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儲能電池是可再生能源大規模發展的關鍵

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儲能電池是可再生能源大規模發展的關鍵

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  • 發布時間:2016-03-01
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儲能電池是可再生能源大規模發展的關鍵

【概要描述】

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詳情

可再生能源具有間斷性的特點,電網無法大規模消納并網,而電動汽車也面臨充電設施和電池安全的瓶頸,儲能技術是解決這些問題的關鍵。儲能技術對電網的好處有三點:一是幫助增加可再生能源的滲透率,促進分布式發電的發展;二是提升電網的穩定性和實現充分的調峰,減少高峰負荷及對應的電網投資和電源投資;三是通過電價設計,促進電力市場自由化。

廣義的儲能技術包括儲熱和儲電。狹義上它是一種運用物理或者化學方式儲存電能,并在需要時釋放的技術。隨著人類對能源需求的逐漸增加,傳統能源在儲量、環境污染、能源效率以及成本等方面的約束日益突顯。尋求能源替代,對新能源進行研究和利用已經成為全世界的共同主題,也是未來不可逆的能源發展趨勢。從狹義的角度來看,儲能技術包括了機械儲能、電池儲能和電磁儲能等方式,其中較為成熟,可以商業化應用的包括抽水儲能和壓縮空氣儲能,這兩種為大規模儲能技術。一般認為,電池儲能的商業化應用還面臨著成本問題,只有很少的高電價地區,結合光伏發電,儲能技術才具有經濟上的可行性。隨著技術進步,電池儲能的成本的確不斷下降,但是一般還是認為受制于較高的成本或其他技術因素,無法大規模商業應用。

近年來,可再生能源發電的份額逐步提高??稍偕茉床坏灰暈榻鉀Q環境問題,特別是減少碳排放的有效途徑,長期則可能是人類能源需求的最重要的解決方案之一。全球2014可再生能源發力占電力生產總值比例占比為22.8%(包括水電等),其中風能與太陽能之和占到4%。中國面臨著嚴重的環境壓力而更加重視可再生能源發電的發展,2014年可再生能源發電量為1.2萬億千瓦時,占總發電量的22%,其中并網風力發電占總發電量的2.8%;光伏發電占總發電量的0.45%,并網光伏占0.42%。2014年在中美雙方發布的聯合聲明中,中國提出計劃2030年左右二氧化碳排放達到峰值且將努力早日達峰值,并相應地將2030年非化石能源占一次能源消費比重提高到20%,而此前的規劃是到2020年非化石能源占比為15%??紤]到水電核電施工周期較長,增長受稟賦限制,風、光的發展潛力非常大。

電池儲能系統的突破已經到了一個關鍵點,現在研究儲能的經濟性,比之前更有時效性與指導意義。而從宏觀與微觀上分步進行可再生能源與儲能系統的研究和政策設定,具有可行性與實證參考意義。

儲能技術的重要性

目前尋找新能源的主要路徑是將風能、太陽能逐漸納入到電力系統中,并占據越來越大的比重。與傳統的化石能源發電相比,以風能太陽能為基礎的可再生能源發電依賴于自然條件,具有波動性和間歇性的特點,大規模納入會對電網的安全穩定帶來很大的沖擊。有專家認為,對于風力發電,如果裝機比重在系統比例10%以下,傳統技術可以基本保障電網的安全穩定;當風電裝機比例超過20%,就需要儲能手段來減少波動性與間歇性,避免對電網造成難以承受的沖擊,因此,儲能技術發展是可再生能源發電大規模并網的必須條件。

對于分布式可再生能源(風電太陽能)來說,儲能技術更為重要。分布式能源主要指建在用戶端的能源供應方式,可獨立運行或并網運行,按照用戶多種能源需求,采用需求應對式設計的新型能源系統,是可以將資源和環境效益最大化的分散式供能系統。由于可以降低輸送環節的損耗,因此可以提高能源利用效率。但是,同樣由于風電太陽能的不穩定性,儲能手段也是分布式可再生能源大規模發展的必要條件之一。有人認為至2050年,人類的太陽能利用可以占總能源供應的50%,如果沒有經濟可行的儲能技術,這個美好愿景難以想象。因此可以說,儲能技術可以真正地改變人類的能源供應。

能源安全也是中國能源發展的一個重要目標。中國目前石油進口依存度已經超過60%,而且未來還將繼續上升,石油價格的大幅度波動,除了影響整體經濟運行,還會影響能源行業的健康發展。因此政府需要提前布局石油替代,降低對其他國家的能源依賴,減少國際油價波動對經濟安全運行的影響?;旌蟿恿图冸妱悠嚤徽J為是未來汽車行業轉型發展的主要方向,已經成為世界汽車強國和主要汽車制造商發展重點,而儲能技術是電動汽車發展的主要約束。對于中國來說,電動汽車除了減少城市環境污染,電動車的普及還可以替代石油,減少石油對外依存。另一方面,電動汽車和儲能技術是石油強有力的替代品,長期而言,油價的最大威脅可能是電動汽車和儲能技術。想象一下,如果路上跑的一半是電動汽車,油價會跌到哪里?

近年來電動汽車和儲能技術進步迅速,作為石油替代的可能性也越來越明顯。

SONY公司在1992年研制出鋰電池后,該技術在材料和制造工藝上有了很大的發展,在發電系統及電動汽車領域有非常廣泛的應用。2014年世界儲能技術新增裝機中,鋰離子電池占比達到了71%。目前鋰電池技術仍無法滿足電動汽車的普及要求,首先,因為電池過大,一般電動汽車的重量都超過了體積相當的汽油汽車,但是續航能力卻只有汽油汽車的一半。其次,在充電方面鋰離子電池也無法滿足消費需求,據估計,電動車想要實現商業化,電池密度至少達到250Wh/kg,但目前電動汽車鋰電池密度普遍不足100Wh/kg。最后是鋰電池目前成本過高,可以占到電動車成本的一半,直接導致了電動車在價格上難與傳統汽車競爭。

今年4月特斯拉推出了Powerwall家用儲能電池,引起了業界的廣泛注意。Powerwall可以將電費低廉時儲存的電能在電費高昂時釋放,或是與可再生能源(太陽能風電)配套使用。其經濟性是能否大規模推廣的最重要標準,此次推出的Powerwall7kwh10kwh兩種容量,售價分別為3000美元和3500美元,提供10年質保,但均有充電次數限制。由于Powerwall主要著眼于產品與太陽能發電系統配套使用,因而除電池外,用戶還要購買太陽能面板、逆變器等,整個系統成本據說在2萬美元以上。由于,太陽能用戶可以將剩余電量出售給電網,因此削弱了Powerwall的經濟性。目前美國安裝儲能電池總價約為1.28億美元,多數集中在事業機構,家庭安裝僅為1%。有機構分析,特斯拉需要將銷售價格下調75%左右。特斯拉正與松下合作建造大型的電池工廠,據說有望在不久的未來,使成本降低約30%。如果油價持續低迷,Powerwall的成本的確需要有更多的下降。

一直以來,世界各國都很重視大容量儲能技術的研發與運用。目前美國已投運的儲能項目為95個,裝機規模超過357MW。日本裝機規模約為310MW,列第二位。今年來發展更為迅猛,2014年美國的新增裝機規模為34.4MW,中國和歐洲分列二、三位,裝機規模分別為31MW27.7MW。大容量儲能技術實現商業化的只有鈉硫電池和液流電池。比如,鈉硫電池有較高的儲能密度,效率在80%左右,充放電次數可以達到6000次以上。日本京瓷公司所研制的鈉硫電池儲能系統已有100多套投入運營中,容量已超過100MW。目前大容量儲能中鈉硫電池裝機比重最大,達到了40%,但鈉硫電池的高成本是制約其發展的重要因素。

儲能技術離我們有多遠

在低碳轉型的過程中,可再生能源發展給人類提供了清潔可持續的能源來源,而電動汽車的崛起則為石油大規模替代提供了可能性,因此全球的能源供應方式將面臨巨大的變化。但是,可再生能源和電動汽車大規模發展都面臨同一個難題,這就是儲能技術。

可再生能源具有間斷性的特點,電網無法大規模消納并網,而電動汽車也面臨充電設施和電池安全的瓶頸,而儲能技術是解決這些問題的關鍵。儲能技術對電網的好處有三點:一是幫助增加可再生能源的滲透率,促進分布式(微電網)發電的發展;二是提升電網的穩定性和實現充分的調峰,減少高峰負荷及對應的電網投資和電源投資;三是通過電價設計,促進電力市場自由化。更重要的是,電池儲能是分布式(微電網)發展中具有至關重要的瓶頸地。

儲能技術對電動汽車發展的重要性比較直觀。電動汽車的充電、巡航里程和安全問題都涉及電池。比如說,由于電池引發的安全事故減弱了消費者的信心,影響了電動汽車的發展。對于中國來說,電動汽車的發展除了石油替代,還可以解決城市汽車尾氣和噪聲污染。利用用電峰谷,電動汽車夜間充電還可以使用夜間過剩和便宜的電力。

特斯拉推出的針對家庭用戶的儲能設備Powerwall和針對電網級的設備Powerpack,其中Powerwall的價格已低至每千瓦時350美元。Powerpack雖然還沒有給出具體的技術參數,但有媒體報道其成本僅為每千瓦時250美元,這意味著儲能技術在經濟上開始具有吸引力了。

廈門大學能源經濟與能源政策協同創新中心最近進行了一項研究,利用特斯拉的PowerwallPowerpack,針對中國目前的峰谷電價政策,建立優化套利模型,對各省的儲能投資收益及外部影響進行分析,量化分析各種影響因素改變后對儲能投資收益水平的影響。其基本思路是從電網角度出發,使儲能系統充分發揮調峰的作用,再確定儲能技術的經濟性和投資收益。

中國的輸配電主要由國家電網和南方電網投資和實施運營,而電價由發改委根據電網公司的成本結合地區發展情況來制定。由于資源稟賦、地理條件和經濟發展水平不同,各省的電價有較大差異。目前許多電力輸入省份都實行峰谷電價政策,即差別峰谷電價,鼓勵消費者在非高峰時段增加電力消費,在高峰時節約用電,還有利于均衡供應電力。

研究通過對不同地區儲能投資的經濟性評價,發現部分地區儲能投資已經能實現收益,在不需要補貼的情況下,投資儲能可以獲利,收益的水平除了受到電價差的影響外,也與峰谷時間段的劃分有關。如果從電網角度出發,考慮如何定價能夠使儲能系統充分發揮調峰作用,那么儲能技術的經濟性可以大大提高。研究結果還說明,當儲能投資達到最優的規模后,電網的負荷將更加均衡,電廠也可以以更加穩定高效的模式運行,因此從投資潛力上看,將有著很大的發展空間。

顯然,目前的研究還很粗淺,由于種種限制,還無法充分考慮影響電池經濟性的各種因素。比如說:第一,由于電能存儲和轉換的過程中會帶來一定的損耗,但其占總耗電量的比例并不大,考慮到由于電源端及電網運行效率提升的作用,所以儲能大規模發展后對碳排放的影響還需要進一步的分析。第二,儲能可以減少電網投資和電源投資的外部性,這些外部性如何合理定量地評價,如何與儲能的成本進行對比,將是很有意義的問題。但是比較確定的是,如果充分考慮環境外部性,儲能技術的經濟性將可能大幅度增加。

對于電網而言,發展電池儲能技術或者可以從根本上解決可再生能源發電的不穩定性,大規模擴大可再生能源發電的份額,切實提高上并網率和系統穩定性。對于政府而言,制定更有針對性和有差別性的差別電價政策,不但有助于推動電池儲能技術的盈利能力,還可以在更大程度上優化電力資源配置,提高電力系統的總體發電效率。

研究還有很大的局限性,沒有就儲能技術發展對提高可再生能源滲透率,以及對分布式和微電網發展的影響進行評估??梢哉f,研究還難以證明目前儲能技術的有效性,而僅僅是想簡單地看看儲能技術究竟離我們有多遠。但這種探索性的研究是重要的,因為一旦儲能技術突破,世界的能源市場可能會發生巨大變化,這種變化將使得我們的能源消費更加清潔,電網和發電廠能夠更加高效地運行,可再生能源的使用比重也能得以大幅度提高。由于這種改變才剛剛開始,沒有能夠直接感受到這些變化的影響,因此也很容易將其忽視。

電池儲能是可再生能源大規模發展的關鍵

中國不但有著世界最大的用電需求,也是世界上最大的可再生能源發電國,因此中國對全球可再生能源發展舉足輕重??稍偕茉窗l電發展最大的問題是可再生能源發電的間歇性與不可預測性。一方面,可再生能源的發電集中時間段與用電時間段存在著不一致性。風電發電高峰一般集中在晚上,太陽能發電的高峰集中在白天。而工業用電的用電曲線較為平緩,居民用電則呈現白天、晚上兩個高峰。另外,隨著季節、天氣的變化,可再生能源發電與用電曲線都會有相應的變化。中國大部分地區春季風力發電輸出最大;光伏發電夏天輸出最高,而且發電隨天氣原因劇烈變化而具有不可預測性。

這些對于電網來說,都是麻煩。傳統的解決方案主要集中在兩個方案:一是利用較為靈活的發電設施與之配合,形成穩定的總輸出,應用較為廣泛的是天然氣發電與可再生能源發電相結合。二是將可再生能源發電的能量進行儲存,儲能傳統方法是轉換為熱能等形式,如儲熱、熱水系統與可再生能源發電系統的結合。而不涉及能量轉換的電力儲能方法,以往的應用中,主要表現為抽水蓄能電站。

以上兩個方案都不能從根本上解決可再生發電到達一定規模比例后,難以維持電網穩定性的問題。第一個方法存在兩個主要限制:一是應用不夠廣泛,較多應用于分布式系統;二是涉及到燃料價格因素,成本不可控。第二個方法的主要局限在于,抽水蓄能電站工作時,其能量來源從根本上來說,同樣是來源于化石能源。因此,抽水蓄能雖然有利于減少電網的波動性,但對節能減排并沒有本質上的好處。另外,抽水蓄能電站的應用受到選址、成本與利益分配等多方面限制因素影響。

因此,如果更為長遠來看這個問題,電池儲能可能是解決可再生能源發電不穩定性的最有效經濟方案。電池儲能的好處在于,可大可小,容易與各種規模的可再生能源發電相結合;充電放電快速,直接電與電轉化,轉換效率高。其限制的最大因素在于經濟性,以及與成本相關聯的充放電效率、安全性、壽命。傳統上都認為電池儲能的成本高難以商業運營。

這個狀況正在迅速改變,近期電池技術的突破,使得電動汽車等大規模電池應用已經較為普遍,而直接與電力系統結合的電池儲能的嘗試也已經開始。特斯拉的PowerWallPowerpack,單體峰值電量為3kW,可儲存10kWh電量,充放電能效92%,可以通過簡單拼接進一步擴大至1000倍。特斯拉希望借此改變人類的用電模式,掀起能源革命,推動可再生能源的普及?,F在看來,特斯拉不是在吹牛。

對于可再生能源與儲能結合的系統,儲能策略對系統經濟性的重要性可能高于儲能設備本身成本的重要性。因此,政府在大力推進儲能設備發展的同時,也應當倡導電池儲能與可再生能源發電的結合,積極建立試點,扶持可再生能源與儲能結合系統的試驗性項目,在實踐中找到最適應中國現狀,最適應項目安裝地點的儲能策略,為日后大規??稍偕茉窗l電的利用打下良好的基礎。

與工業用電結合的分布式光伏項目可能是電池儲能最易介入,而且是最容易盈利的主體??稍偕茉磁c儲能相結合的系統,要想其達到最優的經濟效益,關鍵在于對可再生能源發電的有效預測。因此,政府在大力發展風能、光伏的同時,也應該建立平臺,及時更新分享相關發電與氣候數據,提供有效的發電預測信息。

對于電網而言,發展電池儲能技術或者可以從根本上解決可再生能源發電的不穩定性,大規模擴大可再生能源發電的份額,切實提高上并網率和系統穩定性。對于政府而言,制定更有針對性和有差別性的差別電價政策,不但有助于推動電池儲能技術的盈利能力,還可以在更大程度上優化電力資源配置,提高電力系統的總體發電效率。

結論和政策建議

儲能技術作為新能源發展和電動汽車的關鍵環節,其技術突破將改變整個世界的能源格局??梢哉f,儲能技術是開啟新能源時代的鑰匙,一旦儲能技術經濟可行,將為人類打開一扇通往新能源時代的門。對于中國而言,電動汽車、儲能技術和風電、太陽能的有效結合,除了清潔發展,還可以形成對石油的有效替代,保障能源安全,因此,政府應該重視儲能技術的發展。對于傳統的能源企業,尤其需要重視儲能技術的發展,利益所在,其重要性不言而喻。

因此,十三五能源戰略規劃需要重點關注清潔能源、電動汽車和儲能的技術創新,因為技術創新導致的成本下降是確定、可靠和永久性的。政府應該將儲能技術創新、石油替代和清潔能源發展作為能源安全的組成部分。

 
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