支撐新型電力系統的儲能技術綜述與政策解讀

孫偉卿,王思成，劉宇宸

(1.上海理工大學機械工程學院，上海 200093；2.國網上海浦東供電公司，上海 200125)

0 引言

為了切實承擔應對氣候問題的國家職責、推動可持續發展，我國已經制定了“3060”雙碳目標。其包括2030年和2060年這兩個時間點的任務。2030年的任務是指2030年前二氧化碳排放量不再增長，達到峰值后逐步減少，即“碳達峰”目標。2060年的任務是通過調整能源結構等方式減少二氧化碳排放，并通過碳捕獲、利用與封存(carbon capture,utilization and storage,CCUS)等方式增加二氧化碳吸收，以此實現二氧化碳排放量與二氧化碳吸收量平衡，即“碳中和”目標。

要想順利實現“3060”雙碳目標，必須先從碳排放量一直居高不下、占全國總量近40%的電力行業入手。因此，構建以先進、成熟的儲能技術支撐的新型電力系統是當務之急。在2016—2020年這五年間，隨著科技進步和核心技術的不斷成熟，在儲能方面，國內已建成了一批符合時代要求、促進社會經濟發展的試點項目。在國家政策的正確引導下，儲能行業從剛起步的狀態順利邁入商業化的大門。“十四五”時期，我國在控制化石能源消費和降低碳排放量方面，將不斷推進能源消費強度和消費總量機制的確立與完善。國家要求到2025年實現單位國內生產總值能耗比現階段降低13.5%、碳排放比現階段降低18%的目標[1]。

雙碳目標的實施和建設以及為了打造主要由新能源構成的全新的電力系統，會引發由清潔能源并入電網而帶來的一系列問題。儲能是平抑可再生能源發電的一個主要途徑，將在新型電力系統中發揮其獨特的作用。在此關鍵時刻，《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見》[2]的發布，從技術創新、投入運行等多個方向為我國的儲能產業繪就發展藍圖[3]。

隨著國家相關儲能政策的陸續出臺，儲能的商業模式日趨明朗，市場前景也越來越清晰。“十四五”時期要重點進行新型技術的創新攻關，塑造適應當前需求的技術評定體系，以打造更加符合市場的商業體系，強化政府扶持，推動我國的儲能產業朝著更為光明的方向前進。本文通過對現有儲能技術進行細致的分析梳理，對現有的相關儲能政策進行了綜述，并提出了新形勢下對電力系統儲能技術的新需求。

1 新型儲能技術綜述

目前，儲能已逐漸被各國所應用，以促進“碳中和”目標的實現。而新型儲能技術將有效提高風、光等可再生能源的消納水平，是促進可再生能源替代傳統能源的重要技術。盡管受到了新一輪疫情和供給不足的雙重影響，全球新型儲能市場仍繼續快速發展。經統計，2021年世界范圍內新加入運營使用的與電力系統相關聯的儲能項目裝機規模已有18.3 GW，較上年同期增加185%。值得注意的是，近幾年剛問世的儲能技術在新增項目中占比多，高達10.2 GW，是上年同期數據的2.2倍，并較上年同期增加了117%。

1.1 儲能技術發展現狀

顧名思義，儲能技術是通過化學或物理方法將所生產的能量先用某種適合的技術儲存下來，再在現實生活中需要使用某種能量時將其釋放，供需要運轉的設備使用。而更廣泛的儲能則是利用特殊的媒介與裝置，將電能、熱能、機械能等特殊的能量用不同的方式或者技術儲存在特定的設備中。在未來出現這種特定能量的使用情景時，可以根據當時的具體情況，釋放出不同種類的能量以供使用[4]。儲能類型分類如圖1所示。

由圖1可知，儲能的方式有很多種。本文重點介紹電儲能中常用的電化學儲能和機械儲能。作為與人們日常生活接近且發展較為成熟的儲能技術，電化學儲能一般都與二次電池息息相關。手機中的鋰離子電池、家用電器中使用的鉛酸蓄電池都是電化學儲能技術在日常生活中的體現。而作為應用廣泛的儲能技術，機械儲能技術對社會經濟發展作出了很大貢獻。當前，有以抽水蓄能為代表的傳統機械儲能技術為人們提供高質量的電能。放眼未來，壓縮空氣儲能和飛輪儲能將不斷豐富機械儲能技術形式。

①電化學儲能技術發展現狀。

“十三五”期間，我國電化學儲能技術經過國家政策的鼓勵和科技工作者們的刻苦鉆研，已越發成熟。通過查閱相關報告可知，截至2020年底，全世界已建成的儲能工程累計裝機規模達到191.1 GW，較上年同期增加3.4%。在這些項目中，以鋰電池為代表的電化學儲能增長勢頭強勁。中關村儲能產業技術聯盟(China Energy Stotage Alliance,CNESA)報告稱，盡管受到了疫情的沖擊，但儲能的需求依然在逐步復蘇。新建的儲能建設工程以電化學儲能為例。該類型儲能的裝機規模創造了每年4.7 GW的歷史新高，高于上年同期1.6倍。

據CNESA報告，在2020年，電化學儲能的累計裝機容量高達14.2 GW，在諸多儲能技術中居第二，僅落后于發展較早的抽水蓄能。而電化學儲能技術成熟，應用廣泛的鋰離子電池的裝機規模已經高達13.1 GW。2015—2020年，在系統穩定性、能量密度、成本、市場發展路徑等方面，鋰離子電池都被認為是各項電化學儲能技術中更值得去深入研究的。在2021年，磷酸鐵鋰電池的成本已達到1.5元/(W·h)。隨著電池制造和存儲設備的價格逐漸降低,這將成為一個有著巨大潛力的市場[5]。因此，在當前的電化學儲能領域，鋰電產業是極具發展前景的。

儲能電池優缺點分析如表1所示。

表1 儲能電池優缺點分析

由表1可知，雖然與生活中常見的鉛酸電池相比，鋰離子電池價格仍然很高，但使用壽命更長、能量密度較高、清潔無污染等優勢也是鉛酸電池所不具有的[6]。與最近才投入使用的鈉離子電池相比，鋰離子電池在循環壽命上有顯著的優勢。

②機械儲能技術發展現狀。

根據相關數據，我國目前已經開始使用的電力儲能工程累計裝機規模已達到46.1 GW，和往年相比增加了30%。放眼世界，中國的儲能市場也不可小覷，在世界市場上的占比達到了22%。作為發展歷史悠久、技術成熟的機械儲能技術，抽水蓄能累計裝機規模名列前茅，達到了39.8 GW，較上年同期增加25%。

中國是全球抽水蓄能電站在建規模居前的國家。隨著用電量的不斷增加，為了滿足社會日益增長的用電量需求，未來幾年我國的清潔能源裝機容量會越來越多，勢必帶來大規模清潔能源接入電網所引發的一系列問題。為此，“十四五”期間，國家電網公司規劃了超過20 GW的抽水蓄能項目，到2030年運行裝機將超過70 GW。隨著我國電力行業的迅速發展，抽水蓄能的建設將在應對清潔能源接入電網所導致的電力系統防護能力降低問題方面起到積極作用，為建立一個穩定、強大的電力系統創造條件。

由于抽水蓄能受地域條件的限制，為了推進儲能產業的多樣化發展，人們將目光轉向了另外一種新型儲能技術——壓縮空氣儲能。壓縮空氣儲能是建立在燃氣渦輪機發展基礎上的技術，已在德國和美國得到使用[7]。而在2021年，我國新型儲能新增規模突破2 GW，達到2.4 GW。在比去年同期增加了54%的背景下，壓縮空氣儲能也實現了百兆瓦級項目并網運行。

飛輪儲能技術具有使用壽命較長、儲能密度較高等特點，再加上充放電次數不受限制，在近幾年的發展中得到了廣泛的應用。這項技術是在1950年左右發明的。將該技術由理論轉變為現實的是當前廣受歡迎的電動汽車。1990年以來，由于飛輪儲能所需的材料開始普及，再加上支撐飛輪儲能發展技術的成熟，飛輪儲能技術開始在儲能領域大展身手，率先在電網側儲能領域內實現應用[8]。

1.2 儲能技術應用現狀

①電化學儲能技術應用現狀。

2021年，新型儲能的總裝機規模達到25.4 GW，較上年同期增加67.7%，而鋰離子電池在全球市場的占有率高達90%以上。2022年4月7日，國家新公布了一批鋰電儲能項目，主要包括位于青島市的大唐黃島發電有限責任公司100 MW·h/200 MW·h儲能電站項目、位于濟南市的華能萊蕪儲能電站100 MW·h/200 MW·h一期項目以及位于煙臺市的100 MW·h/200 MW·h集中式共享儲能電站等一系列鋰離子電池類項目。寧德時代在晉江建成的36 MW·h/108 MW·h基于鋰補償技術的磷酸鐵鋰儲能電池的使用壽命可達10 000次，并在福建省的調峰工程中得到良好的使用。

鉛酸電池雖然放電能力差，但具有技術先進、價格低廉、安全性高等優點，且回收率高、對環境要求較低，還有較長的充電時間和使用時間。鉛酸電池主要有以下四類：動力電池主要用于各種電動車的電動能源；儲能電池主要用于風能、太陽能等可再生能源發電的電能儲存；備用電源電池主要用作通信、智能樓宇、計算機系統的保護電源；啟動電池主要用于汽車的啟動和照明。2020年并網的雉城(金陵變)12 MW·h/48 MW·h鉛炭儲能工程已經投入使用。

相比鋰離子電池的高能量密度和日益成熟的技術工藝，鈉離子電池想要被推廣使用還有一段很長的路要走。但是豐富的鈉資源儲備、良好的低溫特性和快速的充放電能力，使鈉離子電池在儲能方面的能力引起了廣泛重視。2015年，我國研制出了具有完全自主知識產權的鈉離子電池；2019年，鈉離子電池儲能電站在江蘇投入運營；2021年，1 MW·h鈉離子電池示范工程在山西太原順利投入運行[9]。

②機械儲能技術應用現狀。

2021年，我國新增加投入使用的電力儲能項目裝機規模已經達到了10.5 GW。其中增加較多的是抽水蓄能，達到了8 GW，較上年同期增加437%。放眼全球，坐落在中國河北承德的豐寧抽水蓄能電站總裝機規模3.6 GW，年設計發電量66.12億千瓦時，年抽水電量87.16億千瓦時，在裝機容量、儲能規模、地下廠房等方面均領先于全球。2021年，我國共有梅州、陽江等8座抽水蓄能電站建成并投入運行。梅州蓄能電站主體結構不僅施工時間短，而且將三導軸承擺度精度精確至0.05 mm；陽江蓄能電站已建成40萬千瓦級單機容量，700 m高水頭抽蓄機組全部自主生產，并擁有800 m級水頭的鋼筋混凝土襯砌水道。

壓縮空氣儲能在2021年迎來了發展機遇期，新增投運規模170 MW，是上年同期的15倍。鹽穴壓縮空氣儲能作為借助鹽穴儲能的儲能技術，通過空氣的擠壓和放出以實現電能的貯存和利用。雖然我國擁有較多的鹽礦資源，但是由于開始研究該項技術的時間較晚，鹽穴地下儲庫的數目和建造工藝依舊落后于西方。中國科學院工程熱物理所于2021年8月在山東肥城成功建設了10 MW鹽穴先進壓縮空氣儲能商業示范電站，已成功完成了項目驗收并正式并網發電商業運行，系統效率達到60.7%。江蘇金壇已建成60 MW·h/300 MW·h鹽穴壓縮空氣儲能示范工程，在2021年10月開展了并網試驗。

飛輪儲能對環境要求較小。由于其不受環境的影響，在短時高頻領域有著良好的發展潛力。國家能源集團寧夏電力靈武公司光火儲耦合22 MW·h/4.5 MW·h飛輪儲能項目于2011年11月10日開工。這是我國首個全容量飛輪儲能-火電聯合調頻項目，實現了大功率飛輪單體工程應用[10]。2022年4月11日，青島在地鐵中運用了1 MW飛輪儲能裝備。這套儲能裝置由我國自主研制，對突破國外對我國的技術封鎖具有重要意義。

2 國家級儲能相關政策梳理與解讀

縱觀國內儲能產業發展情況可知，在調頻、調峰、需求響應等領域，儲能行業的發展已初步具備了經濟性。回顧過去五年來我國儲能行業的重大政策，不難發現我國儲能行業想持續發展，必須要有相應的政策導向。

2.1 關于促進儲能技術與產業發展的指導意見

2017年10月，國家發改委、財政部、科技部、工信部、能源局共同頒布了《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見》。該政策主要是為了解決目前國內儲能產業發展中遇到的一些問題，涉及研發、政策、技術等領域，指出了儲能在清潔能源接入電網等方面的應用意義，并對未來10年中國儲能技術的發展與應用提出了要求：推進儲能技術裝備研發示范、推進儲能提升可再生能源利用水平應用示范、推進儲能提升電力系統靈活性穩定性應用示范、推進儲能提升用能智能化水平應用示范、推進儲能多元化應用支撐能源互聯網應用示范。

與此同時，由于中國儲能行業正朝著規模化方向發展，在發展過程中諸如系統標準、安全環保規范等方面的問題日益嚴重。《指導意見》在儲能項目管理方面要求：針對獨立的儲能項目，除《政府核準的投資項目目錄》已有規定的儲能項目，全部采取備案制，按照屬地原則備案，備案機關及其權限由省、自治區、直轄市和計劃單列市人民政府規定；在儲能系統回收方面，要求落實生產者責任延伸制度，建立儲能系統制造商承擔回收利用主體責任的回收利用管理體系；在產品標準和檢測認證方面，提出建立與國際接軌，并且涵蓋儲能規劃設計、設備及試驗、施工及驗收、并網及檢測、運行與維護等各應用環節的標準體系，實施全壽命周期監管和召回制度。

《指導意見》還提出了將儲能技術從研究開發轉變為產業化的初級階段，并將其分為兩大階段：一是將儲能技術從研究成果階段過渡到商業化初期階段；二是將其從商品化初期階段轉化為大規模生產階段[11-12],將重點支持以高性能鉛碳電容電池儲能系統為代表的多種儲能技術和眾多大型儲能試點示范項目[13]。但是，《指導意見》在宏觀層面的儲能發展策略還有待進一步的改進。《指導意見》缺乏對主要儲能技術的關鍵性指標(如能量轉化效率等)的趨勢預測和目標制定；而在發電側、電網側、用戶側方面，存在著對新能源在消納、調峰、調頻等方面未來的需求預測能力不夠等問題。這些不足將會在以后出臺的相關政策中加以補充和改進。

2.2 2019—2020年行動計劃

2019年7月，國家能源局、發改委、科技部、工信部四部委共同出臺了《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見》2019—2020年行動計劃[14]。“行動計劃”的出臺推動了促進儲能技術發展。受國家相關政策的推動，國內的儲能裝機增長迅速。

“行動計劃”以“三推進，兩加強，一完善”對先進儲能技術研發與智能制造、儲能產業發展政策、儲能項目示范與應用、動力電池儲能化、儲能標準化建設等方面提出了要求。“三推進”包括推進抽水蓄能發展、推進新能源汽車動力電池儲能化應用和推進儲能項目示范與應用。“兩加強”主要指加強先進儲能技術研發與智能制造升級，加快推進儲能標準化。“一完善”是完善落實促進儲能技術與產業發展的政策。

“行動計劃”起到了承上啟下的作用。雖然目前國內的儲能產業進入了一個新的發展階段，但仍處于起步狀態，儲能產業的進一步發展仍面臨諸多挑戰。我國目前存在的能源消費方式單一、利潤方式模糊等問題，還需進一步加強相關配套政策制定，以促進我國能源消費電子商務的發展，進一步保障我國儲能參與市場的權利。

2.3 兩個“一體化”的指導意見

2020年8月，國家發改委、國家能源局聯合印發《關于開展“風光水火儲一體化”和“源網荷儲一體化”的指導意見》[15]。隨著《指導意見》的出臺，我國的儲能技術將與我國的電力產業進一步融合，“可再生能源+儲能”的發展也將加快。兩個“一體化”為實現源、網、荷的綜合利用提供了條件，為整合不同能源品種創造了良好的環境，使儲能成為不可或缺的能源形態。

《指導意見》主要涉及“風光水火儲一體化”和“源網荷儲一體化”。前者主要“側重于電源基地發展，根據當地資源條件和能源特點，因地制宜采取風能、太陽能、水能、煤炭等多能源品種發電互為補充，并適當增加一定比例儲能，統籌各類電源的規劃、設計、建設、運營”。而后者則主要“側重于圍繞負荷需求開展，通過優化整合本地電源側、電網側、負荷側資源要素，構建源網荷高度融合的新一代電力系統，實現源、網、荷、儲的深度協同”。

《指導意見》中的兩個“一體化”的發展理念，充分發揮了各類技術的優勢。“一體化”工程體現了儲能的快速、靈活的調控功能，但要在短時間之內實現度電成本最低是不可能的。推進先進、靈活、無污染的能源結構布局，必須讓綜合用電成本最優成為全社會都認可且接受的基本事實，并為整個經濟社會發展承擔費用，而非絕對的成本最低和費用最小[16]。

2.4 加快推動新型儲能發展的指導意見

目前，我國政府缺乏對儲能規劃的指導以及完善的政策機制和市場環境，因此我國新型儲能產業的發展面臨著許多問題，如技術規范不完善等，已經嚴重影響到我國儲能發展。對此，2021年7月國家發改委和能源局出臺的《加快推動新型儲能發展指導意見》[17]，明確了我國新型儲能發展的主要目標。到2025年，實現新型儲能從商業化初期向規模化發展轉變。新型儲能技術創新能力顯著提高，核心技術裝備自主可控水平大幅提升，在高安全、低成本、高可靠、長壽命等方面取得長足進步，標準體系基本完善，產業體系日趨完備，市場環境和商業模式基本成熟，裝機規模達3 000萬千瓦以上。到2030年，實現新型儲能全面市場化發展。新型儲能核心技術裝備自主可控，技術創新和產業水平穩居全球前列[18]。

《指導意見》對2016—2020年這五年來我國新型儲能產業發展中存在的主要問題及取得的成功實踐進行了反思，在新的時代背景和發展形勢下，提出“將開展專項規劃，對儲能發展需求、布局和配置原則等開展深入研究，強調要統籌協調創新資源，加強產學研用融合；研究建立與新型儲能特點相適應的市場機制和配套政策，破除政策瓶頸，科學疏導成本；統籌推動國家、地方有關部門明確新型儲能管理職能和流程；統籌完善新型儲能標準體系建設，加強與現有能源電力系統相關標準規范的銜接”。

2.5 “十四五”新型儲能發展實施方案

“十三五”期間，我國新型儲能已從研發示范階段轉向商業化初期階段，并取得長足的進步。2021—2025年這五年對于我國而言，是準備實現雙碳目標中“碳達峰”目標的重要時期，同時對于新型儲能技術而言，也是一個難得的機遇。為此，要達成這五年內國家對新型儲能提出的更好更快發展的要求，使儲能行業的發展目標更清晰明了，2022年3月，國家發展改革委、國家能源局共同頒布了《“十四五”新型儲能發展實施方案》[19]。《實施方案》指出新型儲能發展目標：到2025年，新型儲能由商業化初期步入規模化發展階段，具備大規模商業化應用條件；電化學儲能技術性能進一步提升，系統成本降低30%以上；到2030年，新型儲能全面市場化發展。

《實施方案》明確提出“推動規模化發展，支撐構建新型電力系統”，分別從電源側、電網側、用戶側三個角度入手，明確了實現儲能規模化發展的具體思路和需求。在電源側，要“加大力度發展電源側儲能，推動友好型新能源電站建設，在新能源富集的內蒙、新疆等地重點布局一批配置合理新型儲能的友好型新能源電站，從源端平抑新能源的波動性，提升新能源并網友好性，保障新能源高效消納利用”。在電網側，要“因地制宜發展電網側儲能。在負荷密集接入、大規模新能源匯集、大容量直流饋入、調峰調頻困難和電壓支撐能力不足的關鍵電網節點合理布局新型儲能，充分發揮其調峰、調頻、調壓、事故備用、爬坡、黑啟動等多種功能，提升傳統抵御突發事件和故障后恢復能力，提高電網安全穩定水平”。在用戶側，要“靈活多樣發展用戶側儲能，并提出圍繞大數據中心、5G基站、工業園區、公路服務等終端用戶，依托分布式新能源、微電網、增量配電網等配置新型儲能”。《實施方案》還對提供定制化服務和提升用戶靈活調節能力方面提出了要求。這些措施的實施都將提高用戶側的調節能力，有利于配電網的安全、穩定運行。

3 未來儲能行業發展建議

2021—2025年這五年將是儲能發展的黃金時期。為此，本文在細致分析、認真梳理了我國現有的儲能技術的發展現狀，并充分解讀國家歷年來發布的與儲能相關政策的基礎上，對我國儲能發展提出以下建議。

從政策保障角度看，五年來，從《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見》出臺，到《“十四五”新型儲能發展實施方案》發布，在國家相關政策大力支持下，我國儲能產業正朝著多元化、高質量方向發展。但在儲能商業化發展進程中，發展道路依舊被尚未掌握的核心技術、尚不完善的電力市場、未能修正的價格機制等問題所阻礙，還需要國家根據儲能標準體系和主要應用場景制定相關政策，從而推動構建良性循環的儲能行業生態系統。

從技術研發角度看，我國的儲能行業技術研發要結合當前發展階段對分布式能源、廣受歡迎的純電力汽車、日漸成熟的微電網和智能電網技術等方面的需求，針對儲能商業與示范過程中的核心技術和未掌握的瓶頸技術，例如抽水蓄能電站地理條件受限程度大和建設周期長、壓縮空氣儲能電站依賴儲氣室、氫儲能技術中的“電-氫-電”轉換效率低于鋰離子電池等能夠顯著提升技術經濟性以及能夠引領未來儲能產業發展的技術問題，進行重點研發。

從儲能創新角度看，在面臨電網調峰、電網平衡、電網安全等諸多問題的同時，單一電廠的儲能模式已無法滿足電網的需求，而整合電網側、電源側、用戶側三個方面資源的儲能電站，推動源網荷各端儲能能力全面釋放的共享儲能為當前困局的破解帶來了希望。目前，提升儲能的共享性是發展共享儲能的首要任務。要確保儲能企業和新能源發電企業或用戶之間的交易制度盡早建立，重點支持發展“云大物移智鏈”技術，協調控制技術以及系統集成技術，促使更多種類的商業模式出現，保障儲能產業規模化發展[20]。

4 結論

近年來，我國儲能技術得到快速發展，儲能產業規模在國家政策支持下迅猛擴大。從電化學儲能技術角度來看，鋰離子電池研究和利用都有了長足的進步，在大規模儲能領域有很好的發展前景。而在機械儲能技術方面，抽水蓄能電站由于其壽命長、安全性高等優勢，仍然是當前電力系統常用的儲能技術。在清潔能源大規模接入電網以及用電量激增的新形勢下，積極開發新能源，將原來的能源結構進行優化調整，使其成為更有利于新型電力系統形成的能源結構布局，推動社會經濟朝著無污染、低碳方向轉型發展，儲能技術將會得到廣泛的發展已是大勢所趨。可以預見的是，隨著儲能技術的進一步成熟、成本的進一步下降，以及市場回報機制的進一步明確和完善，儲能將在新型電力系統的建設中扮演更加重要的角色。