能源转型中储能发展的几点认识

发布时间: 2020-04-15 15:42:09   来源:国网能源研究院有限公司  作者:徐志成 王芃

  当今世界能源发展朝着清洁低碳、安全高效的方向不断推进,呈现转型加快、跨界融合、创新活跃的大趋势。逐步构建以可再生能源为主体的能源系统,并深度融合新型能源技术解决面临的新挑战已成为世界各国的共同选择。为促进新能源消纳、提升电力系统灵活性,储能广泛应用于电力系统的发、输、配、用各环节。但目前储能存在技术经济性不高、位置独立分散、利用率低下,且成本疏导途径及盈利能力受限等问题。为更好地促进储能发展,应紧密结合能源转型的特点,厘清储能发展内在逻辑、面临的挑战及需要的产业环境等问题。

  一、“新能源+储能”将成为未来能源电力系统的基础设施

  能源发展正经历以煤、油等高能量密度为主的利用形式迈向以风光等低能量密度能源为主的利用形式,该变化也是太阳能的间接利用到直接利用的过程。太阳能的直接利用省去了中间较多转换环节,实现了能源“所见即所得”的规模化开发利用,但其面临着能源来源的不确定性、利用的波动性和存储的不易性等挑战。为实现低能量密度能源的高质量利用,储能将发挥能量“压缩机、调制机”的功能,实现低密度、波动性能源的高密度、可控性利用,达到“类常规电源”的效果,故在能源转型中“新能源+储能”将成为能源的重要利用形式和基础设施。

  二、未来廉价的规模化储能将以一次能源的直接存储为主,而储电等主要应用在高电能品质要求等场景

  广义的储能可根据存储介质的形态分为一次能源的存储、中间能源的存储和终端能源的存储,且终端能源的存储难度、时长、成本较一次能源的直接存储更大、更短和更昂贵1 。电化学储能由于其物理活性远高于直接存储的一次能源,故其大规模应用必将引起成本大幅上升;而储氢、抽蓄、压缩空气储能、储热等是对原料或中间能源形式的存储,其存储成本较低,更容易实现规模化发展。因此,未来廉价的规模化储能将更多以原料的存储形式存在,而对能源品质要求较高的则主要以储电等终端能源存储的形式存在。为了更好利用储电等高级能源形式,可采用储能云等模式实现储能的集群调度从而达到规模化应用。

  三、需求的多样性决定未来储能朝着技术多元化、应用场景广泛化的方向发展

  市场需求导向将很大程度影响储能发展,当前行业将储能经济性作为衡量储能发展能否取得重大突破的关键评判因素,导致储能技术发展呈现单一化,仅蓄电池和锂电池发展较快。随着新能源渗透率不断提升、能源安全约束日益突出,从系统角度考虑,储能将成为系统刚需。

  综合不同储能技术的特点及应用场景可知,不同技术类型的储能可共同解决能源电力系统在不同时间尺度、空间范围内的供给侧与需求侧平衡问题,互为补充、相得益彰,部分刚需场景储能经济性不再成为储能发展的限制因素。以抽水蓄能和电化学储能为例,抽蓄储能主要解决大时间尺度、大区域范围内的系统调峰平衡问题,适用于集中式新能源发展;而电池储能更多解决小时间尺度、局部地区的系统功率平衡问题,适合分布式新能源发展;两者并非完全替代关系,简单地将电池储能和抽蓄储能进行技术经济性对标容易导致决策误判。

  四、应站在能源系统的高度看待未来储能产业发展

  当前储能产品存在沿袭动力电池制造体系的“路径依赖”问题,若仅认为储能是电池行业的延伸,延续电池行业“生产—使用—回收”视角看储能产业的思路,那么相关从业者将无法突破一般电池供应商的身份认知,产品创新、商业模式创新受到限制,业务链条难以向下游延伸。

  未来,储能产业的真正竞争压力来自其他能源电力技术进步带来的市场空间挤压,而并非仅仅同业间的技术路线之争或产能比拼,只有站在整个能源行业的角度才能发现储能在整个行业生态链中的真正价值空间。

  图 1 传统视角和能源系统视角下的储能产业发展

  五、储能经济性的持续改善在于“开源节流”

  当前“新能源+储能”相较于传统化石能源的经济性不高是限制储能进一步发展的关键因素2,为促进能源转型,需通过“开源”“节流”实现储能经济性的不断改善。

  节流方面,主要通过提升储能全寿命周期的技术经济性从而达到降低储能成本的目的。可通过提高储能循环寿命、研发新型廉价替代材料、标准化生产流程、储能资源梯级利用和回收循环利用等手段实现储能全寿命周期的技术经济性的改善。如实现锂电池80%充放电深度下循环寿命超万余次;研发替代贵金属镍和钴电极的新型电池技术;拓展储能梯次利用场景,同时在技术层面上实现物尽其用,尽可能降低储能退役时的剩余容量(如将原先80%剩余容量即退役的电池改善到剩余容量60%时再退役),从源头上延缓电池退役;通过电池生产端的标准制定实现电池回收阶段自动化生产线的标准化统一筛选、拆解、匹配等流程。

  开源方面,需通过多样化储能应用场景、丰富商业模式,实现储能多功能复用下的价值挖掘;此外,借助新型能源技术进一步激发储能价值发挥。储能作为一种灵活性极强的调节资源,其具备功率价值(power value)、容量价值(capacity value)和能量价值(energy value),在电力系统不同环节、不同场景通过单种或多种功能组合发挥不同作用。

  

 

  图 2 储能在各应用场景、环节的价值体现

  当前由于市场机制不完善、储能价值评估方法欠缺、受益对象难以识别、各利益主体间价值分摊原则尚未明确等因素,导致储能存在“打黑工”的情况,储能的灵活性未能充分发挥出来,且其价值未能全部量化补偿,故应从以下两方面着手推进储能经济性的改善。

  首先,建立完善储能价值评价体系。研究储能系统提供各类服务的直接效益和间接效益;基于储能受益对象识别方法,研究多元受益主体间的价值分摊技术,并提出适合不同储能应用场景的储能价值评估方法,为储能价值量化评估提供新思路,进一步丰富储能价值发挥。

  其次,盈利模式丰富方面,可通过完善市场机制、开发储能灵活BMS、EMS管理系统实现储能的多功能复用,实现储能价值叠加。基于多场景复用盈利模式下的储能综合价值不再是原先从项目角度分析的单一直接价值,而是从单一价值到综合价值的拓展。单个储能多功能复用、多个储能集中调度管控及多渠道成本回收的多元价值构成是未来储能主要盈利模式。由单一商业价值到综合商业价值,不仅储能成本回收渠道拓宽,而且利益分配模式及其衍生出的一系列价格机制将带来储能商业逻辑的根本性变化。

  

 

  图 3 基于多功能复用下的储能综合价值发挥

  六、能源新技术的应用将成激发储能发展的催化剂

  在能源领域,各国都在积极抢占能源技术创新和商业模式创新的制高点,如何将人工智能、区块链、大数据、物联网、5G等现代信息通信技术和控制技术深度融合能源系统,解决能源电力转型中的新困难、新挑战,并促进储能相关产业链发展,是当前亟需解决的又一难题。新技术的引入正在为储能综合解决方案及商业模式创新提供新的思考维度。

  例如,通过引入区块链等新技术实现将主体不同(电网企业、用户自建、社会资本投资等)、位置分散(电源侧、电网侧、用户侧)、类型各异(集中式储能、分散式储能、移动式储能)的储能资源聚合,促进分散储能的跨时空功能共享,发挥储能系统级价值。构建电网与“新能源—储能—用户”的共享网络体系,依托区块链技术为广域储能交易构建安全接入、公开透明的系统平台,实现储能的跨时空功能共享,最终达到源网荷储多方利益共赢的利益共享。

  

 

  图 4 广域储能跨时空功能共享示意图

  上图中各情景定义如下:

  情景1:单个储能电站在不同时段以多功能复用的方式实现时间上的功能共享;情景2:归属同一主体但地理位置分散的分布式储能,其通过在多个分布式储能间进行同种功能的分摊实现空间上的功能共享,如河南16个储能电站同时进行河南电网调峰,实现单个储能电站难以发挥的功能;情景3:归属不同主体且地理位置分散的多种储能形式,通过场景1和场景2中功能共享模式实现多主体储能的跨时空功能共享。

  随着储能发展及电力市场的不断完善,储能发展逐渐从单个储能电站发挥单种功能过渡到情景1中单个储能电站发挥多种功能共享和情景2位置分散储能的功能分摊和聚合;未来,随着储能商业模式的不断丰富及储能云的兴起,储能与新能源电站及用户将进入多主体储能的跨时空功能共享阶段。

  七、储能的安全性、标准化及评价机制将是约束储能发展的三大关键因素

  安全性方面,储能本体的安全性及其与能源电力系统交互时的安全性是影响储能发展的关键制约因素。标准化方面,标准化涵盖储能技术(储能本体技术、集成应用、运维技术、梯次利用及回收技术等)的标准化及储能数据库标准化。评价机制方面,应包含储能建模仿真平台评价、储能可行性评价、储能价值评价等方面。

  表1 储能发展面临的三大关键制约因素

  

 

  

  1.从物理活性及熵原理角度考虑,能源的利用形式越高级其对应的物理活性越大,存储的难度也越大。如火电厂中的煤可视为一种原料形式的储能,其存储时长、成本都较储电更容易实现。由于当前风光无法实现直接存储,故风光的存储更多以储电的形式存在。

  2.化石能源经济性好主要是未考虑化石能源形成的漫长时间成本。

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