中國儲能網(wǎng)訊：“十四五”儲能技術(shù)發(fā)展助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰
中科院工程熱物理研究所 陳海生
2020年9月22日，習(xí)近平主席在聯(lián)合國大會上提出我國碳達(dá)峰、碳中和遠(yuǎn)景目標(biāo)，向全世界展示了應(yīng)對氣候變化的中國雄心和大國擔(dān)當(dāng)，使我國從應(yīng)對氣候變化的積極參與者，逐步成為關(guān)鍵引領(lǐng)者。
“雙碳”將是一次經(jīng)濟(jì)社會的大轉(zhuǎn)型，也是未來國際競爭的戰(zhàn)略領(lǐng)域，我國需要積極研究，謀定而動，加強(qiáng)戰(zhàn)略規(guī)劃和系統(tǒng)布局。要充分發(fā)展，還要足夠低碳，綠色低碳、安全高效的能源革命勢在必行。在這個過程中，能源首當(dāng)其沖也責(zé)無旁貸。未來我國能源結(jié)構(gòu)中可再生能源將從補(bǔ)充能源變?yōu)橹黧w能源，相應(yīng)地以集中式為主的電力系統(tǒng)將轉(zhuǎn)化成以集中式和分布式相結(jié)合的以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，這將推動能源的生產(chǎn)、運(yùn)輸、消費(fèi)、技術(shù)和體制的深刻變革。
一、儲能發(fā)展背景
（一）我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)面臨的形勢與挑戰(zhàn)
一方面，我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)時間短、任務(wù)重。目前全球已有120多個國家制定了碳中和的目標(biāo)與路線圖，碳中和已經(jīng)成為大國競爭的重點(diǎn)領(lǐng)域，未來世界各國的脫碳轉(zhuǎn)型和低碳科技，也將成為21世紀(jì)重塑地緣政治的重要因素之一。現(xiàn)實(shí)情況是，主要能源國家早已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了碳達(dá)峰，如英國、法國與德國早在20世紀(jì)90年代已經(jīng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，美國、日本也分別于2007、2008年碳達(dá)峰，這些國家從碳達(dá)峰到碳中和大致有50~70年的過渡期。相比之下，我國目前還尚未實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，我們承諾到2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，就意味著從碳達(dá)峰到碳中和大約只有30年的時間。用更短的時間，走更長的路，我國的碳中和之路可謂時間緊任務(wù)重。
另一方面，中國仍然處于工業(yè)化、現(xiàn)代化關(guān)鍵時期，能源作為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基礎(chǔ)，需要兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和低碳目標(biāo)。目前我國人均GDP剛剛邁過1萬美元的門檻，與發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的很多領(lǐng)域?qū)Ω咛籍a(chǎn)品依然有很大的需求。能源保障基礎(chǔ)不牢、能源結(jié)構(gòu)偏煤、能源利用效率偏低，嚴(yán)重影響綠色低碳發(fā)展。我們既要為解決社會發(fā)展不充分問題提供充分的能源保障，還要兼顧“雙碳”目標(biāo)，無疑增加了能源轉(zhuǎn)型的難度。
因此，“雙碳”的本質(zhì)是更高質(zhì)量地可持續(xù)發(fā)展，“雙碳”的關(guān)鍵是系統(tǒng)性的能源革命。在《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中，明確提出了單位GDP能源消耗和二氧化碳排放分別降低13.5%和18%的目標(biāo)，并在構(gòu)建現(xiàn)代能源體系下提出“推進(jìn)能源革命，建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系，提高能源供給保障能力”。
來源：清華大學(xué)氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究院《中國長期低碳發(fā)展戰(zhàn)略與轉(zhuǎn)型路徑研究》
圖1 我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)施路徑
（二）“雙碳”背景下儲能的戰(zhàn)略意義
“雙碳”是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會變革，對于能源行業(yè)既是艱巨的挑戰(zhàn)，也是難得的機(jī)遇。在這場變革中能源是主戰(zhàn)場，電力是主力軍，新能源是關(guān)鍵。2021年可再生能源占全球新增發(fā)電裝機(jī)容量超過90%。未來，可再生能源裝機(jī)仍會保持較快的增長。按照《2030年前碳達(dá)峰行動方案》的要求，到2025年我國新型儲能裝機(jī)容量將達(dá)到3000萬千瓦以上，到2030年非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦以上。伴隨著強(qiáng)隨機(jī)性、波動性的新能源大規(guī)模并網(wǎng)，以及電動汽車、分布式電源等交互式設(shè)備大量接入，電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)高比例新能源、高比例電力電子化的“雙高”特點(diǎn)，電力系統(tǒng)在供需平衡、系統(tǒng)調(diào)節(jié)、穩(wěn)定特性、配網(wǎng)運(yùn)行、控制保護(hù)和建設(shè)成本等方面都將發(fā)生顯著變化，面臨一系列新的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)以可再生能源為主體的電力系統(tǒng)的負(fù)荷平衡，儲能將發(fā)揮重要作用。在國家國民經(jīng)濟(jì)十四五規(guī)劃中，明確指出加強(qiáng)源網(wǎng)荷儲銜接，提升清潔能源消納和存儲能力，加快抽水蓄能電站建設(shè)和新型儲能技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用。
儲能是第三次工業(yè)革命的戰(zhàn)略性技術(shù)，也是新能源大規(guī)模發(fā)展的必要手段和支撐技術(shù)。2020年12月，國家能源局指出要大力提升新能源消納和存儲能力，加快推進(jìn)“風(fēng)光水火儲一體化”和“源網(wǎng)荷儲一體化”發(fā)展。2021年7月，國家發(fā)改委、國家能源局正式印發(fā)《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確了儲能行業(yè)的發(fā)展規(guī)劃與目標(biāo)，到2025年實(shí)現(xiàn)新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模30GW以上。2021年10月24日國務(wù)院連續(xù)發(fā)布《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達(dá)峰行動方案的通知》兩份重要文件，進(jìn)一步明確了碳達(dá)峰實(shí)施路徑并突出了儲能的重要作用。在政府鼓勵和市場需求的雙重加持下，預(yù)計(jì)至2025年“新能源+儲能”將形成千億級市場。
二、儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和路徑
（一）技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
“十三五”時期我國儲能技術(shù)得到快速發(fā)展。在儲能本體技術(shù)方面，儲能用鋰離子電池循環(huán)壽命、能量密度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)得到大幅度提升，應(yīng)用成本快速下降，等效度電成本已達(dá)0.50元/千瓦時?次，且實(shí)現(xiàn)了百兆瓦級儲能電站系統(tǒng)集成應(yīng)用；其他新型儲能技術(shù)如壓縮空氣儲能技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)領(lǐng)跑全球，并且實(shí)現(xiàn)了十兆瓦級示范應(yīng)用。在儲能應(yīng)用技術(shù)方面，初步掌握了儲能容量配置、儲能電站能量管理、源—網(wǎng)—荷—儲協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)，先后開展了大容量儲能提升新能源并網(wǎng)友好性、儲能機(jī)組二次調(diào)頻、大容量儲能電站調(diào)峰、分布式儲能提升微電網(wǎng)運(yùn)行可靠性等多樣性示范工程，相關(guān)核心技術(shù)指標(biāo)也達(dá)到國際先進(jìn)水平。在儲能技術(shù)支撐體系方面，我國初步建立電力儲能標(biāo)準(zhǔn)體系，先后發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)13項(xiàng)、能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)35項(xiàng)、各類團(tuán)體140余項(xiàng)，主導(dǎo)并參與IEC和IEEE國際標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)。在儲能裝備產(chǎn)業(yè)化方面，我國已初步建成包括儲能電池、電池管理系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)等在內(nèi)電化學(xué)儲能裝備產(chǎn)業(yè)鏈，我國電化學(xué)儲能裝備技術(shù)方面處于國際領(lǐng)先，大量鋰離子電池、鉛碳電池等儲能系統(tǒng)出口到國外市場；壓縮空氣儲能裝備完全自主化，產(chǎn)業(yè)鏈完全支撐百兆瓦級儲能電站的建設(shè)與運(yùn)行。在儲能應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化方面，依托國內(nèi)外儲能商業(yè)或示范工程，我國已初步建立工程設(shè)計(jì)、工程施工、接入調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備檢修等應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈。
目前我國主流儲能技術(shù)總體達(dá)到世界先進(jìn)水平，儲能用鋰離子電池具備規(guī)?；l(fā)展的基礎(chǔ)、液流電池、壓縮空氣儲能技術(shù)已進(jìn)入商業(yè)化示范階段，基本實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵材料和設(shè)備的國產(chǎn)化。
表1 儲能技術(shù)對比
（二）儲能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展路線
儲能技術(shù)的諸多特性使其在電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、用及調(diào)度等各個環(huán)節(jié)得到廣泛應(yīng)用?？傮w來看電力系統(tǒng)對儲能技術(shù)的需求可以分為功率服務(wù)和能量服務(wù)兩類。對于功率服務(wù)，儲能要滿足電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定和短時功率平衡需求，因此需要響應(yīng)快速的如飛輪儲能、超導(dǎo)磁儲能及超級電容儲能等功率型儲能技術(shù)。對于能量服務(wù)，儲能用于長時間的功率調(diào)節(jié)和電能存儲，主要應(yīng)對系統(tǒng)峰谷調(diào)節(jié)以及輸配電線路的阻塞問題，則需要具備一定規(guī)模和高能量轉(zhuǎn)換效率的儲能技術(shù)，如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電化學(xué)儲能等能量型儲能技術(shù)。
為加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，促進(jìn)儲能技術(shù)快速發(fā)展，國家能源局于2020年12月印發(fā)了首批科技創(chuàng)新（儲能）試點(diǎn)示范項(xiàng)目，示范項(xiàng)目分別采用了電化學(xué)儲能、物理儲能、儲熱等多種技術(shù)類型，并覆蓋了儲能的主要應(yīng)用場景，示范效應(yīng)明顯。從項(xiàng)目運(yùn)行效果來看，可再生能源發(fā)電側(cè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了與風(fēng)電、光伏發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行，能夠有效增發(fā)清潔能源，促進(jìn)大規(guī)?？稍偕茉聪{。電網(wǎng)側(cè)項(xiàng)目既能夠削峰填谷又能夠參與輔助服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了多功能復(fù)合應(yīng)用，提升了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。聯(lián)合火電廠參與輔助服務(wù)項(xiàng)目將明顯提高火電廠跟蹤調(diào)度曲線的能力，并避免機(jī)組反復(fù)調(diào)節(jié)出力帶來的設(shè)備疲勞、系統(tǒng)效率下降和污染物排放增加等情況。用戶側(cè)項(xiàng)目能夠有效調(diào)節(jié)用電負(fù)荷和增加分布式可再生能源應(yīng)用，在為用戶節(jié)約用電成本的同時，促進(jìn)節(jié)能減排。
至今我國儲能已經(jīng)歷了15年左右的發(fā)展，歷經(jīng)從技術(shù)驗(yàn)證（2000-2010年），到示范應(yīng)用（2011-2015年），再到商業(yè)化初期的階段（2016-2020年），目前已經(jīng)進(jìn)入到規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的新階段（2021-2025年）。根據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2021年6月，全球儲能裝機(jī)已經(jīng)達(dá)到192.1GW，新增儲能裝機(jī)1.2GW。其中抽水蓄能裝機(jī)占儲能總裝機(jī)的89.8%，新型儲能裝機(jī)占比為8.4%（電化學(xué)儲能8%、壓縮空氣儲能和飛輪儲能各占0.2%），熔融鹽儲熱裝機(jī)占比為1.8%。我國已投運(yùn)新型儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模35.9GW，新增0.3GW，同比增長9.8%。2021年上半年，國內(nèi)新增新型儲能（含規(guī)劃、在建和運(yùn)行）項(xiàng)目共257個，儲能規(guī)模11.8GW，分別是去年同期的1.6倍和9倍，百兆瓦以上規(guī)模的項(xiàng)目個數(shù)是去年同期的8.5倍，百兆瓦級項(xiàng)目陸續(xù)開工，吉瓦級別項(xiàng)目也被列入開發(fā)日程。今年7月，國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》，文件明確，到2025年，實(shí)現(xiàn)新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變，裝機(jī)規(guī)模達(dá)3000萬千瓦以上；到2030年，實(shí)現(xiàn)新型儲能全面市場化發(fā)展。
在發(fā)展過程中，我們應(yīng)該看到政策對儲能產(chǎn)業(yè)的影響。由于儲能技術(shù)成本和市場對其應(yīng)用價(jià)值的支付尚不匹配，儲能投資敏感性極強(qiáng)，投資沖動和投資風(fēng)險(xiǎn)長期并存。“十三五”時期，儲能經(jīng)歷了最為波動的發(fā)展階段。2017年，儲能指導(dǎo)意見應(yīng)需落地，提升了儲能市場應(yīng)用活躍度。2018年，我國儲能產(chǎn)業(yè)呈暴發(fā)式增長，當(dāng)年新增投運(yùn)新型儲能裝機(jī)規(guī)模達(dá)到882.9MW，國內(nèi)已投運(yùn)新型儲能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模也首次突破GW。但進(jìn)入2019年以來，我國新增投運(yùn)新型儲能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模僅為838MW。經(jīng)歷了高速增長之后，我國儲能技術(shù)應(yīng)用進(jìn)入了調(diào)整期。2020年在“雙碳”目標(biāo)背景下，儲能作為構(gòu)建零碳電力系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，迎來了暴發(fā)性的發(fā)展機(jī)遇。
三、發(fā)展趨勢及展望
“十四五”時期是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的關(guān)鍵窗口期，也是我國儲能技術(shù)從商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展，形成成熟產(chǎn)業(yè)體系以及多種商業(yè)模式的重要時期。
在儲能技術(shù)創(chuàng)新方面，要明確技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展路線。大型抽水蓄能在“十四五”期間仍是電力儲能的主體，將在傳統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上研制大型變速抽水蓄能機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備，建立變速抽水蓄能技術(shù)體系。受新能源汽車產(chǎn)業(yè)的影響，儲能電池將是技術(shù)創(chuàng)新與示范應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域，“十四五”時期要集中攻克大容量長時儲能和長壽命低成本鋰離子電池的研究，開展液流電池關(guān)鍵材料、電堆設(shè)計(jì)及系統(tǒng)模塊集成設(shè)計(jì)研究。重點(diǎn)突破儲能電池老化檢測等相關(guān)研究，保證電池安全性的同時延長循環(huán)壽命，提高電池修復(fù)與回收再利用的技術(shù)能力。在此基礎(chǔ)上，關(guān)注和發(fā)展分布式儲能與分布式電源協(xié)同聚合技術(shù)，掌握多點(diǎn)布局儲能系統(tǒng)聚合調(diào)峰、調(diào)頻及緊急控制系列理論與成套技術(shù)，實(shí)現(xiàn)廣域布局的分布式儲能、儲能電站的規(guī)?；簠f(xié)同聚合。作為長時儲能技術(shù)的代表，壓縮空氣和液流電池完全具備100MW級以上的儲能電站示范和推廣條件。同樣，隨著智能微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的成熟，島嶼可再生能源開發(fā)和大規(guī)模源網(wǎng)荷儲一體化示范都將全面實(shí)施。
需要指出的是，“十四五”期間儲能要大規(guī)模應(yīng)用，仍面臨不少挑戰(zhàn)。首先，關(guān)于儲能安全、規(guī)模、成本、壽命的技術(shù)先進(jìn)性和成熟度還不能完全滿足應(yīng)用的要求，部分核心技術(shù)還無法完全掌握。其次，儲能設(shè)備的安全和標(biāo)準(zhǔn)體系仍需繼續(xù)完善。再次，儲能的成本疏導(dǎo)難題依然存在，尚未形成穩(wěn)定、成熟的儲能價(jià)格機(jī)制。因此，“十四五”時期要不斷推進(jìn)儲能技術(shù)裝備研發(fā)示范、提升可再生能源利用水平應(yīng)用示范、提升電力系統(tǒng)靈活性和穩(wěn)定性應(yīng)用示范、提升用能智能化水平應(yīng)用示范，推進(jìn)儲能多元化應(yīng)用支撐能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范。通過對不同技術(shù)路徑和應(yīng)用場景的示范，不斷探索技術(shù)創(chuàng)新方向。更重要的是，要結(jié)合技術(shù)特性建立長效市場機(jī)制、明確政策導(dǎo)向，秉持“誰受益、誰承擔(dān)”原則，避免因政策制度和市場機(jī)制問題導(dǎo)致的技術(shù)創(chuàng)新停滯困境。
放眼2060年，為實(shí)現(xiàn)碳中和的遠(yuǎn)景目標(biāo)，我國非化石能源消費(fèi)比重將達(dá)到80%以上。占主體地位的間歇性、不穩(wěn)定性、不可控的可再生能源，將對儲能提出更高要求。隨著儲能技術(shù)的突破和規(guī)?；l(fā)展，各類儲能技術(shù)的價(jià)格和成本將持續(xù)下降，隨著電力市場化改革的全面推進(jìn)，儲能既可以作為獨(dú)立主體參與現(xiàn)貨市場和輔助服務(wù)市場，又可以配套可再生能源保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行。在市場需求的驅(qū)動下，通過技術(shù)創(chuàng)新、工程示范、商業(yè)應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)多重應(yīng)用價(jià)值疊加。在電力系統(tǒng)中既能夠獨(dú)立參與市場交易，又能夠發(fā)揮聚合效應(yīng)，從而成為新型電力系統(tǒng)整體優(yōu)化必不可少的一環(huán)。我們完全可以期待，隨著儲能技術(shù)的進(jìn)步、儲能產(chǎn)業(yè)競爭力的增強(qiáng)，新型儲能必然成為我國現(xiàn)代能源體系中保障能源安全供應(yīng)、實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的重要利器。
結(jié)語：
黨的十八大以來，我國能源科技領(lǐng)域在綠色低碳的創(chuàng)新發(fā)展道路上取得了明顯成效。目前我國風(fēng)電、光伏、水電、化學(xué)電池、抽水蓄能和壓縮空氣儲能的技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)競爭力總體處于全球前沿，在全球清潔能源產(chǎn)品供應(yīng)鏈中占主導(dǎo)地位。在中央頂層設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌協(xié)調(diào)下，完整的產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)、快速發(fā)展的技術(shù)能力以及逐漸強(qiáng)大的科技資源，讓我國更加堅(jiān)定、更有底氣地推動低碳技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新和商業(yè)模式創(chuàng)新，推動面向“清潔、低碳、安全、高效”的能源體系變革。在碳達(dá)峰、碳中和這場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)性變革過程中，我們要深入貫徹習(xí)近平總書記的重要指示精神，加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，加快構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，加快以儲能技術(shù)為代表的能源革命關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)力量！
