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储能电池是可再生能源大规模发展的关键

日期:2016年3月1日 08:35

可再生能源具有间断性的特点,电网无法大规模消纳并网,而电动汽车也面临充电设施和电池安全的瓶颈,储能技术是解决这些问题的关键。储能技术对电网的好处有三点:一是帮助增加可再生能源的渗透率,促进分布式发电的发展;二是提升电网的稳定性和实现充分的调峰,减少高峰负荷及对应的电网投资和电源投资;三是通过电价设计,促进电力市场自由化。

广义的储能技术包括储热和储电。狭义上它是一种运用物理或者化学方式储存电能,并在需要时释放的技术。随着人类对能源需求的逐渐增加,传统能源在储量、环境污染、能源效率以及成本等方面的约束日益突显。寻求能源替代,对新能源进行研究和利用已经成为全世界的共同主题,也是未来不可逆的能源发展趋势。从狭义的角度来看,储能技术包括了机械储能、电池储能和电磁储能等方式,其中较为成熟,可以商业化应用的包括抽水储能和压缩空气储能,这两种为大规模储能技术。一般认为,电池储能的商业化应用还面临着成本问题,只有很少的高电价地区,结合光伏发电,储能技术才具有经济上的可行性。随着技术进步,电池储能的成本的确不断下降,但是一般还是认为受制于较高的成本或其他技术因素,无法大规模商业应用。

近年来,可再生能源发电的份额逐步提高。可再生能源不但被视为解决环境问题,特别是减少碳排放的有效途径,长期则可能是人类能源需求的最重要的解决方案之一。全球2014可再生能源发力占电力生产总值比例占比为22.8%(包括水电等),其中风能与太阳能之和占到4%。中国面临着严重的环境压力而更加重视可再生能源发电的发展,2014年可再生能源发电量为1.2万亿千瓦时,占总发电量的22%,其中并网风力发电占总发电量的2.8%;光伏发电占总发电量的0.45%,并网光伏占0.42%2014年在中美双方发布的联合声明中,中国提出计划2030年左右二氧化碳排放达到峰值且将努力早日达峰值,并相应地将2030年非化石能源占一次能源消费比重提高到20%,而此前的规划是到2020年非化石能源占比为15%。考虑到水电核电施工周期较长,增长受禀赋限制,风、光的发展潜力非常大。

电池储能系统的突破已经到了一个关键点,现在研究储能的经济性,比之前更有时效性与指导意义。而从宏观与微观上分步进行可再生能源与储能系统的研究和政策设定,具有可行性与实证参考意义。

储能技术的重要性

目前寻找新能源的主要路径是将风能、太阳能逐渐纳入到电力系统中,并占据越来越大的比重。与传统的化石能源发电相比,以风能太阳能为基础的可再生能源发电依赖于自然条件,具有波动性和间歇性的特点,大规模纳入会对电网的安全稳定带来很大的冲击。有专家认为,对于风力发电,如果装机比重在系统比例10%以下,传统技术可以基本保障电网的安全稳定;当风电装机比例超过20%,就需要储能手段来减少波动性与间歇性,避免对电网造成难以承受的冲击,因此,储能技术发展是可再生能源发电大规模并网的必须条件。

对于分布式可再生能源(风电太阳能)来说,储能技术更为重要。分布式能源主要指建在用户端的能源供应方式,可独立运行或并网运行,按照用户多种能源需求,采用需求应对式设计的新型能源系统,是可以将资源和环境效益最大化的分散式供能系统。由于可以降低输送环节的损耗,因此可以提高能源利用效率。但是,同样由于风电太阳能的不稳定性,储能手段也是分布式可再生能源大规模发展的必要条件之一。有人认为至2050年,人类的太阳能利用可以占总能源供应的50%,如果没有经济可行的储能技术,这个美好愿景难以想象。因此可以说,储能技术可以真正地改变人类的能源供应。

能源安全也是中国能源发展的一个重要目标。中国目前石油进口依存度已经超过60%,而且未来还将继续上升,石油价格的大幅度波动,除了影响整体经济运行,还会影响能源行业的健康发展。因此政府需要提前布局石油替代,降低对其他国家的能源依赖,减少国际油价波动对经济安全运行的影响。混合动力和纯电动汽车被认为是未来汽车行业转型发展的主要方向,已经成为世界汽车强国和主要汽车制造商发展重点,而储能技术是电动汽车发展的主要约束。对于中国来说,电动汽车除了减少城市环境污染,电动车的普及还可以替代石油,减少石油对外依存。另一方面,电动汽车和储能技术是石油强有力的替代品,长期而言,油价的最大威胁可能是电动汽车和储能技术。想象一下,如果路上跑的一半是电动汽车,油价会跌到哪里?

近年来电动汽车和储能技术进步迅速,作为石油替代的可能性也越来越明显。

SONY公司在1992年研制出锂电池后,该技术在材料和制造工艺上有了很大的发展,在发电系统及电动汽车领域有非常广泛的应用。2014年世界储能技术新增装机中,锂离子电池占比达到了71%。目前锂电池技术仍无法满足电动汽车的普及要求,首先,因为电池过大,一般电动汽车的重量都超过了体积相当的汽油汽车,但是续航能力却只有汽油汽车的一半。其次,在充电方面锂离子电池也无法满足消费需求,据估计,电动车想要实现商业化,电池密度至少达到250Wh/kg,但目前电动汽车锂电池密度普遍不足100Wh/kg。最后是锂电池目前成本过高,可以占到电动车成本的一半,直接导致了电动车在价格上难与传统汽车竞争。

今年4月特斯拉推出了Powerwall家用储能电池,引起了业界的广泛注意。Powerwall可以将电费低廉时储存的电能在电费高昂时释放,或是与可再生能源(太阳能风电)配套使用。其经济性是能否大规模推广的最重要标准,此次推出的Powerwall7kwh10kwh两种容量,售价分别为3000美元和3500美元,提供10年质保,但均有充电次数限制。由于Powerwall主要着眼于产品与太阳能发电系统配套使用,因而除电池外,用户还要购买太阳能面板、逆变器等,整个系统成本据说在2万美元以上。由于,太阳能用户可以将剩余电量出售给电网,因此削弱了Powerwall的经济性。目前美国安装储能电池总价约为1.28亿美元,多数集中在事业机构,家庭安装仅为1%。有机构分析,特斯拉需要将销售价格下调75%左右。特斯拉正与松下合作建造大型的电池工厂,据说有望在不久的未来,使成本降低约30%。如果油价持续低迷,Powerwall的成本的确需要有更多的下降。

一直以来,世界各国都很重视大容量储能技术的研发与运用。目前美国已投运的储能项目为95个,装机规模超过357MW。日本装机规模约为310MW,列第二位。今年来发展更为迅猛,2014年美国的新增装机规模为34.4MW,中国和欧洲分列二、三位,装机规模分别为31MW27.7MW。大容量储能技术实现商业化的只有钠硫电池和液流电池。比如,钠硫电池有较高的储能密度,效率在80%左右,充放电次数可以达到6000次以上。日本京瓷公司所研制的钠硫电池储能系统已有100多套投入运营中,容量已超过100MW。目前大容量储能中钠硫电池装机比重最大,达到了40%,但钠硫电池的高成本是制约其发展的重要因素。

储能技术离我们有多远

在低碳转型的过程中,可再生能源发展给人类提供了清洁可持续的能源来源,而电动汽车的崛起则为石油大规模替代提供了可能性,因此全球的能源供应方式将面临巨大的变化。但是,可再生能源和电动汽车大规模发展都面临同一个难题,这就是储能技术。

可再生能源具有间断性的特点,电网无法大规模消纳并网,而电动汽车也面临充电设施和电池安全的瓶颈,而储能技术是解决这些问题的关键。储能技术对电网的好处有三点:一是帮助增加可再生能源的渗透率,促进分布式(微电网)发电的发展;二是提升电网的稳定性和实现充分的调峰,减少高峰负荷及对应的电网投资和电源投资;三是通过电价设计,促进电力市场自由化。更重要的是,电池储能是分布式(微电网)发展中具有至关重要的瓶颈地。

储能技术对电动汽车发展的重要性比较直观。电动汽车的充电、巡航里程和安全问题都涉及电池。比如说,由于电池引发的安全事故减弱了消费者的信心,影响了电动汽车的发展。对于中国来说,电动汽车的发展除了石油替代,还可以解决城市汽车尾气和噪声污染。利用用电峰谷,电动汽车夜间充电还可以使用夜间过剩和便宜的电力。

特斯拉推出的针对家庭用户的储能设备Powerwall和针对电网级的设备Powerpack,其中Powerwall的价格已低至每千瓦时350美元。Powerpack虽然还没有给出具体的技术参数,但有媒体报道其成本仅为每千瓦时250美元,这意味着储能技术在经济上开始具有吸引力了。

厦门大学能源经济与能源政策协同创新中心最近进行了一项研究,利用特斯拉的PowerwallPowerpack,针对中国目前的峰谷电价政策,建立优化套利模型,对各省的储能投资收益及外部影响进行分析,量化分析各种影响因素改变后对储能投资收益水平的影响。其基本思路是从电网角度出发,使储能系统充分发挥调峰的作用,再确定储能技术的经济性和投资收益。

中国的输配电主要由国家电网和南方电网投资和实施运营,而电价由发改委根据电网公司的成本结合地区发展情况来制定。由于资源禀赋、地理条件和经济发展水平不同,各省的电价有较大差异。目前许多电力输入省份都实行峰谷电价政策,即差别峰谷电价,鼓励消费者在非高峰时段增加电力消费,在高峰时节约用电,还有利于均衡供应电力。

研究通过对不同地区储能投资的经济性评价,发现部分地区储能投资已经能实现收益,在不需要补贴的情况下,投资储能可以获利,收益的水平除了受到电价差的影响外,也与峰谷时间段的划分有关。如果从电网角度出发,考虑如何定价能够使储能系统充分发挥调峰作用,那么储能技术的经济性可以大大提高。研究结果还说明,当储能投资达到最优的规模后,电网的负荷将更加均衡,电厂也可以以更加稳定高效的模式运行,因此从投资潜力上看,将有着很大的发展空间。

显然,目前的研究还很粗浅,由于种种限制,还无法充分考虑影响电池经济性的各种因素。比如说:第一,由于电能存储和转换的过程中会带来一定的损耗,但其占总耗电量的比例并不大,考虑到由于电源端及电网运行效率提升的作用,所以储能大规模发展后对碳排放的影响还需要进一步的分析。第二,储能可以减少电网投资和电源投资的外部性,这些外部性如何合理定量地评价,如何与储能的成本进行对比,将是很有意义的问题。但是比较确定的是,如果充分考虑环境外部性,储能技术的经济性将可能大幅度增加。

对于电网而言,发展电池储能技术或者可以从根本上解决可再生能源发电的不稳定性,大规模扩大可再生能源发电的份额,切实提高上并网率和系统稳定性。对于政府而言,制定更有针对性和有差别性的差别电价政策,不但有助于推动电池储能技术的盈利能力,还可以在更大程度上优化电力资源配置,提高电力系统的总体发电效率。

研究还有很大的局限性,没有就储能技术发展对提高可再生能源渗透率,以及对分布式和微电网发展的影响进行评估。可以说,研究还难以证明目前储能技术的有效性,而仅仅是想简单地看看储能技术究竟离我们有多远。但这种探索性的研究是重要的,因为一旦储能技术突破,世界的能源市场可能会发生巨大变化,这种变化将使得我们的能源消费更加清洁,电网和发电厂能够更加高效地运行,可再生能源的使用比重也能得以大幅度提高。由于这种改变才刚刚开始,没有能够直接感受到这些变化的影响,因此也很容易将其忽视。

电池储能是可再生能源大规模发展的关键

中国不但有着世界最大的用电需求,也是世界上最大的可再生能源发电国,因此中国对全球可再生能源发展举足轻重。可再生能源发电发展最大的问题是可再生能源发电的间歇性与不可预测性。一方面,可再生能源的发电集中时间段与用电时间段存在着不一致性。风电发电高峰一般集中在晚上,太阳能发电的高峰集中在白天。而工业用电的用电曲线较为平缓,居民用电则呈现白天、晚上两个高峰。另外,随着季节、天气的变化,可再生能源发电与用电曲线都会有相应的变化。中国大部分地区春季风力发电输出最大;光伏发电夏天输出最高,而且发电随天气原因剧烈变化而具有不可预测性。

这些对于电网来说,都是麻烦。传统的解决方案主要集中在两个方案:一是利用较为灵活的发电设施与之配合,形成稳定的总输出,应用较为广泛的是天然气发电与可再生能源发电相结合。二是将可再生能源发电的能量进行储存,储能传统方法是转换为热能等形式,如储热、热水系统与可再生能源发电系统的结合。而不涉及能量转换的电力储能方法,以往的应用中,主要表现为抽水蓄能电站。

以上两个方案都不能从根本上解决可再生发电到达一定规模比例后,难以维持电网稳定性的问题。第一个方法存在两个主要限制:一是应用不够广泛,较多应用于分布式系统;二是涉及到燃料价格因素,成本不可控。第二个方法的主要局限在于,抽水蓄能电站工作时,其能量来源从根本上来说,同样是来源于化石能源。因此,抽水蓄能虽然有利于减少电网的波动性,但对节能减排并没有本质上的好处。另外,抽水蓄能电站的应用受到选址、成本与利益分配等多方面限制因素影响。

因此,如果更为长远来看这个问题,电池储能可能是解决可再生能源发电不稳定性的最有效经济方案。电池储能的好处在于,可大可小,容易与各种规模的可再生能源发电相结合;充电放电快速,直接电与电转化,转换效率高。其限制的最大因素在于经济性,以及与成本相关联的充放电效率、安全性、寿命。传统上都认为电池储能的成本高难以商业运营。

这个状况正在迅速改变,近期电池技术的突破,使得电动汽车等大规模电池应用已经较为普遍,而直接与电力系统结合的电池储能的尝试也已经开始。特斯拉的PowerWallPowerpack,单体峰值电量为3kW,可储存10kWh电量,充放电能效92%,可以通过简单拼接进一步扩大至1000倍。特斯拉希望借此改变人类的用电模式,掀起能源革命,推动可再生能源的普及。现在看来,特斯拉不是在吹牛。

对于可再生能源与储能结合的系统,储能策略对系统经济性的重要性可能高于储能设备本身成本的重要性。因此,政府在大力推进储能设备发展的同时,也应当倡导电池储能与可再生能源发电的结合,积极建立试点,扶持可再生能源与储能结合系统的试验性项目,在实践中找到最适应中国现状,最适应项目安装地点的储能策略,为日后大规模可再生能源发电的利用打下良好的基础。

与工业用电结合的分布式光伏项目可能是电池储能最易介入,而且是最容易盈利的主体。可再生能源与储能相结合的系统,要想其达到最优的经济效益,关键在于对可再生能源发电的有效预测。因此,政府在大力发展风能、光伏的同时,也应该建立平台,及时更新分享相关发电与气候数据,提供有效的发电预测信息。

对于电网而言,发展电池储能技术或者可以从根本上解决可再生能源发电的不稳定性,大规模扩大可再生能源发电的份额,切实提高上并网率和系统稳定性。对于政府而言,制定更有针对性和有差别性的差别电价政策,不但有助于推动电池储能技术的盈利能力,还可以在更大程度上优化电力资源配置,提高电力系统的总体发电效率。

结论和政策建议

储能技术作为新能源发展和电动汽车的关键环节,其技术突破将改变整个世界的能源格局。可以说,储能技术是开启新能源时代的钥匙,一旦储能技术经济可行,将为人类打开一扇通往新能源时代的门。对于中国而言,电动汽车、储能技术和风电、太阳能的有效结合,除了清洁发展,还可以形成对石油的有效替代,保障能源安全,因此,政府应该重视储能技术的发展。对于传统的能源企业,尤其需要重视储能技术的发展,利益所在,其重要性不言而喻。

因此,十三五能源战略规划需要重点关注清洁能源、电动汽车和储能的技术创新,因为技术创新导致的成本下降是确定、可靠和永久性的。政府应该将储能技术创新、石油替代和清洁能源发展作为能源安全的组成部分。

可见,储能技术不容忽视。近年来的技术进步使得储能技术渐行渐近,在可以预见的将来,储能技术的技术可行性和经济性将因技术进步而得到进一步增强,这种变化将可能深刻地影响世界的能源供应方式和能源结构,这将对传统的能源企业以及我们的生活方式产生巨大的影响。

对于可再生能源发展与储能技术的经济性,中国具有一定的优势。第一,电价是可再生发电与储能盈利的核心,电力价格由政府决定,可以由政府制订有利于可再生能源发展与储能技术的电力峰谷和差别电价。第二,中国作为可再生能源生产大国,其市场潜力巨大,可以为可再生能源发展与储能技术的投资提供规模效应。

应该认识到,电池储能技术与可再生能源发电推广具有同等重要的位置。随着技术进步,电池储能成本与技术已经逐渐进入经济性区域。中国作为可再生能源生产大国,政府应该加强对电池储能技术的研究和运用的扶持力度,从而抢占新能源革命的先机。为了避免落后一步,中国政府应抓住储能技术处于突破前夕的机会,利用产业规模与市场优势,推进各种技术的电池储能研究与产业结合,争取在其他国家的前面,早日实现电池储能大规模应用。

(文章来源:东方早报)

所属类别: 行业基础

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