實現(xiàn)碳達峰碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革,其核心是能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型是指由化石能源為主逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕茉礊橹鞯男滦湍茉大w系,相應(yīng)地,電力系統(tǒng)也將發(fā)生系統(tǒng)性變革。隨著雙碳目標的深入推進,可再生能源規(guī)?;l(fā)展與其不穩(wěn)定天然屬性的矛盾日益突出,已成為構(gòu)建新型能源體系的重大挑戰(zhàn)。
儲能在新型能源體系中發(fā)揮著重要作用,如何立足我國能源資源稟賦的基本國情,科學(xué)規(guī)劃和高質(zhì)量發(fā)展各類儲能技術(shù),是新型能源體系的重點議題。近年來,隨著我國可再生能源快速發(fā)展,尤其2023年我國可再生能源占電力總裝機比例首次突破50%,具有里程碑意義。由于長時儲能技術(shù)可以賦予電網(wǎng)更高的可靠性和靈活性來支撐和補充可再生能源大規(guī)模接入,長時儲能得到越來越多的關(guān)注,被認為是未來儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點。但是,我國長時儲能尚處于發(fā)展早期,對其定義尚未完全統(tǒng)一,還存在諸多挑戰(zhàn),影響其高質(zhì)量發(fā)展,本文將進行初步探討。
何為長時儲能
從世界范圍來看,國際上對長時儲能還沒有統(tǒng)一的定義。不同的國家和機構(gòu),根據(jù)能源結(jié)構(gòu)、電力系統(tǒng)、政策與市場特點,給出了不同的長時儲能定義。美國能源部(DOE)的定義是額定功率持續(xù)運行(放電)10小時以上,使用壽命在15年至20年的儲能系統(tǒng);美國桑迪亞國家實驗室認為長時儲能技術(shù)是持續(xù)放電時間不低于4小時的儲能技術(shù);美國加利福尼亞能源委員會(CEC)和美國能源部高級計劃研究局(ARPA E)定義10小時及以上的儲能系統(tǒng)是長時儲能;國際長時儲能委員會(LDESC)提出了兩種定義,即8~24小時的長時儲能以及24小時以上的儲能技術(shù)。
結(jié)合美國可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀可以看出,近年來,美國可再生能源得到了快速發(fā)展,多個地區(qū)逐步采用4小時儲能系統(tǒng)用于峰值電力需求服務(wù),部分地區(qū)制訂了“4小時容量規(guī)則”,允許持續(xù)4小時以上的儲能系統(tǒng)在容量市場或其他提供容量的合同中獲得補償?;谶@一規(guī)則,在2021年到2022年美國部署的儲能系統(tǒng)中,約有40%是持續(xù)時間4小時的儲能系統(tǒng)。但是,由于美國現(xiàn)行電網(wǎng)系統(tǒng)和電力設(shè)備的老化,已經(jīng)開始面臨電網(wǎng)限制和并網(wǎng)排隊積壓等問題,面對電力需求的持續(xù)上漲以及可再生能源高比例接入,美國急需高于4小時的儲能,以便提高電網(wǎng)效率和可靠性來接納可再生能源。
從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與用電規(guī)???,中國和美國的情況較為相似;但是從可再生能源發(fā)展規(guī)模與技術(shù)水平而言,我國在裝機容量和發(fā)電量兩個關(guān)鍵指標上,均遠超美國當(dāng)前水平。因此,基于我國可再生能源和電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,我們認為適合我國國情的長時儲能的定義為:在額定功率下能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)放電4小時及以上,或者數(shù)天、數(shù)月的大規(guī)模低成本儲能技術(shù)。具體地,根據(jù)我國新型能源系統(tǒng)的發(fā)展階段和靈活性儲能的總體需求,長時儲能技術(shù)又可以分為:
(1)中長時儲能,主要是指在額定功率下持續(xù)運行(放電)4-10小時的儲能系統(tǒng);
(2)長時儲能,主要是指在額定功率下持續(xù)運行(放電)10小時到1周的儲能系統(tǒng);
(3)超長時儲能,主要是指在額定功率下持續(xù)運行(放電)1周以上的儲能系統(tǒng)。
長時儲能技術(shù)的主要特征和功能
目前,長時儲能可分為物理儲能、化學(xué)儲能、熱儲能和氫儲能4條主線,具體技術(shù)包括:抽水蓄能、壓縮空氣儲能、重力儲能、液流電池、熔鹽儲熱以及各類儲氫技術(shù)等。隨著可再生能源的大規(guī)模發(fā)展,長時儲能技術(shù)將是未來新型能源系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),它具有以下主要特征:
一是時間尺度長,長時儲能具有長時間的充放電循環(huán)能力,能夠?qū)崿F(xiàn)日內(nèi)長時、跨天、跨周、跨月乃至跨季節(jié)的電力調(diào)節(jié),而且隨著可再生能源占比增加,電力系統(tǒng)中總儲能時長增加,長時儲能占比提高。
二是儲能容量大,長時儲能具有較大的儲能容量,功率與容量一般可以實現(xiàn)解耦,可根據(jù)不同的功率和容量需求存儲和釋放大量電能。
三是單位成本低,大規(guī)模長時儲能可以大幅降低度電成本。以抽水蓄能為例,其度電成本僅0.21-0.25元/kWh。
四是技術(shù)多樣性,長時儲能涵蓋了多種技術(shù)路線,每種技術(shù)都有其獨特的工作原理和適用場景,可以根據(jù)實際需求進行選擇和優(yōu)化。不同技術(shù)之間可以相互補充,共同構(gòu)成更加完善的儲能系統(tǒng)。
一般認為,可再生能源裝機及其發(fā)電量占比不斷提升帶來的量變,將逐步引發(fā)能源系統(tǒng)特別是電力系統(tǒng)在物理形態(tài)和技術(shù)框架上產(chǎn)生本質(zhì)性變化,在這個過程中,長時儲能的占比也將逐步擴大。國際長時儲能理事會(LDES)在2021年《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第26次年度峰會上宣布,當(dāng)可再生能源發(fā)電量占比達到60%至70%,長時儲能將成為“成本最低的靈活性解決方案”,并且預(yù)測到2030年,全球長時儲能的累計裝機將達到150-400GW,到2040年,長時儲能的累計裝機進一步提升到1.5-2.5TW。
我國已成為可再生能源大國。2023年底,中國可再生能源裝機突破14.5億千瓦,占全國電力總裝機超過50%,超過火電裝機,迎來歷史性的時刻。長時儲能在這種大規(guī)模新能源接入的新型能源系統(tǒng)中將發(fā)揮更加重要的作用:
一是為電力系統(tǒng)提供長周期調(diào)節(jié)能力,支撐能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。利用長時儲能技術(shù)可以在不同空間尺度和時間尺度上支撐電力系統(tǒng)實現(xiàn)跨日、跨周的動態(tài)平衡。
二是應(yīng)對極端天氣下的能源需求,增強電網(wǎng)安全特性。利用長時儲能與超長時儲能技術(shù)可以提高極端天氣下電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
三是改善電力系統(tǒng)的靈活性,提升電力系統(tǒng)柔韌性。挖掘與提升短時儲能價值,增加部署多時間尺度儲能技術(shù),實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲協(xié)同配合,適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展,為規(guī)劃構(gòu)建新型能源系統(tǒng)、新型電力系統(tǒng)建設(shè)保駕護航。
發(fā)展現(xiàn)狀與主要建議
“十四五”期間, 我國在長時儲能技術(shù)領(lǐng)域取得了突出的成績。在壓縮空氣儲能、液流電池和氫能領(lǐng)域創(chuàng)造了多個國際首臺套示范項目;抽水蓄能的單機機組邁向300MW交流勵磁變速抽水蓄能機組;國際首套300MW先進壓縮空氣儲能技術(shù)實現(xiàn)并網(wǎng);儲熱技術(shù)實現(xiàn)了全球首座電熱熔鹽儲能試驗站和660MW煤電機組耦合蒸汽熔鹽儲熱調(diào)峰的投運。新的儲能建設(shè)項目中,百兆瓦級和中長時儲能成常態(tài)。預(yù)計我國在2030年長時儲能裝機規(guī)模約2300萬千瓦,約占同期新型儲能裝機總規(guī)模的20%;2060年超長時儲能裝機規(guī)模約1.5億千瓦。
在政策法規(guī)方面,我國政府相繼出臺《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》、《關(guān)于深化電力體制改革加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的意見》等文件,推動大容量長時儲能技術(shù)規(guī)?;瘧?yīng)用。國家能源局在《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍皮書》中指出,我國要在2030年~2045年滿足日以上時間尺度的平衡調(diào)節(jié)需求,在2045年~2060年覆蓋全周期的多類型儲能系統(tǒng)運行。
構(gòu)建新型能源系統(tǒng)是一個長期的系統(tǒng)性工程,需要立足國家能源資源稟賦,在新能源安全可靠替代的基礎(chǔ)上穩(wěn)步推進。我國幅員遼闊,可再生能源的發(fā)展在各個省市各不相同,資源和電力需求都不一樣,對于儲能,部分地區(qū)屬于超前發(fā)展模式,部分地區(qū)選擇各種儲能技術(shù)全面部署,部分地區(qū)則是重點發(fā)展某一類型或某一應(yīng)用場景的儲能技術(shù),因此,對于未來我國長時儲能的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展,更是需要發(fā)揮國家和地方在政策規(guī)劃上的聯(lián)動及區(qū)域協(xié)同機制,群策群力,共促長時儲能技術(shù)的健康發(fā)展,建議具體舉措如下:
一是堅持頂層設(shè)計和科學(xué)規(guī)劃??茖W(xué)地開展近遠期相結(jié)合的長時儲能規(guī)劃,有利于解決利益相關(guān)者的不確定性,提升市場信心,引導(dǎo)建立長時儲能供應(yīng)鏈,為低成本長時儲能高質(zhì)量發(fā)展提供保障。加快組建具有世界水平的長時儲能國家實驗室,匯集全行業(yè)的資源和力量,依托重大科研基礎(chǔ)設(shè)施,聯(lián)合產(chǎn)業(yè)協(xié)會和科研院所以及高校,建立戰(zhàn)略性研發(fā)和協(xié)同創(chuàng)新平臺,持續(xù)開展儲能技術(shù)的研發(fā)。構(gòu)建長時儲能技術(shù)標準體系,及時結(jié)合行業(yè)發(fā)展水平和新興應(yīng)用場景優(yōu)化標準體系,提升行業(yè)整體技術(shù)水平。
二是堅持可再生能源與長時儲能的協(xié)同發(fā)展。對可再生能源配儲規(guī)模和比例開展科學(xué)論證,因地制宜,因時制宜,統(tǒng)籌布局不同時長和規(guī)模的長時儲能技術(shù)。充分發(fā)揮國家和地方政府上下聯(lián)動機制,在能源基地積極引導(dǎo)長時儲能技術(shù)的示范與產(chǎn)業(yè)化工作,探索完善可再生能源與長時儲能協(xié)調(diào)和融合發(fā)展模式。同時在政策上盡早明確稅收抵免、碳定價、溫室氣體減排目標,引導(dǎo)市場、資本、人才等各種積極因素的匯集,共促發(fā)展。
三是進一步完善長時儲能市場機制。首先,建立完善儲能價值評價體系,探索分級容量競價機制,完善包含長時儲能源網(wǎng)荷儲項目的電價機制。其次,建立健全長時儲能政策保障機制,從項目管理、科技創(chuàng)新、市場環(huán)境、價格機制、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面逐步完善。最后在示范應(yīng)用階段,還可以探討直接的技術(shù)支持和扶持措施,包括技術(shù)轉(zhuǎn)讓獎勵、國債優(yōu)先支持和貸款擔(dān)保等措施,以及對長時儲能系統(tǒng)提供的服務(wù)和資源進行直接補償,提高進入該領(lǐng)域的投資者對部署長時儲能的信心。
(本文作者:陳海生 中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟理事長、中國能源研究會儲能專委會主任委員、中國科學(xué)院工程熱物理研究所所長;張華良 中國科學(xué)院工程熱物理研究所研究員,中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟長時儲能專業(yè)委員會秘書長;岳芬 中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟副研究員/副秘書長)
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