◎王冬梅 車一鳴 宋慧欣

引言

我國作為一個(gè)負(fù)責(zé)任的大國，為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，提出了“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，即我國二氧化碳排放力爭2030年前達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！?060目標(biāo)”的提出開啟了低碳新時(shí)代，各行業(yè)都面臨著低碳化轉(zhuǎn)型。

為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，能源是主戰(zhàn)場，電力是主力軍，電力行業(yè)作為碳排放重點(diǎn)行業(yè)，積極應(yīng)對(duì)，提出未來要構(gòu)建以新能源為主的新型電力系統(tǒng)，未來電力能源結(jié)構(gòu)中，太陽能和風(fēng)能將成為主流，到2030年我國風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上。考慮新能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性問題，新能源大量接入電力系統(tǒng)后，增加了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的負(fù)擔(dān)，必須要大力提升電力系統(tǒng)的削峰填谷能力，同調(diào)峰氣電建設(shè)、煤電機(jī)組靈活性改造等手段相比，儲(chǔ)能技術(shù)多樣化，發(fā)展迅猛，具有更廣泛的應(yīng)用前景[1]，所以新型儲(chǔ)能系統(tǒng)將在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和過程中扮演重要角色。我國發(fā)電裝機(jī)近23億千瓦，現(xiàn)在整個(gè)儲(chǔ)能規(guī)模是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以要加快儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)步伐，2022年全國能源工作會(huì)議在部署2022年工作任務(wù)時(shí)提出：要加強(qiáng)抽水蓄能等調(diào)峰電站建設(shè)，推動(dòng)新型儲(chǔ)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。

一、儲(chǔ)能技術(shù)的類型及特點(diǎn)

儲(chǔ)能技術(shù)是通過裝置或物理介質(zhì)將能量存儲(chǔ)起來，以便以后需要時(shí)利用的技術(shù)。通俗來講，儲(chǔ)能系統(tǒng)就類似于一個(gè)巨型“充電寶”，在用電低谷時(shí)，它可以把電站多發(fā)的電存起來，等到用電高峰時(shí)再釋放出來，從而起到削峰填谷，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。儲(chǔ)能技術(shù)按照存儲(chǔ)介質(zhì)不同的分類情況如下表所示：

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1.機(jī)械類儲(chǔ)能。

抽水蓄能是利用水作為儲(chǔ)能介質(zhì)，通過電能與勢能相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存和管理，電力負(fù)荷低谷時(shí)，利用電能抽水至上水庫，電力負(fù)荷高峰時(shí)，再放水至下水庫發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)將電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)的多余電能，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)高峰時(shí)期的高價(jià)值電能。飛輪儲(chǔ)能通過轉(zhuǎn)子的加速和減速，實(shí)現(xiàn)電能的存入和釋放（負(fù)荷低谷時(shí)加速，負(fù)荷高峰時(shí)減速），其壽命長、效率高，但能量密度低，目前多用于工業(yè)和UPS中。壓縮空氣儲(chǔ)能是利用過剩電力將空氣壓縮并儲(chǔ)存在一個(gè)地下的結(jié)構(gòu)（如地下洞穴），當(dāng)需要時(shí)再將壓縮空氣與天然氣混合，燃燒膨脹以推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。

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2.電化學(xué)類儲(chǔ)能。

電化學(xué)儲(chǔ)能主要包括各種電池，如表1所示，這些電池多數(shù)技術(shù)上比較成熟，近年來成為關(guān)注的重點(diǎn)，也獲得了許多實(shí)際應(yīng)用。幾種電池的特點(diǎn)及應(yīng)用情況如表3所示。

3.其他儲(chǔ)能。

電氣類儲(chǔ)能包括超級(jí)電容器儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能等，這種儲(chǔ)能形式響應(yīng)速度快，效率高，但價(jià)格相對(duì)較高，能量密度低，持續(xù)放電時(shí)間段，在電網(wǎng)中應(yīng)用較少。

熱儲(chǔ)能儲(chǔ)存的熱量可以很大，所以在可再生能源發(fā)電的利用上會(huì)有一定的作用。熔融鹽常常作為一種相變材料，用于集熱式太陽能熱發(fā)電站中。此外，還有許多其他種類的儲(chǔ)熱技術(shù)正在開發(fā)中。

氫儲(chǔ)能是近幾年受德國等歐洲國家氫能綜合利用后提出的相對(duì)較新的概念。氫儲(chǔ)能是將電能轉(zhuǎn)化為高能量密度的燃料氣體的技術(shù)，基本原理是將水電解得到氫氣和氧氣，以風(fēng)電為例，當(dāng)風(fēng)電充足卻無法上網(wǎng)時(shí)，可利用風(fēng)電將水電解制成氫氣，將氫氣儲(chǔ)存起來；當(dāng)需要電能時(shí)，將儲(chǔ)存的氫氣通過不同方式（內(nèi)燃機(jī)、燃料電池等）轉(zhuǎn)換為電能輸送上網(wǎng)。氫儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：制氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、氫發(fā)電系統(tǒng)，氫儲(chǔ)能技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，制取、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、終端使用等環(huán)節(jié)都必不可少。

二、儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

我國儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)起步較晚，但近幾年發(fā)展迅速。我國對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注可追溯到2005年出臺(tái)的《可再生能源發(fā)展指導(dǎo)目錄》，液流儲(chǔ)能電池和地下熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)位列其中；2010年儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展首次被寫進(jìn)法案-《可再生能源法修正案》，其中提到“電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)發(fā)展和應(yīng)用智能電網(wǎng)、儲(chǔ)能技術(shù)”；2011年，儲(chǔ)能被寫入“十二五”規(guī)劃綱要；2017年10月11日，我國大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展的首個(gè)指導(dǎo)性政策《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)意見》正式發(fā)布，明確了我國“十三五”和“十四五”期間儲(chǔ)能領(lǐng)域的重點(diǎn)任務(wù)，確定了總體思路和保障措施，我國儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入了快車道。2015-2020年，我國儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模從23.2GW增長至35.6GW，增長速度令人側(cè)目，截至2020年底，我國已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模35.6GW，同比增長9.8%，裝機(jī)規(guī)模占全球的18.6%，其中抽水蓄能累計(jì)裝機(jī)占比最大，為89.30%，其次為電化學(xué)儲(chǔ)能，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模3.28GW，占比9.2%。2021年7月23日，中央發(fā)布《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》，之后各項(xiàng)儲(chǔ)能利好政策密集發(fā)布，國內(nèi)外大規(guī)模儲(chǔ)能項(xiàng)目陸續(xù)啟動(dòng)，越來越多的企業(yè)投身儲(chǔ)能，或擴(kuò)產(chǎn)或跨界合作，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的良好局面，正式邁向了高速發(fā)展的新時(shí)期。

1.抽水蓄能發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀。

抽水蓄能屬于大規(guī)模、集中式能量儲(chǔ)存，其兼具技術(shù)成熟、規(guī)模大、壽命長、造價(jià)低等優(yōu)勢，目前在各種儲(chǔ)能方式中，抽水蓄能仍占主體地位，我國于2021年9月發(fā)布了《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》，指出到2025年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模6200萬千瓦以上；到2030年，投產(chǎn)總規(guī)模1.2億千瓦左右；中長期規(guī)劃儲(chǔ)備項(xiàng)目247個(gè)，總裝機(jī)規(guī)模約3.05億千瓦。作為“十四五”開局之年，2021年抽水蓄能行業(yè)迎來了“大爆發(fā)”，創(chuàng)造了多項(xiàng)“世界之最”，最受矚目的當(dāng)屬北京冬奧配套綠色能源重點(diǎn)工程、世界最大抽水蓄能電站、能源領(lǐng)域之“大國重器”——河北豐寧抽水蓄能電站，總裝機(jī)360萬千瓦，這一世界最大“充電寶”全部機(jī)組投產(chǎn)后，可提供720萬千瓦電力調(diào)節(jié)能力。

據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年至今，已簽約計(jì)劃新建的抽水蓄能電站數(shù)量近百座，超過1億千瓦抽水蓄能項(xiàng)目取得了重要進(jìn)展，從投資方來看，除兩大電網(wǎng)、五大發(fā)電集團(tuán)外，三峽集團(tuán)以及其他能源電力集團(tuán)、地方國有企業(yè)等，陸續(xù)加入到抽水蓄能產(chǎn)業(yè)投資建設(shè)的隊(duì)伍中來；各個(gè)省份挖掘自身優(yōu)勢，積極簽約抽水蓄能項(xiàng)目，既能助力實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、推動(dòng)清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時(shí)也能促進(jìn)水資源綜合利用，帶動(dòng)當(dāng)?shù)芈糜蔚认嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

在新型電力系統(tǒng)建設(shè)中，抽水蓄能的存在，已然成為電力系統(tǒng)綠色轉(zhuǎn)型的強(qiáng)心劑，作為優(yōu)化電力資源配置，服務(wù)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的“一招好棋”，抽水蓄能無論是在投產(chǎn)規(guī)模還是在裝機(jī)容量上，未來都有巨大的發(fā)展空間。

2.電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀。

目前我國儲(chǔ)能仍然以抽水蓄能為主，電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展勢頭良好。截至2020年，我國電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)量占比為9.2%，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為3.28GW，在各類電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中，鋰離子電池累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為2.90GW，占比約89%，其中再以磷酸鐵鋰電池為最主流的鋰離子電池形式，《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》中提及，到2025年中國電化學(xué)儲(chǔ)能達(dá)到累計(jì)30GW。目前，中國、美國和歐洲占據(jù)了全球電化學(xué)儲(chǔ)能市場的主導(dǎo)地位，2020年三國新增投運(yùn)裝機(jī)量占全球電化學(xué)新增投運(yùn)總規(guī)模的86%。

鋰電池儲(chǔ)能在循環(huán)次數(shù)、能量密度、響應(yīng)速度等方面均具有較大的優(yōu)勢，目前限制其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用的主要因素之一就是成本問題。我們可以做個(gè)比較，目前，抽水蓄能度電成本約為0.21-0.25元，磷酸鐵鋰電池度電成本約為0.5-0.9元，是抽水蓄能的2-4倍，低成本、大容量使得抽水蓄能成為當(dāng)前的主要儲(chǔ)能方式。另外，從技術(shù)角度分析，電化學(xué)儲(chǔ)能放電時(shí)間并不具備優(yōu)勢，遠(yuǎn)不如當(dāng)下已經(jīng)十分成熟的抽水蓄能，目前，全球都在加大對(duì)于“長期儲(chǔ)能方式”的研發(fā)，有觀點(diǎn)認(rèn)為，目前4小時(shí)的儲(chǔ)能時(shí)長遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，持續(xù)放電時(shí)間長達(dá)24小時(shí)以上的儲(chǔ)能系統(tǒng)才是真正意義上的長期儲(chǔ)能。由此來看，現(xiàn)階段電化學(xué)儲(chǔ)能要想辦法降低成本，延長儲(chǔ)能時(shí)間，推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步擴(kuò)大。

2022年2月23日，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布的《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》中要求，到2025年，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本降低30%以上。據(jù)研究機(jī)構(gòu)測算，當(dāng)前鋰電四大關(guān)鍵材料產(chǎn)量增長迅猛，增幅將近100%，相關(guān)成本有望降價(jià)，所以中國作為全球鋰電池行業(yè)規(guī)模最大、成本下降最快的國家，這一目標(biāo)定能如期實(shí)現(xiàn)。另外，除短時(shí)高頻儲(chǔ)能以外，《方案》還要求推動(dòng)中長時(shí)間儲(chǔ)能的建設(shè)，液流電池儲(chǔ)能技術(shù)位列其中。

3.氫儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀。

氫儲(chǔ)能技術(shù)被認(rèn)為是新能源發(fā)電規(guī)?；l(fā)展的重要支撐，并日趨成為多個(gè)國家能源科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)支持的焦點(diǎn)。在氫儲(chǔ)能領(lǐng)域，歐、美、日等國起步較早，走在世界前列，我國在“十二五”以前沒有對(duì)氫儲(chǔ)能立項(xiàng)，支持項(xiàng)目都是以制氫、發(fā)電、儲(chǔ)氫等過程單獨(dú)資助的，“十三五”期間氫儲(chǔ)能概念列入國家電網(wǎng)公司規(guī)劃，并開展了氫儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)及其在新能源接入中的應(yīng)用前期研究，積極建設(shè)氫儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，突破波動(dòng)性新能源電解制氫技術(shù)的適應(yīng)性問題，具備氫儲(chǔ)能系統(tǒng)效率測試能力，為日后大規(guī)?？稍偕茉粗茪涞年P(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。雖然在我國氫儲(chǔ)能作為一種新型儲(chǔ)能，目前尚未形成行業(yè)規(guī)范，但也已經(jīng)出現(xiàn)了一批示范項(xiàng)目，如表4所示。其中張家口200MW/800MWh氫儲(chǔ)能發(fā)電工程，是目前全球最大的氫儲(chǔ)能發(fā)電項(xiàng)目，項(xiàng)目涉及了再生能源發(fā)電及削峰電能進(jìn)行電解水制氫技術(shù)、金屬固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)和燃料電池發(fā)電技術(shù)等國內(nèi)領(lǐng)先技術(shù)，標(biāo)志著我國氫能在大規(guī)模儲(chǔ)能調(diào)峰應(yīng)用場景邁出實(shí)質(zhì)性一步。

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2022年2月發(fā)布的《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》將氫儲(chǔ)能列入“十四五”新型儲(chǔ)能核心技術(shù)裝備攻關(guān)重點(diǎn)方向、“十四五”新型儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)體系重點(diǎn)方向以及“十四五”新型儲(chǔ)能技術(shù)試點(diǎn)示范。開展依托可再生能源制氫（氨）的氧（氨）儲(chǔ)能等試點(diǎn)示范，將探索風(fēng)光氫儲(chǔ)等源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)的儲(chǔ)能發(fā)展模式列入“十四五”新型儲(chǔ)能區(qū)域示范。未來氫儲(chǔ)能將通過示范項(xiàng)目的推廣以及研究的深入，在規(guī)模化應(yīng)用方面持續(xù)推進(jìn)。

當(dāng)前來看，我國氫儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展還受到技術(shù)、成本等方面的制約。對(duì)于技術(shù)需要克服的主要是氫電轉(zhuǎn)化中的能量損耗問題，在綠電轉(zhuǎn)化為氫，再由氫轉(zhuǎn)為電的過程，有近50%-70%的能量損失，導(dǎo)致這種轉(zhuǎn)換很不經(jīng)濟(jì)，所以高效的電解水制氫技術(shù)、大規(guī)模低成本的氫氣運(yùn)儲(chǔ)技術(shù)、燃料電池技術(shù)等都亟需解決。對(duì)于成本，若從長遠(yuǎn)來看，考慮規(guī)模儲(chǔ)能和長時(shí)儲(chǔ)能的需求，與電化學(xué)儲(chǔ)能相比，大規(guī)模氫儲(chǔ)能邊際成本增速相對(duì)較慢，是更具經(jīng)濟(jì)性的長周期調(diào)峰技術(shù)。

三、結(jié)語

我國“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施，大幅促進(jìn)了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)和儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，近兩年，儲(chǔ)能相關(guān)支持政策不斷出臺(tái)，儲(chǔ)能裝機(jī)大幅增加，抽水蓄能、鋰離子電池、氫儲(chǔ)能、壓縮空氣、液流電池等多種儲(chǔ)能技術(shù)取得了關(guān)鍵突破，總體上中國儲(chǔ)能的整體發(fā)展遠(yuǎn)超出了業(yè)界預(yù)期。

儲(chǔ)能技術(shù)形態(tài)多樣，從成本、使用便利性和已使用規(guī)模綜合來看，抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能將在未來很長一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)占據(jù)主流儲(chǔ)能技術(shù)的地位。氫能作為化學(xué)儲(chǔ)能的前瞻技術(shù)，備受關(guān)注，隨著相關(guān)政策密集出臺(tái)，氫儲(chǔ)能技術(shù)快速發(fā)展，有望在不遠(yuǎn)的未來媲美抽水蓄能，成為下一輪能源革命的主角。