经济导刊
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重力储能技术与我国发展新型储能的若干思考

郑冬冬 戴彦德 来源: 2023.10.17 16:10:25



 

能源是碳排放最主要的领域。我国“富煤、贫油、少气”的化石能源资源禀赋,决定了现阶段以煤为主的能源生产与消费格局,同时也造成了我国碳排放量全球最高的现状。党的二十大报告提出要加快规划建设新型能源体系,推动能源结构的低碳转型。电力作为能源供给体系的核心,也是低碳能源最为有效的应用途径,构建以新能源为主体的新型电力系统,减少化石能源在一次能源消费中的比重,是符合我国国情的能源发展道路,是我国实现碳达峰、碳中和目标的必要之举。

储能作为支撑风电、光伏发电等可再生能源发展和构建新型电力系统必不可少的环节,在助力我国实现“双碳”目标中扮演越来越重要的角色。20221月,一项中美两国企业间关于重力储能技术 的合作引起业内广泛关注。此次中美关于重力储能技术的成功合作是中美两国在2021年联合国气候变化大会发布《中美关于在21世纪20年代强化气候行动的格拉斯哥联合宣言》后,围绕应对气候变化领域的首个技术合作,为中美在应对气候变化领域的技术合作打下基础,为我国新型储能产业发展增添了新的动力,也为进一步推动我国可再生能源发展带来更多可能性。

 

储能是构建新型电力系统的重要组成部分

新型电力系统的构建,可再生能源对化石能源的替代是重要特征之一,可再生能源将成为增量电量的绝对主体,并逐步成为电源装机主体和电量供应主体。截至20236月,全国水电装机4.18亿千瓦,风电装机3.9亿千瓦,太阳能发电装机4.71亿千瓦,生物质发电装机0.43亿千瓦,可再生能源发电总装机已达到13.22亿千瓦,同比增长18.2%,约占我国发电总装机的48.8%。其中,风电、光伏成为可再生能源增长的绝对主力。

在发展绿色低碳电力时,风电、光伏的间歇性和不稳定性特征对电力系统的调节能力带来了挑战。受气候、天气、季节、昼夜等因素影响,其随机性、波动性和间歇性特征明显,在当前技术水平下,难以有效支撑新型能源体系。风电、光伏的高比例并网将导致发电波动大幅增加,电力平衡难以保持稳定,对系统调峰能力提出更高要求,需要依靠储能为电力系统的安全经济运行提供保障。在电源侧,配置储能提升新能源并网质量;在电网侧,配置储能可提供平滑负荷曲线/削峰填谷、频率调节、电能质量、旋转备用、平抑新能源出力波动等多种辅助服务;在负荷侧,配置储能可平抑负荷波动。储能已成为构建新型电力系统的核心环节,同时在稳定全社会用能成本、提高全社会能源利用效率以及促进绿色经济增长等方面也将发挥重大作用。

新型储能迎来快速发展的历史机遇

 十五五期间,以风电、光伏为主的可再生能源将替代煤电成为我国第一大电源。预计到2060年,我国电力装机总量将达到80亿千瓦,届时风电、光伏装机总量将超过60亿千瓦,占比超过75%,随之而来的是巨量的储能需求市场,保守估计,到2060年,我国储能装机将达到10亿千瓦以上。

目前,我国储能仍以抽水蓄能为主。至2022年底,我国已投运的储能项目累计装机容量为5940万千瓦,同比增长37%,其中抽水蓄能装机达4610万千瓦,占比77.6%。抽水蓄能的建设条件较为严苛,除要求地势高差、稳定水源等自然条件外,还要综合考虑移民规划、生态环境影响等因素。我国抽水蓄能地理分布以西南地区和东部沿海地区为主,而风能、太阳能资源主要在东北、华北和西北,地理分布差异明显,难以满足构建新型电力系统对储能的需求。

20221月,国家发改委、国家能源局发布《十四五新型储能发展实施方案》,从科技创新、示范应用、规模发展、政策保障等方面制定措施,积极推动新型储能的发展。

一般来讲,新型储能泛指除抽水蓄能外的所有储能方式,技术路线呈多元发展趋势,包括锂离子电池、钠离子电池、液流电池等电化学储能,重力储能、压缩空气储能、飞轮储能等物理储能,以及超导电磁、储热(冷)、氢储能等其它储能方式。截至2022年底,我国新型储能累计装机1270万千瓦,其中锂离子电池和铅酸电池占比超过90%,且商业化进程较快;与此同时,以重力储能、压缩空气储能、液流电池、钠离子电池为代表的部分新型储能技术已进入示范应用和商业化发展初期,镍镉电池、钠硫电池、超导磁能、电容、储热/冷等技术也已基本完成研发并开始商业化进程,为储能产业发展带来更多可能。

构建新型电力系统的需求,要求储能的发展综合考虑能量转换效率、资源可获得性、规模化应用、系统寿命、安全性、成本经济性、生态友好性等多方面因素,目前新型储能中装机最多的锂离子电池和铅酸电池正面临材料获取难度日渐提升、安全性存在隐患、循环寿命低等问题,其它技术也或多或少面临着能量密度、转换效率、经济性、安全性等方面的问题,目前还没有一种新型储能技术能够解决所有储能应用需求,新型储能未来将是多技术路线并存的市场化竞争发展局面。但综合对比,重力储能在各项关键指标方面比其它新型储能技术具有明显优势,可替代抽水蓄能在新型电力系统构建中发挥重要作用。

重力储能具有较强综合优势

重力储能是通过重力势能与电能的转换来实现能量存储与释放的储能方式,其技术路线多样。早在1968年,我国建成的第一座抽水蓄能电站——河北省岗南11MW混合式抽水蓄能电站便是重力储能的应用方式之一,随着对技术不断探索,目前已衍生出了活塞式重力储能、废弃矿井重力储能、斜坡式重力储能以及塔式重力储能等多条技术路线。其中塔式重力储能具有较强的综合优势和国际国内应用示范基础,可填补目前新型储能中同时适应大规模、高效率、安全稳定、低成本等储能需求的技术空白。

重力储能具有较好的应用示范基础

1.国际示范项目运行效果良好。2017年,瑞士可再生能源公司(Energy Vault)基于抽水蓄能原理提出了重力储能的解决方案。根据产品和场景需求的不同,重力储能可实现在450小时之间充电和放电。该公司于2020年在瑞士Ticino推动了5MW/35MWh示范项目的建设,通过核心软件系统的智能化控制,可实现5MW电力的持续稳定供应,实测能量转换效率达到75.3%

2.国内首台套示范项目建设顺利进行。2021年,Energy Vault基于瑞士示范项目对重力储能技术进行优化,能量转换效率将达到80%-85%2022年,中国天楹股份有限公司与Energy Vault签订技术许可使用协议,将重力储能技术引入中国,并推动在江苏如东县建设25MW/100MWh的重力储能示范项目。

重力储能具有较多技术优势

能量转换效率高。重力储能与抽水蓄能的技术原理相近,目前已经验证的重力储能系统能量转换效率可达到75.3%,超过抽水蓄能75%的转换效率,建设中的新型重力储能技术设计转换效率可达到80%-85%

系统寿命长。重力储能系统设备主要由机械构件和重力模块构成,项目耐久性好,项目运行期间基本无容量衰减情况,系统寿命与建筑寿命一致,可达50年以上。

经济性较好。在建的如东25MW/100MWh重力储能全球首台套示范项目,初步测算全生命周期度电平准化储能成本约0.3-0.4元,且进一步降本空间较大,有望成为最具经济性的储能技术。

具有较大转动惯量。与抽水蓄能一样,重力储能利用具有转轴的机械设备(同步发电机、涡轮机等)来实现能量转换,可为电力系统提供大量的惯性响应,提升系统的频率抗扰动能力,为系统重建功率平衡争取时间。对于未来以新能源为主体的新型电力系统来说,这是非常宝贵的。

建设规模灵活。重力储能系统结构采用模块化的设计和建设方式,具有完全解耦的功率和能量,占地面积小,极大地拓展了重力储能技术对不同应用场景下项目规模需求差异化的适应能力。

环境友好。重力储能不存在化学品泄漏和污染的风险,其提升模块可利用粉煤灰、报废的风力涡轮机叶片等建造,在降低重力储能项目建设成本的同时消纳固废垃圾,带来环境效益和经济效益。

重力储能拥有丰富的应用场景

重力储能的技术特性,使其可为电源侧、电网侧、用户侧等电力系统各个环节的储能需求提供解决方案。在“双碳”目标背景下,重力储能将在众多应用场景发挥重要作用。

清洁能源大基地建设场景。我国可再生能源已进入大规模、高比例、高质量发展的新阶段。《“十四五”可再生能源发展规划》明确提出,在内蒙古、青海、甘肃等西部北部沙漠、戈壁、荒漠地区,加快建设一批生态友好、经济优越、体现国家战略和国家意志的大型风电光伏基地项目。为保障电力供应的稳定可靠,需要发挥储能的调峰调频、应急备用、容量支撑等多元功能。重力储能在适应大规模大容量储能需求场景中优势明显,可代替抽水蓄能在清洁能源大基地建设中发挥重要作用。总体来看,已规划的七大陆上新能源基地、五大海上风电基地以及多能互补清洁能源基地建设带来的储能市场将超过1亿千瓦,为重力储能提供了广阔的市场空间。

退役火电机组替代场景。火电是我国建国以来支撑工业和国民生活最主要的能源形式,目前我国火电装机容量为13.57亿千瓦,遍布各个城市,火电机组设计寿命一般为40年,20世纪80年代开始大规模发展的火电设施目前面临退役问题。2021年,国家发改委、国家能源局发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》提出,探索利用退役火电机组的既有厂址和输变电设施建设储能或风光储设施。我国火电厂普遍处于城区或城市周边地带,对安全性、土地集约性等要求高,重力储能安全性高,占地面积小,还可在一定程度上缓解城市固废处理问题,符合城市绿色发展理念,且重力储能建筑体与火电厂冷却塔高度相仿,不存在限高或影响城市景观的问题,长远来看,这将是重力储能助力能源转型和推动城市实现双碳目标的又一个重要领域。

风光储氢一体化项目场景。在全球碳减排的背景下,各国对于发展氢能产业的热情空前高涨,由于具有可助力众多领域深度脱碳的优势,可再生能源制氢(绿氢)进入快速发展的新时期。我国风能、太阳能资源主要集中在“三北”地区,当地产业基础相对薄弱,电力消纳水平有限,在电力外输通道难以满足大规模可再生能源电力并网外输的情况下,通过制氢实现可再生能源的消纳是将新能源转化为新产品的新思路。重力储能模块化建设和中长时储能的特性可满足不同规模、不同模式的可再生能源制氢项目需求,从成本和稳定保障能力来看,重力储能在可再生能源制氢电力供应方面具备较大优势。随着绿氢相关技术发展、投资和生产成本降低、应用领域拓展以及生态效益的市场化,绿氢的生产消费规模必将爆发式增长,行业研究显示2050年我国的绿氢需求将增长到每年8100万吨,重力储能技术将为风光储氢一体化发展提供保障。

尾矿综合治理场景。根据《国土资源情报》数据统计,截至2018年底,我国尾矿累积堆存量约为207亿吨,年排放量高达15亿吨以上,尾矿利用增速高于排放增速,利用量小于新增量,大量的尾矿以固体废弃物的形式存储于尾矿库中,我国尾矿综合利用率仅为20%,与发达国家80%的利用率差距较大,整体处于起步阶段。重力储能技术通过在材料科学领域的关键创新,可利用尾矿渣、粉煤灰、固废垃圾等作为重力提升模块的主要原料,实现循环利用,缓解尾矿渣等固废带来的环境问题。此外,重力储能可结合光伏,利用尾矿区电力基础设施,打造“光++生态的尾矿区生态综合治理耦合修复模式,在获取经济效益的同时创造生态效益。

与数据中心产业耦合发展场景。数据中心是数字社会的核心基础设施,耗电量相对较大,2021年全国数据中心总消耗电量达到940亿度,占全社会用电量的1.13%,是一般建筑的几十倍。2022年国家启动东数西算工程,提出8个国家算力枢纽节点和10个国家数据中心集群的建设规划,将东部算力需求有序引导到西部,缓解东部能源紧张问题,也为西部开辟一条发展新路,促进东西部协同联动。数据中心的发展离不开能源,在“双碳”目标背景下,数据中心与可再生能源的结合将成为影响数据中心发展的关键因素。数据中心对电力的稳定性可靠性要求较高,重力储能的技术优势可缓解可再生能源的波动性、不稳定性问题,为数据中心提供安全高效的绿电保障;同时重力储能建筑体的中部闲置空间可作为数据中心机房,实现空间的高效利用;数据中心还可为重力储能智慧能源管理系统提供数据管理服务,实现两者的深度耦合发展。

城市综合应用场景。城市不间断电源(UPS)是保障城市基本生产生活和核心机构能源安全的重要基础设施,为政府、银行、医院、交通枢纽等城市核心机构提供能源安全保障,重力储能在中长时储能、安全性、转动惯量、项目寿命等方面的技术优势,可作为城市UPS广泛用于对电力可靠性依赖度高的行业和设施,且重力储能的模块化设计使得其土地集约优势明显,在城市级UPS领域相比其它技术和产品具有明显优势。此外,重力储能系统作为建筑体,其内部空间和外观具有较强的可塑性,借助重力储能建筑体打造城市景观,形成地标建筑和城市名片,通过增加灯光秀、投影表演等附加功能,以震撼的视觉盛宴展现城市发展或文化、历史等内容,打造独具特色的能源与文旅产业融合发展的新高地、新亮点,创造经济价值和社会价值。

我国发展新型储能的若干建议

新型储能在我国构建新型电力系统和新型能源体系中扮演着越来越重要的角色。自2021年以来,国家以及各省级能源主管部门密集出台300多项与储能相关的政策,明确产业发展目标规划,加快推动部署新型储能关键技术的研发、推广和应用。

从实际应用情况来看,我国新型储能整体仍处于发展初期,还面临较多不确定性。核心技术需要进一步研发和创新,各项技术指标需要通过更多的示范项目进行验证;新型储能成本普遍较高,有待通过技术优化和加快商业化进程降低成本。国家关于新型储能产业发展政策的系统性和针对性较弱,各地普遍存在按一定比例强制配储的“一刀切”现象。匹配新型储能多元机制的服务机制和商业模式尚未形成,新型储能参与电力市场的辅助服务机制、反映新型储能在电力系统不同应用场景作用价值的成本疏导机制尚未有效建立,目前新型储能的发展需要有效解决较多不确定性。

综合来看,要推动新型储能行业的高质量可持续发展,需要从国家战略、产业政策、市场机制以及标准法规等方面提供良好的政策和市场环境,为我国构建新型电力系统奠定基础。

加强顶层设计,明确新型储能的发展定位和目标

能源是社会经济的基础,新能源的发展尤其需要从国家战略层面进行顶层设计和统筹规划。2006年《可再生能源法》正式实施,此后国家相继发布了可再生能源发电项目管理和电价管理的相关管理规定,形成了多项政策措施相配套的政策体系,助力我国可再生能源从无到有并快速发展,如今已成为全球可再生能源的引领者。新型储能作为构建新型电力系统的重要组成部分,需要国家制定相应的政策指导文件,明确新型电力系统不同发展阶段下新型储能的功能定位、发展目标和实施路径,为新型储能的近期和中长期发展提供目标引导和政策保障。

加快技术攻关,建立健全新型储能科技创新体系

完善的科技创新体系是支撑产业快速和可持续发展的关键,加快关键技术装备攻关,实现核心技术自主化,是快速提高技术成熟度和产业竞争力的重点。要发挥政府和市场的双重作用,加强储能技术创新战略性布局和系统性谋划,积极推动产学研用融合发展,鼓励具有基础和实力的科研机构、大专院校与电力企业、具有行业影响力的新型储能龙头企业以及投资机构共同搭建科研创新平台,推进国家级新型储能重点实验室建设,围绕当前我国新型电力系统和新型储能的实际需求,坚持技术路线多元并行发展,重点加强大容量、安全、稳定的新型储能技术研究,完善新型储能专业人才和复合型人才培养,为技术创新发展提供可持续的驱动力。

因地制宜发展,探索新型储能规模化多元化应用

储能的作用是为“源--电力系统结构提供稳定运行和安全保障服务,我国各区域能源资源禀赋与负荷特性差异较大,新型储能要因地制宜选择重点发展路径。从源网侧看,在华东、华中、西南等具有一定抽蓄资源的地区,优先支持抽水蓄能和源网荷储一体化项目建设,在抽水蓄能规模以外,以及电网末端和偏远地区,根据需求以新型储能作为补充;在华北、西北等抽水蓄能发展受限,且新能源资源丰富地区,新型储能发展空间广阔,应重点发展适应大容量、高效率、低成本且具有调峰调频、惯量支撑功能的储能技术;南方地区应推进海上风电与新型储能耦合发展,加大引导用户侧储能建设力度。面向多元化的用户侧储能需求,应以支撑高品质用电、提高综合用能效率效益、降低用能成本以及提升用户灵活调节能力为目标,探索新型储能不同技术路径和发展模式。

完善价格机制,保障新型储能高质量可持续发展

完善的成本疏导和价格形成机制是推动新型储能产业可持续发展的关键。针对当前新型储能价格机制不完善的现状,应明确新型储能在电力系统中的独立主体地位,营造良好市场环境,健全新型储能电站参与电力市场规则,完善电能量市场、辅助服务市场、容量市场等机制,加强电力现货市场与辅助服务市场之间的协同联动,从容量电价、拉大峰谷价差、辅助服务、现货市场等方面着手,明确新型储能在发电、电网、用户等各个受益主体间的价值分配,通过价格信号激励市场主体并引导社会资本参与新型储能的建设,通过市场化方式促进新型储能的公平竞争与降本增效,提高新型储能投资回报,形成良性循环,促进新型储能高质量可持续发展。

强化政策供给,加快新型储能产业化商业化步伐

政策支持对处于发展初期的新型储能产业尤为重要。应在现有政策基础上,加大新型储能技术创新和项目建设支持力度,积极开展新型储能首台(套)重大技术装备示范、科技创新(新型储能)试点示范以及新型储能在重点区域的试点示范,鼓励各地先行先试,通过示范应用带动新型储能技术进步和产业升级,积极拓展新型储能的多元化商业应用模式,健全新型储能的社会资本融资手段,鼓励各地根据实际需要对新型储能项目投资建设、并网调度、运行考核等方面给予政策支持。强化标准的规范引领和安全保障作用,积极建立健全新型储能全产业链标准体系,加快制定新型储能各技术路线的技术标准、安全标准、应用管理标准等,为新型储能的产业化发展奠定基础。

深化国际合作,聚焦新型储能推动技术产业共赢

作为应对气候变化领域的重点产业,新型储能是当前国际竞争的热点,也是未来双多边合作的重点。推动新型储能的国际合作,要遵从优势互补、互利共赢的原则,充分发挥政府间多、双边能源合作机制作用,聚焦新型储能前沿技术领域,加强国际信息交流与信息共享,鼓励与国外企业、科研机构开展新型储能相关重大技术联合研发,重视新型储能领域的知识产权保护,积极引进相关技术和设备,推动国内先进储能技术、标准、装备“走出去”。发挥国内储能市场优势,加大与国际金融机构的合作力度,完善相关合作机制,吸引国际资本参与国内新型储能的产业化发展。聚焦“一带一路”沿线国家能源转型市场,以开放姿态与欧美等发达国家具有先进技术和资金优势的机构合作,联合开展新型储能及相关项目,实现共赢。

(编辑  宋斌斌)



* 郑冬冬,中国投资协会能源投资专委会研究部主任;戴彦德,国家发展改革委能源研究所原所长。

重力储能是以重力势能与电能转换实现储能功能的技术的统称,有若干基于此原理的重力储能形式,本文所指重力储能特指中国天楹与Energy Vault合作引入中国的塔式重力储能技术。


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