澳门188金宝博娱乐最高返水:碳达峰、碳中和背景下储能技术研究进展与发展建议

澳门188金宝博娱乐最高返水:发布时间:2022-06-01 10:15:55 | 来源:中国网·中国发展门户网 | 作者:郑 琼等 | 责任编辑:王振红

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关键词:双碳目标,清洁能源,大规模储能技术,多能融合


中国网/中国发展门户网讯    能源利用是我国温室气体的主要来源。作为流程工业的典型高排放行业,即化工、钢铁、有色、建材工业过程的二氧化碳(CO2)排放约占全国总排放的近 40%,是我国碳排放的主要来源。因此,CO2高排放行业能源利用清洁低碳化转型发展势在必行。我国实现碳达峰、碳中和(以下简称“双碳”)目标意味着必须进行颠覆性的能源革命、科技革命和经济转型。发展变革性低碳技术,通过工艺源头创新和流程再造,在典型流程工业中率先实现碳达峰、碳中和,是支撑我国“双碳”目标实现的关键。储能作为电能的载体,可有效地平抑大规模新能源发电接入电网带来的波动性,促进电力系统运行中电源和负荷的平衡,提高电网运行的安全性、经济型和灵活性;储能技术也成为构建智能电网与实现可再生能源发电的核心关键。随着碳中和成为全球共识,新能源在整个能源体系中的比重将快速增加,储能技术也迎来爆发式增长。国内外大规模新型储能项目陆续启动,储能技术呈现出液流电池、钠离子电池、锂离子电池、压缩空气储能、铅碳电池、储热技术等“百家争鸣”局面;与此同时,越来越多的企业投身储能产业,或扩产或跨界合作,储能产业呈现蓬勃发展的良好局面。

储能在“双碳”中的作用与地位

储能技术是解决以风、光为主的新能源系统波动性、间歇性的有效技术。未来能源系统将是以新能源为主体、多种形式能源共同构成的多元化能源系统。风力发电、光伏发电本身的波动性和间歇性决定了灵活性将是新的能源系统必不可少的组成部分。而从技术属性来看,储能正好能够满足新的能源系统对灵活性的需求。因此,通过储能技术实现可再生能源大规模接入,从而推动能源低碳转型的技术路径被业界寄予厚望。

在政策层面,国家发展和改革委员会(简称“国家发展改革委”)和国家能源局启动了对储能发展的整体规划部署,密集出台了一系列储能相关政策。2021年 7月,国家发展改革委、国家能源局发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》;相比同年 2月 25日发布的《推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》和 4月 19日发布的《关于 2021年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知(征求意见稿)》,储能的市场地位、商业模式和经济价值逐渐得到承认与明确。2021年 10月,中共中央、国务院先后发布了《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《国务院关于印发 2030年前碳达峰行动方案的通知》,首次将推动新型储能发展作为加快构建清洁低碳安全高效能源体系、建设新型电力系统的重要布局和主要工作之一;并明确了到 2025年,新型储能装机容量达到 3 000万千瓦以上的总体目标。2021年 12月,国家能源局正式颁布《电力并网运行管理规定》和《电力辅助服务管理办法》文件,明确将新型储能、虚拟电厂、负荷聚集商等作为辅助服务市场的新主体;并增加了电力辅助服务新品种,完善了辅助服务分担共享新机制,疏导电力系统运行日益增加的辅助服务费用。在此政策的指引下,2021年约有 21个省份出台电力辅助服务相关政策。2022年 2月,国家发展改革委、国家能源局印发的《“十四五”新型储能发展实施方案》提出,到 2025年,新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段、具备大规模商业化应用条件;到 2030年,新型储能全面市场化发展,全面支撑能源领域碳达峰目标如期实现。因此,储能是实现可再生能源规模应用和构建以新能源为主体的新型电力系统、实现“双碳”目标的关键核心技术。

主流储能技术发展现状

国内外在新型储能技术,包括液流电池、钠离子电池、锂离子电池、压缩空气储能等技术的基础研发和工程化方面均取得了重大进展。其中,锂离子电池技术发展最快,目前所占市场份额最大。全钒液流电池、压缩空气储能已具备大规模产业化条件;钠离子电池、铅碳电池、锌基液流电池等也已具备初步进入产业化准入条件,这些技术有望在“双碳”目标突破的过程中扮演重要角色。

 液流电池储能发展现状

液流电池通过电解液内离子的价态变化实现电能存储和释放。其功率和容量可独立设计、安全性高、储能规模大、效率高、寿命长、生命周期的性价比高等特点,使其在大规模储能领域具有良好的应用前景。根据活性物质种类不同,液流电池可分为全钒液流电池、锌基液流电池等。

 全钒液流电池

作为长时储能优选技术之一的全钒液流电池,得益于其高安全性、长寿命、环境友好等优点,目前发展成熟度最高,商业化进程最快。2021年 11月,微软、谷歌等 10余家公司在《联合国气候变化框架公约》第 26次缔约方大会(COP26)上成立国际长时储能委员会(LDES),旨在部署和加快推动可存储和释放 8小时或更长时间的储能技术快速发展。由此可见,快速发展全钒液流电池长时储能技术的迫切性。

国外从事全钒液流电池储能技术研发和产业化的单位主要有日本的住友电工集团、英国的 Invinity公司、德国的Fraunhofer UMSICHT、美国的西北太平洋国家实验室和 UNIEnergy Technology(UET)等企业与研究机构。2020年住友电工集团与北海道电力有限公司签署合同将于 2022年建成 17 MW/51 MWh的全钒液流电池储能电站①。2021年 12月,牛津超级能源枢纽项目(ESO)进入带电调试阶段,该项目由 Invinity公司在英国制造的 5 MWh全钒液流电池系统与 50 MW瓦锡兰锂离子电池结合,作为单一的储能资产运行,这是目前投运的最大的全钒液流+锂离子混合电池。其中,全钒液流电池在系统投入使用时充当第一线响应,只有在所需的响应超过全钒液流电池的容量后,锂离子电池才会被调用,从而充分利用全钒液流电池长寿命、不衰减的特点,减少锂离子电池的消耗。这种混合储能方式可利用 2种电池各自的技术优势来提高电网弹性,并创建更加智能、更加灵活的能源系统,最终将支持更多的可再生能源发电并网到英国电网中。

国内主要有中国科学院大连化学物理研究所(以下简称“大连化物所”)、大连融科储能技术发展有限公司(以下简称“大连融科”)、北京普能世纪科技有限公司(以下简称“北京普能”)、上海电气储能科技有限公司、清华大学、中国科学院沈阳金属研究所、中南大学等多家机构从事全钒液流电池的研发及产业化工作。大连化物所自 2000年开始液流电池的研究,在液流电池关键材料、核心部件、电堆及系统设计集成、控制管理等方面都取得了国际领先的成果;已在液流电池领域获得国家授权专利 150余项,国际专利 7项,形成了完整的自主知识产权体系。2021年在大连瓦房店建成了目前国内最大规模的全钒液流电池系统,即大唐国际镇海网源友好型风电场 10 MW/40 MWh和国电投驼山网源友好型风电场 10 MW/40 MWh全钒液流电池系统。在国家及地方政府的大力支持下,成功推进了全球最大 200 MW/800MWh全钒液流电池储能调峰电站国家示范项目一期工程(100 MW/400 MWh)的全面开工建设。目前,100 MW储能系统项目已完成主体工程建设(图 1),进入单体模块调试阶段,预计 2022年 6月完成并网调试,这将对缓解大连市乃至辽宁省电网调峰压力、提高大连南部地区供电可靠性、加快新能源发展发挥重要作用。

近几年,国外也先后布局了多项大规模压缩空气储能项目。加拿大的 Hydrostor公司于 2019年在加拿大安大略湖建成了 1.75 MW/10 MWh的绝热压缩空气储能电站;在澳大利亚 Broken Hill市规划建造 200MW/1600 MWh压缩空气储能电站,计划于 2025年完成建设;在美国加利福尼亚州 San Luis Obispo郡规划建设压缩空气储能电站,规模为 400 MW/3200 MWh,计划于 2027年完成。英国的 Highview公司在英国曼彻斯特市建设 50 MW/250 MWh液态空气储能系统,计划于 2022年实现商业运行;该公司于 2019年宣布将在美国的佛蒙特州建设 50 MW/400 MWh的液态空气储能电站,至今尚未建设。清华大学团队在江苏金坛建设的盐穴压缩空气储能示范项目,已于 2021年 10月并网试验,项目规模为 60 MW/300 MWh。

 其他储能技术发展现状

铅炭电池是一种在铅酸电池技术基础上发展起来新型储能技术,具有储能成本低廉和安全性高等突出优点。国际上如先进铅酸电池联盟(ALABC)、澳大利亚联邦科学及工业研究组织、美国桑迪亚国家实验室等,国内如大连化物所、中国人民解放军防化研究院、南都电源动力股份有限公司等开展相关研究。目前,国内外已实施了多个 MW级以上的风电及光伏电站用铅炭电池储能系统的应用示范。

热物理储能技术主要包括显热储热、相变储热,是获得了大规模应用的储能技术,世界装机总量超过 4 GW。其中,太阳能热发电中的熔盐储热装机超过3.5 GW。

飞轮储能技术方面,美国处于领先地位,其开发出 20 MW/5 MWh飞轮储能调频电站运行良好。当前,我国仅建成 MW级飞轮储能阵列工程示范应用系统,较国外发展相对偏慢。

储能发展存在的问题及挑战

我国新型储能行业整体处于由研发、示范向商业化初期的过渡阶段,在技术装备研发、示范项目建设、商业模式探索、政策体系构建等方面取得了实质性进展;市场应用规模稳步扩大,对能源转型的支撑作用初步显现。但是,其发展过程中仍面临着从技术、应用到市场的不同层面的问题和挑战。

基础性、原创性、突破性创新不足。目前,储能领域中我国具有“领跑”意义的先进技术还不多,储能转化的相关机理、技术及系统的研究还不足够成熟,对储能的基础性和关键共性技术研究不足,尤其在设计软件、设计标准与理念方面缺少话语权。

风电、光伏等新能源并网消纳压力巨大,制约其大规模推广。发电是当前新能源的最主要利用方式,但新能源大规模并网,将对现有电力系统的运行产生重大影响:① 对大电网安全稳定运行带来巨大压力。主要由于新能源涉网性能标准偏低,频率、电压耐受能力有限,新能源大规模并网可能导致系统转动惯量不足所致。同时,电力系统电子化趋势的发展将引发次同步谐波与次同步振荡,给高渗透率的分布式电源带来运行管理问题。② 给系统供给侧稳定性带来隐患。风电、光伏发电的间歇性和反调峰特性明显,电力电量时空平衡困难,加之系统调峰能力不足,给电力系统供给侧的稳定性带来隐患。③ 易引发电力供给与需求失衡。目前,新能源并网配套的输电网规划建设滞后,电网建设和新能源电力输送需求尚未达到同步,电力无法及时被输送到需求端,进而引发电力供给与需求失衡。

大规模储能技术推广受电力系统市场机制不完善等方面限制。近年来,我国储能技术取得长足的发展,在电力系统发、输、配、用等环节的应用规模也不断壮大。储能技术自主化程度不断提高,部分技术如液流电池技术等处于国际领先地位。尽管如此,仍存在储能市场主体地位不明晰、市场机制不完善导致储能价值收益难以得到合理补偿等问题。我国现阶段还远未建立起成熟的竞争性电力市场运行机制,很难合理地核定出各类电力辅助服务的价格,从而造成储能系统价值和收益难以实现对接。因此,从简化电力市场设计的复杂程度、有利于电力市场化改革顺利推进的角度出发,宜针对电化学储能技术的系统性效用或社会价值制定更为合理的运行机制和政策保证。

推进储能产业发展实施的建议

为全面支撑能源领域“双碳”目标如期实现,特对储能发展提出 4点建议。

加大支持具备自主知识产权的储能技术的发展和应用推广。加快制定和完善针对储能技术的支持和激励政策,推进具有自主知识产权的储能技术的快速发展;进一步提升储能系统可为电力系统提供灵活调节能力的重要作用地位;开展多种储能技术集成的应用示范,明确不同储能技术对于发、输、配、用不同环节均可为电力系统提供公共服务的基本属性,结合不同场景实际需求合理布局,加快多元化储能技术示范应用及市场化推广。

明确储能在独立市场中的主体地位,完善市场运行机制,建立合理的储能长效补偿和补偿监管机制。赋予新能源发电侧配套储能系统参与电力辅助服务平等的市场主体地位;建立可持续的长效储能行业市场运行机制,降低市场的不确定性;建立合理的电价补偿机制,结合电力体制改革,建立行之有效的补偿机制细则和具体的产业扶持政策;鼓励多元化的投资及交易方式,提高性价比,促进储能产业的可持续发展,形成大规模储能技术良性发展的态势,助力我国电力系统的转型升级。

加强下一代储能技术的基础创新研究,加强储能领域核心技术的知识产权布局,提高储能技术在国际上的竞争力。目前,还没有任何一项储能技术能够完全胜任各种应用领域的要求。因此,在重点推动现有储能技术产业化的同时,鼓励和支持新型变革性储能技术开发,特别是低成本、长寿命、高安全、环境友好的长时储能技术。进一步加大对储能技术基础研究的投入,鼓励原始创新,掌握自主知识产权。建议科学技术部、国家自然科学基金委员会等部门设立专项、加大科技投入,支持变革性储能技术研究开发,以降低储能关键核心技术的成本,提高储能技术的性价比。

建设国家级储能技术创新平台,澳门188金宝博娱乐最高返水:引领储能技术快速发展,抢占储能技术发展制高点。汇集国内外科研机构、高校、企业等的创新资源,建立国家级储能技术创新平台。这对加快储能技术的成果转化,占据未来储能科学技术制高点并形成集群优势,引领并带动我国储能产业的发展具有重要的意义。通过国家级储能技术创新平台,开展相关储能技术的工程化应用研究,突破共性关键技术和产业前沿技术;坚持“产、学、研、用”的创新合作机制,快速实现技术转移和成果转化,推动储能产业的发展。

(作者:郑 琼,中国科学院大连化学物理研究所 ;江丽霞,中国科学院 重大科技任务局;徐玉杰,中国科学院工程热物理研究所; 高 嵩、刘 涛、曲 超、李先锋,中国科学院大连化学物理研究所;陈海生,中国科学院工程热物理研究所。《中国科学院院刊》供稿)

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