劉大正 崔詠梅 趙 飛

(1.國(guó)家能源集團(tuán)技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院,北京市 昌平區(qū) 102211;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)新能源學(xué)院,山東省 威海市 264209;3.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司,北京市 海淀區(qū) 100192)

0 引言

為應(yīng)對(duì)全球范圍內(nèi)的能源匱乏、環(huán)境和氣候惡化等嚴(yán)峻問(wèn)題,中國(guó)積極推進(jìn)國(guó)家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)、低碳化發(fā)展,同時(shí)也是全球能源治理的重要參與者。習(xí)近平總書記在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上正式提出“碳達(dá)峰”“碳中和”后,在中央財(cái)經(jīng)委第九次會(huì)議上進(jìn)一步對(duì)國(guó)家電力改造轉(zhuǎn)型做出重要部署:構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。新型儲(chǔ)能是適應(yīng)風(fēng)光等新能源大規(guī)模接入與構(gòu)建現(xiàn)代能源體系的關(guān)鍵支撐技術(shù),對(duì)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型優(yōu)化和國(guó)家能源安全、電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行都具有重要意義和作用。作為新能源發(fā)展關(guān)鍵的環(huán)節(jié),新型儲(chǔ)能在服務(wù)“雙碳”目標(biāo)中的戰(zhàn)略地位不可替代[1-2]。

縱觀全球儲(chǔ)能發(fā)展戰(zhàn)略,美國(guó)、歐盟、日本等地區(qū)和國(guó)家均積極部署儲(chǔ)能發(fā)展。美國(guó)能源部在2020年12月發(fā)布了《儲(chǔ)能大挑戰(zhàn)路線圖》,力求通過(guò)加快研發(fā)新型儲(chǔ)能并促進(jìn)其商業(yè)化應(yīng)用,創(chuàng)造并保持在全球儲(chǔ)能領(lǐng)域的領(lǐng)先地位;英國(guó)在2020年7月取消了儲(chǔ)能部署的容量限制要求以促進(jìn)儲(chǔ)能領(lǐng)域的建設(shè)投資;德國(guó)在2020年12月通過(guò)了《可再生能源法案》修訂案,為儲(chǔ)能發(fā)展提供了遠(yuǎn)期指引。同時(shí),日本政府在2016年就曾對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了詳細(xì)的長(zhǎng)期規(guī)劃,《能源環(huán)境技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略2050》將目光放在充放電快速、安全、低成本的先進(jìn)電池技術(shù)上。在“雙碳”目標(biāo)的推動(dòng)下,2021年7月,國(guó)家發(fā)改委和能源局出臺(tái)了《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》,提出到2025年,新型儲(chǔ)能將從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變,裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到30 GW 以上的目標(biāo);2022年1月,發(fā)改委和能源局又發(fā)布了《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》,進(jìn)一步明確了未來(lái)5～10年我國(guó)新型儲(chǔ)能發(fā)展的戰(zhàn)略思路與模式路徑[3-5]。

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)還處于發(fā)展起步期,在新型儲(chǔ)能領(lǐng)域的發(fā)展更是如此,儲(chǔ)能領(lǐng)域的政策、立法、技術(shù)、市場(chǎng)、標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)管等產(chǎn)業(yè)基本要素尚不成熟。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)方面,我國(guó)近年來(lái)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模、投融資規(guī)模擴(kuò)充迅速,產(chǎn)業(yè)鏈在全球處于領(lǐng)先地位?！笆奈濉睍r(shí)期,我國(guó)新型儲(chǔ)能市場(chǎng)將跨入規(guī)?；l(fā)展階段,占據(jù)全球儲(chǔ)能市場(chǎng)的主要地位,需要依靠技術(shù)水平、市場(chǎng)機(jī)制、產(chǎn)業(yè)政策不斷創(chuàng)新、發(fā)展、完善以期對(duì)儲(chǔ)能行業(yè)給予強(qiáng)力支撐。雖然我國(guó)目前已經(jīng)是全球最大的儲(chǔ)能市場(chǎng)之一,但儲(chǔ)能規(guī)?；l(fā)展仍面臨著成本競(jìng)爭(zhēng)力較弱、系統(tǒng)利用率較低、項(xiàng)目收益性差、需求側(cè)響應(yīng)積極性欠缺和監(jiān)管機(jī)制不完善等挑戰(zhàn)。我國(guó)新型儲(chǔ)能的規(guī)?；?、商業(yè)化應(yīng)用,需要在成本回收模式、市場(chǎng)交易機(jī)制、政策驅(qū)動(dòng)機(jī)制等方面協(xié)同推進(jìn),出臺(tái)專門的政策予以引導(dǎo)和扶持刻不容緩[6]。

1 新型儲(chǔ)能功能和應(yīng)用場(chǎng)景概述

1.1 新型儲(chǔ)能功能概述

新型儲(chǔ)能的主要功能包括備用電源、削峰、功率調(diào)度和跟蹤以及抑制閃動(dòng)等,其功能和作用分類及不同類型儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)和功能分別如表1和圖1所示。一般的,根據(jù)電能維度可將儲(chǔ)能作用分為電量、容量和功率三類。其中,電量作用是指具有一定規(guī)模的儲(chǔ)能按照系統(tǒng)負(fù)荷的需求放電;容量作用則利用時(shí)空轉(zhuǎn)移特性延緩電網(wǎng)和電源側(cè)擴(kuò)容投資;功率作用主要是在較短時(shí)間內(nèi)完成較大功率輸出,以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的目的。從時(shí)間維度上看,削峰要求儲(chǔ)能持續(xù)數(shù)小時(shí)工作,功率調(diào)度需要小時(shí)級(jí)時(shí)長(zhǎng),功率跟蹤在分鐘級(jí)范圍,抑制閃動(dòng)時(shí)長(zhǎng)超短,一般在秒級(jí)。

表1 新型儲(chǔ)能的功能和作用分類Table 1 _Function and role classification of new energy storage

圖1 不同類型的儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)及其功能Fig.1 Different types of energy storage technology features and their functions

儲(chǔ)能的主要效益包括3類:經(jīng)濟(jì)效益、電網(wǎng)運(yùn)行效益和社會(huì)效益。其經(jīng)濟(jì)效益主要是為電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的主體減少損失、降低成本和增加收入等方面的效益;運(yùn)行效益主要包括對(duì)電力系統(tǒng)安全性、可靠性帶來(lái)的提升;社會(huì)效益主要包括資源與環(huán)境等外部效益。經(jīng)濟(jì)效益可用貨幣等價(jià)衡量,而運(yùn)行效益和社會(huì)效益則很難用貨幣來(lái)量化,一般用成本核算及等效替代等手段衡量。未來(lái)碳交易市場(chǎng)成熟后,則可通過(guò)其參與碳交易市場(chǎng)獲取的經(jīng)濟(jì)收益進(jìn)行衡量[7]。

1.2 新型儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景概述

儲(chǔ)能因其具有靈活的能量時(shí)移特性,能夠提升新能源的消納水平,降低可再生能源隨機(jī)性、波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)的影響;通過(guò)參與電網(wǎng)輔助服務(wù),如調(diào)頻、調(diào)峰等,以及在用戶側(cè)的峰谷調(diào)節(jié),提高電能質(zhì)量和供電可靠性。因此,儲(chǔ)能在源、網(wǎng)、荷側(cè)均發(fā)展迅速,成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)以及能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵[8]。

儲(chǔ)能的主要應(yīng)用場(chǎng)景如圖2所示,在發(fā)電側(cè)可發(fā)揮存儲(chǔ)超發(fā)電量、平滑出力波動(dòng)、提供可靠容量支撐的功能;在電網(wǎng)側(cè)可提供環(huán)節(jié)調(diào)峰壓力、提升電網(wǎng)可靠性和電能質(zhì)量的功能,從而保證容量充裕度,緩解阻塞并延緩輸配電投資;在用戶側(cè)可通過(guò)節(jié)省擴(kuò)容費(fèi)率、用電響應(yīng)、峰谷電價(jià)差等降低用電成本。

圖2 儲(chǔ)能主要應(yīng)用場(chǎng)景Fig.2 Main application scenarios for energy storage

2 一體化儲(chǔ)能運(yùn)行模式分析

2.1 商業(yè)運(yùn)行模式

在“雙碳”目標(biāo)的指引下,國(guó)家能源局聯(lián)合國(guó)家發(fā)展改革委先后發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展“風(fēng)光水火儲(chǔ)一體化”“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”的指導(dǎo)意見(jiàn)(征求意見(jiàn)稿)》和《關(guān)于推進(jìn)電力源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》。兩個(gè)文件均指出:一體化儲(chǔ)能運(yùn)行模式是電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展的重要措施,要積極探索一體化和多能互補(bǔ)的新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑。

風(fēng)光水火儲(chǔ)一體化項(xiàng)目側(cè)重于基地式開(kāi)發(fā),結(jié)合地區(qū)資源條件和產(chǎn)業(yè)特點(diǎn),因地制宜利用風(fēng)電、光伏發(fā)電等清潔能源,發(fā)揮水電、煤電的調(diào)節(jié)作用,并適度增加一定比例儲(chǔ)能設(shè)施,統(tǒng)籌多種資源協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)、科學(xué)配置,構(gòu)建能源綜合體,充分發(fā)揮新能源富集地區(qū)優(yōu)勢(shì),在促進(jìn)新能源消納的同時(shí),讓能源系統(tǒng)持續(xù)保持最佳狀態(tài);而源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化則側(cè)重于圍繞負(fù)荷需求展開(kāi),充分挖掘和釋放負(fù)荷側(cè)調(diào)解能力,促使電網(wǎng)與電源、負(fù)荷協(xié)同發(fā)展,從而讓電網(wǎng)、用戶以及各類發(fā)電主體廣泛參與進(jìn)來(lái),進(jìn)一步提升新能源消納力度,實(shí)現(xiàn)能源就地利用。

風(fēng)光水火儲(chǔ)一體化及源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化項(xiàng)目?jī)?chǔ)能運(yùn)行模式分類如表2所示?！皟蓚€(gè)一體化”項(xiàng)目都需對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行合理配置,以解決電力系統(tǒng)的靈活性問(wèn)題,提升用能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)供需平衡性能。因此,儲(chǔ)能的商業(yè)化進(jìn)程得以加速,并迎來(lái)了更廣闊的市場(chǎng)機(jī)遇[9-10]。

表2 “兩個(gè)一體化”儲(chǔ)能運(yùn)行模式分類Table 2 Classify of energy storage operating model in“two integrations”

2.2 技術(shù)應(yīng)用需求

“兩個(gè)一體化”場(chǎng)景下,應(yīng)綜合考慮儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性、靈活性以及安全性等因素,科學(xué)論證,因地制宜配置儲(chǔ)能設(shè)施。應(yīng)重點(diǎn)考慮以下因素:

(1) 以區(qū)域電源的總成本最低為目標(biāo),優(yōu)化不同電源和儲(chǔ)能的容量配比,尋求最優(yōu)配置比例。

(2) 重點(diǎn)考慮風(fēng)光水火儲(chǔ)、源網(wǎng)荷儲(chǔ)項(xiàng)目的綜合收益,以各類電源與儲(chǔ)能投資商的收益最優(yōu)為目標(biāo)進(jìn)行容量?jī)?yōu)化配置、儲(chǔ)能技術(shù)路線選擇和商業(yè)模式的開(kāi)發(fā)。

(3) 以保證電源與儲(chǔ)能一體化安全為紅線,兼顧儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性、功能性、靈活性、協(xié)調(diào)性、安裝位置和容量,同時(shí)重點(diǎn)考慮系統(tǒng)總體的碳交易目標(biāo)。

2.3 市場(chǎng)空間展望

在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)的時(shí)代背景下,傳統(tǒng)能源增速放緩而新能源全面發(fā)展,這對(duì)技術(shù)革命和科技創(chuàng)新提出新要求。因此,推動(dòng)一體化項(xiàng)目建設(shè)以更好地為市場(chǎng)提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)、提高電能質(zhì)量是儲(chǔ)能未來(lái)商業(yè)化應(yīng)用的重要場(chǎng)景。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),光伏、風(fēng)電等可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng),其波動(dòng)性、隨機(jī)性的特征給電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來(lái)新挑戰(zhàn),需要電力系統(tǒng)具有更高靈活性。而“兩個(gè)一體化”項(xiàng)目能夠協(xié)調(diào)源網(wǎng)荷儲(chǔ)各方主體,有利于清潔能源消納,提高電力系統(tǒng)綜合效率以及靈活性。作為調(diào)節(jié)清潔能源并網(wǎng)波動(dòng)性和負(fù)荷特性的重要手段,儲(chǔ)能在“兩個(gè)一體化”推進(jìn)過(guò)程中占有非常重要的地位,分析“兩個(gè)一體化”領(lǐng)域相關(guān)政策,探究?jī)?chǔ)能的商業(yè)化進(jìn)程和市場(chǎng)規(guī)模,具有重要意義[11-12]。

進(jìn)入“十四五”時(shí)期,全國(guó)多地積極響應(yīng),發(fā)布多個(gè)一體化建設(shè)相關(guān)的指導(dǎo)文件,進(jìn)一步推動(dòng)了示范基地的建設(shè)進(jìn)程。全國(guó)部分重點(diǎn)省份“兩個(gè)一體化”發(fā)展原則和目標(biāo)如表3所示。根據(jù)表3可知,西北、西南等資源富集地區(qū)因地制宜在新能源基地項(xiàng)目中廣泛采用多能互補(bǔ)模式,華東、華南等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、負(fù)荷集中地區(qū)在謀劃多能互補(bǔ)的同時(shí),也在積極考慮源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化發(fā)展,降低用能成本,促進(jìn)新能源消納。

表3 部分重點(diǎn)省份“兩個(gè)一體化”發(fā)展原則和目標(biāo)Table 3 Development principles and objectives of some key provinces in“two integrations”

2021年4月,國(guó)家能源局綜合司印發(fā)了《關(guān)于報(bào)送“十四五”電力源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)工作方案的通知》,明確表示支持具有一定新能源電量消納能力的多能互補(bǔ)項(xiàng)目和源網(wǎng)荷儲(chǔ)項(xiàng)目。各省也紛紛開(kāi)始試點(diǎn)一批一體化示范項(xiàng)目,河南省在《河南省電力源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)實(shí)施方案》中還同時(shí)公布了7個(gè)源網(wǎng)荷儲(chǔ)和多能互補(bǔ)示范項(xiàng)目,共涉及配置696 MW/1 392 MW·h電化學(xué)儲(chǔ)能。2022年4月,安徽省也發(fā)布了《安徽省電力源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)試點(diǎn)項(xiàng)目清單》,共涉及配置262 MW/524 MW·h電化學(xué)儲(chǔ)能。根據(jù)國(guó)際新能源網(wǎng)匯總,從2021年1月—2022年4月底獲得簽約和開(kāi)工的一體化項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模已超過(guò)138 GW[13]。考慮到不同的儲(chǔ)能配置比例,以目前主流的儲(chǔ)能2 h為例,“十四五”末期,全國(guó)一體化項(xiàng)目配置新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模如表4所示。

表4 2025年末期一體化項(xiàng)目?jī)?chǔ)能裝機(jī)規(guī)模Table 4 Scale of energy storage in integration projects in 2025

3 輔助服務(wù)市場(chǎng)儲(chǔ)能運(yùn)行模式分析

3.1 商業(yè)運(yùn)行模式

電力系統(tǒng)輔助服務(wù)是為了保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行而提供的服務(wù),其主要目的在于保證發(fā)、用電平衡,維持電能質(zhì)量以及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)《電力輔助服務(wù)管理辦法》(國(guó)能發(fā)監(jiān)管規(guī)〔2021〕61號(hào))[14]對(duì)輔助服務(wù)進(jìn)行分類,包括有功平衡服務(wù)、無(wú)功平衡服務(wù)以及事故應(yīng)急恢復(fù)服務(wù),各類輔助服務(wù)包含的范圍和定義如表5所示。

表5 我國(guó)電力輔助服務(wù)內(nèi)容Table 5 Power auxiliary service content in China

2021年12月,國(guó)家能源局印發(fā)了《電力并網(wǎng)運(yùn)行管理規(guī)定》和《電力輔助服務(wù)管理辦法》,對(duì)輔助服務(wù)的提供主體、服務(wù)品種、補(bǔ)償方式以及費(fèi)用來(lái)源進(jìn)行了修訂。修訂前后輔助服務(wù)的主要變化如表6所示。其中,新規(guī)定最主要的變化在于允許新型儲(chǔ)能以及負(fù)荷側(cè)主體參與輔助服務(wù)市場(chǎng)中,同時(shí)增加了輔助服務(wù)的品種,并明確了輔助服務(wù)成本傳導(dǎo)機(jī)制改革的方向。

表6 新舊電力輔助服務(wù)管理規(guī)定差異Table 6 Differences between the old and new power auxiliary service management regulations

電化學(xué)儲(chǔ)能因其調(diào)節(jié)速率、精度和響應(yīng)時(shí)間等方面優(yōu)于傳統(tǒng)火力發(fā)電,在輔助服務(wù)市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)。未來(lái)儲(chǔ)能可部署在發(fā)電側(cè),輔助并網(wǎng)主體參與輔助服務(wù)市場(chǎng),也可以作為獨(dú)立的輔助服務(wù)提供商參與到輔助服務(wù)市場(chǎng)中[15]。

根據(jù)目前我國(guó)輔助服務(wù)市場(chǎng)結(jié)構(gòu),新型儲(chǔ)能技術(shù)在輔助服務(wù)中的主要應(yīng)用場(chǎng)景有二次調(diào)頻、調(diào)峰和備用容量。潛在的商業(yè)模式如下:

(1) 與火力發(fā)電相結(jié)合,進(jìn)行火電儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻。燃煤電廠如果單獨(dú)參與電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié),需要頻繁調(diào)整有功輸出以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻需求,這會(huì)大大降低火電廠的發(fā)電效率和運(yùn)行壽命。通過(guò)與儲(chǔ)能配合,可改善火電機(jī)組慣性大、調(diào)節(jié)速率慢的弱點(diǎn),同時(shí)彌補(bǔ)儲(chǔ)能容量有限、參與調(diào)頻服務(wù)調(diào)度困難的問(wèn)題。

(2) 與可再生能源結(jié)合,在幫助可再生能源消納的同時(shí),參與輔助服務(wù)市場(chǎng)。傳統(tǒng)上輔助服務(wù)補(bǔ)償收益主要由火電機(jī)組獲得,而在國(guó)外新能源側(cè)的儲(chǔ)能可通過(guò)參與電力市場(chǎng)交易、提供輔助服務(wù)獲得收益[16],其比例甚至超過(guò)50%。目前部分地區(qū)新建風(fēng)光項(xiàng)目要求按照一定比例配置儲(chǔ)能裝機(jī),但風(fēng)光如何參與輔助服務(wù)仍不明確,在調(diào)度與市場(chǎng)機(jī)制層面仍然存在一定的障礙。

(3) 作為獨(dú)立的市場(chǎng)主體。目前我國(guó)的輔助服務(wù)市場(chǎng)正處于建設(shè)期,市場(chǎng)建設(shè)的方向仍未明確,儲(chǔ)能參與方式可能主要還是通過(guò)與電網(wǎng)企業(yè)簽訂雙邊合同的模式,提供調(diào)頻與調(diào)峰服務(wù),并獲得補(bǔ)償[17]。當(dāng)然,未來(lái)隨著現(xiàn)貨市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)的建設(shè)逐步完善,儲(chǔ)能也可能通過(guò)參與現(xiàn)貨市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)峰,以及通過(guò)招標(biāo)或雙邊合同的形式參與調(diào)頻與備用輔助服務(wù)市場(chǎng)。

(4) 用戶側(cè)或售電公司建設(shè)儲(chǔ)能設(shè)施,參與輔助服務(wù)市場(chǎng)。用戶側(cè)配置的儲(chǔ)能,除了可以通過(guò)傳統(tǒng)的峰谷價(jià)差套利、容量電價(jià)管理等方式獲得回報(bào),降低購(gòu)電成本外,也可以聯(lián)合參與調(diào)頻、深度調(diào)峰、啟停調(diào)峰等輔助服務(wù)[18],提升儲(chǔ)能投資的回報(bào)能力。

3.2 技術(shù)應(yīng)用需求

不同的輔助服務(wù)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)特性要求有所差異?？紤]到目前我國(guó)調(diào)峰、調(diào)頻與備用這3類輔助服務(wù)占輔助服務(wù)補(bǔ)償總量的95%以上,本文重點(diǎn)討論這3類輔助服務(wù)的技術(shù)需求。

調(diào)峰屬于容量型調(diào)節(jié),對(duì)儲(chǔ)能規(guī)模有所要求。對(duì)全國(guó)各地公布的調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用規(guī)則匯總整理可發(fā)現(xiàn),調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用普遍在0.2～0.6元/(kW·h)的水平,儲(chǔ)能規(guī)模普遍在10 MW/20 MW·h以上,儲(chǔ)能機(jī)組需具備2 h時(shí)長(zhǎng)。對(duì)比用于調(diào)峰的靈活性電源的度電成本,抽水蓄能度電成本最低,但其深受地理位置限制。磷酸鐵鋰電池和液流電池兼顧了放電速率和循環(huán)壽命,是較為理想的調(diào)峰電源。

調(diào)頻屬于功率型調(diào)節(jié),目前大多是基于調(diào)頻里程進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)儲(chǔ)能的響應(yīng)速度、瞬時(shí)功率和調(diào)節(jié)精度要求較高,電池、超級(jí)電容器、飛輪都可滿足需求?？紤]到不同儲(chǔ)能技術(shù)的平準(zhǔn)化成本,磷酸鐵鋰電池能平衡成本、放電時(shí)長(zhǎng)、響應(yīng)速度,是較為理想的調(diào)頻電源。

由于儲(chǔ)能的裝機(jī)成本相對(duì)而言較高,在備用輔助服務(wù)市場(chǎng)上與傳統(tǒng)電源相比競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)并不明顯。但如果聯(lián)合調(diào)頻與備用輔助服務(wù)應(yīng)用,則可增加儲(chǔ)能運(yùn)行的收益。因此,備用輔助服務(wù)的技術(shù)需求可參考調(diào)頻輔助服務(wù),可選擇磷酸鐵鋰電池技術(shù)路線。

3.3 市場(chǎng)空間展望

根據(jù)《2019年上半年電力輔助服務(wù)有關(guān)情況的通報(bào)》,調(diào)峰輔助服務(wù)是中國(guó)電力市場(chǎng)中較為有特色的品種。國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步做好電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)試點(diǎn)工作的通知》(發(fā)改辦體改〔2021〕339號(hào))已明確要求“現(xiàn)貨市場(chǎng)運(yùn)行期間由現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)代替調(diào)峰市場(chǎng)”。在市場(chǎng)機(jī)制建立探索階段,調(diào)峰輔助服務(wù)發(fā)揮了一定作用,但隨著電力體制改革的不斷深化,調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)將會(huì)被取代,最終實(shí)現(xiàn)利用電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的電價(jià)引導(dǎo)電源側(cè)的出力。與國(guó)外輔助服務(wù)市場(chǎng)相比,我國(guó)輔助服務(wù)補(bǔ)償水平偏低,主要的原因有:

(1) 我國(guó)基本輔助服務(wù)占比較高,而這部分輔助服務(wù)由發(fā)電企業(yè)無(wú)償提供,并未按照市場(chǎng)化的方式進(jìn)行補(bǔ)償。

(2) 由于輔助服務(wù)成本傳導(dǎo)機(jī)制不順暢,我國(guó)有償輔助服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)仍然較低,未來(lái),隨著可再生能源占電源結(jié)構(gòu)的比重不斷上升,對(duì)于輔助服務(wù)的需求也會(huì)不斷增加[19];同時(shí),隨著電力市場(chǎng)化改革的不斷推進(jìn),調(diào)頻等輔助服務(wù)占電價(jià)的比重有望提升。

根據(jù)國(guó)家能源局公布的數(shù)據(jù),2021年全社會(huì)用電量約為8.3萬(wàn)億kW·h。此處分別考慮未來(lái)用電量按3%、4%和5%增長(zhǎng)的情景,并假設(shè)輔助服務(wù)費(fèi)用占銷售電價(jià)的比重分別在1%、1.5%和2%的水平,同時(shí)平均銷售電價(jià)水平不變?？傻玫捷o助服務(wù)市場(chǎng)的規(guī)模預(yù)測(cè)如表7所示,其中:2025年輔助服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到553.8億～1 196.1億元;2030年輔助服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)在641.9億～1 526.5億元。

假設(shè)新型儲(chǔ)能成本在2025 年降至1 500 元/(kW·h),2030年降至1 000元/(kW·h),投資靜態(tài)回收期5年。同時(shí)假設(shè)輔助服務(wù)成本按表7中的下限估計(jì),在新型儲(chǔ)能占輔助服務(wù)市場(chǎng)不同比重的情況下,未來(lái)輔助服務(wù)市場(chǎng)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模如表8所示。

表8 電力輔助服務(wù)市場(chǎng)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模預(yù)測(cè)Table 8 Installed capacity prediction of energy storage in power auxiliary services market GW·h

4 用戶側(cè)多樣化儲(chǔ)能運(yùn)行模式分析

4.1 商業(yè)運(yùn)行模式

用戶側(cè)儲(chǔ)能將是未來(lái)儲(chǔ)能應(yīng)用的重要領(lǐng)域,應(yīng)用的場(chǎng)景主要有以下幾類:

(1) 分時(shí)電價(jià)管理。

分時(shí)電價(jià)管理也稱為峰谷電價(jià)套利,通過(guò)將電能需求從電價(jià)水平較高的時(shí)段轉(zhuǎn)移至電價(jià)較低的時(shí)段,減少用戶的購(gòu)電成本[20]。2021年7月26日,國(guó)家發(fā)改委出臺(tái)了《關(guān)于進(jìn)一步完善分時(shí)電價(jià)機(jī)制的通知》,提出科學(xué)劃分峰谷時(shí)段、合理確定峰谷電價(jià)價(jià)差以及建立尖峰電價(jià)機(jī)制等要求。浙江、廣東等10多個(gè)省份結(jié)合各自實(shí)際情況,對(duì)分時(shí)電價(jià)政策進(jìn)行了完善,提升了用戶側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。首先,通過(guò)拉大峰谷價(jià)差,增加了儲(chǔ)能充放電的收益。特別是尖峰電價(jià)機(jī)制,極大地提升了用電高峰季節(jié)儲(chǔ)能的收益能力。其次,部分地區(qū)根據(jù)電力需求特點(diǎn),將高峰電價(jià)拆分為2個(gè)時(shí)段。儲(chǔ)能每天充放電次數(shù)能夠由原先的1次變?yōu)?次,大大縮短了儲(chǔ)能投資的回收期,增加了儲(chǔ)能系統(tǒng)的利用率。

(2) 容量電費(fèi)管理。

容量電費(fèi)又稱基本電費(fèi),其機(jī)制具有“用電側(cè)出錢發(fā)電側(cè)出力”的特征。目前,各省大工業(yè)用戶按照變壓器容量計(jì)算的容量電價(jià)為17～32元/(kV·A·m),按照最大需量計(jì)算的容量電價(jià)在25.5～54元/(kW·m)之間。目前1 h鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本已降至2 000～3 000元/kW,按照10年的靜態(tài)投資回收期,年成本為200～300元/kW。大工業(yè)用戶應(yīng)用儲(chǔ)能進(jìn)行容量電費(fèi)管理,已能覆蓋儲(chǔ)能的投資。峰谷價(jià)差套利與容量電費(fèi)組合應(yīng)用,能夠提升用戶儲(chǔ)能投資回報(bào)水平。

(3) 需求響應(yīng)補(bǔ)償。

需求響應(yīng)是指當(dāng)電力市場(chǎng)價(jià)格升高或系統(tǒng)可靠性降低時(shí),需求側(cè)或電力用戶針對(duì)市場(chǎng)價(jià)格信號(hào)或激勵(lì)機(jī)制做出響應(yīng),改變?cè)卸唐陔娏οM(fèi)模式(消費(fèi)時(shí)間或消費(fèi)水平),甚至長(zhǎng)期電力消費(fèi)模式,以保障電網(wǎng)穩(wěn)定,并抑制電價(jià)上升。

儲(chǔ)能基于價(jià)格的需求響應(yīng)其實(shí)就是峰谷電價(jià)套利的模式。而基于激勵(lì)的需求側(cè)響應(yīng)模式中,電儲(chǔ)能裝置可通過(guò)增加放電量增加自用量來(lái)實(shí)現(xiàn)響應(yīng)時(shí)段的負(fù)荷削減,獲得需求側(cè)響應(yīng)補(bǔ)償。此外,還可利用儲(chǔ)熱(冷)系統(tǒng)控制各時(shí)段放熱(冷)量來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的調(diào)節(jié)。

(4) 分布式發(fā)電與微電網(wǎng)。

在國(guó)外市場(chǎng),分布式光儲(chǔ)發(fā)電是儲(chǔ)能的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。美國(guó)加州將儲(chǔ)能納入自發(fā)電激勵(lì)計(jì)劃中,對(duì)1 MW 以下的儲(chǔ)能系統(tǒng)提供1.46美元/W的補(bǔ)貼,在提升分布式光伏收益的同時(shí),也增加了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性,促進(jìn)了工商業(yè)領(lǐng)域分布式項(xiàng)目的發(fā)展。德國(guó)的分布式光儲(chǔ)補(bǔ)貼主要針對(duì)居民用戶,因此戶用儲(chǔ)能發(fā)展迅速。國(guó)內(nèi)分布式光伏發(fā)電則主要由電網(wǎng)公司和發(fā)電集團(tuán)主導(dǎo)開(kāi)展,應(yīng)用領(lǐng)域集中在海島和偏遠(yuǎn)地區(qū)等特定的應(yīng)用場(chǎng)景。

基于儲(chǔ)能在用戶側(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景,結(jié)合國(guó)外用戶側(cè)儲(chǔ)能市場(chǎng)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn),未來(lái)用戶側(cè)儲(chǔ)能潛在的商業(yè)模式有:

①工商業(yè)用戶直接投資儲(chǔ)能設(shè)施,進(jìn)行分時(shí)電價(jià)套利,大工業(yè)用戶可同步進(jìn)行按最大需量計(jì)算的容量電價(jià)管理。此外,在市場(chǎng)機(jī)制允許的地區(qū),可同時(shí)參與需求側(cè)響應(yīng)報(bào)價(jià)。

②由售電商或電力聚合商與用戶共同投資儲(chǔ)能設(shè)施。售電商或電力聚合商可直接投資儲(chǔ)能設(shè)備,或是由用戶投資儲(chǔ)能設(shè)備并交由售電商或聚合商運(yùn)營(yíng)。售電商或聚合商通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)范圍內(nèi)的用戶進(jìn)行綜合優(yōu)化,獲得相應(yīng)的儲(chǔ)能應(yīng)用收益,并與用戶進(jìn)行分配。

③分布式光儲(chǔ)發(fā)電模式。用戶通過(guò)自行投資,或是采取向第三方運(yùn)營(yíng)商租賃的模式,配置分布式光伏+儲(chǔ)能的設(shè)施。利用光儲(chǔ)發(fā)電獲得的收益獲得穩(wěn)定的現(xiàn)金流回報(bào)。該模式雖然在加州與德國(guó)市場(chǎng)進(jìn)行了商業(yè)化應(yīng)用,但是前提是光儲(chǔ)發(fā)電投資能夠獲得較為可觀的回報(bào)。

4.2 技術(shù)應(yīng)用需求

儲(chǔ)能在用戶側(cè)的應(yīng)用,主要在分時(shí)電價(jià)套利、容量電費(fèi)管理以及分布式光儲(chǔ)發(fā)電等領(lǐng)域。其中,分時(shí)電價(jià)套利的收益能力取決于峰谷價(jià)差以及儲(chǔ)能的度電平準(zhǔn)化成本,而容量電費(fèi)管理的收益能力則取決于儲(chǔ)能的功率成本。根據(jù)文獻(xiàn)[21]的統(tǒng)計(jì)測(cè)算,幾類典型新型儲(chǔ)能技術(shù)的平準(zhǔn)化度電成本和里程成本分別如圖3、4所示。

圖3 典型儲(chǔ)能技術(shù)的度電成本Fig.3 Cost per kilowatt-hour of different typical energy storage technologies

結(jié)合圖1、3、4,綜合而言,全釩液流電池和磷酸鐵鋰電池的平準(zhǔn)化成本較低,適合進(jìn)行分時(shí)電價(jià)套利。而三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的出力特性較好,適合進(jìn)行容量電價(jià)管理。

圖4 典型儲(chǔ)能技術(shù)的里程成本Fig.4 Cost per mileage of different typical energy storage technologies

4.3 市場(chǎng)空間展望

根據(jù)新的分時(shí)電價(jià)政策,未來(lái)大部分省份會(huì)進(jìn)一步完善分時(shí)電價(jià)機(jī)制。根據(jù)2020年工商業(yè)用電量,假設(shè)分別有1%、2%、3%的用電量應(yīng)用電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行電量轉(zhuǎn)移,同時(shí)假設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)每天循環(huán)次數(shù)分別在1、1.5 以及2 個(gè)循環(huán)等不同情景,測(cè)算未來(lái)電化學(xué)儲(chǔ)能的裝機(jī)需求。測(cè)算結(jié)果如表9所示,在不同情景下,未來(lái)儲(chǔ)能應(yīng)用的市場(chǎng)空間為42.8～256.8 GW·h。

表9 分時(shí)電價(jià)管理儲(chǔ)能應(yīng)用潛力測(cè)算Table 9 Potential calculation of energy storage for time-of-use pricing management GW·h

根據(jù)文獻(xiàn)[22]測(cè)算區(qū)域電力系統(tǒng)的容量成本,結(jié)合儲(chǔ)能的成本以及對(duì)于減少電網(wǎng)容量的收益,計(jì)算出最優(yōu)的儲(chǔ)能規(guī)模,作為容量電價(jià)管理最優(yōu)規(guī)模。根據(jù)2017年安徽省的負(fù)荷特性,其最優(yōu)的裝機(jī)規(guī)模是5 GW·h。根據(jù)安徽省用電量占全國(guó)的比重,以及最新的用電量數(shù)據(jù),可測(cè)算出容量電價(jià)管理儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模與用電量之比為0.026 MW·h/(GW·h)。根據(jù)該數(shù)據(jù),可測(cè)算全國(guó)市場(chǎng)的儲(chǔ)能裝機(jī)潛力在195.45 GW·h左右。

5 結(jié)論與建議

在推動(dòng)能源綠色轉(zhuǎn)型、應(yīng)對(duì)極端事件、促進(jìn)能源高質(zhì)量發(fā)展、電力市場(chǎng)改革的背景下,儲(chǔ)能的市場(chǎng)地位和角色越發(fā)重要。新型儲(chǔ)能在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)都已有多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景。然而,國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展尚不成熟,存在一定的政策缺失和制約條件。為助力儲(chǔ)能有序參與電力市場(chǎng)交易,加快商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程,新型儲(chǔ)能的商業(yè)化發(fā)展需要從以下4方面加以完善:

(1) 完善政策機(jī)制,加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)。

以可再生能源為主的新型電力系統(tǒng)需要具備較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力。然而,目前我國(guó)電力市場(chǎng)仍以電能量交易為主,新型儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值尚未得到充分體現(xiàn);同時(shí),新型儲(chǔ)能仍處于技術(shù)發(fā)展期,其建設(shè)成本較抽水蓄能等大型靈活調(diào)節(jié)資源相比不具有優(yōu)勢(shì)。需要統(tǒng)籌考慮電力市場(chǎng)交易機(jī)制和新型儲(chǔ)能發(fā)展扶持政策,激活企業(yè)投資建設(shè)新型儲(chǔ)能裝置的動(dòng)力,保障新型儲(chǔ)能與可再生能源協(xié)同發(fā)展。此外,“十四五”期間,還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)儲(chǔ)能技術(shù)專業(yè)人才儲(chǔ)備,培養(yǎng)造就一批在儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)應(yīng)用方面具有國(guó)際水平的戰(zhàn)略科技人才和高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),加速行業(yè)發(fā)展。

(2) 更新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),維護(hù)行業(yè)生態(tài)。

“十三五”期間,我國(guó)已對(duì)新型儲(chǔ)能器件、百兆瓦時(shí)段新型鋰離子電池、全釩液流電池系統(tǒng)等9個(gè)項(xiàng)目立項(xiàng)重點(diǎn)研發(fā)。但作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),隨著儲(chǔ)能技術(shù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展進(jìn)步,現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系已不能適應(yīng)新型儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)速度。同時(shí),儲(chǔ)能作為系統(tǒng)工程,涵蓋運(yùn)輸、安裝、設(shè)計(jì)、運(yùn)維等多個(gè)環(huán)節(jié),不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)新型儲(chǔ)能并網(wǎng)的要求也不盡相同。因此,需建立與之相匹配的標(biāo)準(zhǔn)體系以規(guī)范產(chǎn)業(yè)發(fā)展,并在全環(huán)節(jié)嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)格監(jiān)管,防止因標(biāo)準(zhǔn)不健全導(dǎo)致產(chǎn)品應(yīng)用性能不佳,儲(chǔ)能系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可依,生產(chǎn)廠家低價(jià)惡意競(jìng)爭(zhēng)等不良行為,促進(jìn)行業(yè)良性健康發(fā)展。

(3) 推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新,突破安全痛點(diǎn)。

目前我國(guó)以鋰電池儲(chǔ)能為代表的電化學(xué)儲(chǔ)能已從示范項(xiàng)目走向商業(yè)化初期,但國(guó)產(chǎn)儲(chǔ)能電池仍存在成本高、安全性差,安全性和經(jīng)濟(jì)性難以兼顧的局面。針對(duì)瓶頸技術(shù)和我國(guó)尚未掌握的核心技術(shù),仍需對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈上下游進(jìn)一步加大技術(shù)創(chuàng)新力度,重點(diǎn)支持能夠顯著提升經(jīng)濟(jì)性的儲(chǔ)能裝備技術(shù)的創(chuàng)新,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)降本增效。在大力發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)的同時(shí),還要突破安全性約束,從本體安全、性能安全、技術(shù)安全3個(gè)方面全面提升儲(chǔ)能裝置全生命周期的安全性能,不讓安全問(wèn)題阻礙新型儲(chǔ)能大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展。

(4) 明確盈利模式,健全市場(chǎng)機(jī)制。

當(dāng)前國(guó)家已經(jīng)明確了新型儲(chǔ)能的獨(dú)立市場(chǎng)地位,但新型儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)的輔助服務(wù)費(fèi)用分?jǐn)偡椒?、容量補(bǔ)貼電價(jià)計(jì)算方法等實(shí)施細(xì)則仍未出臺(tái),新型儲(chǔ)能的盈利模式仍不清晰,商業(yè)模式也較為單一。完善新型儲(chǔ)能的商業(yè)模式和盈利模式,一方面,需要結(jié)合新技術(shù),拓展新型儲(chǔ)能電站應(yīng)用的新商業(yè)模式,如結(jié)合產(chǎn)業(yè)園區(qū)、數(shù)據(jù)中心、5G 基站等應(yīng)用場(chǎng)景,構(gòu)建虛擬電廠、租賃儲(chǔ)能、共享儲(chǔ)能等應(yīng)用新業(yè)態(tài);另一方面,需要進(jìn)一步明確儲(chǔ)能電站充放電價(jià)、容量補(bǔ)貼電價(jià)等政策,利用價(jià)格信號(hào)調(diào)動(dòng)儲(chǔ)能電站參與電力市場(chǎng),充分體現(xiàn)新型儲(chǔ)能稀缺性調(diào)節(jié)資源的價(jià)值,保障新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。