在新型電力系統(tǒng)中，儲(chǔ)能將成為至關(guān)重要的一環(huán)，是新能源消納以及電網(wǎng)安全保障必要保障，在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用電側(cè)都會(huì)得到廣泛的應(yīng)用，需求空間廣闊。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，風(fēng)光強(qiáng)制配儲(chǔ)政策推動(dòng)儲(chǔ)能需求指數(shù)增長(zhǎng)。在市場(chǎng)需求爆發(fā)以及政策鼓勵(lì)的雙重推動(dòng)下，成熟的抽水蓄能、鋰電儲(chǔ)能呈現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)，其他新型儲(chǔ)能技術(shù)也進(jìn)入了發(fā)展快車(chē)道。
本文對(duì)抽水蓄能、鋰離子電池、壓縮空氣、鈉離子、全釩液流電池、鉛炭電池六種儲(chǔ)能的發(fā)展現(xiàn)狀、系統(tǒng)成本、應(yīng)用前景做了評(píng)估。
一、
多種儲(chǔ)能路線進(jìn)入發(fā)展快車(chē)道
按照時(shí)長(zhǎng)要求的不同，儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景大致可以分為容量型（≥4h）、能量型（約1～2h）、功率型（≤30min）和備用型（≥15min）四類。
容量型儲(chǔ)能場(chǎng)景包括削峰填谷或離網(wǎng)儲(chǔ)能等，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)種類較多，包括抽水蓄能、壓縮空氣、儲(chǔ)熱蓄冷、儲(chǔ)氫以及各類容量型儲(chǔ)能電池（例如鈉硫電池、液流電池、鉛炭電池、鋰漿料電池等）。
2017-2020年，電網(wǎng)響應(yīng)能源局、發(fā)改委降低棄風(fēng)棄光率的決策，充分利用電力體系的靈活性資源消納新能源，使得棄風(fēng)棄光率下降到2%。同時(shí)電網(wǎng)壓力凸顯，部分省份開(kāi)始要求電源側(cè)配置儲(chǔ)能。2021年，多個(gè)儲(chǔ)能行業(yè)的重磅文件公布，儲(chǔ)能等迎來(lái)歷史性發(fā)展機(jī)遇。
從整個(gè)電力系統(tǒng)的角度看，儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景可以分為發(fā)電側(cè)、輸配電側(cè)和用電側(cè)三大場(chǎng)景，除此之外的應(yīng)用還包括輔助服務(wù)、分布式發(fā)電與微網(wǎng)等。
儲(chǔ)能技術(shù)在電力行業(yè)應(yīng)用范圍
從技術(shù)原理上講，儲(chǔ)能技術(shù)主要分為物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和電氣儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能這幾大類。
儲(chǔ)能技術(shù)路徑分類
各類儲(chǔ)能技術(shù)中，抽水蓄能是應(yīng)用最為成熟；儲(chǔ)熱技術(shù)也已處于規(guī)�；瘧�(yīng)用階段，目前我國(guó)火電靈活性改造大部分采取儲(chǔ)熱技術(shù)；鋰離子電池儲(chǔ)能開(kāi)始近兩年得到了飛速應(yīng)用；壓縮空氣以及液流電池也迎來(lái)了商業(yè)化應(yīng)用。
二、
六類儲(chǔ)能技術(shù)分析
1
抽水蓄能
抽水蓄能具有技術(shù)優(yōu)、成本低、壽命長(zhǎng)、容量大、效率高等優(yōu)點(diǎn)。由于抽水蓄能電站運(yùn)行模式是將能量在電能和水的勢(shì)能之間轉(zhuǎn)換，其儲(chǔ)能容量主要取決于上下水庫(kù)的高度差和水庫(kù)容量，由于水的蒸發(fā)滲漏現(xiàn)象導(dǎo)致的損失幾乎可以忽略不計(jì)，抽水蓄能的儲(chǔ)能周期得以無(wú)限延長(zhǎng)，可適應(yīng)各種儲(chǔ)能周期需求，系統(tǒng)循環(huán)效率可達(dá)70%-80%。與此同時(shí)，建設(shè)完成后的抽蓄電站壩體可使用100年左右，電機(jī)設(shè)備等預(yù)計(jì)使用年限在40-60年左右。
成本測(cè)算：當(dāng)前最為經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)能方式
為探究抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)性，我們對(duì)抽水蓄能電站儲(chǔ)能度電成本進(jìn)行了測(cè)算。
考慮抽水蓄能電站初始投資成本與項(xiàng)目選址密切相關(guān)，后期新建項(xiàng)目選址經(jīng)濟(jì)性下降，初始投資成本可能將會(huì)上升，另外電站實(shí)際循環(huán)次數(shù)假定在300-500次之間。我們預(yù)計(jì)不考慮充電成本的前提下，常規(guī)抽水蓄能電站LOCE范圍為0.23- 0.34元/kWh。
“十四五”以來(lái)，我國(guó)加快部署抽水蓄能項(xiàng)目開(kāi)發(fā)建設(shè)�！�抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》規(guī)定：到2025年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較“十三五”翻一番，達(dá)到6200萬(wàn)千瓦以上（按照6元/W測(cè)算，投資須達(dá)1800億左右）；到2030年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較“十四五”再翻一番，達(dá)到1.2億千瓦左右。（按照6元/W測(cè)算，投資須達(dá)5400億左右）； 另外，2021年8月份公布的規(guī)劃儲(chǔ)能項(xiàng)目名單共551個(gè)項(xiàng)目，總計(jì)6.79億千瓦。
政策驅(qū)動(dòng)下，全國(guó)各省市迅速布局抽水蓄能項(xiàng)目。2022年1月以來(lái)，已經(jīng)有20個(gè)省份公布了2022年省級(jí)重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目名單。根據(jù)國(guó)際能源網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，截至目前我國(guó)各省公布的重點(diǎn)項(xiàng)目中，抽水蓄能累計(jì)裝機(jī)已達(dá)104.3GW，累計(jì)投資超6000億。
2
鋰離子電池儲(chǔ)能
2021年我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)中，鋰離子電池占比高達(dá)89.7%，是目前技術(shù)比較成熟，發(fā)展勢(shì)頭最為迅猛的儲(chǔ)能方式。
鋰離子儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈由上游設(shè)備商，中游集成商和下游終端用戶組成。其中設(shè)備包括電池、EMS（能量管理系統(tǒng)）、BMS（電池管理系統(tǒng)）、PCS（變流器）；集成商包括儲(chǔ)能系統(tǒng)集成和EPC；終端用戶則由發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)以及通信/數(shù)據(jù)中心組成。
儲(chǔ)能電池是電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)核心部分。目前市場(chǎng)上的主流電池根據(jù)技術(shù)路線不同，大致可分為鋰離子電池、鉛碳電池、液流電池和鈉離子電池。不同技術(shù)路線的電池響應(yīng)速度、放電效率都不盡相同，也有各自的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。
根據(jù)GGII統(tǒng)計(jì)，2021年國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能電池出貨量48GWh，其中電力儲(chǔ)能電池出貨量29GWh，同比增長(zhǎng)339%；而根據(jù)全球研究機(jī)構(gòu)EVTank與伊維經(jīng)濟(jì)研究院共2021年全球儲(chǔ)能電池出貨量66.3GWh，同比增長(zhǎng)132.6%，電力系統(tǒng)儲(chǔ)能是主要增量貢獻(xiàn)。
磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能成本分析
根據(jù)正極材料的不同，現(xiàn)行主流鋰離子電池有三元和磷酸鐵鋰兩類。磷酸鐵鋰電池能量密度比三元材料低，同樣成本也較低。儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)δ芰棵芏纫蟛桓?/span>，成本低、壽命長(zhǎng)的磷酸鐵鋰電池更受青睞。
電池作為整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中核心組成部分，成本占到整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的50%，是儲(chǔ)能系統(tǒng)后續(xù)降本的重要渠道。2021年我國(guó)磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能中標(biāo)價(jià)格大多集中在1.2-1.7元/Wh。而根據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)（BNEF）測(cè)算，2022年全球電化學(xué)儲(chǔ)能EPC成本約為261美元/kWh（折合人民幣約1.66元/Wh），預(yù)計(jì)2025年將降至203美元/kWh（折合人民幣約1.29元/Wh）。2021年以來(lái)大量EPC中標(biāo)價(jià)格1.3-1.7元/kWh之間。
3
壓縮空氣儲(chǔ)能
國(guó)內(nèi)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)不斷進(jìn)步，壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）、先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能（AA-CAES）、超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（SC-CAES）、液態(tài)壓縮空氣（LAES）等都有研究覆蓋，500kW容量等級(jí)、1.5MW容量等級(jí)及10MW容量等級(jí)的壓縮空氣儲(chǔ)能示范工程均已建成。
國(guó)際上1978年建成德國(guó)漢特福海與1991年建成的美國(guó)阿拉巴馬商業(yè)化壓縮空氣儲(chǔ)能電站為商業(yè)化電站。國(guó)內(nèi)陸續(xù)進(jìn)行了壓縮空氣、超臨界壓縮空氣、液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目的研發(fā)與建設(shè)。其中張家口國(guó)際首套100MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目于2021年底順利并網(wǎng)，整體研發(fā)進(jìn)程及系統(tǒng)性能均處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
系統(tǒng)效率的提升以及成本的下降，是壓縮空氣儲(chǔ)能商業(yè)化發(fā)展的基礎(chǔ)。目前從已建成和在建的項(xiàng)目來(lái)看，兆瓦級(jí)的系統(tǒng)效率可達(dá)52.1%，10兆瓦的系統(tǒng)效率可達(dá)60.2%，百兆瓦級(jí)別以上的系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率可以達(dá)到70%，先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)效率能夠逼近75%。系統(tǒng)規(guī)模增加后，單位投資成本也持續(xù)下降，系統(tǒng)規(guī)模每提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，單位成本下降可達(dá)30%左右。
初始投資和利用小時(shí)數(shù)的變化對(duì)度電成本的影響巨大，而隨著技術(shù)進(jìn)步，初始投資仍有下降空間；利用小時(shí)數(shù)主要看電站在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的利用率，每天充放次數(shù)越高，成本越低。在100MW/400MWh的系統(tǒng)中，初始投資5-6元/W、年循環(huán)次數(shù)達(dá)到450-600次的情況下，度電成本區(qū)間為0.252-0.413元/kWh。
綜合看來(lái)，壓縮空氣儲(chǔ)能在能效得到提升后，有望成為抽水蓄能在大規(guī)模儲(chǔ)能電站領(lǐng)域的重要補(bǔ)充。