廖強強, 陳建宏, 師雅斐, 張啟超, 李新周

(上海電力大學 上海市電力材料防護與新材料重點實驗室,上海電力能源轉(zhuǎn)換工程技術(shù)研究中心, 上海 200090)

可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排的要求迫使人類對傳統(tǒng)石化能源的需求逐漸向可再生能源轉(zhuǎn)變[1]。為了適應這一變化,傳統(tǒng)的剛性電網(wǎng)將越來越多地轉(zhuǎn)變?yōu)閹в腥嵝孕枨蟮闹悄茈娋W(wǎng)。隨著可再生能源和分布式發(fā)電的興起,電網(wǎng)的柔性越來越重要[2]。如果沒有更柔性的系統(tǒng)來緩沖大量的波動性的可再生能源,未來智能電網(wǎng)的電力平衡將會受到極大的挑戰(zhàn)。

柔性要求在電力需求上升時(比如晚上)或者可再生能源波動時(比如陰天或無風日),系統(tǒng)能提供更多的備用電能,可以通過長距離高壓輸電(聯(lián)網(wǎng))接入不同地區(qū)、時區(qū)的電源來實現(xiàn);更多的是通過儲能裝置來實現(xiàn)[3]。

儲能分為分布式儲能和電網(wǎng)級儲能。分布式儲能系統(tǒng)是分布式能源系統(tǒng)的一部分,具有分散化、模塊化和靈活化的特點,靠近用戶側(cè),容量一般不大于10 MW。電網(wǎng)級儲能一般是10 MW及以上的儲能電站,更趨向于集中式,服務于發(fā)電側(cè)或者電網(wǎng)側(cè)。儲能系統(tǒng)是具有調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等多種作用的特殊電源,運行靈活,反應快捷,對確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行具有重要作用[4]。

1 儲能技術(shù)的特點

儲能技術(shù)是通過裝置或物理介質(zhì)將能量儲存起來以便以后需要時利用的技術(shù)。儲能技術(shù)主要分為儲電和儲熱兩大類。在儲電方面的儲能方式又分為機械儲能(抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等)、電化學儲能(鉛酸電池、鉛炭電池、鋰離子電池、氧化還原液流電池、鈉硫電池等)和電磁儲能(超級電容器儲能和超導電磁儲能等)3類。不同的儲能技術(shù)具有不同的特點,適用的應用場景也不盡相同。表1為不同類型儲能技術(shù)的特點及應用場景。表2列出了主要儲能電池的性能指標。

表1 不同類型儲能技術(shù)的特點及應用場景

表2 主要儲能電池的性能指標比較

2 國內(nèi)外儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

伴隨著電力工業(yè)的發(fā)展,儲能的應用越來越普遍,不過主要還是集中在抽水蓄能。世界上第一座抽水蓄能電站是1879年建成的瑞士勒頓抽水蓄能電站;最大的在運抽水蓄能電站是1985年投產(chǎn)的美國巴斯康蒂抽水蓄能電站,容量為3 003 MW。第一座投入商業(yè)運行的壓縮空氣儲能電站是1978年投運的德國Huntorf電站,發(fā)電輸出功率為290 MW,可連續(xù)發(fā)電2 h;最大壓縮空氣儲能電站為美國的Norton 電站,容量為2 700 MW。2009年西班牙Andasol槽式光熱發(fā)電成為全球首個配置熔鹽儲熱系統(tǒng)商業(yè)化運行的150 MW光熱電站,配置7.5 h熔鹽儲能設施。世界最大規(guī)模的20 MW飛輪儲能項目于2011年在美國紐約投運,調(diào)頻是飛輪儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)中最主要的應用領域。在電化學儲能領域,鈉硫電池累計裝機容量為530 MW,約合3 700 MWh,最大的鈉硫電池儲能電站于2017年在日本九州電力公司投運,容量為50 MW/300 MWh;最大的氧化還原釩液流電池儲能電站位于日本北海道,容量為15 MW/60 MWh;最大的鉛炭電池儲能電站位于美國德克薩斯州,容量為36 MW/9 MWh;最大的鉛炭電池儲能系統(tǒng)是江蘇的中能硅業(yè)儲能電站,容量為1.5 MW/12 MWh;國外最大的鋰離子電池儲能電站是特斯拉為澳大利亞建造的霍恩斯代爾儲能系統(tǒng),容量為100 MW/129 MWh。國內(nèi)最大的電化學儲能電站為江蘇鎮(zhèn)江101 MW/202 MWh電網(wǎng)儲能電站,于2018年7月正式并網(wǎng)投運。

根據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟《儲能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2018》中統(tǒng)計的數(shù)據(jù)[5],截至2017年底全球各類儲能項目累計投運裝機規(guī)模如表3所示。

表3 全球各類儲能項目累計投運裝機規(guī)模

由表3可知,截至2017年底,全球投運儲能項目累計總裝機規(guī)模達到175.5 GW。2017年新增裝機規(guī)模6.7 GW,同比增加3.9%。其中,抽水蓄能的累計裝機規(guī)模依舊比重最大,為96%,占據(jù)了絕大部分的市場份額。但從長遠來看,抽水蓄能電站的開發(fā)受到地理條件和資源條件的限制,增速緩慢。熔融鹽儲熱的累計裝機規(guī)模位列第3,占比1.5%;電化學儲能由于能量密度大,能量轉(zhuǎn)換效率高,可模塊化設計安裝,建設周期短等優(yōu)勢,所以呈現(xiàn)快速增長趨勢[6-7]。截至2017年底,電化學儲能項目累計裝機位列第2,比2016年排位靠前一位,規(guī)模為2 926.6 MW,占比1.7%,2017年新增裝機規(guī)模914.1 MW,同比增加23%。

在各類電化學儲能技術(shù)中,鋰離子電池的累計裝機為2 213.0 MW,占比最大,為75.6%,占據(jù)著電化學儲能市場的絕對主導地位。這主要受益于電動汽車的快速發(fā)展所帶來的鋰離子電池成本的大幅降低和技術(shù)性能的不斷提升,推動了鋰離子電池在全球范圍內(nèi)儲能的規(guī)?；瘧谩ｂc硫電池、鉛蓄電池(包括鉛酸和鉛炭電池)以及液流電池的應用規(guī)模則相對較小,與鋰離子電池的規(guī)模化應用具有較大的差距。

儲能服務于電網(wǎng)主要有3種功能:削峰填谷[8]、可再生能源協(xié)同發(fā)電[9]、電網(wǎng)輔助服務[10]。其中,電網(wǎng)輔助服務是最可能率先實現(xiàn)儲能商業(yè)化應用的領域。截至2017年底,全球范圍內(nèi)輔助服務領域的累計裝機容量最大,為1 005.7 MW,占所有電化學儲能項目的34%。例如,2017年英國、德國等歐洲國家在調(diào)頻服務領域安裝了大量的電化學儲能電站。除此以外,隨著可再生能源發(fā)電比例的提高,儲能在集中式可再生能源并網(wǎng)領域的裝機容量也在持續(xù)增加。截至2017年底,儲能用于可再生能源并網(wǎng)發(fā)電項目中的累計裝機容量達到820.8 MW,占全球累計電化學儲能規(guī)模的28%。

3 儲能技術(shù)的發(fā)展趨勢

根據(jù)美國研究機構(gòu)Navigant Research的預測,到2025年,分布式和電網(wǎng)級儲能市場的裝機規(guī)模將超過28.6 GW,市值將達到295億美元。在電網(wǎng)級儲能市場應用方面,2016—2025年全球電網(wǎng)級先進電池儲能容量將從1.4 GWh增長到42.7 GWh,利潤將從2.319億美元增長到36億美元。全球主要國家電網(wǎng)級儲能規(guī)模預測如圖1所示。由圖1可知,預計到2025年,中國、美國、印度、日本和英國都將成為電網(wǎng)級規(guī)模相對較大的國家。

對于全球分布式儲能市場,到2025年全球戶用儲能市場規(guī)模將達到130億美元。全球各國儲能市場中,德國和澳大利亞是目前戶用儲能應用最廣泛的國家。到2020年,這兩個國家的戶用儲能規(guī)模仍將占據(jù)其儲能總裝機規(guī)模的50%以上。

圖1 全球主要國家電網(wǎng)級儲能規(guī)模預測

目前我國應用的儲能技術(shù)主要分為3類:一是以抽水蓄能和壓縮空氣儲能為主的機械儲能;二是以熔融鹽為主的儲熱技術(shù);三是電化學儲能。根據(jù)規(guī)劃和預測,到2020年,我國儲能技術(shù)總裝機規(guī)模將達到44 GW。其中:抽水蓄能的累計裝機規(guī)模將達到40 GW;壓縮空氣儲能規(guī)模將達到0.148 GW;熔融鹽儲熱裝機規(guī)模有望達到1.8 GW;電化學儲能累計裝機規(guī)模將達到2 GW。

4 上海儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

相比于抽水蓄能,電化學儲能雖然電站規(guī)模不大,但目前是增速最快、發(fā)展最為迅速的一種儲能方式。上海地區(qū)建成的較大的儲能示范項目為崇明東灘風儲聯(lián)合發(fā)電示范工程,規(guī)模為2 MW/2 MWh,主要用于平滑風電輸出功率。另外還有漕溪站鋰電池儲能示范工程和前衛(wèi)站全釩液流電池儲能示范工程等。上海地區(qū)不同類型電化學儲能應用情況如表4所示。

表4 上海市不同類型電化學儲能應用情況

5 上海儲能技術(shù)的發(fā)展建議

為了滿足節(jié)能減排的要求,近年來上海能源消費結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化,市外來電的比例大幅增加,占40%左右,其中市外清潔電力(水電)的增加緩解了上海的碳排放壓力。上海地區(qū)用電體量很大,新能源占比相對較小,多以分布式、自發(fā)自用式為主,因此上海地區(qū)新能源基本沒有消納問題。上海以消納四川、云南、三峽的水電為主。隨著西南水電大規(guī)模饋入上海,上海電網(wǎng)調(diào)峰壓力持續(xù)增加,2009—2017年上海地區(qū)最大峰谷差趨勢如圖2所示。針對上海電網(wǎng)低谷調(diào)峰矛盾凸顯這一問題,除大規(guī)模調(diào)停本地機組及增加旋轉(zhuǎn)備用之外,上海電網(wǎng)不得已采用低谷電量置換等方式努力解決低谷調(diào)峰問題。針對上海的電網(wǎng)矛盾,上海地區(qū)的儲能布局除了一方面在自發(fā)自用的分布式發(fā)電中配置分布式儲能系統(tǒng)以外,更重要的是要通過儲能來解決本地火電機組調(diào)停頻繁、發(fā)電小時不足的問題,以及大規(guī)模外來電饋入所造成的上海電網(wǎng)調(diào)峰壓力增大問題。具體的發(fā)展建議如下。

圖2 2009—2017年上海地區(qū)最大峰谷差趨勢

一是針對上海地區(qū)火電機組調(diào)停頻繁、城市電網(wǎng)峰谷差較大以及崇明可再生能源占比高的問題,應建設大規(guī)模的100 MW級的電池儲能電站。針對中國(上海)自由貿(mào)易試驗區(qū)、虹橋商務區(qū)、上海迪士尼樂園、臨港地區(qū)等工業(yè)園區(qū)的多能互補和智慧用電問題,建設MW級或10 MW級的分布式電池儲能系統(tǒng)非常必要。

大規(guī)模的電網(wǎng)級儲能技術(shù)主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、鋰離子電池儲能、鈉硫電池儲能、全釩液流電池儲能。上海地區(qū)一馬平川,抽水蓄能基本不可能,只能依賴于長三角其他地區(qū)的支援,如浙江天荒坪抽水蓄能電站。壓縮空氣所需要的巖洞或者放置儲氣罐所需要的大面積場地,寸土寸金的上海也不具備。因此,不受地理條件限制的電化學儲能技術(shù)更適合上海的實際情況。鋰離子電池能量密度較高,工作條件較溫和,通過模塊化設計可組裝成容量較小(MW級或kW級)的分布式儲能系統(tǒng)或者容量更高(10 MW級及以上)的電網(wǎng)級儲能電站。目前鋰離子電池儲能技術(shù)已經(jīng)比較成熟,其系統(tǒng)成本大幅下降,上海地區(qū)具備該項技術(shù)的企業(yè)也較多。鈉硫電池能量密度高,但需要在超過300 ℃的高溫下運行,適合于地面較為開闊的場所,一般設計成MW級的分布式儲能系統(tǒng)或者10 MW級及以上的電網(wǎng)級儲能電站。目前上海電氣鈉硫儲能技術(shù)有限公司掌握了該項技術(shù),研發(fā)出世界最大的鈉硫電池,貫通年產(chǎn)2 MW中試線,并且已經(jīng)在崇明島建成了MWh級的鈉硫電池儲能電站。全釩液流電池的循環(huán)壽命長,但能量密度較低,所以大容量的全釩液流電池儲能電站的儲液罐占地也較大,適合于地面較為開闊的場所,一般設計成MW級的分布式儲能系統(tǒng)或者10 MW級及以上的電網(wǎng)級儲能電站。鉛炭電池由于成本較低,在淺充放電條件下具有較長的循環(huán)壽命,但能量密度低,一般設計成kW級或MW級的分布式儲能系統(tǒng)。

二是針對共享電動汽車和電動物流車數(shù)量激增的情況,鼓勵擁有電動汽車的企業(yè)拓展電動汽車等分散電池資源的儲能化應用,開展電動汽車智能充放電業(yè)務(V2G)以及退役動力電池的梯次利用。

上海作為國際電動汽車示范城市,電動汽車保有量已經(jīng)超過24萬輛,成為全球新能源汽車保有量最大的城市。上海國際汽車城(集團)有限公司創(chuàng)立的電動汽車分時租賃品牌EVCARD在全國規(guī)模最大,目前有4萬多輛電動汽車。按每輛車電池容量20 kWh計算,4萬輛車總的儲能規(guī)模達到800 MWh。由于這些車是由一家公司擁有,方便集中管理和調(diào)度,非常適合工業(yè)園區(qū)或商務樓宇以V2G形式削峰填谷。另外,大量的電動汽車退役電池也是一筆可觀的固定資產(chǎn),企業(yè)可以對退役電池的梯次利用實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)和經(jīng)營。擁有電動汽車的企業(yè)可以通過增加電動汽車電池的電網(wǎng)儲能屬性以及延長其使用壽命來獲取額外的經(jīng)濟收益。

三是應建立以調(diào)頻、調(diào)峰、容量備用、平滑可再生能源功率波動等輔助服務為主的容量電價機制。

目前我國的峰谷電價差還比較小,儲能成本仍然偏高,通過削峰填谷實現(xiàn)能量套現(xiàn)的收益還不能覆蓋儲能成本。儲能的更大價值是對功率需求的滿足,其次才是能量需求的滿足,儲能的更大貢獻應體現(xiàn)在對電網(wǎng)運行的穩(wěn)定上,無論是大電網(wǎng)還是微電網(wǎng)。由于歐美國家的電力市場化充分,制定了詳細的電力市場輔助服務價格,因此歐美國家儲能在容量備用、調(diào)頻調(diào)峰和平滑可再生能源功率波動等輔助服務市場已經(jīng)體現(xiàn)出較好的商業(yè)價值。如歐洲的一級調(diào)頻市場的市場價格在2 500歐元/(MW·周)左右,電池儲能參與一級調(diào)頻市場是有商業(yè)價值的。我國的天荒坪抽水蓄能電站,其主要收益也是來自于470元/(kW·a)的容量電價。因此,電池儲能電價機制的設計應更多考慮以輔助服務為主的容量電價,其次才是電度電價。

四是通過合同能源管理的商業(yè)模式來保證儲能收益。

儲能設備具有既是負荷(充電)又是電源(放電)的雙重身份,是電能的蓄水池,在電網(wǎng)中具有不可替代的重要作用。電池儲能的優(yōu)勢在于響應速度快、控制精準。然而,由于維護的專業(yè)性等因素會顯著影響電池本身的性能,在儲能電價還沒出臺的情況下,比較合適的商業(yè)模式可能是業(yè)主提供場地,由儲能集成商或電池生產(chǎn)商安裝和維護儲能系統(tǒng),并與業(yè)主簽訂能源管理合同,通過儲能獲取的收益由雙方分成。

五是將負瓦特交易、低碳交易引入儲能市場,將儲能的社會價值轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟價值。

電力用戶端分布廣泛且用電不均、隨機性強、管理難度大,造成供電與用電常常不匹配,用電高峰集中時電力供應嚴重不足,而低谷時卻浪費嚴重。隨著物聯(lián)和互聯(lián)技術(shù)的成熟,通過電力需求側(cè)響應管理,采取節(jié)能措施而節(jié)約下的電力可以另作他用,這種節(jié)約下來的電力被稱為負瓦特。在自然資源有限的情況下,這是最為廉價、清潔的能源方案。儲能設備不僅可以放電,提供調(diào)頻、調(diào)峰和旋轉(zhuǎn)備用等服務,還可以作為負荷,提供電網(wǎng)所需要的負瓦特。2017年日本負瓦特交易市場開始運營。另外,儲能在優(yōu)化能源系統(tǒng)、降低用電成本的同時,還將大幅減低碳排放。將負瓦特交易、碳排放引入儲能市場,將儲能的社會價值轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟價值。

6 結(jié) 語

可再生能源發(fā)電的間歇性和分布式負載用電的隨機性迫切需要具有緩沖作用的儲能系統(tǒng)來保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。盡管抽水蓄能占據(jù)了絕大部分的儲能市場份額，但是電化學儲能由于能量密度大、能量轉(zhuǎn)換效率高、可模塊化設計安裝、建設周期短等優(yōu)勢，呈現(xiàn)快速增長趨勢。在各種儲能服務當中，電網(wǎng)輔助服務是最可能率先實現(xiàn)儲能商業(yè)化應用的領域，其次是可再生能源-儲能協(xié)同發(fā)電。上海作為特大型城市，其電網(wǎng)具有以西南水電為主的市外來電比例大、用電峰谷差大等特點，采用大規(guī)模的電化學儲能電站可以大幅減少本地火電機組頻繁調(diào)停,有效消納低谷時段市外來電,縮小電網(wǎng)峰谷差，提高清潔電力的生產(chǎn)和消費水平，促進特大型城市的節(jié)能減排。