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新型储能是支撑“双碳”目标实现和新型电力系统建设的关键技术,规模化储能应用将成为新型电力系统的重要标志。
不同储能技术路线各有优劣
新型储能按照技术类别可以分为机械储能、电化学储能、电磁储能、热储能和氢储能。其中,机械储能主要包括压缩空气储能、飞轮储能、二氧化碳储能、重力储能等;电化学储能主要包括锂离子电池、钠离子电池、铅蓄电池、液流电池等;电磁储能主要包括超导储能、超级电容器等;热储能主要包括显热储能、潜热储能及热化学储能。
机械储能具有类比于常规火电机组的主动支撑能力,且能够满足长时储能需求。尤其是机械储能中的压缩空气储能技术逐渐成熟,将成为未来极具发展潜力的新型储能。常规基于天然盐穴的压缩空气储能受盐穴资源限制,建设局限性较大;基于人工硐室压缩空气储能利用基岩造穴,理论上全国均可选址,布局较为灵活,未来发展前景广阔。
电化学储能充放时间可以控制在毫秒级,对受端电网频率的支撑能力较高,且布局灵活,能量密度整体较高。目前最常应用的锂离子电池储能适用于4小时以内的短时间尺度储能场景,但因其存在燃爆风险,安全性仍需进一步提升。同时,锂离子电池储能受碳酸锂等主要上游原材料价格制约,未来大规模发展存在不确定性。钠离子电池、液流电池等新型的电化学储能技术能够实现电池的本质安全,且具备一定长时储能能力,但也存在运行问题,钠离子电池在高温运行下存在腐蚀问题和安全隐患,液流电池充放电效率偏低,关键设备仍需进一步突破,但从中远期来看,应用前景广阔。
电磁储能具有较高的技术安全性和布局灵活性,效率较高且使用寿命长。但此类储能技术仅适用于超短时间尺度储能应用场景,能量密度低、成本高,同时无法对系统提供主动支撑,总体来看电力系统对其需求较小。
热储能具有容量大、寿命长、安全性好、布局相对灵活等优点,但现阶段转化损耗大、效率较低。热储能可以作为能量转化过程中的一个环节,如光热发电、清洁电能供热等,在支撑未来多能源品种转换应用、提升综合能源系统利用效率方面发展前景广阔。
氢储能能量密度较高且外部环境依赖性小,储能过程无污染,同时适用于极短或极长时间供电,是极具潜力的新型大规模储能技术。氢储能缺点在于涉及电制氢、氢储运和氢发电等环节,全过程转换效率低,并且氢属于易燃易爆品,存在一定安全隐患。但目前来看,氢储能是解决未来系统跨月跨季平衡调节问题的主要举措,亟需大力推进。
总体来看,各类储能技术的储能时长、能量密度等特性不尽相同,存在各自匹配的应用场景,不存在“包打天下”的储能技术。因此,应积极推动新型储能技术多元化发展,根据新型电力系统不同建设阶段的系统需求,重点发展推广不同的储能技术路线。
各类新型储能技术应用前景研判
基于新型电力系统近期(2030年)、远期(2060年)对储能技术的需求差异,研判新型储能各类技术应用前景。
近期,对新型储能技术的要求聚焦于技术安全性、布局灵活性、稳定支撑性方面,结合各类储能技术的性能指标和发展成熟度,应着力发展高安全性电化学储能技术及高灵活性压缩空气储能技术。要提升锂电池安全性、降低锂电池成本,发展钠离子电池、液流电池等电化学储能技术,同时推进基于人工硐室等压缩空气储能技术,实现日以内时间尺度的电力系统调峰和能量调度,满足大规模新能源调节、存储、消纳需求。
远期,需重点推动压缩空气储能、热储能、氢储能、重力储能等长时储能技术发展。同时,为全面支撑碳中和目标的如期实现、维护新型电力系统的长期安全灵活稳定运行,新型储能技术要继续朝着高支撑能力、高能量密度、环保安全、灵活布局的方向发展,应持续革新改进储能本体材料,实现各类储能技术的大容量、长寿命、跨季节突破与规模化发展,持续推进长时、短时多元化新型储能技术的有机结合和优化运行,充分发挥各类新型储能技术的优势,实现跨季节、大范围的可再生能源存储与调节。
更好发展新型储能技术的建议
一是结合系统需求统筹推进多元化储能技术创新发展。以新型电力系统建设需要为导向,推动新型储能技术创新。综合考虑技术成熟度、安全性、技术经济性等因素,在发展电化学储能的同时,需统筹开展压缩空气储能、钠离子电池、液流电池、热储能、氢储能等多元化新型储能技术路线示范,加快关键储能技术研发,开展重大工程示范,进一步带动产业化发展,实现各类新型储能共同发展、优势互补、协调运行,满足不同应用场景下、不同发展阶段的电力系统实际需求。
二是提前开展长时新型储能关键技术攻关布局。未来电力系统的调节需求将由日内调节转变为跨日、跨周乃至跨月等长时间尺度调节,亟需提前开展以氢储能为代表的长时储能技术研究。大力推动可再生能源制取绿氢,重点研发质子交换膜和高温固体氧化物电解制氢等关键技术,开展氢储运/加注关键技术、燃料电池设备及系统集成关键技术研发和推广应用,实现氢能制备利用关键技术完全国产化,研发纯氢气燃气发电机组。
三是积极建立多元灵活的新型储能电价机制和市场机制。为更好地推进各类储能技术发展,需结合其所发挥的功能建立针对性的配套价格机制。比如对于以支撑电力系统调节为主要功能的新型储能,可考虑参照抽水蓄能电价机制,建立电量电价与容量电价相结合的两部制电价机制。用于替代电网输变电设备投资的新型储能,需确保其相较于其他输变电设备有更好的经济性,经评估认证后可纳入输配电价回收。同时,还需加快推动新型储能参与电力现货市场,发挥移峰填谷和顶峰供电作用,充分发挥价格信号引导作用,适当增加现货市场价差,扩大储能盈利空间。适时建立容量市场,体现储能对系统容量支撑方面的价值,推动储能在市场中获得合理收益。 (作者:电力规划设计总院王雅婷 王一珺 蔡琛)
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