為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo),必須建設(shè)清潔低碳高效安全的能源體系,大力推進(jìn)以綠色新能源代替化石能源,深化電力系統(tǒng)改革,著力建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。為緩解新能源的間歇功率特性,支持可再生能源消納和分布式新能源接入,適應(yīng)新形勢(shì)下電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻需求,儲(chǔ)能技術(shù)與可再生能源發(fā)電的結(jié)合應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)未來(lái)高占比大規(guī)??稍偕茉磻?yīng)用的必要手段,因此需要大力發(fā)展和建設(shè)多元化儲(chǔ)能系統(tǒng)。
- 先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高比例新能源電力系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)
目前我國(guó)擁有全球比較大的能源系統(tǒng)(生產(chǎn)和消費(fèi)),其中非化石能源在一次能源中所占的比例僅為15%左右。要實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排的目標(biāo),開(kāi)發(fā)利用以太陽(yáng)能和風(fēng)能為代表的可再生能源已成為當(dāng)務(wù)之急。隨著能源革命進(jìn)程加快推進(jìn),新能源迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng),預(yù)計(jì)到2030年和2060年,我國(guó)新能源發(fā)電量占比將分別超過(guò)25%和60%。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電是目前主流新能源發(fā)電技術(shù),由于易受外界自然條件干擾,風(fēng)電和光伏均表現(xiàn)出顯著的功率間歇波動(dòng)性,給電力系統(tǒng)帶來(lái)巨大干擾。隨著風(fēng)光等間歇性新能源在電力系統(tǒng)中滲透率不斷提高,新型電力系統(tǒng)必然面臨著較為嚴(yán)重的功率波動(dòng)問(wèn)題。大力發(fā)展先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù),對(duì)于促進(jìn)可再生能源消納、提升電力系統(tǒng)靈活性能具有重要意義。
一方面,為平抑新能源的功率波動(dòng),支撐大規(guī)模新能源并網(wǎng)與分布式新能源開(kāi)放接入,在改造傳統(tǒng)火電、提升其靈活性的同時(shí),有必要開(kāi)發(fā)多角度、多層次、多尺度的儲(chǔ)能技術(shù),為突破新型電力系統(tǒng)傳統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力的瓶頸構(gòu)建適用于多場(chǎng)景的完善儲(chǔ)能體系。從電源側(cè)將儲(chǔ)能與可再生能源發(fā)電相結(jié)合,組成一個(gè)聯(lián)合系統(tǒng),通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)和釋放入網(wǎng),使間歇性可再生電力能源變成穩(wěn)定、安全、高效的清潔能源。與此同時(shí),風(fēng)、光等新能源面對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷擾動(dòng)難以進(jìn)行功率調(diào)節(jié),且其功率幅值在日周期內(nèi)變化巨大。具備靈活雙向調(diào)節(jié)能力的儲(chǔ)能電站能夠與電網(wǎng)現(xiàn)行調(diào)頻調(diào)峰控制深度結(jié)合,兼顧電網(wǎng)功率平衡和發(fā)電成本,為電網(wǎng)運(yùn)行提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用、黑啟動(dòng)、需求響應(yīng)支撐等多種服務(wù),是提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的重要手段,成為智能電網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù)。
另一方面,大量先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用將顯著提高風(fēng)、光等可再生能源的消納水平,支撐分布式電力及微網(wǎng),是推動(dòng)主體能源由化石能源向可再生能源更替的關(guān)鍵技術(shù),可促進(jìn)能源生產(chǎn)消費(fèi)開(kāi)放共享和靈活交易,實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同,是構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)、推動(dòng)電力體制改革和促進(jìn)能源新業(yè)態(tài)發(fā)展的核心基礎(chǔ)。因此,先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)建設(shè)源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度融合的智能化、數(shù)字化新型電力系統(tǒng)具有重要意義。
- 大力發(fā)展抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能和壓縮空氣等多元化儲(chǔ)能技術(shù)
儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式多種多樣,具體包括抽水蓄能、化學(xué)電池、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪、超級(jí)電容器、超導(dǎo)磁系統(tǒng)以及氫能、儲(chǔ)冷、儲(chǔ)熱等。近年來(lái)全球范圍內(nèi)建設(shè)了數(shù)百項(xiàng)兆瓦級(jí)及以上規(guī)模的儲(chǔ)能示范工程,截至2020年底,全球已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到191.1吉瓦,中國(guó)已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為35.6吉瓦。在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中,由于在儲(chǔ)能規(guī)模、安全性和經(jīng)濟(jì)性等多項(xiàng)指標(biāo)上的優(yōu)越表現(xiàn),抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣、飛輪等儲(chǔ)能技術(shù)受到重點(diǎn)關(guān)注。
1.抽水蓄能在可見(jiàn)未來(lái)仍將是主力儲(chǔ)能技術(shù)
抽水蓄能是目前技術(shù)比較成熟、應(yīng)用比較廣泛的儲(chǔ)能技術(shù),具有規(guī)模大、壽命長(zhǎng)和運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)。截至2020年底,全球儲(chǔ)能市場(chǎng)中抽水蓄能的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到172.5吉瓦,占比為90.3%;我國(guó)抽水儲(chǔ)能的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模已達(dá)到31.79吉瓦,占中國(guó)儲(chǔ)能項(xiàng)目的89.3%。抽水蓄能技術(shù)的主要發(fā)展方向是電站關(guān)鍵部件的能效性能提升、系統(tǒng)控制優(yōu)化以及與廠網(wǎng)間的智能聯(lián)動(dòng)。許多專家學(xué)者提出了地下抽水蓄能的概念,可將環(huán)境影響降至較低,是極具潛力的未來(lái)儲(chǔ)能系統(tǒng)。南方電網(wǎng)主持的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“海水抽水蓄能電站前瞻技術(shù)研究項(xiàng)目”關(guān)鍵成果“波浪擾動(dòng)環(huán)境下可變速抽水蓄能機(jī)組實(shí)證平臺(tái)”在2021年5月通過(guò)專家評(píng)審會(huì)。相信隨著越來(lái)越多的新型抽水蓄能技術(shù)的研發(fā),會(huì)有更多的示范性項(xiàng)目為未來(lái)商業(yè)化推廣提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和積累經(jīng)驗(yàn)。
2.電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)將快速發(fā)展
隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的大力發(fā)展,其核心部件電池產(chǎn)業(yè)也得到重視和研究,進(jìn)而帶動(dòng)了電池儲(chǔ)能電站的大發(fā)展。采用電池的儲(chǔ)能電站的規(guī)模不斷擴(kuò)大,在儲(chǔ)電市場(chǎng)占比中僅次于抽水蓄能。目前在儲(chǔ)能特別是儲(chǔ)電領(lǐng)域是以抽水蓄能為主、以電池儲(chǔ)能為輔的局面。截至2020年底,全球電化學(xué)儲(chǔ)能的裝機(jī)規(guī)模達(dá)14.2吉瓦,占比為7.5%。從技術(shù)分布上看,全球電化學(xué)儲(chǔ)能中鋰離子電池的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模比較大,達(dá)到了13.1吉瓦,電化學(xué)儲(chǔ)能和鋰離子電池的累計(jì)規(guī)模均首次突破10吉瓦大關(guān)。我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模3.28吉瓦,占比9.2%,新增裝機(jī)功率規(guī)模達(dá)到1.56吉瓦,年新增首次突破1吉瓦,排名世界首位,增長(zhǎng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抽水儲(chǔ)能?,F(xiàn)階段電池技術(shù)仍然處于快速提升階段,鋰離子電池是除抽水蓄能之外,應(yīng)用占比較高的儲(chǔ)能技術(shù),但也存在安全隱患較大、成本較高、控制技術(shù)復(fù)雜等挑戰(zhàn)。新型的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù),如鈉離子電池的應(yīng)用將會(huì)擴(kuò)大。“十四五”期間,電化學(xué)儲(chǔ)能將以實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全化、低成本和長(zhǎng)壽命為主攻目標(biāo)。
3.壓縮空氣儲(chǔ)能是極具潛力的儲(chǔ)能手段
壓縮空氣儲(chǔ)能是利用空氣作為介質(zhì),具有規(guī)模大、壽命長(zhǎng)和運(yùn)維費(fèi)用低的特點(diǎn)。改進(jìn)的絕熱型和噴汽增焓型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)具有可擴(kuò)展性、環(huán)保性和高儲(chǔ)能效率等優(yōu)點(diǎn),且可以避免化石燃料的使用,經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)更為顯著。理想情況下壓縮空氣儲(chǔ)能效率可達(dá)70%以上,建設(shè)成本為3000元~4000元/千瓦,甚至可以與抽水蓄能比較成本競(jìng)爭(zhēng)力,同時(shí)還具有充分的位置靈活性。目前商業(yè)化運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站有兩個(gè),分別為德國(guó)Huntorf電站和美國(guó)McIntosh電站。由于良好的應(yīng)用前景,當(dāng)前各國(guó)政府均大力支持壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究。2019年,國(guó)際首套10兆瓦級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)在中國(guó)通過(guò)科技部驗(yàn)收;另外,國(guó)際首套100兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目在張家口正式開(kāi)工,國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“10兆瓦級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)與示范”將于2021年完成驗(yàn)收。中國(guó)的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)將由理論和示范轉(zhuǎn)為小范圍商業(yè)化應(yīng)用,隨著分布式新能源發(fā)電的進(jìn)一步爆發(fā),中小規(guī)模的壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目將會(huì)在未來(lái)得到更大范圍發(fā)展。
國(guó)家能源局于2021年4月發(fā)布《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)(征求意見(jiàn)稿)》,提出:“堅(jiān)持儲(chǔ)能技術(shù)多元化,推動(dòng)鋰離子電池等相對(duì)成熟新型儲(chǔ)能技術(shù)成本持續(xù)下降和商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)壓縮空氣、液流電池等長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化發(fā)展初期,加快飛輪儲(chǔ)能、鈉離子電池等技術(shù)開(kāi)展規(guī)?;囼?yàn)示范,以需求為導(dǎo)向,探索開(kāi)展氫儲(chǔ)能及其他創(chuàng)新儲(chǔ)能技術(shù)的研究和示范應(yīng)用。”再次明確不同的儲(chǔ)能技術(shù)將針對(duì)典型應(yīng)用場(chǎng)景、滿足不同時(shí)長(zhǎng)和頻率的儲(chǔ)能要求,提出了需要開(kāi)展儲(chǔ)能技術(shù)多元化發(fā)展的目標(biāo)。
- 建設(shè)多元化儲(chǔ)能系統(tǒng)以滿足電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求
以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的功率不平衡現(xiàn)象是具有多樣性、不同時(shí)間尺度和顯著層次性的,其成因包括新能源發(fā)電隨機(jī)性、負(fù)荷擾動(dòng)以及突發(fā)故障等多種因素,且表現(xiàn)出秒級(jí)、分鐘、小時(shí)乃至季度等多種級(jí)別的時(shí)間尺度。新型電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)需要及時(shí)平衡新型電力系統(tǒng)的功率波動(dòng),同時(shí)配合電網(wǎng)調(diào)節(jié)策略,實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的,要求儲(chǔ)能系統(tǒng)具備三大功能。
1)大容量:儲(chǔ)能系統(tǒng)功率支援能力必須能夠覆蓋系統(tǒng)中新能源發(fā)電功率波動(dòng)較大差額,因此必須具備較大容量;
2)快速響應(yīng):儲(chǔ)能系統(tǒng)一般進(jìn)行后發(fā)式功率支援,必須具備快速響應(yīng)能力;
3)多層次功率支援能力:新型電力系統(tǒng)中功率不平衡問(wèn)題來(lái)源和特性極具多樣性,儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)各種類型的功率不平衡現(xiàn)象均要具備強(qiáng)大的多層次支援能力。
單一技術(shù)結(jié)構(gòu)和控制策略的儲(chǔ)能系統(tǒng)難以滿足上述要求,因此必須建設(shè)智能的多元化儲(chǔ)能系統(tǒng),具體表現(xiàn)為三個(gè)方面。
1)技術(shù)多樣性:任何一種儲(chǔ)能技術(shù)電站都具有其優(yōu)缺點(diǎn),為滿足多樣化的功率支援需求,儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含多種不同類型儲(chǔ)能電站,且各類儲(chǔ)能電站的容量配比與新型電力系統(tǒng)自身特性相契合。
2)功能層次化:為實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,儲(chǔ)能系統(tǒng)需要具備多層次的功率支援能力。有必要制定針對(duì)性的控制策略,并對(duì)各種特性的儲(chǔ)能電站規(guī)劃不同的角色,使其在系統(tǒng)中發(fā)揮特定作用,實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)整體的層次化矩陣式的調(diào)節(jié)作用。
3)智能數(shù)字化:電力系統(tǒng)中的所有儲(chǔ)能電站受電網(wǎng)中樞控制,形成網(wǎng)絡(luò)化矩陣式的儲(chǔ)能系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電站優(yōu)化配置,功率支援優(yōu)化控制。以數(shù)字技術(shù)改變儲(chǔ)能電站傳統(tǒng)作業(yè)模式,以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能電站規(guī)劃管理和科學(xué)決策,與數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)深度融合。
當(dāng)前,南方電網(wǎng)儲(chǔ)能電站以抽水蓄能電站占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位,電池儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能等技術(shù)方興未艾。未來(lái)儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)將依托數(shù)字化新型電力系統(tǒng)建設(shè),通過(guò)源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)一體化規(guī)劃優(yōu)化,多措并舉實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合,支撐大規(guī)模新能源消納和復(fù)雜大電網(wǎng)控制,支撐能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型,努力構(gòu)建資源“靈活可調(diào)”、潮流“柔性可控”、故障“韌性可愈”的智能電網(wǎng),為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。
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