在新的電力系統(tǒng)中，儲(chǔ)能方式將成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是新能源消納和電網(wǎng)安全的必要保障，在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、電力側(cè)都將得到廣泛應(yīng)用，需求空間廣闊。在中國市場(chǎng)，風(fēng)電強(qiáng)制配送和儲(chǔ)能政策促進(jìn)了儲(chǔ)能需求的指數(shù)式增長。

在市場(chǎng)需求爆發(fā)和政策鼓勵(lì)的雙重推動(dòng)下，成熟的抽水蓄能和鋰電儲(chǔ)能方式呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，其他新型儲(chǔ)能方式也進(jìn)入發(fā)展的快車道。本帖對(duì)抽水蓄能、鋰離子電池、壓縮空氣儲(chǔ)能方式、鈉離子、釩液流電池和鉛碳電池等六種儲(chǔ)能方式的發(fā)展現(xiàn)狀、系統(tǒng)成本和應(yīng)用前景進(jìn)行了評(píng)估。

 

多種儲(chǔ)能方式路線進(jìn)入發(fā)展快車道

根據(jù)不同的時(shí)間要求，儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景大致可分為四類：容量型（≥4h）、能量型（約1-2H）、功率型（≤30min）和待機(jī)型（≥15min）。

電容式儲(chǔ)能的場(chǎng)景包括削峰填谷或離網(wǎng)儲(chǔ)能等。長期儲(chǔ)能方式有很多種，包括抽水蓄能、壓縮空氣、蓄熱、蓄冷、蓄氫，以及各種電容式儲(chǔ)能電池（如鈉硫電池、液流電池、鉛碳電池、鋰漿電池等）。

2017年至2020年，電網(wǎng)響應(yīng)能源局和中國發(fā)改委降低風(fēng)、光縮減率的決定，充分利用電力系統(tǒng)的柔性資源吸收新能源，使風(fēng)、光縮減率下降到2%。同時(shí)，電網(wǎng)壓力凸顯，部分省份開始要求電力側(cè)配置儲(chǔ)能。2021年，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的多個(gè)大片文件出臺(tái)，儲(chǔ)能迎來了歷史性的發(fā)展機(jī)遇。

從整個(gè)電力系統(tǒng)的角度來看，儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景可以分為三大場(chǎng)景：發(fā)電側(cè)、輸配電側(cè)、用電側(cè)。此外，應(yīng)用還包括輔助服務(wù)、分布式發(fā)電和微電網(wǎng)。

 

儲(chǔ)能技術(shù)在電力行業(yè)應(yīng)用廣泛

從技術(shù)原理上看，儲(chǔ)能方式可分為物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和電能儲(chǔ)能、熱能儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能方式。

 

 

在各種儲(chǔ)能方式中，抽水蓄能的應(yīng)用最為成熟。儲(chǔ)熱方式也已進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段，我國火電靈活性改造大多采用儲(chǔ)熱技術(shù)；鋰離子電池儲(chǔ)能方式近兩年得到快速應(yīng)用；壓縮空氣和液流電池也已得到商業(yè)化應(yīng)用。

 

六種儲(chǔ)能方式的分析

 

1.抽水蓄能
抽水蓄能具有技術(shù)優(yōu)良、成本低、壽命長、容量大、效率高等優(yōu)點(diǎn)。由于抽水蓄能電站的運(yùn)行方式是電能與水勢(shì)能之間的能量轉(zhuǎn)換，其儲(chǔ)能能力主要取決于上下水庫的高度差和水庫容量，因水蒸發(fā)漏水現(xiàn)象造成的損失幾乎可以忽略不計(jì)。

抽水蓄能能期無限延長，能適應(yīng)各種儲(chǔ)能循環(huán)要求；系統(tǒng)的循環(huán)效率可達(dá)到70%-80%。同時(shí)，抽水蓄能電站建成后的壩體可使用100年左右，電機(jī)設(shè)備的預(yù)期使用壽命約為40-60年。

 

 

成本計(jì)算： 目前，最經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)能方法是探索抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)性。我們計(jì)算了抽水蓄能電站儲(chǔ)存能量的千瓦時(shí)成本。

 

 

考慮到抽水蓄能電站的初始投資成本與項(xiàng)目選址密切相關(guān)，后期新項(xiàng)目的選址經(jīng)濟(jì)性下降，初始投資成本可能上升。此外，假設(shè)電站的實(shí)際循環(huán)次數(shù)在300-500次之間。據(jù)估計(jì)，在不考慮充電成本的情況下，常規(guī)抽水蓄能電站的LOCE范圍為0.23-0.34元/千瓦時(shí)。

自 “十四五 “規(guī)劃以來，中國加快了抽水蓄能項(xiàng)目的部署。到2025年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模將比 “十三五 “翻一番，達(dá)到6200萬千瓦以上（按6元/瓦計(jì)算，投資必須達(dá)到1800億元左右）；

到2030年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模將比 “十四五 “再翻一番，達(dá)到1.2億千瓦左右（按6元/瓦計(jì)算，投資必須達(dá)到5400億元左右）；此外，2021年8月公布的規(guī)劃儲(chǔ)能項(xiàng)目名單中，共有551個(gè)項(xiàng)目，總規(guī)模達(dá)6.79億千瓦。

 

 

在政策的推動(dòng)下，全國各省市迅速布局抽水蓄能項(xiàng)目。2022年1月以來，已有20個(gè)省份公布了2022年省級(jí)重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目名單。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前各省公布的重點(diǎn)項(xiàng)目中，抽水蓄能累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)104.3GW，累計(jì)投資超過6000億元。

 

2.鋰離子電池儲(chǔ)能方式

2021年，鋰離子電池占中國電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)的89.7%，是目前最成熟、發(fā)展勢(shì)頭最迅猛的儲(chǔ)能方式，常見的家用鋰離子儲(chǔ)能電池是動(dòng)力墻電池。

鋰離子儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈由上游設(shè)備提供商、中游集成商和下游終端用戶組成。設(shè)備包括電池、EMS（能源管理系統(tǒng)）、BMS（電池管理系統(tǒng)）和PCS（轉(zhuǎn)換器）。集成商包括儲(chǔ)能系統(tǒng)集成和EPC；終端用戶由發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)和通信/數(shù)據(jù)中心組成。

 

 

儲(chǔ)能電池是電化學(xué)儲(chǔ)能方式的核心部分。目前，市場(chǎng)上的主流電池按技術(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)路線的電池的響應(yīng)速度和放電效率不盡相同，也有各自的應(yīng)用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年中國儲(chǔ)能電池出貨量為48GWh，其中電力儲(chǔ)能電池出貨量為29GWh，同比增長339%；而據(jù)報(bào)道，2021年全球儲(chǔ)能電池總出貨量為66.3GWh，同比增長132.6%，電力系統(tǒng)儲(chǔ)能為主要增量貢獻(xiàn)。

 

 

磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能方式的成本分析

根據(jù)正極材料的不同，目前主流的鋰離子電池有兩種類型：三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池的能量密度比三元材料低，成本也更低。儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)δ芰棵芏纫蟛桓?，成本低、壽命長的磷酸鐵鋰電池更受歡迎。

作為整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件，電池成本占整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的50%，是儲(chǔ)能系統(tǒng)后續(xù)成本降低的重要渠道。2021年，我國磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能招標(biāo)價(jià)格大多集中在1.2-1.7元/Wh。

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）。自2021年以來，大量的EPC被授予價(jià)格在1.3-1.7人民幣/千瓦時(shí)之間。

 

3.壓縮空氣儲(chǔ)能方法

壓縮空氣儲(chǔ)能方式在中國不斷進(jìn)步。壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）、高級(jí)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）、液體壓縮空氣（LAES）等都已被研究覆蓋。已完成500kW容量級(jí)、1.5MW容量級(jí)和10MW容量級(jí)的壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目。

1978年建成的德國漢特福德商業(yè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站和1991年建成的美國阿拉巴馬商業(yè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站。中國已經(jīng)開展了壓縮空氣、超臨界壓縮空氣和液體壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目的研究和開發(fā)。

其中，張家口國際首個(gè)100MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目于2021年底成功并網(wǎng)發(fā)電，整體研發(fā)過程和系統(tǒng)性能均處于國際領(lǐng)先水平。

 

壓縮空氣儲(chǔ)能的成本分析

系統(tǒng)效率的提高和成本的降低是壓縮空氣儲(chǔ)能商業(yè)化發(fā)展的基礎(chǔ)。目前，根據(jù)已建成和在建的項(xiàng)目，兆瓦級(jí)的系統(tǒng)效率可以達(dá)到52.1%。

10兆瓦級(jí)的系統(tǒng)效率可達(dá)到60.2%，100兆瓦級(jí)及以上的系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率可達(dá)到70%，先進(jìn)的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)效率可接近75%。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，單位投資成本也不斷降低，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模增加一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，單位成本可降低30%左右。

 

 

初始投資和利用小時(shí)數(shù)的變化對(duì)千瓦時(shí)成本有很大影響，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)主要取決于電站在實(shí)際運(yùn)行中的利用率。每天的充放電次數(shù)越多，成本越低。在100MW/400MWh的系統(tǒng)中，初始投資為5-6元/W，年周期為450-600次，千瓦時(shí)成本范圍為0.252-0.413元/千瓦時(shí)。

綜上所述，壓縮空氣儲(chǔ)能有望在能源效率提高后成為大型儲(chǔ)能電站領(lǐng)域抽水蓄能的重要補(bǔ)充。

 

4.鈉離子儲(chǔ)能方式

鈉離子電池有望表現(xiàn)良好。決定電化學(xué)儲(chǔ)能能否大面積應(yīng)用的關(guān)鍵因素包括安全性、材料資源的可用性、高低溫性能、壽命、投資成本等。

根據(jù)鈉離子電池的最新研究進(jìn)展，它在這些方面都表現(xiàn)出良好的性能。大規(guī)模應(yīng)用后，鈉離子電池的成本有望低于鐵鋰電池，可廣泛應(yīng)用于大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能、低速電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。它有望與鋰離子電池形成互補(bǔ)和有效的替代。

 

鉛酸電池、鋰離子電池和鈉離子電池的性能比較

相關(guān)研究表明，鈉離子電池的材料成本約為370元/千瓦時(shí)，隨著產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，材料成本有望進(jìn)一步挖掘，結(jié)合結(jié)構(gòu)件和電氣件的成本，初始容量投資有望控制在500-700元/千瓦時(shí)；在性能方面，隨著研發(fā)的不斷投入和技術(shù)迭代，電池循環(huán)壽命有望超過8000次。

 

 

鈉離子電池的材料成本優(yōu)勢(shì)明顯

2010年以來，鈉離子電池受到中國和其他國家學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，其相關(guān)研究也迎來了爆發(fā)式增長。中國和其他國家的許多企業(yè)正在積極進(jìn)行鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)布局。包括FARADION、NatronEnergy、Tiamat、Kishida Chemical、Toyota、Panasonic、Mitsubishi Chemical，以及中國的Hinabattery、CATL、Natriumenergy等公司。

目前，我國在鈉離子電池產(chǎn)品的研發(fā)制造、標(biāo)準(zhǔn)制定和市場(chǎng)應(yīng)用推廣方面的工作正在全面展開。鈉離子電池即將進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段，相關(guān)工作已走在世界前列。

 

鈉離子成本分析 鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)LCOS計(jì)算核心假設(shè)

考慮到商業(yè)化后，電池的成本和性能會(huì)有很大的提高。假設(shè)初始投資成本為0.9-1.2元/Wh，壽命為10年，循環(huán)壽命范圍為2000-6000次，對(duì)鈉離子電池進(jìn)行敏感性分析，如果成本低于1.1元/Wh，循環(huán)壽命在3000次以上，KWH成本將在0.270-0.662元之間，優(yōu)于鐵鋰電池。

 

5.全釩液流電池儲(chǔ)能

釩電池的電能以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在不同價(jià)位釩離子的硫酸電解液中，疊加電解水力通過外部泵體，在機(jī)械動(dòng)力的作用下進(jìn)入電池。

在不同的儲(chǔ)槽和半電池循環(huán)的閉環(huán)流動(dòng)中，利用質(zhì)子交換膜作為電池隔膜，電解質(zhì)溶液平行通過電極表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，收集并傳導(dǎo)電流通過雙電極板，使儲(chǔ)存在溶液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。這種可逆反應(yīng)過程使釩電池能夠成功充電、放電和再充電。

液流電池具有壽命長、安全性好、輸出功率大、儲(chǔ)能容量大和易擴(kuò)容等特點(diǎn)，壽命為15-20年，與其他儲(chǔ)能方式相比，與風(fēng)電場(chǎng)硬件的匹配度最高，特別適合風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能，滿足其頻繁充放電、大容量、長時(shí)間的儲(chǔ)能需求。當(dāng)然，全釩液流電池的能量密度低，體積和質(zhì)量比其他電池大很多，而且要求溫度環(huán)境為5-40°。

 

 

全釩液流儲(chǔ)能方式優(yōu)勢(shì)

2010年以來，我國百萬千瓦級(jí)全釩液流電池示范工程開始陸續(xù)開展。2019年以來，我國液流電池儲(chǔ)能示范項(xiàng)目正在加快建設(shè)。

一期 “200MW/800MWh大連液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站國家示范工程 “100MW/400MWh全釩液流電池儲(chǔ)能電站已完成主體工程建設(shè)，進(jìn)入單體模塊調(diào)試階段。預(yù)計(jì)6月份完成并網(wǎng)調(diào)試，這是目前世界上最大的釩液流儲(chǔ)能項(xiàng)目。

 

中國近年來規(guī)劃或建設(shè)的釩液流儲(chǔ)能項(xiàng)目

目前，成本問題仍是釩電池大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)。由于缺乏商業(yè)規(guī)模，且受設(shè)備、容量和前期投資高的限制，參考大唐10MW/40MWh全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備招標(biāo)和大連液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站國家示范工程投資情況，預(yù)計(jì)釩電池的初始成本約為鋰電池的3倍。

 

全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)LCOS計(jì)算的核心假設(shè)

初始投資和利用小時(shí)數(shù)的變化對(duì)千瓦時(shí)有很大影響，但隨著技術(shù)進(jìn)步，初始投資仍有下降空間。利用小時(shí)數(shù)主要取決于電站實(shí)際運(yùn)行中的利用率。在一個(gè)100MW/400MWh的系統(tǒng)中，當(dāng)初始投資為11-13元/W，年循環(huán)次數(shù)達(dá)到600次以上時(shí)，儲(chǔ)能千瓦時(shí)的成本范圍為0.44-0.69元/千瓦時(shí)。
全釩液流電池LCOS的敏感度分析（人民幣/千瓦時(shí)）

 

6.鉛碳電池儲(chǔ)能方式

鉛碳電池是一種電容式鉛酸電池，是由傳統(tǒng)的鉛酸電池演變而來的技術(shù)。普通鉛酸電池的正極活性材料是氧化鉛（PbO2），負(fù)極活性材料是鉛（Pb）。如果將負(fù)極活性材料Pb全部換成活性炭，普通鉛酸電池就變成了混合電容器。如果將活性炭混入負(fù)極活性材料Pb，普通鉛酸電池就變成了鉛炭電池。

 

鉛碳儲(chǔ)能方法的進(jìn)展

美國Axion公司于2006年建立了鉛碳電池生產(chǎn)線，并于2009年開始批量銷售鉛碳電池。中國領(lǐng)先的酸電池工廠已經(jīng)開展了鉛碳電池的研發(fā)和生產(chǎn)，例如，圣陽股份與日本古河公司于2014年簽署合作協(xié)議，授權(quán)圣陽股份在中國工廠進(jìn)行鉛碳電池本地化生產(chǎn)；

 

 

南都電源先后開發(fā)了臨安2MWh、浙江鹿島4MWh微電網(wǎng)儲(chǔ)能、珠海萬山島6MWh等儲(chǔ)能項(xiàng)目板塊；2018年，信威集團(tuán) “電力儲(chǔ)能用鉛炭電池2V1000 “項(xiàng)目獲得浙江省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)；天能電源表示，其高性能鉛炭電池是自主研發(fā)的具有國際領(lǐng)先技術(shù)水平的新型電池。

2020年12月，獲得國務(wù)院批準(zhǔn)的中國工業(yè)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)項(xiàng)–中國工業(yè)大獎(jiǎng)項(xiàng)目獎(jiǎng)。鉛炭電池的敏感性分析表明，初始投資成本為0.8-1元/瓦，年循環(huán)次數(shù)達(dá)到500次以上時(shí)，鉛炭電池儲(chǔ)能千瓦時(shí)的成本范圍為0.52-0.747元/千瓦時(shí)。通過計(jì)算和比較發(fā)現(xiàn)，雖然鉛炭電池的初始投資成本較低，但其放電深度低于其他儲(chǔ)能方式，因此千瓦時(shí)的成本優(yōu)勢(shì)并不明顯。

此外，如果考慮到實(shí)際使用中的能量損耗成本，鉛碳電池由于其能量效率低于鐵鋰電池，將處于一定的劣勢(shì)。在新型儲(chǔ)能條件下，鉛炭電池也有望通過技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)能效提升和成本降低。

在這六條儲(chǔ)能方式路線中，你更喜歡哪一條？