中國儲能網(wǎng)訊：可再生能源具有間斷性的特點，電網(wǎng)無法大規(guī)模消納并網(wǎng)，而電動汽車也面臨充電設施和電池安全的瓶頸，儲能技術是解決這些問題的關鍵。儲能技術對電網(wǎng)的好處有三點：一是幫助增加可再生能源的滲透率，促進分布式發(fā)電的發(fā)展；二是提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性和實現(xiàn)充分的調(diào)峰，減少高峰負荷及對應的電網(wǎng)投資和電源投資；三是通過電價設計，促進電力市場自由化。
廣義的儲能技術包括儲熱和儲電。狹義上它是一種運用物理或者化學方式儲存電能，并在需要時釋放的技術。隨著人類對能源需求的逐漸增加，傳統(tǒng)能源在儲量、環(huán)境污染、能源效率以及成本等方面的約束日益突顯。尋求能源替代，對新能源進行研究和利用已經(jīng)成為全世界的共同主題，也是未來不可逆的能源發(fā)展趨勢。從狹義的角度來看，儲能技術包括了機械儲能、電池儲能和電磁儲能等方式，其中較為成熟，可以商業(yè)化應用的包括抽水儲能和壓縮空氣儲能，這兩種為大規(guī)模儲能技術。一般認為，電池儲能的商業(yè)化應用還面臨著成本問題，只有很少的高電價地區(qū)，結合光伏發(fā)電，儲能技術才具有經(jīng)濟上的可行性。隨著技術進步，電池儲能的成本的確不斷下降，但是一般還是認為受制于較高的成本或其他技術因素，無法大規(guī)模商業(yè)應用。
近年來，可再生能源發(fā)電的份額逐步提高。可再生能源不但被視為解決環(huán)境問題，特別是減少碳排放的有效途徑，長期則可能是人類能源需求的最重要的解決方案之一。全球2014可再生能源發(fā)力占電力生產(chǎn)總值比例占比為22.8%（包括水電等），其中風能與太陽能之和占到4%。中國面臨著嚴重的環(huán)境壓力而更加重視可再生能源發(fā)電的發(fā)展，2014年可再生能源發(fā)電量為1.2萬億千瓦時，占總發(fā)電量的22%，其中并網(wǎng)風力發(fā)電占總發(fā)電量的2.8%；光伏發(fā)電占總發(fā)電量的0.45%，并網(wǎng)光伏占0.42%。2014年在中美雙方發(fā)布的聯(lián)合聲明中，中國提出計劃2030年左右二氧化碳排放達到峰值且將努力早日達峰值，并相應地將2030年非化石能源占一次能源消費比重提高到20%，而此前的規(guī)劃是到2020年非化石能源占比為15%。考慮到水電核電施工周期較長，增長受稟賦限制，風、光的發(fā)展?jié)摿Ψ浅４蟆?
電池儲能系統(tǒng)的突破已經(jīng)到了一個關鍵點，現(xiàn)在研究儲能的經(jīng)濟性，比之前更有時效性與指導意義。而從宏觀與微觀上分步進行可再生能源與儲能系統(tǒng)的研究和政策設定，具有可行性與實證參考意義。
儲能技術的重要性
目前尋找新能源的主要路徑是將風能、太陽能逐漸納入到電力系統(tǒng)中，并占據(jù)越來越大的比重。與傳統(tǒng)的化石能源發(fā)電相比，以風能太陽能為基礎的可再生能源發(fā)電依賴于自然條件，具有波動性和間歇性的特點，大規(guī)模納入會對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定帶來很大的沖擊。有專家認為，對于風力發(fā)電，如果裝機比重在系統(tǒng)比例10%以下，傳統(tǒng)技術可以基本保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定；當風電裝機比例超過20%，就需要儲能手段來減少波動性與間歇性，避免對電網(wǎng)造成難以承受的沖擊，因此，儲能技術發(fā)展是可再生能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)的必須條件。
對于分布式可再生能源（風電太陽能）來說，儲能技術更為重要。分布式能源主要指建在用戶端的能源供應方式，可獨立運行或并網(wǎng)運行，按照用戶多種能源需求，采用需求應對式設計的新型能源系統(tǒng)，是可以將資源和環(huán)境效益最大化的分散式供能系統(tǒng)。由于可以降低輸送環(huán)節(jié)的損耗，因此可以提高能源利用效率。但是，同樣由于風電太陽能的不穩(wěn)定性，儲能手段也是分布式可再生能源大規(guī)模發(fā)展的必要條件之一。有人認為至2050年，人類的太陽能利用可以占總能源供應的50%，如果沒有經(jīng)濟可行的儲能技術，這個美好愿景難以想象。因此可以說，儲能技術可以真正地改變?nèi)祟惖哪茉垂?
能源安全也是中國能源發(fā)展的一個重要目標。中國目前石油進口依存度已經(jīng)超過60%，而且未來還將繼續(xù)上升，石油價格的大幅度波動，除了影響整體經(jīng)濟運行，還會影響能源行業(yè)的健康發(fā)展。因此政府需要提前布局石油替代，降低對其他國家的能源依賴，減少國際油價波動對經(jīng)濟安全運行的影響。混合動力和純電動汽車被認為是未來汽車行業(yè)轉型發(fā)展的主要方向，已經(jīng)成為世界汽車強國和主要汽車制造商發(fā)展重點，而儲能技術是電動汽車發(fā)展的主要約束。對于中國來說，電動汽車除了減少城市環(huán)境污染，電動車的普及還可以替代石油，減少石油對外依存。另一方面，電動汽車和儲能技術是石油強有力的替代品，長期而言，油價的最大威脅可能是電動汽車和儲能技術。想象一下，如果路上跑的一半是電動汽車，油價會跌到哪里？
近年來電動汽車和儲能技術進步迅速，作為石油替代的可能性也越來越明顯。
SONY公司在1992年研制出鋰電池后，該技術在材料和制造工藝上有了很大的發(fā)展，在發(fā)電系統(tǒng)及電動汽車領域有非常廣泛的應用。2014年世界儲能技術新增裝機中，鋰離子電池占比達到了71%。目前鋰電池技術仍無法滿足電動汽車的普及要求，首先，因為電池過大，一般電動汽車的重量都超過了體積相當?shù)钠推?，但是續(xù)航能力卻只有汽油汽車的一半。其次，在充電方面鋰離子電池也無法滿足消費需求，據(jù)估計，電動車想要實現(xiàn)商業(yè)化，電池密度至少達到250Wh/kg，但目前電動汽車鋰電池密度普遍不足100Wh/kg。最后是鋰電池目前成本過高，可以占到電動車成本的一半，直接導致了電動車在價格上難與傳統(tǒng)汽車競爭。
今年4月特斯拉推出了Powerwall家用儲能電池，引起了業(yè)界的廣泛注意。Powerwall可以將電費低廉時儲存的電能在電費高昂時釋放，或是與可再生能源（太陽能風電）配套使用。其經(jīng)濟性是能否大規(guī)模推廣的最重要標準，此次推出的Powerwall有7kwh和10kwh兩種容量，售價分別為3000美元和3500美元，提供10年質(zhì)保，但均有充電次數(shù)限制。由于Powerwall主要著眼于產(chǎn)品與太陽能發(fā)電系統(tǒng)配套使用，因而除電池外，用戶還要購買太陽能面板、逆變器等，整個系統(tǒng)成本據(jù)說在2萬美元以上。由于，太陽能用戶可以將剩余電量出售給電網(wǎng)，因此削弱了Powerwall的經(jīng)濟性。目前美國安裝儲能電池總價約為1.28億美元，多數(shù)集中在事業(yè)機構，家庭安裝僅為1%。有機構分析，特斯拉需要將銷售價格下調(diào)75%左右。特斯拉正與松下合作建造大型的電池工廠，據(jù)說有望在不久的未來，使成本降低約30%。如果油價持續(xù)低迷，Powerwall的成本的確需要有更多的下降。
一直以來，世界各國都很重視大容量儲能技術的研發(fā)與運用。目前美國已投運的儲能項目為95個，裝機規(guī)模超過357MW。日本裝機規(guī)模約為310MW，列第二位。今年來發(fā)展更為迅猛，2014年美國的新增裝機規(guī)模為34.4MW，中國和歐洲分列二、三位，裝機規(guī)模分別為31MW和27.7MW。大容量儲能技術實現(xiàn)商業(yè)化的只有鈉硫電池和液流電池。比如，鈉硫電池有較高的儲能密度，效率在80%左右，充放電次數(shù)可以達到6000次以上。日本京瓷公司所研制的鈉硫電池儲能系統(tǒng)已有100多套投入運營中，容量已超過100MW。目前大容量儲能中鈉硫電池裝機比重最大，達到了40%，但鈉硫電池的高成本是制約其發(fā)展的重要因素。
儲能技術離我們有多遠
在低碳轉型的過程中，可再生能源發(fā)展給人類提供了清潔可持續(xù)的能源來源，而電動汽車的崛起則為石油大規(guī)模替代提供了可能性，因此全球的能源供應方式將面臨巨大的變化。但是，可再生能源和電動汽車大規(guī)模發(fā)展都面臨同一個難題，這就是儲能技術。
可再生能源具有間斷性的特點，電網(wǎng)無法大規(guī)模消納并網(wǎng)，而電動汽車也面臨充電設施和電池安全的瓶頸，而儲能技術是解決這些問題的關鍵。儲能技術對電網(wǎng)的好處有三點：一是幫助增加可再生能源的滲透率，促進分布式（微電網(wǎng)）發(fā)電的發(fā)展；二是提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性和實現(xiàn)充分的調(diào)峰，減少高峰負荷及對應的電網(wǎng)投資和電源投資；三是通過電價設計，促進電力市場自由化。更重要的是，電池儲能是分布式（微電網(wǎng)）發(fā)展中具有至關重要的瓶頸地。
儲能技術對電動汽車發(fā)展的重要性比較直觀。電動汽車的充電、巡航里程和安全問題都涉及電池。比如說，由于電池引發(fā)的安全事故減弱了消費者的信心，影響了電動汽車的發(fā)展。對于中國來說，電動汽車的發(fā)展除了石油替代，還可以解決城市汽車尾氣和噪聲污染。利用用電峰谷，電動汽車夜間充電還可以使用夜間過剩和便宜的電力。
特斯拉推出的針對家庭用戶的儲能設備Powerwall和針對電網(wǎng)級的設備Powerpack，其中Powerwall的價格已低至每千瓦時350美元。Powerpack雖然還沒有給出具體的技術參數(shù)，但有媒體報道其成本僅為每千瓦時250美元，這意味著儲能技術在經(jīng)濟上開始具有吸引力了。
廈門大學能源經(jīng)濟與能源政策協(xié)同創(chuàng)新中心最近進行了一項研究，利用特斯拉的Powerwall和Powerpack，針對中國目前的峰谷電價政策，建立優(yōu)化套利模型，對各省的儲能投資收益及外部影響進行分析，量化分析各種影響因素改變后對儲能投資收益水平的影響。其基本思路是從電網(wǎng)角度出發(fā)，使儲能系統(tǒng)充分發(fā)揮調(diào)峰的作用，再確定儲能技術的經(jīng)濟性和投資收益。
中國的輸配電主要由國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)投資和實施運營，而電價由發(fā)改委根據(jù)電網(wǎng)公司的成本結合地區(qū)發(fā)展情況來制定。由于資源稟賦、地理條件和經(jīng)濟發(fā)展水平不同，各省的電價有較大差異。目前許多電力輸入省份都實行峰谷電價政策，即差別峰谷電價，鼓勵消費者在非高峰時段增加電力消費，在高峰時節(jié)約用電，還有利于均衡供應電力。
研究通過對不同地區(qū)儲能投資的經(jīng)濟性評價，發(fā)現(xiàn)部分地區(qū)儲能投資已經(jīng)能實現(xiàn)收益，在不需要補貼的情況下，投資儲能可以獲利，收益的水平除了受到電價差的影響外，也與峰谷時間段的劃分有關。如果從電網(wǎng)角度出發(fā)，考慮如何定價能夠使儲能系統(tǒng)充分發(fā)揮調(diào)峰作用，那么儲能技術的經(jīng)濟性可以大大提高。研究結果還說明，當儲能投資達到最優(yōu)的規(guī)模后，電網(wǎng)的負荷將更加均衡，電廠也可以以更加穩(wěn)定高效的模式運行，因此從投資潛力上看，將有著很大的發(fā)展空間。
顯然，目前的研究還很粗淺，由于種種限制，還無法充分考慮影響電池經(jīng)濟性的各種因素。比如說：第一，由于電能存儲和轉換的過程中會帶來一定的損耗，但其占總耗電量的比例并不大，考慮到由于電源端及電網(wǎng)運行效率提升的作用，所以儲能大規(guī)模發(fā)展后對碳排放的影響還需要進一步的分析。第二，儲能可以減少電網(wǎng)投資和電源投資的外部性，這些外部性如何合理定量地評價，如何與儲能的成本進行對比，將是很有意義的問題。但是比較確定的是，如果充分考慮環(huán)境外部性，儲能技術的經(jīng)濟性將可能大幅度增加。
對于電網(wǎng)而言，發(fā)展電池儲能技術或者可以從根本上解決可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，大規(guī)模擴大可再生能源發(fā)電的份額，切實提高上并網(wǎng)率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。對于政府而言，制定更有針對性和有差別性的差別電價政策，不但有助于推動電池儲能技術的盈利能力，還可以在更大程度上優(yōu)化電力資源配置，提高電力系統(tǒng)的總體發(fā)電效率。
研究還有很大的局限性，沒有就儲能技術發(fā)展對提高可再生能源滲透率，以及對分布式和微電網(wǎng)發(fā)展的影響進行評估。可以說，研究還難以證明目前儲能技術的有效性，而僅僅是想簡單地看看儲能技術究竟離我們有多遠。但這種探索性的研究是重要的，因為一旦儲能技術突破，世界的能源市場可能會發(fā)生巨大變化，這種變化將使得我們的能源消費更加清潔，電網(wǎng)和發(fā)電廠能夠更加高效地運行，可再生能源的使用比重也能得以大幅度提高。由于這種改變才剛剛開始，沒有能夠直接感受到這些變化的影響，因此也很容易將其忽視。
電池儲能是可再生能源大規(guī)模發(fā)展的關鍵
中國不但有著世界最大的用電需求，也是世界上最大的可再生能源發(fā)電國，因此中國對全球可再生能源發(fā)展舉足輕重?？稍偕茉窗l(fā)電發(fā)展最大的問題是可再生能源發(fā)電的間歇性與不可預測性。一方面，可再生能源的發(fā)電集中時間段與用電時間段存在著不一致性。風電發(fā)電高峰一般集中在晚上，太陽能發(fā)電的高峰集中在白天。而工業(yè)用電的用電曲線較為平緩，居民用電則呈現(xiàn)白天、晚上兩個高峰。另外，隨著季節(jié)、天氣的變化，可再生能源發(fā)電與用電曲線都會有相應的變化。中國大部分地區(qū)春季風力發(fā)電輸出最大；光伏發(fā)電夏天輸出最高，而且發(fā)電隨天氣原因劇烈變化而具有不可預測性。
這些對于電網(wǎng)來說，都是麻煩。傳統(tǒng)的解決方案主要集中在兩個方案：一是利用較為靈活的發(fā)電設施與之配合，形成穩(wěn)定的總輸出，應用較為廣泛的是天然氣發(fā)電與可再生能源發(fā)電相結合。二是將可再生能源發(fā)電的能量進行儲存，儲能傳統(tǒng)方法是轉換為熱能等形式，如儲熱、熱水系統(tǒng)與可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的結合。而不涉及能量轉換的電力儲能方法，以往的應用中，主要表現(xiàn)為抽水蓄能電站。
以上兩個方案都不能從根本上解決可再生發(fā)電到達一定規(guī)模比例后，難以維持電網(wǎng)穩(wěn)定性的問題。第一個方法存在兩個主要限制：一是應用不夠廣泛，較多應用于分布式系統(tǒng)；二是涉及到燃料價格因素，成本不可控。第二個方法的主要局限在于，抽水蓄能電站工作時，其能量來源從根本上來說，同樣是來源于化石能源。因此，抽水蓄能雖然有利于減少電網(wǎng)的波動性，但對節(jié)能減排并沒有本質(zhì)上的好處。另外，抽水蓄能電站的應用受到選址、成本與利益分配等多方面限制因素影響。
因此，如果更為長遠來看這個問題，電池儲能可能是解決可再生能源發(fā)電不穩(wěn)定性的最有效經(jīng)濟方案。電池儲能的好處在于，可大可小，容易與各種規(guī)模的可再生能源發(fā)電相結合；充電放電快速，直接電與電轉化，轉換效率高。其限制的最大因素在于經(jīng)濟性，以及與成本相關聯(lián)的充放電效率、安全性、壽命。傳統(tǒng)上都認為電池儲能的成本高難以商業(yè)運營。
這個狀況正在迅速改變，近期電池技術的突破，使得電動汽車等大規(guī)模電池應用已經(jīng)較為普遍，而直接與電力系統(tǒng)結合的電池儲能的嘗試也已經(jīng)開始。特斯拉的PowerWall和Powerpack，單體峰值電量為3kW，可儲存10kWh電量，充放電能效92%，可以通過簡單拼接進一步擴大至1000倍。特斯拉希望借此改變?nèi)祟惖挠秒娔Ｊ剑破鹉茉锤锩?，推動可再生能源的普及?，F(xiàn)在看來，特斯拉不是在吹牛。
對于可再生能源與儲能結合的系統(tǒng)，儲能策略對系統(tǒng)經(jīng)濟性的重要性可能高于儲能設備本身成本的重要性。因此，政府在大力推進儲能設備發(fā)展的同時，也應當倡導電池儲能與可再生能源發(fā)電的結合，積極建立試點，扶持可再生能源與儲能結合系統(tǒng)的試驗性項目，在實踐中找到最適應中國現(xiàn)狀，最適應項目安裝地點的儲能策略，為日后大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電的利用打下良好的基礎。
與工業(yè)用電結合的分布式光伏項目可能是電池儲能最易介入，而且是最容易盈利的主體?？稍偕茉磁c儲能相結合的系統(tǒng)，要想其達到最優(yōu)的經(jīng)濟效益，關鍵在于對可再生能源發(fā)電的有效預測。因此，政府在大力發(fā)展風能、光伏的同時，也應該建立平臺，及時更新分享相關發(fā)電與氣候數(shù)據(jù)，提供有效的發(fā)電預測信息。
對于電網(wǎng)而言，發(fā)展電池儲能技術或者可以從根本上解決可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，大規(guī)模擴大可再生能源發(fā)電的份額，切實提高上并網(wǎng)率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。對于政府而言，制定更有針對性和有差別性的差別電價政策，不但有助于推動電池儲能技術的盈利能力，還可以在更大程度上優(yōu)化電力資源配置，提高電力系統(tǒng)的總體發(fā)電效率。
結論和政策建議
儲能技術作為新能源發(fā)展和電動汽車的關鍵環(huán)節(jié)，其技術突破將改變整個世界的能源格局。可以說，儲能技術是開啟新能源時代的鑰匙，一旦儲能技術經(jīng)濟可行，將為人類打開一扇通往新能源時代的門。對于中國而言，電動汽車、儲能技術和風電、太陽能的有效結合，除了清潔發(fā)展，還可以形成對石油的有效替代，保障能源安全，因此，政府應該重視儲能技術的發(fā)展。對于傳統(tǒng)的能源企業(yè)，尤其需要重視儲能技術的發(fā)展，利益所在，其重要性不言而喻。
因此，“十三五”能源戰(zhàn)略規(guī)劃需要重點關注清潔能源、電動汽車和儲能的技術創(chuàng)新，因為技術創(chuàng)新導致的成本下降是確定、可靠和永久性的。政府應該將儲能技術創(chuàng)新、石油替代和清潔能源發(fā)展作為能源安全的組成部分。
可見，儲能技術不容忽視。近年來的技術進步使得儲能技術漸行漸近，在可以預見的將來，儲能技術的技術可行性和經(jīng)濟性將因技術進步而得到進一步增強，這種變化將可能深刻地影響世界的能源供應方式和能源結構，這將對傳統(tǒng)的能源企業(yè)以及我們的生活方式產(chǎn)生巨大的影響。
對于可再生能源發(fā)展與儲能技術的經(jīng)濟性，中國具有一定的優(yōu)勢。第一，電價是可再生發(fā)電與儲能盈利的核心，電力價格由政府決定，可以由政府制訂有利于可再生能源發(fā)展與儲能技術的電力峰谷和差別電價。第二，中國作為可再生能源生產(chǎn)大國，其市場潛力巨大，可以為可再生能源發(fā)展與儲能技術的投資提供規(guī)模效應。
應該認識到，電池儲能技術與可再生能源發(fā)電推廣具有同等重要的位置。隨著技術進步，電池儲能成本與技術已經(jīng)逐漸進入經(jīng)濟性區(qū)域。中國作為可再生能源生產(chǎn)大國，政府應該加強對電池儲能技術的研究和運用的扶持力度，從而搶占新能源革命的先機。為了避免落后一步，中國政府應抓住儲能技術處于突破前夕的機會，利用產(chǎn)業(yè)規(guī)模與市場優(yōu)勢，推進各種技術的電池儲能研究與產(chǎn)業(yè)結合，爭取在其他國家的前面，早日實現(xiàn)電池儲能大規(guī)模應用。
