全球能源互联网中的储能技术及应用*

2020-03-06李建林孟高军周京华石文辉张占奎

电器与能效管理技术 2020年1期

李建林, 孟高军, 葛乐, 周京华, 石文辉, 张占奎

(1.北方工业大学北京市变频技术工程研究中心, 北京 100144; 2.南京工程学院, 江苏南京 211167; 3.中国电力科学研究院有限公司新能源与储能运行控制国家重点实验室, 北京 100192)

0 引言

在国家战略全球能源互联中,储能技术充当着不可或缺的角色。推进能源消费结构向低碳化和清洁化方向转型已成全球重要共识[1-3]。大规模发展风能、太阳能等可再生清洁能源是实现能源可持续发展和改善环境质量的有效途径。为应对石化能源开发利用带来的能源和环境危机,以及未来能源不足所带来的危机,以电能替代与清洁替代为特征的能源革命在全球蓬勃兴起[4],全球能源互联网概念应运而生。

能源互联网是以电力系统为核心纽带,以清洁能源为主导的互联互通、共建共享的现代能源系统,实质就是“智能电网+特高压电网+清洁能源[5-7]。全球能源互联网是“两个替代”的重要载体,代表着当前及未来世界能源发展的趋势[8]。全球能源互联网的发展需要坚持两个基本原则:清洁能源发展原则和能源全球互联互通配置原则[9]。因此,在能源互联网的发展进程中,清洁能源将得到快速发展与利用,以风能和太阳能为代表的可再生清洁能源发电在电力系统中的渗透比例逐渐增大。然而,风电和太阳能发电的出力具有不确定性,大规模的发电并网对电力系统造成巨大冲击,对电网的电压、频率稳定造成重要的影响,危害电网的安全、稳定;最终导致大规模弃风、弃光问题,会严重阻碍全球能源互联网发展的进程。

近年来,储能技术迅速发展,在全球能源互联网中的作用日渐凸显。储能技术作为能源互联网的重要组成部分,是智能电网、可再生能源高占比能源系统、能源互联网的重要组成部分和关键支撑技术[10-11]。通过在电力系统中增加能源存储环节,可以改变电能即发即用的传统模式,使得“刚性”电网变得柔性灵活,从而提高电网运行的安全性、经济性、灵活性。储能不仅可提高常规发电和输电的效率、安全性和经济性,也是实现可再生能源平滑波动、调峰调频,满足可再生能源大规模消纳、接入的重要手段,同时也是分布式能源系统、电动汽车产业的重要组成部分[12]。因此,储能在未来能源互联网中具有举足轻重的地位[13-14]。

综合上述分析,首先介绍储能技术的应用类型及特性,并对全球能源互联网中各个环节的储能技术发展的必要性及当前全球储能发展现状进行分析阐述。在此基础上,将重点梳理全球典型国家和地区的储能市场发展状况,总结分析典型国家、地区的储能产业导向政策对储能市场发展的积极推动作用。然后,针对全球能源互联网发展框架,给出源、网、荷等能源互联网重要环节的储能技术规划方案。最后,结合当前储能产业发展现状、地区政策导向因素与未来能源发展需求,对未来储能技术的发展前景作出展望与预测。

1 全球能源互联网的储能需求分析及概况

1.1 储能技术的类型与特性

在能源互联网中,传统的能源产生、传输、消费的模式将发生改变。大规模储能系统的应用,使得能源转换与利用更加高效,实现了能源的时空平移,解决了能源在生产、传输以及使用环节的不同步性,奠定了能源互联网互通共享原则的基础[15]。

按存储介质进行分类,储能技术主要分为物理储能、电化学储能、电气储能、化学储能以及热储能五大类[16]。储能技术分类如图1所示。

主要储能技术及其效率与应用如表1所示。

1.2 全球能源互联网中的储能需求分析

在能源互联网组成部分的发展思路下,能源的产生、传输以及终端消费将以电能的形式体现,储能技术在能源网络中的各个环节都有着广泛的应用需求。

表1 主要储能技术及其效率与应用

1.2.1 储能技术在电源侧的需求分析

随着全球能源互联网建设程度的深入,未来在全球范围内风电与光伏发电将迎来大规模的开发。大规模可再生能源发电并网时,出力的随机性、波动性使得电力系统的安全性和稳定性受到威胁,导致电网无法完全消纳风电与光电,造成可再生能源利用效率低下。储能技术在电源侧的应用可以解决如下问题:

(1)克服可再生能源发电的预测误差,跟踪计划出力,降低系统备用容量,提高电网对可再生能源的接纳能力。

(2)平滑可再生能源发电的不确定性输出,有效降低其出力对电网的冲击,提高可再生能源发电的并网友好性。

(3)利用大规模储能“削峰填谷”,实现能源与负荷的时空平移,提高能源利用效率与经济性。

1.2.2 储能技术在电网侧的需求分析

随着电网的结构及其负荷日益庞大、复杂,电网的电能质量以及电能传输通道堵塞问题日益突出,亟需大容量储能系统来解决电网调峰、调频、谐波等电能质量问题,并提升电能传输能力。储能在电网侧应用分为两个部分:输电网应用与配电网应用。储能系统在输电网中的应用主要包括以下两方面:

(1)作为输电网投资升级的替代方案(延缓输电网的升级与增容),提高关键输电通道、断面的输送容量或提高电网运行的稳定水平。

(2)作为新的手段,安装在输电网中以提升电网的输送能力,降低对输变电设备的投资。在配电网中,储能接入配电网可以减少或延缓配电网升级投资,并且分布在配电网中的储能还可以在相关政策和市场规则允许的条件下为大电网提供调频、调峰、容量备用和电能质量治理等辅助服务。

1.2.3 储能技术在用户侧的需求分析

在用户侧,储能主要应用于峰谷差电价套利,保证用户供电可靠性,改善电能质量问题,提高分布式能源就地消纳等方面。具体如下:

(1)在实施分时电价的电力市场中,储能是帮助电力用户实现分时电价管理的理想手段,可以降低用户的整体用电成本。

(2)使用储能设备为用户最高负荷供电,还可以降低输变电设备容量,减少容量费用,节约总用电费用。

(3)提高供电的可靠性。当供电线路发生故障时,为重要负荷提供不间断电源。

(4)提高分布式能源的就地消纳能力,提高用户端能源自给自足能力,改善用户侧发电的电能质量。

1.3 全球储能技术发展概况

近年来,全球储能产业发展迅速。据不完全统计显示,截至2018年6月,全球储能项目装机规模累计达195.74 GW(共1 747个在运项目),同比增长1.7%。其中,抽水蓄能184.20 GW(353个在运项目);储热4.03 GW(225个在运项目);其他机械储能2.65 GW(78个在运项目);电化学储能4.83 GW(1077个在运项目);储氢0.02 GW(14个在运项目)。2018年全球储能市场累计装机规模各类型储能所占比重如图2所示。

从储能技术的分布区域看,全球的储能项目装机分布极不均匀,主要分布在亚洲、欧洲和北美。其中,亚洲主要是中国、日本、印度和韩国,欧洲主要是西班牙、德国、意大利、法国、奥地利,北美洲主要是美国。这10个国家的累计装机量约占全球的4/5[17]。2018年全球累计运行储能装机前10名如图3所示。

目前,按照储能技术分布的类型来看,抽水蓄能仍占最大的比例。但随着技术的进步和材料成本的下降,电化学储能技术将成为储能系统应用的主要类型。

截至2017年底,全球电化学储能项目累计装机规模为2 926.6 MW。从全球已投运的电化学储能项目的技术分布上看,锂离子电池累计装机规模最大,为2 213 MW,所占比重为76%;钠硫电池和铅蓄电池分列第二、三位,所占比重分别为13%和7%。

从已经投运的电化学储能项目的应用分布上看,主要分为5个方面的应用:电网侧、辅助服务、电源侧、用户侧以及集中式可再生能源并网。其中辅助服务领域累计装机规模最大,为1 005.7 MW,占比为34%,集中式可再生能源并网、用户侧分居第二、三位,所占比重分别为28%、18%。

电化学储能是储能市场保持增长的新动力,是未来储能技术发展的主要方向。电化学储能技术的发展与创新受到各国的密切关注与支持[18]。

2 国内外典型国家储能技术发展现状及政策

近年来,随着各个国家对可再生能源开发利用的规模加大,储能技术的发展与突破也成为各国关注的重点领域。目前,亚洲、欧洲、北美等地区的一些国家已建设了相关的储能项目,并出台了相关政策补贴措施来促进储能项目的研究与应用。下面选择几个典型国家或地区的储能技术发展现状与政策进行分析梳理。

2.1 中国

2.1.1 储能装机规模

我国的储能产业发展起步较晚,但是发展迅速。根据相关不完全统计,截至2018年底,我国储能总装机容量已达到31.2 GW,占全球市场的17.3%。

从储能技术装机类型看,抽水蓄能作为目前发展最为成熟的储能技术,其装机容量仍占据主导地位,为30.0 GW,占比为96%。电化学储能技术作为应用最为广泛、发展潜力最为巨大的储能技术,近年来得到了飞速的发展,在2018年我国的电化学储能累计装机容量突破1 GW大关,达到1 072.7 MW,占全球电化学储能总装机容量的16.2%。2018年,我国储能新增装机容量为2.3 GW,电化学储能新增0.6 GW,占比超过25%,同步增幅达414%。在电化学储能累计装机容量中,锂离子电池因为其自身突出优势,占比高达68%,铅蓄电池次之。其他储能技术如超级电容、超导储能等因为容量以及技术限制,占比有限。

从储能技术应用领域上看,我国新增电化学储能主要集中在用户侧领域,为59%,其次是集中式可再生能源并网领域,所占比重接近25%。

从地域上看,我国的西北与华东地区是储能技术发展的重点地区,比重分别为55%与25%。江苏、河南、青海、广东、内蒙古等省份是目前电化学储能装机较大的地区。

在一定时间内,我国的储能产业中仍然以抽水蓄能为主。电化学储能可实现产业化生产,方便灵活,发展潜力巨大,是我国未来储能技术发展的重要方向,预计短期内我国电化学储能装机规模将保持高速增长。

2.1.2 相关政策

近年来,我国储能产业的迅猛发展与政策因素密不可分,自2015年以来对储能产业的扶持政策密集出台。

在国家层面上,“十三五”期间,储能被列入“十三五”规划,首次正式进入国家发展规划。2017年,国家发改委、财政部、科技部、工业和信息化部和国家能源局联合发布《关于促进我国储能技术与产业发展的指导意见》,提出了未来10年我国储能产业的发展目标,即在未来10年内储能产业的发展分两个阶段推进,第一阶段为:在“十三五”期间,实现储能由研发示范向商业化初期过渡;第二阶段为:在“十四五”期间,实现商业化初期向规模化发展转变。该指导意见是我国在国家层面上的第一个指导性政策,从技术创新、应用示范、市场发展、行业管理等方面对我国储能产业发展进行了明确部署,有效地促进了我国储能多元发展的良好态势。

在地方层面上,随着国家五大部门的储能《指导意见》的发布,各地纷纷出台有关储能项目、发展规划的政策。2017年,山西能监办下发《关于鼓励电储能参与山西省调峰调频辅助服务有关事项通知》,加强引导储能进入电力市场。2018年,江苏省发布首个升级峰谷电价政策《江苏省物价局关于创新和完善促进绿色发展价格机制的实施意见》,利用峰谷差价,辅助服务补偿机制促进储能发展。河南省能监办印发《河南电力辅助服务补偿机制实施方案》,鼓励储能设备参与电力市场辅助服务。此外,山东、广东、甘肃等地也出台相应政策,响应国家发展规划,积极探索储能产业的发展道路。

目前,国家与地方对于储能产业的发展支持力度不断加大,在政策力度上不断加码,可以预见,在不久的未来,我国储能产业将迎来巨大的发展。

2.2 美国

2.2.1 储能装机规模

美国是全球储能产业发展较早的国家,也是目前拥有储能项目最多的国家,拥有全球近半的示范项目。截至2018年12月,美国装机总规模达到32.9 GW,占全球比重的18.2%。

在美国,储能类型仍是以抽水蓄能为主,装机规模为31.6 GW。但是,未来美国电网储能系统趋势向多功能、灵活性发展,因此电化学储能成为美国储能系统发展的首选。目前美国是全球最大的电化学储能市场,并且电池储能设施的安装以每年30%～40%的速度增长。2018年,美国电化学储能装机新增331 MW、777 MWh,突破历年电化学储能新增装机规模纪录。电化学储能电站是全球储能发展的重要趋势。

从应用领域上看,辅助服务应用占比最大,但是由于2017年加州电源侧储能项目的规模化应用,电源侧储能投入开始呈现出明显的大规模应用趋势。用户侧依然是美国最活跃的应用领域,集中式可再生能源领域储能装机规模呈现下降趋势。

从地区上看,美国加州地区将继续引领全美储能产业的发展,夏威夷州、纽约州和德克萨斯州等地区的储能市场也开始呈现爆发趋势。

2.2.2 相关政策

美国储能产业的产生与快速发展离不开美国联邦政府与各地州政府的政策支持。因为储能在智能电网与能源利用中有着重要的作用,因此为了促进储能技术的进步和储能市场规模的发展,美国对储能行业制定了相关的政策,通过制定储能采购目标来构建长期稳定的储能市场。

2018年,美国电力市场监管会发布841法案,将储能产业推动成为整个国家关注的焦点。该法案对储能进行了正式的定义,并在联邦政府层面制定了储能参与电力批发市场的市场规则与应用模式。该法案被认为是储能在北美市场发展的重要一步,消除了储能在电力批发市场参与公平竞争的障碍。

在地方州政府层面,从2015年阿利索峡谷天然气泄漏事件开始,美国加州政府成为推动美国储能产业发展的引领者,颁布了包括制定储能项目采购、构建激励储能参与电力市场服务机制在内的诸多政策;相应的浪潮也在其他地区扩散,纽约州、新泽西州等也纷纷推出相应的储能清洁法案,制定储能采购目标,鼓励储能产业的发展,进一步扫除储能应用的障碍。

2.3 欧洲、日本

2.3.1 储能装机规模

为了应对未来的能源危机,欧洲国家高度关注能源转型。2017年,欧洲储能项目在德国、英国、荷兰、法国、芬兰、丹麦、西班牙、捷克、比利时、俄罗斯、奥地利在内的11个国家内纷纷部署,合计规模超过36.3 GW,部署了大量的电化学储能、储热、储氢等研发、应用示范性项目,应用于用户侧、可再生能源并网以及辅助服务领域。

自日本福岛核电站泄漏事故后,日本政府开始大力发展可再生清洁能源。为了提高电网对可再生能源的消纳能力,日本政府将储能技术作为优先选择的技术之一。截至2016年,日本累计储能总装机26.43 GW,其中抽水蓄能26.17 GW,电化学储能0.25 GW。到2018年,日本装机规模在全球排至第三位,仅次于美国与中国。日本在电化学储能领域的研究比较前沿,2017年,日本新增投运电化学储能项目总装机规模为17.9 MW,同比下降80%,占全球新增投运电化学储能项目总装机的8.5%。在应用领域中,日本的大规模储能项目几乎全部应用在电力输配电领域。

2.3.2 主要政策

欧洲与日本的储能技术发展较为迅速。欧盟与日本已经充分认识到储能对于能源变革的重要性,出台了诸多政策、法律鼓励储能产业的发展。

在欧洲,德国政府高度重视能源转型。德国自2011年启动储能启动基金以来,已经累计支持了259个研究项目。此外,德国复兴银行推出了新的家用光储补贴计划,给可再生能源渗透率日益增高的欧洲电网做支撑。继德国之后,意大利、瑞典、法国等欧盟国家纷纷出台用户侧储能补贴政策,建立储能激励机制。

在日本,政策对于储能产业发展的导向作用十分明显。日本政府和监管机构制定了一系列电池储能政策以及监管体系,以推动储能电池的发展。为鼓励新能源走进住户,日本政府对实施零能耗房屋改造的家庭提供一定的补贴,补贴来自中央政府和地方政府两个渠道。此外,日本要求公用事业太阳能独立发电厂与电网公司配备储能系统来平滑太阳能发电出力与维护电网频率安全稳定,或从供应商购买辅助服务等,有效促进了日本储能产业的发展。

3 面向全球能源的储能技术规划方案

为了实现能源的高效综合利用,面向全球能源互联系统的各个环节,需要采用合适的储能技术对能源存储。根据能源互联网架构,将能源互联网主要分为3个环节:可再生能源发电侧、输电侧、负荷中心侧;结合我国“一带一路”重大战略发展背景,梳理给出面向全球能源网“源网荷”3个环节与“一带一路”地区的储能技术的规划方案。

3.1 可再生能源基地发电侧的储能技术和规划方案

北极地区风能资源丰富且分布广,赤道地区的太阳能资源开发潜力巨大。随着全球能源互联网建设的步伐加快,“一极一道”地区将成为未来全球能源互联网构架中的全球能源基地[19]。北极风电的大规模集中开发,赤道地区太阳能、水能的综合利用开发,可以分别将能源送至亚洲、欧洲以及美洲地区,为全球各地区发展提供丰富能源保障。然而,由于可再生能源发电出力的不确定性,在并网过程中会对全球能源互联网的电力系统能量传输网产生冲击,因此需要在可再生能源基地侧配置储能系统,平滑可再生能源发电的波动性与间歇性,降低其对电力系统的冲击,突破可再生资源限制。

具体为:在北极地区的大型风电场基地与赤道地区的大型太阳能发电基地配置大容量的储能系统为新能源集中并网提供支持。储能系统的类型与容量规模需要将可再生能源发电侧的发电规模、能源外送规模、自然因素等综合考虑在内。对于储能系统配置类型,可再生能源基地侧的储能系统需求是发挥平滑功率输出、跟踪计划出力,能够实现大容量削峰填谷,因此需要采用爬坡率较高的功率型储能与备用容量大的能量型储能相结合的混合储能方式。根据地理条件,因地制宜,处于北极附近的大型风电基地可采用爬坡率高、响应速度快的电池储能和高能量密度的氢储能、冰蓄能、冷水储能以及压缩空气储能;同理,在赤道附近的太阳能发电基地,可以配置大容量的热储能。通过在可再生能源发电侧配置储能系统,可以有效提高电网对可再生能源的消纳能力与能源利用效率。

3.2 输电侧的储能技术和规划方案

全球能源互联网的骨干架构主要由“一极一道”能源外送通道、洲际联网通道构成。

考虑到大规模远距离输电和跨洲联网的需求,“一极一道”大型可再生能源基地电力外送和洲际大容量交换通道主要采用特高压直流输电技术。在未来所构想建设的全球能源互联网中,特高压输电网络是连接可再生能源基地与各大洲负荷中心的桥梁。电池储能系统因为其配置灵活、可模块化生产使用,适合在特高压输电网络附近配置,提高特高压网络电能输送效率,并在一定程度上改善输电通道中的电能质量问题。

此外,随着氢储能技术的发展,也为能源输送提供了一个新的思路。氢气是可以通过管道输送的高品位清洁能源。可以利用氢储能技术进行能源转换,并利用天然气的管道将清洁的氢气输送到各大洲的能源需求侧,可有效节约能源输送通道建设的投资成本,减轻特高压输电网络的能源输送压力。

3.3 负荷中心侧的储能技术和规划方案

在全球的负荷中心侧,需要考虑负荷中心的能源情况需求配置储能系统,提高负荷中心的供电可靠性与电能质量。在近负荷中心的电网侧,需要考虑电网的负荷峰谷、频率、谐波等电能质量问题,在用户环节需要考虑用户能源需求(包括对电能质量的需求、不间断供电的需求等)及经济性等因素。

此外,在各大洲的负荷中心,需要充分考虑各大洲的地理、自然条件,在水资源丰富与具备一定地形条件的地区,可以考虑抽水蓄能以及洞穴压缩空气储能等方式。在自然条件不足的地区,地面压缩/液化空气储能和电池储能配置较为普遍。

此外,未来随着氢储能技术的发展,可以在用户侧大量配置氢储系统,为用户提供丰富的清洁能源。同时,储热系统可在负荷中心维度较高的地区投入,通过电、热相结合的方式,既可以为用户提供优质的电能,也能为用户提供热力资源,有效地提高能源的利用效率,保证电力系统的稳定性。

3.4 面向“一带一路”的储能技术和规划方案

“一带一路”是面向21世纪、适应经济全球化的重大倡议,贯穿亚欧非大陆连接世界各国,涵盖东亚、东南亚、西亚、北非、中东欧等大部分地区。沿线分布着世界最主要的能源生产国、通道国和能源消费国,既是化石能源集中的生产区,又是化石能源重要的消费区。“一带一路”是世界经济发展和能源的心脏地带。

因此,需要针对不同国家的地理位置、资源类型、经济发展状况,因地制宜,采用不同的储能方式。将“一带一路“和非洲地区的国家分为能源输出地区和能源需求地区,这两个不同的类型需要不同的储能方式。在能源输出地区需要配备大容量的储能,通常采用电池储能和能量型氢储能。在能量需求侧,例如我国要更多地考虑电网和用户多重需求,配置大容量混合储能系统,电池储能为最普遍的配置。

4 面向全球能源的储能市场展望

储能技术在未来能源中处于重要的地位,是能源互联网建设中的关键一环。在一定程度上,储能技术发展的水平将决定能源互联网的发展水平。

储能技术的研究和发展一直以来备受各国重视,越来越多的研究认为储能可能是实现未来能源系统变革的基础。随着各国对储能产业关注、扶持力度的加大和储能技术的不断发展,在未来几十年内,全球的储能市场将迎来蓬勃的发展。下面对全球主要地区的储能市场进行预测与展望。

从地区上看,根据能源发展的需求以及科技、经济等因素,可以预测,在未来的20年内,全球储能产业格局仍然以欧洲、亚太、北美地区为主。在发展需求与政策导向作用下,美国、中国、日本以及德国将会成为引领全球储能发展的主力军。

北美储能市场在政策和技术的推动下,美国电池储能的投入和安装的速度十分迅速,每年增速超过30%。按照2015年电池储能功率300 MW计算,保守预测2030年电池储能功率将超过15 GW。因此在未来10年左右,北美储能市场将获得巨大的发展。

在欧洲储能市场,德国作为目前欧洲范围内最成熟的分布式光储市场,也是用户侧商业模式发展最先进的国家,将继续引领欧洲用户侧储能市场的发展。英国、意大利则更多投入到电网侧储能上。欧洲其他国家将会根据自身发展状况和在欧盟的推动下,紧随英、德两国的步伐,大力推动可再生能源储能技术的发展。

亚太地区储能市场以中国、日本、韩国为主。根据预测到2030年,全球累积储能市场规模将增加6倍,达到1.25亿kW,主要部署在美国、中国、日本、印度、德国、英国、澳大利亚和韩国这8个国家。由此可知,未来亚太地区将会成为全球储能市场的中心。日本将继续是世界储能发展领先的国家之一,因为目前中国的储能市场缺乏有效的政策支持,在今后很长的一段时间内,将主要集中在可再生能源并网的几个示范项目上,其商业化模式还亟需完善。