摘要:儲(chǔ)能是實(shí)現(xiàn)可再生能源高效利用、多種能源開放互聯(lián)、協(xié)同發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。基于儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和需求分析,展望了2050年電網(wǎng)功能形態(tài)中,技術(shù)常規(guī)發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)獲得突破發(fā)展模式下儲(chǔ)能的作用模式和應(yīng)用場(chǎng)景。分析了儲(chǔ)能基礎(chǔ)理論、本體技術(shù)和系統(tǒng)集成及工程化等關(guān)鍵技術(shù)的研究重點(diǎn)和技術(shù)路線圖,并制定了與電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展相適應(yīng)的分階段目標(biāo)。同時(shí)依據(jù)能源革命和電網(wǎng)形態(tài)發(fā)展的客觀需求,給出了大規(guī)模儲(chǔ)能的重點(diǎn)攻關(guān)技術(shù)和路線圖。

0引言

在能源革命的驅(qū)動(dòng)下,可再生能源開發(fā)利用力度持續(xù)加大,接入電網(wǎng)的比例和在終端能源消費(fèi)的占比將不斷提高。根據(jù)國際能源署的研究,為滿足新能源消納需求,預(yù)測(cè)美國、歐洲、中國和印度到2050年將需要增加310GW并網(wǎng)電力儲(chǔ)存能力,為此至少需投資3800億美元。麥肯錫的研究則將儲(chǔ)能列為到2025 年將產(chǎn)生顛覆性作用、對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)生顯著影響的技術(shù),預(yù)測(cè)市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)0.1萬億~ 0.6萬億美元。世界許多國際組織和國家把發(fā)展儲(chǔ)能作為緩解能源供應(yīng)矛盾、應(yīng)對(duì)氣候變化的重要措施,并制定了發(fā)展戰(zhàn)略,提出了2030年、2050年明確的發(fā)展目標(biāo)和相應(yīng)的激勵(lì)政策。

此外,隨著交通的電動(dòng)化,電動(dòng)汽車也逐步進(jìn)入規(guī)模化推廣階段;同時(shí),我國的第二輪電力體制改革也在逐步深入推進(jìn),能源生產(chǎn)和消費(fèi)方式逐步走向開放互聯(lián),多種分布式能源綜合高效利用、用戶廣泛參與將成為電力生產(chǎn)和消費(fèi)的一種新模式,電網(wǎng)的規(guī)劃運(yùn)行和調(diào)度管理模式將面臨重大變革。儲(chǔ)能特有的功率控制和能量搬移功能不僅能改善可再生能源可調(diào)可控特性,參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù),同時(shí)也是分布式發(fā)電和微電網(wǎng)必不可少的調(diào)控手段,將成為實(shí)現(xiàn)可再生能源高效利用、多種能源開放互聯(lián)、協(xié)同發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和重要途徑。

1 儲(chǔ)能應(yīng)用需求及技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 儲(chǔ)能應(yīng)用需求

從國內(nèi)外儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析來看,儲(chǔ)能在電力供給側(cè)、用戶側(cè)及電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度管理和微電網(wǎng)運(yùn)行控制等方面的應(yīng)用逐年快速增長。

儲(chǔ)能在電網(wǎng)的應(yīng)用,可靠安全性是必要前提。在用戶側(cè)應(yīng)用中,免維護(hù)特性也是一個(gè)必要條件。對(duì)于以提高資源利用率和運(yùn)行效益為目標(biāo)的能量型應(yīng)用,如提高可再生能源利用率、調(diào)峰、調(diào)頻、需求側(cè)響應(yīng)等,應(yīng)用儲(chǔ)能電池的經(jīng)濟(jì)性是其可行性的決定因素。對(duì)于頻繁啟動(dòng)和快速響應(yīng)的功率型應(yīng)用,如在可再生能源接入相關(guān)的爬坡控制、電壓支持及微網(wǎng)無縫切換控制等,儲(chǔ)能電池的快速響應(yīng)能力和淺充淺放條件下的循環(huán)壽命是需要重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)特征。在分布式系統(tǒng)能量管理和微電網(wǎng)運(yùn)行控制的應(yīng)用中,儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅參與電壓和頻率的調(diào)節(jié),還參與系統(tǒng)穩(wěn)定、供需平衡和協(xié)調(diào)優(yōu)化,儲(chǔ)能選型需要在技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)性之間進(jìn)行權(quán)衡。必要時(shí),為降低成本、便于控制,可選擇2種及以上的儲(chǔ)能分別滿足不同的應(yīng)用需求。

短期內(nèi)儲(chǔ)能的選型更多的取決于當(dāng)前儲(chǔ)能技術(shù)的成熟度,示范應(yīng)用的具體要求和實(shí)際條件。長遠(yuǎn)看來,市場(chǎng)化推廣應(yīng)用取決于工程壽命周期內(nèi)的整體綜合評(píng)估。

1.2 儲(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)狀

目前大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)中只有抽水蓄能技術(shù)相對(duì)成熟,但是由于地理資源限制,其廣泛應(yīng)用受到制約,而其他儲(chǔ)能方式還處于實(shí)驗(yàn)示范階段甚至初期研究階段,相關(guān)產(chǎn)業(yè)處于培育期。儲(chǔ)能裝置的可靠性、使用壽命、制造成本以及應(yīng)用能力等方面有待突破。目前我國應(yīng)用較多的幾種電化學(xué)儲(chǔ)能特性如圖1雷達(dá)圖所示。

總體來看,我國儲(chǔ)能技術(shù)研究尚處于發(fā)展初步階段,還不適于在電網(wǎng)全面推廣應(yīng)用,同時(shí)隨著研發(fā)深入和應(yīng)用推進(jìn)也暴露出一些問題。這些問題與不足都應(yīng)在2050的技術(shù)攻關(guān)過程和頂層設(shè)計(jì)中加以重視。

1)研發(fā)體系不健全。

缺乏頂層設(shè)計(jì),沒有系統(tǒng)成熟的基礎(chǔ)理論體系、本體及材料等底層核心技術(shù)環(huán)節(jié)做為支撐,頂端應(yīng)用領(lǐng)域的引領(lǐng)作用無法準(zhǔn)確傳導(dǎo)至全產(chǎn)業(yè)鏈,造成應(yīng)用需求和核心技術(shù)對(duì)接不暢,儲(chǔ)能材料和本體經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)與未來應(yīng)用需求尚不適配。

2)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性有待進(jìn)一步突破。

目前儲(chǔ)能技術(shù)成本高,絕大部分儲(chǔ)能項(xiàng)目缺乏可預(yù)期的收益以吸引資本跟進(jìn)。而且在系統(tǒng)容量、轉(zhuǎn)換率、壽命、安全性等問題上還有待進(jìn)一步提高,以滿足可再生能源并網(wǎng)消納和電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求。

3)缺乏運(yùn)行數(shù)據(jù)支撐。

目前缺乏進(jìn)行運(yùn)行評(píng)估的實(shí)際數(shù)據(jù),需要在電源側(cè)、負(fù)荷側(cè)進(jìn)行多方試點(diǎn)示范,積累運(yùn)行數(shù)據(jù),厘清數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性,明確電力儲(chǔ)能的運(yùn)行工況和功效,讓試點(diǎn)和政策相互促進(jìn),為儲(chǔ)能的工程化推廣和商業(yè)模式研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1.3 儲(chǔ)能發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)于下一代儲(chǔ)能本體的預(yù)期,國內(nèi)外均將目標(biāo)設(shè)定在了大容量、高安全、長壽命和低成本的目標(biāo)上。隨著應(yīng)用需求的多樣化,儲(chǔ)能技術(shù)呈現(xiàn)多種類型協(xié)同發(fā)展的格局,用戶側(cè)應(yīng)用則向結(jié)構(gòu)緊湊、控制智能、接入靈活的方向發(fā)展。

儲(chǔ)能應(yīng)用的關(guān)鍵是技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,近年來,幾類電化學(xué)儲(chǔ)能成本均有大幅下降,如圖2所示。從鋰離子電池的歷史發(fā)展規(guī)律來看,壽命提升較快,成本下降較快,主要原因在于每種材料的內(nèi)生性增長。可以通過基于材料本身的改性、儲(chǔ)能材料體系的匹配以及儲(chǔ)能本體制造工藝的改善等外部因素來進(jìn)行跨越式的提升,成本則可以通過規(guī)模化效應(yīng)快速下降。

預(yù)計(jì)到2020年,目前國內(nèi)安裝量較大的磷酸鐵鋰電池的成本價(jià)有望降到人民幣1000元/(kW•h)左右。而隨著各類驗(yàn)證、示范應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)的建立,儲(chǔ)能技術(shù)的安全性也將逐步提升,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。鉛酸電池也在不斷改進(jìn)技術(shù),多家企業(yè)已經(jīng)開始從事鉛碳電池的開發(fā),重點(diǎn)提升鉛酸電池的使用壽命。液流電池相關(guān)制造企業(yè)少,目前液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體轉(zhuǎn)換效率約70%,尚無法與磷酸鐵鋰和先進(jìn)鉛酸電池相比,但在使用壽命方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

鋰離子電池、液流電池、鉛碳電池等新型電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)水平進(jìn)步較快,具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景,有望率先邁入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段,使儲(chǔ)能技術(shù)成為與發(fā)-輸-配-用并列的電力系統(tǒng)第5環(huán)節(jié)。

2 技術(shù)愿景

2.1 技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素

促使儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力因素主要有以下幾個(gè)方面。

1)可再生能源發(fā)電比例將持續(xù)提升。

隨著能源結(jié)構(gòu)調(diào)整力度的不斷加強(qiáng),加之霧霾治理、生態(tài)壓力和綠色低碳發(fā)展的倒逼,風(fēng)電、光伏發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)電占比將持續(xù)增長。需要借助大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)與新能源發(fā)電協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行,提高間歇性可再生能源消納能力。

2)電動(dòng)汽車比例持續(xù)快速增長。

世界各國均從科研投入、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)等多角度制訂了大量支持電動(dòng)發(fā)展的政策。我國多次明確到2020年純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷達(dá)到500萬輛的發(fā)展目標(biāo),預(yù)計(jì)2030年以后電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車在市場(chǎng)上將并行發(fā)展,產(chǎn)量將達(dá)到同類汽車產(chǎn)量的50%。大規(guī)模電動(dòng)汽車電池和退役電池的梯次利用,以及與充電設(shè)施配套的儲(chǔ)能設(shè)施,將為電力系統(tǒng)提供潛力巨大的儲(chǔ)能資源。

3)電網(wǎng)調(diào)度控制日益困難和復(fù)雜。

未來特高壓交直流混合電網(wǎng)的建設(shè),使得我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式日益復(fù)雜。此外,隨著新能源大規(guī)模接入電網(wǎng),其波動(dòng)性和間歇性給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大挑戰(zhàn)。通過儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用可以改善可再生能源的可調(diào)可控特性,進(jìn)而提高新型電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行能力。

4)電力體制改革推向深入。

隨著電力體制改革試點(diǎn)范圍的擴(kuò)大和發(fā)展,政府部門將在總結(jié)試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)和修改完善相關(guān)法律法規(guī)的基礎(chǔ)上推進(jìn)電力體制改革的實(shí)施,逐漸形成有效競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)和市場(chǎng)體系。現(xiàn)代電力市場(chǎng)體系會(huì)大大促進(jìn)儲(chǔ)能為輸電網(wǎng)提供調(diào)頻、調(diào)壓、備用和黑啟動(dòng)等輔助服務(wù)應(yīng)用的需求。

5)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)逐步落地。

能源互聯(lián)網(wǎng)將從初步理論概念逐步進(jìn)行落地實(shí)施,計(jì)劃2016—2020年,將著力推進(jìn)儲(chǔ)能在能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的試點(diǎn)示范工作,建成一批不同類型、不同規(guī)模的試點(diǎn)示范項(xiàng)目;2021—2030年,會(huì)推進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)在能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)多元化、規(guī)模化發(fā)展,使儲(chǔ)能技術(shù)成為能源互聯(lián)網(wǎng)推進(jìn)的主要推動(dòng)力。

2.2 2050年技術(shù)情景

2.2.1 常規(guī)模式

基于儲(chǔ)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),綜合考慮電力網(wǎng)絡(luò)多種能源互聯(lián)和需求側(cè)響應(yīng)等功能形態(tài)發(fā)展方向及能源革命需求等多方面因素,在常規(guī)發(fā)展模式下,預(yù)測(cè)2050年前儲(chǔ)能本體材料革新改進(jìn),成本將得到實(shí)質(zhì)突破;掌握壓縮(液化)空氣儲(chǔ)能技術(shù),儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模從百M(fèi)W級(jí)提升到10GW級(jí),滿足全球能源互聯(lián)網(wǎng)清潔調(diào)頻、調(diào)峰等多樣化需求,相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表1所示。

1)儲(chǔ)能成為電力系統(tǒng)“發(fā)-輸-配-用”之外的第5環(huán)節(jié)。

2030年以前,大容量、低成本、長壽命、高安全儲(chǔ)能電池技術(shù)和低成本、高效率壓縮空氣儲(chǔ)能將初步實(shí)現(xiàn);儲(chǔ)能系統(tǒng)容量支撐電網(wǎng)消納非水可再生能源發(fā)電電量的比例達(dá)到10%,發(fā)-輸-配-用-儲(chǔ)的運(yùn)行模式在電力系統(tǒng)得到廣泛實(shí)現(xiàn),儲(chǔ)能資源的廣泛存在和靈活高效的特性大大改善電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度和管理能力,使電力供需從現(xiàn)在的瞬時(shí)平衡變成廣域時(shí)空下的長期平衡。

2)儲(chǔ)能應(yīng)用向用戶側(cè)緊湊型和系統(tǒng)級(jí)大型應(yīng)用發(fā)展。

隨著能源互聯(lián)體系的逐步建立,包含可再生能源的多種能源的互聯(lián)互補(bǔ)不僅改變電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)營模式,也將改變用戶的用電模式。在現(xiàn)有應(yīng)用于可再生能源的接入和消納之外,緊湊型儲(chǔ)能還將廣泛應(yīng)用于用戶側(cè)參與需求響應(yīng),提高用戶能效,滿足用戶多元化需求;同時(shí),系統(tǒng)級(jí)大型儲(chǔ)能也將在電力網(wǎng)絡(luò)調(diào)峰、調(diào)頻服務(wù)中發(fā)揮重要作用,從系統(tǒng)規(guī)劃和調(diào)度管理層面實(shí)現(xiàn)資源利用最大化。

3)分布式儲(chǔ)能的規(guī)模化匯聚效應(yīng)凸顯。

伴隨用戶側(cè)分布式儲(chǔ)能的廣泛應(yīng)用以及電動(dòng)汽車比例的持續(xù)快速增長,分布式儲(chǔ)能作為能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建的必要環(huán)節(jié),其規(guī)模化匯聚效應(yīng)逐步顯現(xiàn),通過統(tǒng)籌部署、協(xié)同管理充分挖掘其平衡能力,同時(shí)跟進(jìn)切實(shí)有效的商業(yè)運(yùn)行模式,促進(jìn)多種能源的開放互聯(lián)和供需各方的柔性互動(dòng)。

2.2.2 突破模式

結(jié)合國內(nèi)外的基礎(chǔ)性前瞻性儲(chǔ)能本體技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),在突破模式下,預(yù)測(cè)2050年前,鋰空氣電池等高能量密度儲(chǔ)能應(yīng)用關(guān)鍵材料及本體制備技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性突破;相變儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)低成本、高穩(wěn)定性和高能量密度等核心技術(shù)的突破;攻克新型氫能儲(chǔ)能及應(yīng)用關(guān)鍵材料及器件制備技術(shù)。儲(chǔ)能技術(shù)作為關(guān)鍵因素推動(dòng)能源革命,掌握電網(wǎng)、氣網(wǎng)和熱力網(wǎng)等能源高效轉(zhuǎn)化及多時(shí)空協(xié)同控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)以電為中心的不同能源網(wǎng)絡(luò)柔性互聯(lián)、調(diào)劑和聯(lián)合調(diào)控。

1)電動(dòng)汽車等高密度分布式儲(chǔ)能使電網(wǎng)形態(tài)發(fā)生根本改變。

根據(jù)巴黎協(xié)定2050年全球溫升不超過2℃,國際能源署預(yù)測(cè)2050年電動(dòng)汽車保有量須達(dá)10億輛。按照每輛車80kW•h計(jì)算,儲(chǔ)能容量將達(dá)800億kW•h,基本滿足2050年預(yù)期儲(chǔ)能需求(預(yù)計(jì)風(fēng)光等可再生能源發(fā)電量約1萬億kW•h,需配置不到10%的儲(chǔ)能,即1000億kW•h滿足消納需求)。鋰空氣電池等高密度儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)突破將使電動(dòng)汽車占比超過90%,電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程和充電速度將實(shí)現(xiàn)燃油車完全替代,靜態(tài)和移動(dòng)分布式儲(chǔ)能接入使集中式的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)向分布式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,運(yùn)行管理方式隨之變化,傳統(tǒng)電網(wǎng)的形態(tài)發(fā)生根本改變。

2)相變儲(chǔ)能技術(shù)普及使能源互聯(lián)得以實(shí)現(xiàn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì),40%能源消費(fèi)用于溫度調(diào)節(jié),蓄冷/熱儲(chǔ)能與能源轉(zhuǎn)化技術(shù)是能源體系中的重要環(huán)節(jié)。熱相變儲(chǔ)能技術(shù)的突破和普及,將使能源互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)成為可能。高溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)釋能控制及調(diào)節(jié)技術(shù)得到突破,復(fù)合型高溫相變儲(chǔ)熱材料及大容量規(guī)模化儲(chǔ)熱裝置裝備在建筑物的溫度調(diào)節(jié)和能源系統(tǒng)得到普及,實(shí)現(xiàn)高溫儲(chǔ)熱技術(shù)在太陽能光熱電站的技術(shù)應(yīng)用;基于化學(xué)儲(chǔ)熱的儲(chǔ)熱關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破和普及,高效高儲(chǔ)能密度的儲(chǔ)熱裝置在用戶側(cè)得到普及,實(shí)現(xiàn)化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用于可再生能源制熱-儲(chǔ)熱電站。

3)氫儲(chǔ)能的普及將實(shí)現(xiàn)多類型能源的廣泛利用和靈活轉(zhuǎn)變。

氫儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展完善將帶來氫能利用比例在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)普及,不同能源形式下各種儲(chǔ)能方式共存,用能需求多樣化。能源轉(zhuǎn)換和控制運(yùn)行由單一功能向融合多能源+新型用電等多元復(fù)合功能過渡,呈現(xiàn)分散自治和集中協(xié)調(diào)相結(jié)合的模式。電網(wǎng)通過氫儲(chǔ)能和P2G技術(shù)實(shí)現(xiàn)多種能源方式的轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ),改善調(diào)控手段等方式促進(jìn)可再生能源的利用;可再生能源發(fā)電配合儲(chǔ)氫裝置,成為可調(diào)度、可預(yù)測(cè)、可控制的電源;實(shí)現(xiàn)終端用戶供用電關(guān)系轉(zhuǎn)換、用能設(shè)備的能量緩沖、靈活互動(dòng)以及智能交互;廣泛存在氫動(dòng)力電動(dòng)汽車資源為氫能接入提供重要的支持。

3 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)路徑

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

在儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)理論方面,研究廣域布局的儲(chǔ)能系統(tǒng)與常規(guī)電源、新能源發(fā)電的協(xié)同調(diào)度方法;掌握多個(gè)百M(fèi)W級(jí)儲(chǔ)能在新能源發(fā)-輸-配各環(huán)節(jié)中的規(guī)劃布局方法;研究新型技術(shù)與供電商業(yè)模式下儲(chǔ)能的選型配置方法和經(jīng)濟(jì)性;分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的匯聚效應(yīng)及在虛擬電廠中的運(yùn)行模式和管理策略。研究儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化應(yīng)用的政策和制度需求,包括促進(jìn)儲(chǔ)能發(fā)展的電價(jià)機(jī)制、準(zhǔn)入制度及電力市場(chǎng)機(jī)制;研究多種類電力市場(chǎng)交易下儲(chǔ)能與其他能源的協(xié)調(diào)運(yùn)作機(jī)制。

在儲(chǔ)能本體技術(shù)研究方面,研究針對(duì)現(xiàn)有體系下鋰離子、鉛炭、液流等儲(chǔ)能電池的關(guān)鍵材料改性、本體改進(jìn)、低成本化制備、能效提升和產(chǎn)業(yè)化技術(shù),研究基于離子液體、固態(tài)電解質(zhì)的高安全性電池材料體系和液流電池低成本高可靠膜制備技術(shù);研究空氣壓縮機(jī)和膨脹機(jī)技術(shù),研究儲(chǔ)冷儲(chǔ)熱和儲(chǔ)氣技術(shù),提高轉(zhuǎn)換效率,降低成本。針對(duì)下一代儲(chǔ)能技術(shù),研究鋰硫、鋰空氣等新型高比能量電池技術(shù);研制高效制氫及氫發(fā)電裝備,突破低成本、高效率和規(guī)模化儲(chǔ)氫技術(shù);研發(fā)大容量高溫高能量密度儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷技術(shù)裝備,突破熱相變儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)。

在儲(chǔ)能系統(tǒng)集成及工程化技術(shù)研究方面,研究適用于百M(fèi)W級(jí)儲(chǔ)能電站集成與控制技術(shù)研究及工程示范;開發(fā)儲(chǔ)能系統(tǒng)的虛擬電廠匯聚效應(yīng)控制技術(shù);探索多個(gè)百M(fèi)W級(jí)儲(chǔ)能在新能源發(fā)-輸-配各環(huán)節(jié)中的廣域規(guī)劃布局方法;基于新型器件、拓?fù)浼翱刂品椒ǖ膬?chǔ)能變流器研制;研究規(guī)模化梯次利用電池的重組、集成和熱疏導(dǎo)等安全管理技術(shù);研究儲(chǔ)氫系統(tǒng)的集成及工程應(yīng)用技術(shù);掌握相變儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成及工程應(yīng)用技術(shù);研究飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成及工程應(yīng)用技術(shù);海水抽水蓄能的集成及工程應(yīng)用技術(shù);研究深冷儲(chǔ)能系統(tǒng)集成與試驗(yàn)技術(shù)。

3.2 實(shí)現(xiàn)路徑

儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展及推廣應(yīng)用可分3個(gè)階段。第1階段(2017—2030年)是關(guān)鍵技術(shù)突破及商業(yè)應(yīng)用階段。突破現(xiàn)有體系下的儲(chǔ)能本體制造、能量轉(zhuǎn)換及規(guī)模化集成等關(guān)鍵技術(shù),研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GW級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)多個(gè)GW級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)在用戶側(cè)和間歇式可再生發(fā)電接入電網(wǎng)中的示范應(yīng)用,提出大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)接入技術(shù)規(guī)范。

第2階段(2030—2040年)是大規(guī)模推廣和下一代技術(shù)攻關(guān)階段。完善GW級(jí)儲(chǔ)能裝置的研制,并推廣GW級(jí)儲(chǔ)能裝置在電力調(diào)峰、可再生能源大規(guī)模接入、提高供電可靠性和電能質(zhì)量等場(chǎng)合的應(yīng)用。突破鋰空氣、儲(chǔ)氫、熱相變等下一代儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù),并逐步開展示范應(yīng)用。

第3階段(2040—2050年)是全面推廣應(yīng)用階段。電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣、熱相變和儲(chǔ)氫等不同類型的大容量電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)得到推廣應(yīng)用。高比能電動(dòng)汽車移動(dòng)式鋰空氣儲(chǔ)能、家庭分散儲(chǔ)能裝置等實(shí)現(xiàn)“即插即用”。實(shí)現(xiàn)多種儲(chǔ)能方式的協(xié)調(diào)互補(bǔ)和統(tǒng)一規(guī)劃調(diào)控。大規(guī)模儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)突破的總體思路見圖3。

在充分評(píng)估該技術(shù)領(lǐng)域我國現(xiàn)有水平和國內(nèi)相關(guān)科研工作的基礎(chǔ)上,參考國外儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)技術(shù)路線圖[30],依據(jù)國家電網(wǎng)發(fā)展和建設(shè)對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的迫切需求[31-32],應(yīng)該以集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)在可再生能源接入中的應(yīng)用、分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)在用戶側(cè)峰值負(fù)荷轉(zhuǎn)移和提高電能質(zhì)量中的應(yīng)用為目標(biāo)和突破口,集中力量解決制約大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)在關(guān)鍵部件、容量、壽命、可靠性等方面的制約瓶頸,實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)用。同時(shí)通過標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)和完善,規(guī)范引導(dǎo)本體技術(shù)研發(fā),為儲(chǔ)能技術(shù)長期健康發(fā)展奠定基礎(chǔ),滿足電網(wǎng)發(fā)展和建設(shè)對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)和裝置的迫切要求。

3.3 技術(shù)路線圖

3.3.1 常規(guī)模式下技術(shù)路線

作為一個(gè)戰(zhàn)略性新興技術(shù)領(lǐng)域,常規(guī)模式下的儲(chǔ)能技術(shù)路線研究核心在于各種儲(chǔ)能本體技術(shù),包含關(guān)鍵材料、本體制造、特性分析、產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移等多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié),涉及材料、固體物理、電化學(xué)、化工、自動(dòng)控制等多個(gè)學(xué)科,是一個(gè)典型的前沿性交叉技術(shù)學(xué)科。通過資源整合和體系化平臺(tái),直面關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)難點(diǎn),推動(dòng)原始創(chuàng)新,加快集中攻關(guān)步伐。

如圖4所示,常規(guī)模式技術(shù)路線下,全面掌握戰(zhàn)略布局的先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù),重點(diǎn)攻關(guān)化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、高溫儲(chǔ)熱的材料制備和核心裝置制造技術(shù)[33]。突破儲(chǔ)能系統(tǒng)集成和能量管理等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景不同規(guī)模的示范驗(yàn)證和推廣應(yīng)用。構(gòu)建完備的儲(chǔ)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系,形成相對(duì)完善的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)。

3.3.2 突破模式下技術(shù)路線

突破模式下的整體技術(shù)路線應(yīng)突破現(xiàn)有格局的限制,轉(zhuǎn)而構(gòu)建包括基礎(chǔ)理論、材料制備和表征、本體制造、中試級(jí)產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移和綜合性能評(píng)估分析等覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的體系化研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并建立相應(yīng)的高水平研發(fā)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?通過貫通材料設(shè)計(jì)、裝置開發(fā)、工程示范和綜合評(píng)估等全部環(huán)節(jié),創(chuàng)新體系化研究模式,方能夯實(shí)研究基礎(chǔ),以頂層設(shè)計(jì)思維充分發(fā)揮頂端引領(lǐng)作用,加速推進(jìn)技術(shù)與需求對(duì)接。

突破模式下的技術(shù)路線應(yīng)該積極探索新材料、新方法,實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)勢(shì)的先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)儲(chǔ)備,在液體電池、鎂基電池等新概念化學(xué)電池獲得突破;研究熱化學(xué)儲(chǔ)熱等前瞻性儲(chǔ)熱技術(shù),探索高儲(chǔ)熱密度、低成本、循環(huán)特性良好的新型材料配對(duì)機(jī)制;應(yīng)用V2G虛擬儲(chǔ)能前瞻理論,研究服務(wù)與支撐電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用技術(shù)。

開展10~100MW•h級(jí)示范工程,示范驗(yàn)證10~100MW•h級(jí)面向分布式供能的儲(chǔ)熱(冷)系統(tǒng)和10MW級(jí)以上太陽能光熱電站用高溫儲(chǔ)熱系統(tǒng);研究可再生能源發(fā)電與質(zhì)子交換膜/固體氧化物電池電解水制氫一體化技術(shù)[31],突破高效催化劑、聚合物膜、膜電極和雙極板等材料與部件核心技術(shù),掌握適應(yīng)可再生能源快速變載的高效中壓電解制氫電解池技術(shù),研發(fā)成本低、循環(huán)穩(wěn)定性好、使用溫度接近燃料電池操作溫度的氮基、硼基、鋁基、鎂基和碳基等輕質(zhì)元素儲(chǔ)氫材料,技術(shù)路線如圖5所示。

4 結(jié)論

我國儲(chǔ)能技術(shù)在基礎(chǔ)性研究方向,尤其是儲(chǔ)能基礎(chǔ)理論、新型材料研究方面尚有欠缺,在基礎(chǔ)性、前瞻性交叉技術(shù)領(lǐng)域的個(gè)別環(huán)節(jié)較為薄弱,儲(chǔ)能裝置技術(shù)水平與巨大需求之間存在較大差距,在產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移能力建設(shè)方面有待加強(qiáng),尚未建成完整的體系化研究閉環(huán),還不能發(fā)揮戰(zhàn)略作用,亟待補(bǔ)充和強(qiáng)化。

在2050年技術(shù)攻關(guān)重點(diǎn)和頂層設(shè)計(jì)中,以需求引導(dǎo)為驅(qū)動(dòng),建立以基礎(chǔ)理論為指導(dǎo)、先進(jìn)儲(chǔ)能材料及本體技術(shù)為創(chuàng)新根本、關(guān)鍵裝備技術(shù)為抓手的全新研發(fā)模式,完善儲(chǔ)能領(lǐng)域創(chuàng)新研究體系。

目標(biāo)是突破大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)局限,滿足電網(wǎng)接納大比例新能源并網(wǎng)消納及調(diào)峰需求。針對(duì)未來電網(wǎng)與熱力網(wǎng)、氫-天然氣網(wǎng)等不同能源網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)互通的需求,突破低成本相變儲(chǔ)熱(蓄冷)技術(shù)、高轉(zhuǎn)換效率、長壽命儲(chǔ)氫技術(shù),實(shí)現(xiàn)以電為中心的不同能源網(wǎng)絡(luò)間柔性互聯(lián)、調(diào)劑和聯(lián)合調(diào)控,促進(jìn)清潔能源大規(guī)模轉(zhuǎn)化、網(wǎng)絡(luò)化存儲(chǔ)和多形態(tài)消納。突破高比能量鋰空氣儲(chǔ)能電池技術(shù),滿足電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的要求,并在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的大規(guī)模、大范圍推廣應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)V2G運(yùn)行模式,開創(chuàng)適用于電網(wǎng)新形態(tài)的電網(wǎng)運(yùn)行管理新模式。

(張明霞 閆濤 來小康 陳繼忠 牛萌 徐少華)

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