金 虹，衣 進(jìn)

（1北京低碳清潔能源研究所儲(chǔ)能中心，北京 102209；2凱旋創(chuàng)投，北京 100005）

電力儲(chǔ)能技術(shù)與我們的日常生活息息相關(guān)?。小到用于心臟起搏器等高科技生物醫(yī)學(xué)裝置的0.1～2 W·h的微型電池，大到照相機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品中的2～100 W·h的鋰離子電池，再到用于汽車等交通工具中的100～1000 W·h的SLI（starting，lighting，ignition）電池，可以說每個(gè)人時(shí)時(shí)刻刻都在使用著這些儲(chǔ)能技術(shù)。另一方面，工業(yè)中使用著無論從尺寸還是容量來講都更為龐大的儲(chǔ)能系統(tǒng)，如1～1000 kW·h的港口起重機(jī)電池，0.25～5 MW·h的不間斷電源系統(tǒng)（UPS），以及應(yīng)用于電網(wǎng)的5～100 MW·h的大型儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖1所示。正是因?yàn)橛羞@些儲(chǔ)能系統(tǒng)的支持，我們的日常生活與工作才得以保障。

圖1 儲(chǔ)能類型及應(yīng)用Fig.1 Energy storage type and application

儲(chǔ)能在整個(gè)電力價(jià)值鏈上起到至關(guān)重要的作用。它的作用涉及發(fā)電（generation）、傳輸（transmission）、分配（distribution）乃至終端用戶（end user）——這里包括居民用電以及工業(yè)和商業(yè)用電。圖2綜合、細(xì)致地闡述了儲(chǔ)能在上述4個(gè)電能傳輸環(huán)節(jié)中的具體作用，按照持續(xù)時(shí)間的長短分為短期、中期與長期[1]。例如，在發(fā)電端，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以用于快速響應(yīng)的調(diào)頻服務(wù)及可再生能源如風(fēng)能、太陽能對于終端用戶的持續(xù)供電，這樣揚(yáng)長避短地利用了可再生能源清潔發(fā)電的特點(diǎn)，并且有效地規(guī)避了其間斷性、不確定性等缺點(diǎn)；在傳輸端，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效地提高傳輸系統(tǒng)的可靠性；在分配端，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提高電能的質(zhì)量；在終端用戶端，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以優(yōu)化使用電價(jià)，并且保持電能的高質(zhì)量。隨著智能電網(wǎng)理念的提出，儲(chǔ)能系統(tǒng)在上述方面的作用將會(huì)更加重要。

圖2 儲(chǔ)能在整個(gè)電力價(jià)值鏈中的作用Fig.2 Operational use of energy storage in the power value chain

相比于其它國家，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)對于中國的影響更為重大。眾所周知，隨著中國的高速發(fā)展與國民經(jīng)濟(jì)的快步提高，國家對經(jīng)濟(jì)增長的要求正在從單純的注重經(jīng)濟(jì)增長逐步向可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行轉(zhuǎn)變，對節(jié)能減排工作的要求和重視程度越來越高。為此，國家不僅從立法的高度專門頒布了《節(jié)約能源法》，并且還重新調(diào)整了國務(wù)院各部委在節(jié)能減排工作中的職責(zé)與范圍，以加強(qiáng)對節(jié)能減排工作的執(zhí)行力。此外，國務(wù)院還增設(shè)了專門的跨部委的國家能源委員會(huì)，這些都充分表明了國家對能源工作的重視?！豆?jié)能減排“十二五”規(guī)劃》提出，到 2015年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比 2010年下降16%，主要污染物排放總量下降8%～10%。儲(chǔ)能正在或者將會(huì)為節(jié)能減排做出不容忽視的貢獻(xiàn)。就可再生能源而言，風(fēng)能和太陽能在過去 10年中得到了政府的連續(xù)支持。為了更加清潔、可持續(xù)的未來，中國政府正在加大在清潔能源技術(shù)領(lǐng)域上的政策傾斜力度。但是，風(fēng)能和太陽能等可再生能源的波動(dòng)性和不確定性阻礙其在電網(wǎng)上的大規(guī)模應(yīng)用。比如，高“棄風(fēng)率”是風(fēng)電行業(yè)必須面對的一項(xiàng)難題。隨著風(fēng)電裝機(jī)量的增長，電網(wǎng)對風(fēng)電的吸納能力必然減弱，因而“高棄風(fēng)”現(xiàn)象有增無減。2011年，全國棄風(fēng)率最高的省份——甘肅、內(nèi)蒙古、吉林，其棄風(fēng)比例分別高達(dá)25.2%、23.2%和21.3%。這極大限制了可再生能源的發(fā)展，也限制了可再生能源在節(jié)能減排中的應(yīng)用。儲(chǔ)能系統(tǒng)在可再生能源上的應(yīng)用可以減少其波動(dòng)性與不確定性，是未來清潔能源中勢在必行的技術(shù)[2]。

1 儲(chǔ)能市場的現(xiàn)狀及預(yù)期

據(jù)儲(chǔ)能專業(yè)委員會(huì)（CNESA）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果[3]，2000年至今，全球范圍內(nèi)除壓縮空氣、抽水蓄能和儲(chǔ)熱之外，總儲(chǔ)能安裝量為615 MW，粗略估算，儲(chǔ)能裝置總投資在數(shù)十億美元規(guī)模。其中，鈉硫電池占到53%，仍然占據(jù)首位，而鋰離子電池則是幾年來快速成長的儲(chǔ)能技術(shù)，如圖3所示。

美國政府的政策對儲(chǔ)能市場的歷史發(fā)展起到了重要作用。KEMA在2012年的報(bào)告中指出[4]，美國在儲(chǔ)能方面的經(jīng)濟(jì)刺激政策已經(jīng)對其儲(chǔ)能市場起到重要的影響，并且這一影響將持續(xù)一段時(shí)間。過去幾年，美國能源部（Department of Energy，DOE）在《美國復(fù)興及投資法案》（American Recovery and Reinvestment Act）的框架下，大力度支持儲(chǔ)能項(xiàng)目。據(jù)美國電力咨詢委員會(huì)（Electricity Advisory Committee）2011年的報(bào)告，美國的儲(chǔ)能項(xiàng)目受到政府近1.85億美元的支持。這些儲(chǔ)能項(xiàng)目市值7.72億美元，總?cè)萘?73 MW，其中包括儲(chǔ)能配套輔助服務(wù)項(xiàng)目20 MW，壓縮空氣項(xiàng)目450 MW，用于可再生能源的儲(chǔ)能項(xiàng)目57 MW等，如圖4所示。

圖3 全球范圍儲(chǔ)能安裝量統(tǒng)計(jì)Fig.3 Global installed energy storage capacity

圖4 美國能源部在《美國復(fù)興及投資法案》框架下對儲(chǔ)能技術(shù)的資助Fig.4 Department of Energy funded energy storage projects in the scope of American Recovery and Reinvestment Act

就全球儲(chǔ)能市場而言，Woori I&S Research Center與J.P.Morgan做出了對于未來近10年的市場預(yù)期。據(jù)Woori推測，未來全球儲(chǔ)能市場（去除小型電子對用于電網(wǎng)的電池市場收入做出了類似的推測。預(yù)產(chǎn)品電池及電動(dòng)車電池）的價(jià)值將以26%的復(fù)合年均增長率增長，從2012年的20億美元增長到 2020年的 160億美元[5]，如圖 5所示。J.P.Morgan則針計(jì)用于電網(wǎng)的電池市場收入將從 2012年的38億美元增長到2020年的231億美元[6]，如圖6所示。

圖5 來自Woori的儲(chǔ)能市場歷史規(guī)模及預(yù)期Fig.5 Global energy storage market projection by Woori

圖6 來自J.P.Morgan的儲(chǔ)能市場歷史規(guī)模及預(yù)期Fig.6 Global energy storage market projection by J.P.Morgan

2 儲(chǔ)能發(fā)展的主要瓶頸：成本

制約儲(chǔ)能發(fā)展有諸多因素，成本依然是主要瓶頸。毋庸置疑，由于成本低廉，以煤、石油、天然氣為代表的化石燃料在全球的能源使用量中仍然占主導(dǎo)地位。在光伏產(chǎn)業(yè)中奮力追求的“平價(jià)上網(wǎng)”（grid parity）正是期望達(dá)到與這些化石燃料價(jià)格同等的成本目標(biāo)。對比于以麻省理工學(xué)院“病毒發(fā)電理念”為代表的全球各大知名研究院所對于各種新能源的各種探索[7]，電力與電網(wǎng)公司等“用戶”對新技術(shù)的適應(yīng)顯得格外保守與緩慢。除成本之外，目前，尤其在中國，大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用相關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、可靠性和持久性數(shù)據(jù)及銀行可貼現(xiàn)性（bankability）數(shù)據(jù)的缺乏也極大地制約了儲(chǔ)能技術(shù)的推廣。此外，單一、垂直的傳統(tǒng)銷售模式也在阻礙著儲(chǔ)能的大規(guī)模應(yīng)用。

美國EPRI的分析列出了目前各種儲(chǔ)能技術(shù)的成本[8]。比較目前各種儲(chǔ)能技術(shù)的全系統(tǒng)成本，其中，壓縮空氣的成本最低，只有 60～125美元/(kW·h)（960～1250美元/kW），但這個(gè)技術(shù)目前還只是停留在示范工程。其它的儲(chǔ)能技術(shù)的成本都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于壓縮空氣。例如，擁有近200年歷史的技術(shù)相對比較成熟的鉛酸電池和先進(jìn)鉛酸電池，目前價(jià)格在505～760美元/(kW·h)（2020～3040美元/kW）；再如，還處于示范階段的液流電池，價(jià)格在470～1125美元/(kW·h)（2350～4500美元/kW）；鋰離子電池目前價(jià)格在 1050～6000美元/(kW·h)（1200～4650美元/kW），見表1。

美國 EPRI也分析了主要儲(chǔ)能應(yīng)用的目標(biāo)市場規(guī)模以及目標(biāo)價(jià)值[8]，如圖7所示。目前市場對這些主要儲(chǔ)能應(yīng)用的目標(biāo)價(jià)值平均在 200美元/(kW·h)上下。目前市場上所能提供的儲(chǔ)能技術(shù)成本與此有很大的差距。

表1 各種儲(chǔ)能技術(shù)的成本比較（EPRI）Tablel 1 Cost comparisons on different energy storage technologies by EPRI

圖7 儲(chǔ)能應(yīng)用的目標(biāo)價(jià)值Fig.7 Cost target of energy storage application

另外一種分析儲(chǔ)能產(chǎn)品市場期望成本的方法是利用均化能源成本（levelized cost of energy，LCOE），定義為儲(chǔ)能系統(tǒng)的年成本與儲(chǔ)能系統(tǒng)年能源輸出量的比值，單位是美元每千瓦時(shí)[美元/(kW·h)]。如果均化能源成本與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)電價(jià)相比有競爭力，儲(chǔ)能產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)性上可以取代傳統(tǒng)發(fā)電，相當(dāng)于儲(chǔ)能的平價(jià)上網(wǎng)（grid parity）。

假設(shè)每年系統(tǒng)工作300天，每天充放電1次，每年約有附加的 5%左右的操作、利率成本，系統(tǒng)折舊按直線 20年計(jì)，不計(jì)充電電價(jià)成本，當(dāng)?shù)仉妰r(jià)按0.10美元計(jì)，從圖8中可以看到，當(dāng)儲(chǔ)能安裝成本小于200～300美元/(kW·h)時(shí)，LCOE小于當(dāng)前電價(jià)，也即，在這個(gè)條件下儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性才能勝出。在這些非常簡單理想化的假設(shè)條件下，這一成本目標(biāo)是儲(chǔ)能平價(jià)上網(wǎng)的成本目標(biāo)。

圖8 儲(chǔ)能系統(tǒng)均化能源成本分析與儲(chǔ)能平價(jià)上網(wǎng)Fig.8 Levelized cost of energy and energy storage grid parity

當(dāng)然，這種均化能源成本分析存在很多不足，是個(gè)非常概念化的分析方法。但這種方法可以作為分析儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性的一種工具，來分析儲(chǔ)能產(chǎn)品的成本目標(biāo)。這個(gè)分析的結(jié)果也和上文 EPRI的分析結(jié)果近似。

3 儲(chǔ)能成本降低的主要途徑

3.1 降低材料成本

材料成本在儲(chǔ)能系統(tǒng)成本中占很大比重，在鋰離子電池單體中，材料通常占到總成本的 50%～60%。降低材料成本不僅是降低總體成本的重要途徑，同時(shí)，在保持成本水平的前提下，通過提高材料性能來提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能從而達(dá)到降低成本的目的，也是降低總體成本的重要途徑。

以鋰離子電池儲(chǔ)能為例，如圖9所示，正負(fù)極材料在電池單體材料成本中約占50%，且正極材料是在材料成本中占比最高的材料。如果能夠研發(fā)出成本更低、性能更優(yōu)越的新型正負(fù)極材料，鋰離子電池將可能有顯著的成本下降。這正是近年研究機(jī)構(gòu)研發(fā)的主要方向。

圖9 鋰離子電池芯材料的成本[9]Fig.9 Material cost breakdown of Li-ion battery [9]

歸根結(jié)底，科技的進(jìn)步是降低成本的源動(dòng)力。早在1801年，當(dāng)Alessandro Volta把世界上第一個(gè)真正意義上的電池呈獻(xiàn)給Napoleon Bonaparte的時(shí)候，估計(jì)他萬萬沒有料到那個(gè)從青蛙腿實(shí)驗(yàn)演變而來的鋅電池給人類的進(jìn)步帶來了深遠(yuǎn)的影響，并在之后200多年中產(chǎn)生了巨大的蛻變。從1839年的燃料電池，1859年的鉛酸電池，到1899年的鎳鎘電池，再到1973年的金屬鋰電池，還有1990年的鋰離子電池，似乎再也找不到最初的青蛙腿實(shí)驗(yàn)的影子。日新月異的儲(chǔ)能電池技術(shù)不斷改進(jìn)著電池本身的特性。如圖 10所示，傳統(tǒng)的鉛酸電池與鎳鎘電池從 1900—1960年在能量密度上有小幅度的提高。從 1970年至今，隨著各種新興電池技術(shù)的出現(xiàn)，電池的能量密度大幅度提高。目前，能量密度上領(lǐng)先的技術(shù)還是索尼公司于 1991年商業(yè)化的鋰離子電池技術(shù)，鈉硫電池緊隨其后[10]?？梢酝茢?，在未來的十年中，還會(huì)有更多新興技術(shù)出現(xiàn)，這些新興技術(shù)將會(huì)不斷改寫電池性能的記錄。這些技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新也必將使儲(chǔ)能產(chǎn)品的成本不斷降低，達(dá)到行業(yè)能接受的水平。

圖10 二次電池能量密度的歷史進(jìn)展[10]Fig.10 Historical development of secondary batteries in view of energy density[10]

3.2 規(guī)模效益可以帶來的儲(chǔ)能成本降低

除了科技的進(jìn)步所帶來的儲(chǔ)能成本降低，儲(chǔ)能產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大也會(huì)帶來全行業(yè)的成本降低。這主要來源于規(guī)模效應(yīng)所帶來的原材料采購成本的下降，供應(yīng)鏈專門化所帶來的采購成本下降和效率提升，以及開發(fā)專用生產(chǎn)工藝設(shè)備和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累所帶來的良率提高和效率提升等。反映在歷史價(jià)格與產(chǎn)量的關(guān)系上，被稱為行業(yè)學(xué)習(xí)曲線（learning curve）或經(jīng)驗(yàn)曲線（experience curve）。圖11是太陽能光伏行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)曲線。在1976—2003年，光伏產(chǎn)品的產(chǎn)量的每次翻番大約帶來光伏產(chǎn)品價(jià)格下降22%[11]。

在分析規(guī)模效應(yīng)所帶來的產(chǎn)品成本降低上，光伏可以給儲(chǔ)能產(chǎn)品一個(gè)很好的參照。光伏產(chǎn)品與儲(chǔ)能產(chǎn)品在產(chǎn)品性質(zhì)上有所不同，但也有非常多的相似性?？梢杂霉夥臍v史發(fā)展作為參照來看儲(chǔ)能產(chǎn)品今天所處的階段和未來可能的發(fā)展時(shí)間和路徑。這樣的觀察可以給今天的儲(chǔ)能行業(yè)一個(gè)相對客觀的評估。

今天儲(chǔ)能的安裝總量（除去抽水蓄能，壓縮空氣及儲(chǔ)熱）在600 MW以上。對比光伏電池的歷史發(fā)展[11]，按功率計(jì)，大約在光伏 1997年前后的水平，見圖12。1997年規(guī)模推廣光伏的1976年后二十余年，也是光伏產(chǎn)品爆發(fā)性成長的前夜。距離光伏得以最終大規(guī)模推廣的德國上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼政策（FiT）出臺(tái)還有五年左右的時(shí)間。如果按今天儲(chǔ)能產(chǎn)品平均 1000美元/(kW·h)成本計(jì)，到行業(yè)今天期望的200美元/(kW·h)的目標(biāo)價(jià)值（也按成本計(jì)），儲(chǔ)能產(chǎn)品需要降低80%的成本。如果全部靠規(guī)模效應(yīng)，參照光伏產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)曲線，儲(chǔ)能產(chǎn)品的安裝總量大約要達(dá)到今天規(guī)模的90倍，約54 GW。顯然，這是一個(gè)很高的目標(biāo)。光伏的總安裝量到 2011年年底為67.4 GW。

上述的觀察提醒人們，儲(chǔ)能行業(yè)仍然處在一個(gè)初期的階段，實(shí)現(xiàn)成本降低來達(dá)到行業(yè)的期望是一條非常艱巨而坎坷的路。必須提到，對比光伏產(chǎn)品，儲(chǔ)能有更多種可以應(yīng)用的技術(shù)，在應(yīng)用上也足夠多樣，可實(shí)現(xiàn)的價(jià)值也有明顯的高低區(qū)別。因此，儲(chǔ)能產(chǎn)品在成本降低上應(yīng)該會(huì)有更有效的、足夠多的路徑來實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)。同時(shí)，政府政策的必要支持也是儲(chǔ)能盡快實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)降低成本的關(guān)鍵，這一點(diǎn)在光伏歷史上有明顯的體現(xiàn)（圖13）。在儲(chǔ)能市場培育上，關(guān)鍵政策的及時(shí)出臺(tái)也是使儲(chǔ)能真正發(fā)揮其提高能源系統(tǒng)效率、提升可再生能源比例作用的基石。

圖11 太陽能光伏電池的歷史價(jià)格-產(chǎn)量曲線[11]Fig.11 Historical price-capacity curve for PV [11]

圖12 太陽能光伏電池的歷史價(jià)格-產(chǎn)量曲線（由參考文獻(xiàn)[11]修改得到）Fig.12 Historical price-capacity curve for PV (adapted from Ref[11])

圖13 太陽能光伏電池的歷史發(fā)貨量（由參考文獻(xiàn)[11]修改得到）Fig.13 Historical annual shipments for PV (adapted from Ref[11])

4 結(jié) 論

綜上所述，儲(chǔ)能應(yīng)用市場將是百億級的大市場，將給今天的傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)帶來根本性的變化，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來巨大的福利，它的應(yīng)用勢在必行。但是，其發(fā)展還有諸多艱巨的任務(wù)與挑戰(zhàn)，其中最重要的是儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本，在很大程度上制約著儲(chǔ)能的大規(guī)模應(yīng)用。如果要把儲(chǔ)能真正規(guī)?；冶皇袌鼋邮埽粌H需要科研工作者圍繞著儲(chǔ)能系統(tǒng)的化學(xué)、物理、工程等領(lǐng)域取得突破，國家政策制定者量身定做出適合中國國情的儲(chǔ)能支持政策，還需要行業(yè)多方對于中國儲(chǔ)能市場做出更加細(xì)致縝密的分析與計(jì)算，找到早期適合的應(yīng)用。

[1] Moving energy storage from concept to reality: Southern California edison’s approach to evaluating energy storage [R/OL]//http://www.edison.com/files/WhitePaper_SCEsApproachtoEvaluatingEnergy Storage.pdf.

[2] 國家自然科學(xué)基金委員會(huì)，中國科學(xué)院.2011—2020年我國能源科學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告[R/OL]// http://wenku.baidu.com/view/d33c655-fbe23482fb4da4cec.html.

[3] CNESA.儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)趨勢[J/OL]//[2012-10-10] http://www.cnesa.org/.

[4] KEMA.Market evaluation for energy storage in the United States[R/OL]// http://www.copper.org/about/pressreleases/pdfs/kema_report.pdf.

[5] Woori Investment and Securities.Industry analysis：Rechargeable battery industry[R].[S.l.]，2011.

[6] J P Morgan Securities.Rechargeable batteries—Charging the future[R].[S.l.]，2010.

[7] Dang Xiangnan，Yi Hyunjung，Ham Moon-Ho，et al.Virus-templated self-assembled single-walled carbon nanotubes for highly efficient electron collection in photovoltaic devices[J].Nature Nanotechnology，2011，6（6）：377-384.

[8] EPRI.Electricity energy storage technology options—A white paper primer on applications, costs, and benefits[R/OL]// http://www.doc88.com/p-86915917253.html.

[9] Daiwa Capital Markets.Energy storage toolkit—Making the right connections[R].[S.l.]，2012.

[10] Zu Chenxi，Li Hong.Thermodynamic analysis on energy densities of batteries[J].Energy & Environmental Science，2011（8）：2614-2624.

[11] Melbourne Energy Institute Technical Paper Series.Renewable energy technology cost review[R].[S.l.]，2011.