2020年11月14日,安徽省淮北市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū),工人在一家5G通信基站儲能鋰電池生產(chǎn)企業(yè)的車間內(nèi)組裝鋰電池。圖|新華社

過去近20年來,各國紛紛探索儲能領(lǐng)域,美國和日本發(fā)展較早。根據(jù)美國能源部信息中心數(shù)據(jù),2004-2014年,由美國、日本、歐盟等實施的MW(兆瓦)級及以上規(guī)模的儲能示范工程有180余項。從地域分布上看,美國項目數(shù)量占全球總項目數(shù)量的44%。

從儲能類型上看,抽水蓄能是目前技術(shù)成熟、應(yīng)用最廣泛的大規(guī)模儲能技術(shù)。但由于地理條件限制,開發(fā)潛力和增長空間與電化學(xué)儲能技術(shù)相比較弱。截至2020年底,在全球已投運儲能累計裝機中,抽水蓄能所占份額達(dá)90%以上,但增速極低(同比增長0.9%);與之相比,電化學(xué)儲能占比僅7%左右,同比增長卻高達(dá)49.6%。

中國儲能技術(shù)進(jìn)步迅猛。2003年起,中國逐步實現(xiàn)抽水蓄能電站機組及成套設(shè)備制造自主化,抽水蓄能電站裝機容量躍居世界第一,解決了世界工程極限低溫下瀝青混凝土、高海拔低溫超長面板一次成型、復(fù)雜地質(zhì)條件下過渡料爆破開采等技術(shù)難題。

電化學(xué)儲能更是飛速發(fā)展:2015-2020年,電化學(xué)儲能裝機復(fù)合增長率超80%;2020年,中國成為全球最大電化學(xué)儲能市場(市場占有率達(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)用已處國際先進(jìn)水平。

截至2020年底,中國已投運儲能項目累計裝機規(guī)模占全球市場總規(guī)模的18.6%。其中規(guī)模最大的是抽水蓄能,電化學(xué)儲能位列第二,各類電化學(xué)儲能技術(shù)中規(guī)模最大的是鋰離子電池。

此外,中國已發(fā)布儲能技術(shù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)35項、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)9項、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)14項、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)若干項。

2020年中國投運儲能項目裝機結(jié)構(gòu)分布。圖源:《中關(guān)村儲能聯(lián)盟儲能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2021》

電儲能技術(shù)迅猛發(fā)展的同時,各個地方亦結(jié)合自身優(yōu)勢,積極探索氫儲能發(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,南海區(qū)地區(qū)生產(chǎn)總值呈現(xiàn)快速增長趨勢,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,在數(shù)控機床、制造機器人等先進(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),推動新能源汽車制造業(yè)發(fā)展。

2017年,南海區(qū)于全國率先啟動科技部/聯(lián)合國開發(fā)計劃署“促進(jìn)中國燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展”項目,并建成了國內(nèi)首個商業(yè)化加氫站——瑞暉加氫站。目前,全區(qū)已投入847輛氫能車輛運行,燃料電池汽車保有量超過全國的10%,是國內(nèi)燃料電池汽車運行規(guī)模最大的縣級區(qū)。

如今,南海已匯集87家氫能企業(yè)、科研院所及相關(guān)機構(gòu),推動產(chǎn)學(xué)研用平臺建設(shè),涵蓋了氫氣生產(chǎn)儲運及設(shè)備研制、加氫站設(shè)計與建設(shè)、燃料電池及系統(tǒng)、核心材料與部件、整機研發(fā)制造、產(chǎn)品檢測及設(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、具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。

近年來,我國儲能技術(shù)的進(jìn)步有目共睹,但總體來看尚處于發(fā)展初步階段,尚存諸多問題。比如:研發(fā)體系不健全、缺乏進(jìn)行運行評估的實際數(shù)據(jù);儲能技術(shù)發(fā)展參差不齊,技術(shù)成本和安全性問題有待進(jìn)一步突破。

據(jù)不完全統(tǒng)計,近10年間,全球共發(fā)生32起儲能電站起火爆炸事故,其中中國3起,給電池質(zhì)量、安全管理、預(yù)警監(jiān)控消防系統(tǒng)、運行環(huán)境等多個環(huán)節(jié)敲響警鐘。

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春日將至,穩(wěn)步前行

除了技術(shù)進(jìn)步,儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展還需要高站位的全景規(guī)劃。

我國儲能產(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)、儲能技術(shù);2011年,儲能被寫入“十二五”規(guī)劃綱要。

2021年12月13日,位于河北省秦皇島市撫寧區(qū)的抽水蓄能電站地下廠房隧道施工現(xiàn)場。圖|新華社

2017年10月,國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局等五部門聯(lián)合出臺《關(guān)于促進(jìn)我國儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》,指出要在“十三五”期間實現(xiàn)儲能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期過渡,“十四五”期間實現(xiàn)商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展轉(zhuǎn)變。同時,各省區(qū)市也陸續(xù)出臺關(guān)于推動儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。

2021年,隨著“雙碳”目標(biāo)提出,國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局再次聯(lián)合發(fā)布針對儲能產(chǎn)業(yè)的國家級綜合性政策文件《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見(征求意見稿)》(以下簡稱為《指導(dǎo)意見》),明確提出:到2025年,實現(xiàn)新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)?;l(fā)展轉(zhuǎn)變,裝機規(guī)模達(dá)3000萬千瓦以上;到2030年,實現(xiàn)新型儲能全面市場化發(fā)展。

在國家政策引領(lǐng)下,張北國家風(fēng)光儲輸示范工程、遼寧臥牛石風(fēng)電場全釩液流電池儲能示范電站、甘肅酒泉MW級儲能電站、青海15MW儲能電站……大批示范性儲能電站和光儲一體化電站順利落地,并逐步從試驗示范邁向商業(yè)化推廣。

據(jù)統(tǒng)計,2021年上半年,國內(nèi)新增新型儲能項目257個(包括規(guī)劃、在建、運行項目),儲能總規(guī)模達(dá)11.8吉瓦,是2020年同期的9倍;新增投運項目規(guī)模304.4兆瓦,其中百兆瓦以上大規(guī)模項目是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》還指出,儲能技術(shù)要以需求為向?qū)В瑘猿侄嘣l(fā)展。這提醒我們,要做好儲能產(chǎn)業(yè)的前瞻性規(guī)劃研究,避免資源無效配置,推動商業(yè)化發(fā)展。

儲能項目投資成本偏高,社會資本難以進(jìn)入;儲能項目商業(yè)模式的不穩(wěn)定性,導(dǎo)致融資渠道有限,儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化相關(guān)政策體系和價格機制有待完善……囿于以上因素,當(dāng)前我國電儲能商業(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)化探索相對有限,亟待政策推動。

2021年,已有多省在新能源競價招標(biāo)方案中明確新能源配儲比例要求,一般在5%-20%之間、儲能時長2小時。隨著可再生能源占比不斷提高,我國電力結(jié)構(gòu)將發(fā)生重大變化,對于儲能技術(shù)和市場的要求也會不斷提高。我們要做的就是不斷提升技術(shù)、勇敢迎接挑戰(zhàn)。


 
 
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