大力發展化學儲能助推雙碳目標的實現

楊 衛 楊海瀾

（1. 國家能源集團西藏電力有限公司，西藏 林芝 860000；2. 中國建設銀行四川分行，四川 成都 610000）

1 問題的提出

儲能是智能電網、可再生能源高占比能源系統、“互聯網+”智慧能源的重要組成部分和關鍵支撐技術，其能夠為電網運行提供調峰、調頻、備用、黑啟動、需求響應支撐等多種服務，是提升傳統電力系統靈活性、經濟性和安全性的重要手段。儲能能夠顯著提高風、光等可再生能源的消納水平，支撐分布式電力及微網，是推動主體能源由化石能源向可再生能源更替和解決高比例再生能源的關鍵技術。此外儲能能夠促進能源生產消費開放共享和靈活交易、實現多能協同，是構建能源互聯網，推動電力體制改革和促進能源新業態發展的核心基礎。

以西藏電力市場為例，2025年、2030年西藏全社會用電量預計分別為156億千瓦時、217億千瓦時，全社會最大負荷分別為360萬千瓦、510萬千瓦。不考慮與區外通道交換電力邊界條件下，基于“十四五”明確的新增電源進行計算，西藏電網2025年豐大方式存在51萬千瓦電力富余，2030年豐大方式電力缺口為63萬千瓦；2025、2030年枯大方式電力缺口分別為250萬千瓦、421萬千瓦。根據電量平衡結果，不考慮區外電力交換，2025～2030年西藏電網存在23.1億～51億千瓦時的電量缺額，同時可再生能源存在39.6億～73.7億千瓦時的電量富余。在電網的缺位和電源比例結構與新能源開發的矛盾背景下，建設多能互補清潔能源基地具有重要價值和意義。

然而光伏、風力發電具有間歇性和波動性的特點，風力發電和太陽能光伏發電出力的這一特征使得電力系統需要足夠的調峰備用容量來保證發電廠的出力，電力系統調峰備用容量與系統負荷峰谷差息息相關，為了保證電力系統的穩定運行，電力系統調峰裕度需滿足風電裝機容量，而用于保證系統峰谷負荷差的備用調峰容量需滿足光伏出力的要求，否則將導致風電、光伏發電出現棄風現象。能源基地在風力、光伏發電大出力時，系統調峰能力有限。儲能系統能實現充電和放電兩種工況運行，通過快速充放電切換可實現系統的快速調頻功能，同時儲能系統出力時間慣性小，相比其他調頻電站，同等規模儲能電站具有更強的調頻能力，同時儲能系統也可參與系統的調峰功能。因此在電力系統中配置一定容量的儲能系統以提高系統調峰能力，減少棄風棄光現象的出現至關重要。

2 各類儲能系統對比分析

2.1 各類儲能技術主要特點

目前的儲能技術主要有水庫儲能、重力儲能、熔鹽儲能、超級電容器儲能、電化學（蓄電池）儲能、飛輪儲能、超導儲能、壓縮空氣儲能、燃料電池儲能等形式。其中水庫儲能、重力儲能、熔鹽儲能、超級電容器儲能、電化學（蓄電池）儲能是目前主要的儲能形式，其余儲能方式通常容量較小，不適合大功率工程應用。各類主要儲能方式的技術特點如下。

（1）水庫儲能

水庫儲能是利用水庫水壩，將水體截留在高處，保持較高勢能的一種儲能方式。水庫儲能具有環保無污染、可重復利用次數多等優點。水庫儲能又可分為水庫自然儲能和抽水蓄能兩種。水庫自然儲能通過電網調度，使水電站的出力避開風電、光伏等無調節性能電源的出力高峰期，將水存留在水庫中，待風電、光伏等電源出力低時或系統負荷峰值時放水發電，達到儲能的效果。調節性能較好的水電站還能將汛期水量存至枯期發電，實現與風電、光伏等電源的季節互補。抽水蓄能電站（如圖1所示）是利用電力系統負荷低谷電能或無法正常吸收的風能、太陽能發電電能抽水至上水庫，在電力系統負荷高峰或需要時再放水至下水庫發電的水電站，是電力系統中具有調峰填谷、調頻調相、緊急事故備用、黑啟動等多種功能且運行靈活、反應快速的特殊電源。水庫儲能使用壽命長，對環境幾乎無污染，但是抽水蓄能電站需建上、下兩個水庫，受地理條件限制較大，在平原地區不容易建設，而且占地面積大，建設周期長，造價和維護成本高。

圖1 抽水蓄能示意圖

目前我國抽水蓄能在基礎研究、關鍵技術和集成示范等方面均取得快速發展。在變速機組的控制及運行問題、風光等新能源與抽水蓄能結合發電的控制特性和系統優化、水泵水輪機流動特性、廢棄礦井構建抽水蓄能地下水庫的問題等方面的基礎研究取得重要進展[1-4]。大型抽水蓄能電站地下洞室群快速機械化施工技術，超高水頭、超大容量抽水蓄能機組設計制造安裝技術，抽水蓄能電動發電機技術，抽水蓄能機組安裝及調試技術等取得新進步和突破。2021年全國投產敦化、荒溝、周寧、沂蒙、長龍山、梅州、陽江、豐寧8 座抽水蓄能電站；

（2）熔鹽儲能

熔鹽儲能技術（儲熱儲冷技術）是利用硝酸鈉等原料作為傳熱介質，通過新能源發出的熱能與熔鹽的內能轉換來存儲或發出能量，一般與太陽能光熱發電系統結合，使光熱發電系統具備儲能和夜間發電能力，可滿足電網調峰需要，具有很強的經濟優勢。按照熱能儲存方式不同，太陽能高溫儲能技術可分為顯熱儲能、潛熱儲能和混合儲能。

顯熱儲能主要是通過某種材料溫度的上升或下降而儲存熱能，是目前技術最成熟、材料來源最豐富、成本最低廉的一種蓄熱方式。潛熱儲能主要是通過蓄熱材料發生相變時吸收或放出熱量來實現能量的儲存，包括熔鹽相變儲能、熔鹽+無機材料復合相變儲能等。潛熱式高溫蓄熱材料雖然存在著高溫腐蝕、價格較高等問題，但其蓄熱密度高，蓄熱裝置結構緊湊，而且吸熱—放熱過程近似等溫，易于運行控制和管理。高溫熔鹽作為潛熱蓄熱相變材料的一種，同時又能形成離子液體，具有許多低溫蓄熱材料所沒有的特點，因而引起人們極大的關注。混合儲能就是將顯熱儲能、潛熱儲能等方式結合起來，以取得最好的經濟性。混合儲能包括相變儲能+斜溫層儲能、相變儲能+混凝土儲能等。

當前我國在儲熱材料物性調控機理、儲熱換熱特性與強化、儲熱材料制備技術、系統控制與優化技術、系統集成示范等方面取得了重要進展[5-7]。在儲熱集成示范和儲冷集成示范方面均取得較大應用。比如，2021年度在敦煌建成了采用熔鹽儲熱的50MW線性菲涅爾式太陽能熱發電站，熱熔鹽溫度550℃，冷熔鹽溫度290℃，熔鹽儲熱可發電750 MW·h；在北京環球影城建成三聯供系統耦合冰蓄冷系統，每年冰蓄冷系統“移峰填谷”的電量可達630萬kW·h；

（3）超級電容儲能

超級電容器，也稱電化學雙層電容器。超級電容器是建立在界面雙電層理論基礎上的一種全新的電容器。眾所周知，插入電解質溶液中的金屬電極表面與液面兩側會出現符號相反的過剩電荷，從而使相間產生電位差。如果在電解液中同時插入兩個電極，并在其間施加一個小于電解質溶液分解電壓的電壓，這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動，并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層即雙電層，它所形成的雙電層和傳統電容器中的電介質在電場作用下產生的極化電荷相似，從而產生電容效應，緊密的雙電層近似于平板電容器。但是，由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離小得多，因而具有比普通電容器更大的容量。

圖2 重力儲能實景

同傳統的電容器和二次電池相比，超級電容器儲存電荷的能力比普通電容器高，并具有充放電速度快、效率高、對環境無污染、循環壽命長、使用溫度范圍寬、安全性高等特點。超級電容器單元的額定電壓范圍為2.5～2.7V，功率較小。因此，很多應用需要使用多個超級電容器單元串聯使用。當串聯這些單元時，需要考慮單元之間的平衡和充電情況。當前我國在超級電容器的基礎研究、單體制備技術、成組管控技術、系統集成與應用等方面取得了重要進展；

（4）重力儲能

重力儲能原理類似抽水蓄能，就是以重力造成的位能來儲存能源。當電力有多余的時候，驅動馬達將重物吊至高處，需要電力的時候，再利用重物下降的力量來驅動發電機發電；目前由Energy Vault研發重力儲能系統采用軟件操作的全自動6臂起重機，可提供高達5兆瓦的電力而不會中斷，可根據產品和需求在4～50小時之間充電和放電。重力儲能原理簡單，技術門檻較低，儲能效率高，輸出功率響應快。重力儲能采用物理介質儲存能量，所以其儲能效率高達90%，輸出功率從0增加到100%只需要2.9秒，使用壽命在30年以上，建設成本較低；

（5）化學儲能（蓄電池）

蓄電池是目前技術最為完善也是產量最大的儲能裝置，它通過極板與電解液之間的化學反應將電能轉換為化學能實現電能儲存。在大功率場合一般采用鉛酸蓄電池，它可以用于應急電源和電力系統能量的儲存，目前常用的單體電壓等級有2V、6V和12V 幾種，在高電壓應用場合需要串聯使用。小功率場合通常采用可反復充電的干電池，如鎳氫電池，鋰離子電池等。在應用于大型儲能站時，目前一般采用鈉硫電池、全釩液流電池等。

圖3 化學儲能系統實景

鈉硫電池（NaS）作為一種新型化學電源，自問世以來已有了很大發展。鈉硫電池體積小、容量大、壽命長、效率高，在電力儲能中廣泛應用于削峰填谷、應急電源、風力發電等儲能方面。通常情況下，鈉硫電池由正極、負極、電解質、隔膜和外殼組成，與一般二次電池（鉛酸電池、鎳鎘電池等）不同，鈉硫電池是由熔融電極和固體電解質組成，負極的活性物質為熔融金屬鈉，正極活性物質為液態硫和多硫化鈉熔鹽。鈉與硫通過化學反應，將電能儲存起來，當電網需要更多電能時，它又會將化學能轉化成電能，釋放出去，鈉硫電池的“蓄洪”性能非常優異，即使輸入的電流突然超過額定功率5～10倍，它也能泰然承受，再以穩定的功率釋放到電網中，這對于大型城市電網的平穩運行尤其有用。鈉硫電池用于儲能具有獨到的優勢，主要體現在原材料和制備成本低、能量和功率密度大、效率高、不受場地限制、維護方便等方面。我國鈉離子電池單體電池和電池系統關鍵技術方面取得了多項重要進展，包括低成本及高性能正負極核心材料制備放大技術、電解液/隔膜體系優選技術、電芯安全可靠性設計技術等，鈉離子電池的能量密度已達到145W·h/kg。

全釩液流電池是一種以釩為活性物質呈循環流動液態的氧化還原電池。釩電池電能以化學能的方式存儲在不同價態釩離子的硫酸電解液中，通過外接泵把電解液壓入電池堆體內，在機械動力作用下，使其在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環流動，采用質子交換膜作為電池組的隔膜，電解質溶液平行流過電極表面并發生電化學反應，通過雙電極板收集和傳導電流，從而使得儲存在溶液中的化學能轉換成電能。釩電池作為儲能系統使用，具有設計靈活、電池使用壽命長、無污染、操作成本低、安全性高、能量效率高、啟動速度快等優點。釩流電池因其獨特優點，使其在許多風力發電、光伏發電、電網調峰等領域有著廣泛的應用電網調峰。

我國在液流電池研發領域開展了卓有成效的工作，并取得了重要的進展[8,9]。開發低成本、高能量密度的長壽命液流電池新體系，是實現液流電池未來可持續發展的主要研究方向。新一代高功率密度全釩液流電池關鍵電堆技術以及高能量密度鋅基液流電池等方面取得重要進展。全釩液流電池的單個電堆功率超過50kW，單個儲能標準模組的功率達到500kW，有望繼續增加到1MW，這為降低系統集成成本、進一步推進液流電池產業化應用具有重要的意義。可以預期，隨著釩電池技術的發展，在儲能時長為4～10h的電網規模儲能方面，液流電池儲能技術將具有比較優勢，釩電池儲能電站將逐在電網調峰中發揮重要的作用。

2.2 各類儲能系統技術對比分析

不同儲能系統性能和特點對比如表1所示。對比分析可知水庫儲能雖然使用壽命長，對環境幾乎無污染，但是工程規模大，受地理條件限制較大，在平原地區不容易建設，而且占地面積大，建設周期長，造價和維護成本高。熔鹽儲能材料來源較豐富、成本低廉，但是其使用壽命較短，且對工作溫度有較高的要求，工程規模也較大，優勢還需要配置輔助能源。超級電容儲能具有充放電速度快、效率高等特點，但是其容量、功率通常較小，成本較高。重力儲能原理簡單，技術門檻較低，但是其容量較小造成工程規模較大。化學儲能是目前技術最為完善也是產量最大的儲能裝置，化學儲能具有原材料和制備成本低、能量和功率密度大、效率高、不受場地限制、維護方便等方面眾多獨到的優勢，是最具競爭力的儲能方式。

表1 主要儲能方式的性能和特點

根據近期世界范圍有關儲能的科技論文統計結果[10]，中國、美國、印度、韓國、德國、英國和澳大利亞等國家是儲能技術科研的主要國家，其中中國居世界第一位，遙遙領先其他國家，中國已經成為全球儲能技術基礎研究最活躍的國家。綜合分析當今世界儲能技術基礎研究先進國家的格局，基本上包含兩類國家：一類是美國、德國、英國和澳大利亞為代表的西方發達國家；第二類為中國、印度和韓國為代表的新興國家。我國鋰離子電池、儲熱（包括儲冷）、超級電容器、鈉離子電池的科技論文較多，為當前我國儲能領域基礎研究的熱門方向。其中化學儲能的論文數明顯高于物理儲能，化學儲能的材料研究明顯比物理儲能活躍。

圖4為我國2021年新增儲能裝機容量[10]。我國電力儲能裝機繼續保持高速增長，同比增長220%，新增投運規模達10.19GW，其中，抽水蓄能規模最大，為8.05GW；鋰離子電池排第二位，投運規模達到1.84GW；壓縮空氣儲能新增投運規模大幅提升，達到170MW；儲熱儲冷和液流電池裝機也分別新增100MW和23MW裝機規模。化學儲能的裝機規模越來越大。綜合分析各儲能技術2021年的新增裝機容量，各種儲能技術大致可以分為四個梯隊。第一梯隊為抽水蓄能，單機規模100MW以上，占2021年全國儲能新增裝機的79%左右；第二梯隊為鋰離子電池、壓縮空氣儲能、液流電池、鉛蓄電池和儲熱儲冷技術，單機規模可達10～100MW，其中鋰離子電池新增裝機達到18%，未來有可能形成單獨的一個梯隊；第三梯隊為鈉離子電池、飛輪儲能和超級電容器，目前單機規模可以達到MW級，其中鈉離子發展受關注最多，經過一段時間的發展有可能未來進入第二梯隊；第四梯隊為液態金屬、金屬離子電池和水系電池等新型儲能技術，需要進一步的研發，以盡早實現集成示范和產業化應用。

圖4 2021年中國新增儲能裝機容量

綜上所述，化學儲能是當前和未來儲能的主要發展方向。以西藏易貢藏布多能互補能源基地規劃研究為例，該基地建議電化學儲能（鋰電池儲能和液流電池儲能）按清潔能源項目（風電、光伏）裝機規模的5%～10%配套建設儲能系統，儲能時長為2～5h。根據測算，僅考慮儲能與光伏出力特性匹配關系，儲能配置規模按光伏裝機15%、儲能時長為3小時的情況下，可以支撐光伏裝機容量提升50%左右，使光伏發電利用率達到90%以上。

3 發展建議

中國是世界上最大電力生產與消費國，每年碳排放量約10357萬噸，占全球27.7%。為實現“碳達峰”和“碳中和”目標，有專家建議2020～2030年間，新能源裝機年均增長率應維持在14%左右，2030～2050年間，新能源裝機年均增長率應維持在7%～8%左右。但風、光電具有強隨機性、間歇性、波動性，電網消納難度大等缺點，大力發展化學儲能，可有效解決風、光電消納問題。為推進化學儲能發展，建議如下：

（1）建立合理的化學儲能價格機制

由于投資規模大、回收周期長，容量電價是促進儲能產業健康發展、提升儲能電站綜合效益的重要措施和手段。應破除制約市場競爭的各類障礙和隱性壁壘，從核定新建儲能電站保障性收購價格、進一步加快推進綠電交易市場兩方面入手，建立適用化學儲能特點的容量電價政策，形成穩定合理的收益空間，緩解因儲能系統成本疏導機制缺位而導致電站投資回報率急劇下降的問題；

（2）完善化學儲能配套政策

調整儲能配置政策，引導儲能合理布局。相關部門應積極指導各地開展地方性的儲能需求研究，進行容量配置和功率配置分析、經濟性分析等，因地制宜確定新型儲能的合理配置規模和時間節點。相關主管部門應優化儲能配置方式，由電網提出科學的配置方案，從一定比例開始逐步擴大比例，根據實際運營效果實踐，逐步提升容量，根據區域需求提出儲能配置要求，引導儲能合理布局和有序發展，促進新能源與儲能和諧發展。

（3）加大化學儲能和關鍵技術和成套裝備的研發

化學儲能作為被廣泛認可的綜合性安全調節電源，對保障電網安全也具有重大意義。整合產學研用資源，加快突破高能量密度、高安全、低成本和長周期存儲等關鍵技術。立項開展關鍵技術開發與標準制定，國家層面充分利用化學儲能發展的良好時機，建立重大科技項目與標準化工作聯動機制，增強國際標準話語權，加快主導制定或完善水電行業國際標準以及國內標準國際化，大力推進中外標準互認；

（4）提高化學儲能系統安全性

“雙碳”目標下，儲能系統在解決新能源消納、增強電網穩定性、提高配電系統利用效率等方面發揮的作用日益重要。加快制定和完善電化學儲能電站建設運維安全指引標準，完善電化學儲能電池系統熱失控發生前預警、事故時保護機制、事故后防擴散技術要求，指導國內儲能電站安全體系建立，降低儲能電站失火風險，關注儲能系統全生命周期風險分析，推動建立儲能設備制造、建設安裝、運行監測等環節的技術標準規范，為儲能安全、有序、高質量發展打好基礎；

（5）加快友好電網建設

構建安全可靠、智能經濟的輸配電網，保障電力資源的合理調度。以西藏電力市場為例，西藏“十四五”時期枯水期能源供需形勢依然嚴峻。電力持續穩定供應能力需進一步提升，電網網架較為薄弱，500千伏電網為單通道、多節點、長鏈式網架結構，220千伏僅在拉薩負荷中心形成環網結構，安全風險大、輸送能力弱。統籌考慮西藏清潔能源外送基地建設進度及區內用電需求發展情況，大力開發電力外送新通道，保障清潔能源送出，“十四五”期間規劃建設±800千伏金沙江上游川藏段清潔能源直流送出工程，推動清潔能源送出工程前期工作。進一步鞏固和完善區內電源富集地區和負荷中心電網500千伏、220千伏骨干網架，加大水電資源消納能力，保障新能源有序接入，“十四五”期間建設區內電力保障工程和藏中500千伏環網工程。到2025年，西藏電網形成500kV 網格型主網架結構。