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          能源轉型中儲能發展的幾點認識

          發布時間: 2020-04-15 15:42:09   來源:國網能源研究院有限公司  作者:徐志成 王芃

            當今世界能源發展朝著清潔低碳、安全高效的方向不斷推進,呈現轉型加快、跨界融合、創新活躍的大趨勢。逐步構建以可再生能源為主體的能源系統,并深度融合新型能源技術解決面臨的新挑戰已成為世界各國的共同選擇。為促進新能源消納、提升電力系統靈活性,儲能廣泛應用于電力系統的發、輸、配、用各環節。但目前儲能存在技術經濟性不高、位置獨立分散、利用率低下,且成本疏導途徑及盈利能力受限等問題。為更好地促進儲能發展,應緊密結合能源轉型的特點,厘清儲能發展內在邏輯、面臨的挑戰及需要的產業環境等問題。

            一、“新能源+儲能”將成為未來能源電力系統的基礎設施

            能源發展正經歷以煤、油等高能量密度為主的利用形式邁向以風光等低能量密度能源為主的利用形式,該變化也是太陽能的間接利用到直接利用的過程。太陽能的直接利用省去了中間較多轉換環節,實現了能源“所見即所得”的規模化開發利用,但其面臨著能源來源的不確定性、利用的波動性和存儲的不易性等挑戰。為實現低能量密度能源的高質量利用,儲能將發揮能量“壓縮機、調制機”的功能,實現低密度、波動性能源的高密度、可控性利用,達到“類常規電源”的效果,故在能源轉型中“新能源+儲能”將成為能源的重要利用形式和基礎設施。

            二、未來廉價的規模化儲能將以一次能源的直接存儲為主,而儲電等主要應用在高電能品質要求等場景

            廣義的儲能可根據存儲介質的形態分為一次能源的存儲、中間能源的存儲和終端能源的存儲,且終端能源的存儲難度、時長、成本較一次能源的直接存儲更大、更短和更昂貴1 。電化學儲能由于其物理活性遠高于直接存儲的一次能源,故其大規模應用必將引起成本大幅上升;而儲氫、抽蓄、壓縮空氣儲能、儲熱等是對原料或中間能源形式的存儲,其存儲成本較低,更容易實現規模化發展。因此,未來廉價的規模化儲能將更多以原料的存儲形式存在,而對能源品質要求較高的則主要以儲電等終端能源存儲的形式存在。為了更好利用儲電等高級能源形式,可采用儲能云等模式實現儲能的集群調度從而達到規模化應用。

            三、需求的多樣性決定未來儲能朝著技術多元化、應用場景廣泛化的方向發展

            市場需求導向將很大程度影響儲能發展,當前行業將儲能經濟性作為衡量儲能發展能否取得重大突破的關鍵評判因素,導致儲能技術發展呈現單一化,僅蓄電池和鋰電池發展較快。隨著新能源滲透率不斷提升、能源安全約束日益突出,從系統角度考慮,儲能將成為系統剛需。

            綜合不同儲能技術的特點及應用場景可知,不同技術類型的儲能可共同解決能源電力系統在不同時間尺度、空間范圍內的供給側與需求側平衡問題,互為補充、相得益彰,部分剛需場景儲能經濟性不再成為儲能發展的限制因素。以抽水蓄能和電化學儲能為例,抽蓄儲能主要解決大時間尺度、大區域范圍內的系統調峰平衡問題,適用于集中式新能源發展;而電池儲能更多解決小時間尺度、局部地區的系統功率平衡問題,適合分布式新能源發展;兩者并非完全替代關系,簡單地將電池儲能和抽蓄儲能進行技術經濟性對標容易導致決策誤判。

            四、應站在能源系統的高度看待未來儲能產業發展

            當前儲能產品存在沿襲動力電池制造體系的“路徑依賴”問題,若僅認為儲能是電池行業的延伸,延續電池行業“生產—使用—回收”視角看儲能產業的思路,那么相關從業者將無法突破一般電池供應商的身份認知,產品創新、商業模式創新受到限制,業務鏈條難以向下游延伸。

            未來,儲能產業的真正競爭壓力來自其他能源電力技術進步帶來的市場空間擠壓,而并非僅僅同業間的技術路線之爭或產能比拼,只有站在整個能源行業的角度才能發現儲能在整個行業生態鏈中的真正價值空間。

            圖 1 傳統視角和能源系統視角下的儲能產業發展

            五、儲能經濟性的持續改善在于“開源節流”

            當前“新能源+儲能”相較于傳統化石能源的經濟性不高是限制儲能進一步發展的關鍵因素2,為促進能源轉型,需通過“開源”“節流”實現儲能經濟性的不斷改善。

            節流方面,主要通過提升儲能全壽命周期的技術經濟性從而達到降低儲能成本的目的。可通過提高儲能循環壽命、研發新型廉價替代材料、標準化生產流程、儲能資源梯級利用和回收循環利用等手段實現儲能全壽命周期的技術經濟性的改善。如實現鋰電池80%充放電深度下循環壽命超萬余次;研發替代貴金屬鎳和鈷電極的新型電池技術;拓展儲能梯次利用場景,同時在技術層面上實現物盡其用,盡可能降低儲能退役時的剩余容量(如將原先80%剩余容量即退役的電池改善到剩余容量60%時再退役),從源頭上延緩電池退役;通過電池生產端的標準制定實現電池回收階段自動化生產線的標準化統一篩選、拆解、匹配等流程。

            開源方面,需通過多樣化儲能應用場景、豐富商業模式,實現儲能多功能復用下的價值挖掘;此外,借助新型能源技術進一步激發儲能價值發揮。儲能作為一種靈活性極強的調節資源,其具備功率價值(power value)、容量價值(capacity value)和能量價值(energy value),在電力系統不同環節、不同場景通過單種或多種功能組合發揮不同作用。

            

           

            圖 2 儲能在各應用場景、環節的價值體現

            當前由于市場機制不完善、儲能價值評估方法欠缺、受益對象難以識別、各利益主體間價值分攤原則尚未明確等因素,導致儲能存在“打黑工”的情況,儲能的靈活性未能充分發揮出來,且其價值未能全部量化補償,故應從以下兩方面著手推進儲能經濟性的改善。

            首先,建立完善儲能價值評價體系。研究儲能系統提供各類服務的直接效益和間接效益;基于儲能受益對象識別方法,研究多元受益主體間的價值分攤技術,并提出適合不同儲能應用場景的儲能價值評估方法,為儲能價值量化評估提供新思路,進一步豐富儲能價值發揮。

            其次,盈利模式豐富方面,可通過完善市場機制、開發儲能靈活BMS、EMS管理系統實現儲能的多功能復用,實現儲能價值疊加。基于多場景復用盈利模式下的儲能綜合價值不再是原先從項目角度分析的單一直接價值,而是從單一價值到綜合價值的拓展。單個儲能多功能復用、多個儲能集中調度管控及多渠道成本回收的多元價值構成是未來儲能主要盈利模式。由單一商業價值到綜合商業價值,不僅儲能成本回收渠道拓寬,而且利益分配模式及其衍生出的一系列價格機制將帶來儲能商業邏輯的根本性變化。

            

           

            圖 3 基于多功能復用下的儲能綜合價值發揮

            六、能源新技術的應用將成激發儲能發展的催化劑

            在能源領域,各國都在積極搶占能源技術創新和商業模式創新的制高點,如何將人工智能、區塊鏈、大數據、物聯網、5G等現代信息通信技術和控制技術深度融合能源系統,解決能源電力轉型中的新困難、新挑戰,并促進儲能相關產業鏈發展,是當前亟需解決的又一難題。新技術的引入正在為儲能綜合解決方案及商業模式創新提供新的思考維度。

            例如,通過引入區塊鏈等新技術實現將主體不同(電網企業、用戶自建、社會資本投資等)、位置分散(電源側、電網側、用戶側)、類型各異(集中式儲能、分散式儲能、移動式儲能)的儲能資源聚合,促進分散儲能的跨時空功能共享,發揮儲能系統級價值。構建電網與“新能源—儲能—用戶”的共享網絡體系,依托區塊鏈技術為廣域儲能交易構建安全接入、公開透明的系統平臺,實現儲能的跨時空功能共享,最終達到源網荷儲多方利益共贏的利益共享。

            

           

            圖 4 廣域儲能跨時空功能共享示意圖

            上圖中各情景定義如下:

            情景1:單個儲能電站在不同時段以多功能復用的方式實現時間上的功能共享;情景2:歸屬同一主體但地理位置分散的分布式儲能,其通過在多個分布式儲能間進行同種功能的分攤實現空間上的功能共享,如河南16個儲能電站同時進行河南電網調峰,實現單個儲能電站難以發揮的功能;情景3:歸屬不同主體且地理位置分散的多種儲能形式,通過場景1和場景2中功能共享模式實現多主體儲能的跨時空功能共享。

            隨著儲能發展及電力市場的不斷完善,儲能發展逐漸從單個儲能電站發揮單種功能過渡到情景1中單個儲能電站發揮多種功能共享和情景2位置分散儲能的功能分攤和聚合;未來,隨著儲能商業模式的不斷豐富及儲能云的興起,儲能與新能源電站及用戶將進入多主體儲能的跨時空功能共享階段。

            七、儲能的安全性、標準化及評價機制將是約束儲能發展的三大關鍵因素

            安全性方面,儲能本體的安全性及其與能源電力系統交互時的安全性是影響儲能發展的關鍵制約因素。標準化方面,標準化涵蓋儲能技術(儲能本體技術、集成應用、運維技術、梯次利用及回收技術等)的標準化及儲能數據庫標準化。評價機制方面,應包含儲能建模仿真平臺評價、儲能可行性評價、儲能價值評價等方面。

            表1 儲能發展面臨的三大關鍵制約因素

            

           

            

            1.從物理活性及熵原理角度考慮,能源的利用形式越高級其對應的物理活性越大,存儲的難度也越大。如火電廠中的煤可視為一種原料形式的儲能,其存儲時長、成本都較儲電更容易實現。由于當前風光無法實現直接存儲,故風光的存儲更多以儲電的形式存在。

            2.化石能源經濟性好主要是未考慮化石能源形成的漫長時間成本。

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