能源安全是關系國家經(jīng)濟社會發(fā)展的全局性、戰(zhàn)略性問題。2014年6月13日，習近平總書記提出“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略，推動了新時代能源革命發(fā)展進程。我國能源轉型以保障能源安全、踐行綠色發(fā)展為核心，其中，高比例新能源的供給與消納是新型電力系統(tǒng)建設的主線任務，是實現(xiàn)“雙碳”目標的關鍵。我國新能源發(fā)電量和裝機占比持續(xù)提升，截至2023年底，全國并網(wǎng)風電和太陽能發(fā)電合計裝機規(guī)模達到10.5億千瓦，在我國電力裝機總規(guī)模中占比36%，發(fā)電量占比超過15%。由于新能源發(fā)電具有隨機性、波動性和間歇性特點，系統(tǒng)調節(jié)資源需求大，對電力系統(tǒng)的安全和高效運行帶來了新挑戰(zhàn)。儲能能夠為電網(wǎng)運行提供調峰、調頻、調壓、備用、黑啟動等多種服務，是提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性、穩(wěn)定性和安全性的重要手段。截至2023年底，全國已投運抽水蓄能50.6吉瓦，新型儲能31.39吉瓦，其中，鋰離子電池占新型儲能絕對主導地位，其他類型的新型儲能技術也不斷涌現(xiàn)，總體呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢。新型儲能通過科技創(chuàng)新引領產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為構建安全可靠、清潔低碳、經(jīng)濟高效的新型能源體系提供助力，成為發(fā)展能源新質生產(chǎn)力的一個重要內容。
儲能定位：新型電力系統(tǒng)的“調節(jié)器”
近年來，我國政府出臺了一系列利好政策支持儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。早在2014年，國務院就發(fā)布了《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014~2020年)》，指出儲能是未來重點創(chuàng)新領域之一。2017年，我國大規(guī)模儲能技術及應用發(fā)展的首個指導性政策《關于促進儲能產(chǎn)業(yè)與技術發(fā)展的指導意見》(發(fā)改能源〔2017〕1701號)正式發(fā)布。2021年，“十四五”期間首個國家層面的綜合性儲能政策《關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》(發(fā)改能源規(guī)〔2021〕1051號)出臺，規(guī)劃了新型儲能在未來十年的總體發(fā)展目標。2024年，“發(fā)展新型儲能”首次納入政府工作報告。相關政策大力推動了新型儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展：2018年，新型儲能累計裝機規(guī)模首次突破“吉瓦”大關，2022年累計裝機突破10吉瓦，2023年累計裝機突破30吉瓦，新型儲能產(chǎn)業(yè)邁入加速發(fā)展期。
火電是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的“壓艙石”，儲能是新型電力系統(tǒng)的“壓艙石”。盡管火電同樣具有靈活性調節(jié)功能，但若新能源大規(guī)模發(fā)展，僅僅依靠火電的調節(jié)是遠遠不夠的，必須要有具備“儲電”和“放電”功能的儲能技術參與調節(jié)。另外，火電與新能源發(fā)電存在發(fā)電量占比的直接競爭關系。因此，隨著儲能成本的快速下降，火電的有序退出(但不是完全退出)是新能源大規(guī)模發(fā)展的必然要求和結果。
儲能可分別應用于電源側、電網(wǎng)側和用戶側，具有不同的功能定位。在電源側，儲能能夠平滑功率輸出波動，儲存高峰電力，降低其對電力系統(tǒng)的沖擊，提高新能源場站跟蹤計劃出力的能力，為新能源場站的建設和運行提供備用能源。在電網(wǎng)側，儲能在提高電網(wǎng)調頻能力方面，可減少因頻繁切換造成的傳統(tǒng)調頻電源損耗;在提升電網(wǎng)調峰能力方面，可根據(jù)電源和負荷變化及時可靠地響應調度指令，并根據(jù)指令改變其出力水平。在用戶側，儲能可以為用戶提供可靠的應急電源，改善電能質量;或者利用峰谷電價的差價，為用戶節(jié)省開支。
盡管有上述重要作用，但目前新型儲能尚存在成本疏導和并網(wǎng)調度問題，儲能電站的盈利情況普遍不及預期，新型儲能的性能水平也有待進一步提升，因此，需要我們推進儲能產(chǎn)業(yè)的技術創(chuàng)新和機制創(chuàng)新，為新能源的大規(guī)模安全發(fā)展和“雙碳”目標的順利實現(xiàn)提供重要支撐。
技術創(chuàng)新：安全是基礎，經(jīng)濟是核心，綠色是保障
新型儲能的安全解決方案
安全是儲能應用的基礎。儲能設備作為含能載體，不可能做到絕對安全，但是有可能達到本質安全，也就是在正常工況或規(guī)定濫用條件下均不會發(fā)生熱失控。而非本質安全是：當儲能載體發(fā)生熱失控后，通過外部滅火、降溫等安全措施阻止進一步的熱蔓延或爆炸。
儲能載體的本質安全包含系統(tǒng)、模組和電芯三個不同級別的本質安全。其中，系統(tǒng)級別的本質安全最容易做到，只要求儲能系統(tǒng)內電池模組熱失控后不能蔓延到整個系統(tǒng);模組級別的本質安全則要求更高：若模組內某個電池單體發(fā)生了熱失控，必須有措施確保熱失控不會蔓延到模組里的其他電池;而電芯級別的本質安全最難達到：要求電芯單體在正常工況及一定濫用條件下，不會發(fā)生熱失控。
目前，電芯級別的本質安全技術有三個主要方向：水系電解液技術、固態(tài)電解質技術和安全劑注入電芯內部技術。前兩者是將易燃電解液改性為非易燃，從而大幅提高電池熱失控臨界溫度;后者是在不改變有機電解液屬性的前提下，通過把安全劑注入電池內部方式，在電池故障早期就切斷電池內部反應，防止其發(fā)生熱失控。只有做到電芯級別的本質安全，新型電化學儲能才有“資格”支撐新能源的大規(guī)模發(fā)展。
新型儲能的成本下降趨勢
成本是儲能應用的核心。如果儲能的度電成本過高，那么寧愿選擇棄風棄光，也不會采用儲能設備儲存電量。
2023年，受上游原材料成本下跌及產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴大等因素的影響，鋰離子電池價格不斷下行，目前國內電芯價格已低于0.4元/瓦時，綜合考慮系統(tǒng)效率和運維成本等因素，鋰電儲能的全生命周期度電成本已經(jīng)降至0.40~0.45元的水平。
2023年，儲能電池價格大幅下降對上游和中游企業(yè)造成了一定競爭壓力，但同時也為電池儲能提供了進一步降本增效的基礎。除了降低電池制造成本以外，采用創(chuàng)新技術提高電池循環(huán)壽命是降低儲能度電成本的另一個重要方向。未來，隨著電池補鋰和修復再生技術的開發(fā)和應用，新型儲能專用鋰離子電池預計儲能壽命可達15年以上，儲能度電成本在2026年可降至0.30元，2030年前降至0.20元，低于抽水蓄能的度電成本。
2023年，光伏和風力發(fā)電的平均度電成本已經(jīng)低于0.3元。在一類光照地區(qū)，光伏發(fā)電的度電成本甚至低于0.2元。因此，在2030年之前，一類光照地區(qū)“分布式光伏+儲能”的平均度電成本將有極大的概率降至0.3元的綜合利用水平。在新型儲能的加持下，分布式能源的發(fā)展將勢不可擋。
新型儲能的綠色發(fā)展之路
綠色是儲能可持續(xù)發(fā)展的保障。2023年8月，歐盟《電池與廢電池法規(guī)》正式生效，對電池企業(yè)提出電池護照、電池回收以及碳足跡的強制性要求。因此，進行全生命周期碳排放管理，是企業(yè)應對綠色貿(mào)易壁壘、增強產(chǎn)品競爭力的必要途徑。綠色儲能產(chǎn)品的開發(fā)應從電池設計環(huán)節(jié)即考慮全生命周期的碳排放影響因素，盡量采用綠色材料和可再生材料、縮短生產(chǎn)工藝流程、延長電池使用壽命、采用易于拆解和回收的電池結構等。制造技術的升級是新型儲能綠色化發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，生產(chǎn)效率和管理水平的提高、綠色電力使用比例的提升都有助于降低電池生產(chǎn)過程的碳排放。此外，綠色儲能標準體系的建立有助于推動儲能產(chǎn)業(yè)加強綠色發(fā)展理念，構建完善的市場評價和選擇依據(jù)，更好地與國際市場接軌。
鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展加劇了全球各國對鋰資源的爭奪，中、日、美、歐、澳相繼將鋰列為戰(zhàn)略性金屬。全球鋰資源豐富，但分布不均，從儲量來說可以滿足全球動力和儲能鋰離子電池生產(chǎn)需求，但我國是全球最大的鋰離子電池生產(chǎn)國和出口國，鋰資源的供應受全球形勢影響較大。因此，保障鋰資源安全穩(wěn)定供應具有重要意義，除加強鋰資源的開采和布局外，必須對鋰離子電池材料的回收和利用率予以高度重視，開發(fā)易回收的儲能專用電池。目前，我國鋰離子電池回收利用市場整體還處于初級發(fā)展階段，電池回收率和材料再生率不高，綠色回收產(chǎn)業(yè)技術有待突破，同時需要進一步健全回收網(wǎng)絡和市場監(jiān)管，落實生產(chǎn)者責任延伸機制，保障電池資源可持續(xù)發(fā)展。
體制創(chuàng)新：新質生產(chǎn)力決定新型生產(chǎn)關系的發(fā)展
新型能源體系的變化趨勢
在“新能源發(fā)電+儲能”度電成本快速下降的驅動下，能源電力系統(tǒng)正在發(fā)生以下變化：
發(fā)電側：已有火電機組逐步由主力電源向調峰電源過渡，更多的光伏和風力發(fā)電機組將涌入發(fā)電環(huán)節(jié)。與此同時，以電化學儲能為代表的新型儲能系統(tǒng)，以及以就地消納新能源為主要目的的新質生產(chǎn)力產(chǎn)業(yè)(例如算力中心、新型制造業(yè)、可再生能源制氫等)將會圍繞新能源發(fā)電側布局，形成多能互補的局面，傳統(tǒng)意義上的發(fā)電側將逐漸由以虛擬電廠為代表的分布式能源替代。
輸電側：我國幅員遼闊，能源生產(chǎn)和消費存在地理空間上的錯位，國內新能源豐富地區(qū)基本上在“胡煥庸線”的西部和北部地區(qū)，而能源消費則以東南地區(qū)為主，東西部之間的資源稟賦與能源消費需求存在巨大差異，因此大電網(wǎng)架構將一直存在，并將持續(xù)推進柔性電網(wǎng)技術的發(fā)展，包括超高壓和特高壓輸電網(wǎng)絡的智能控制技術改造，以及電網(wǎng)側抽水蓄能電站和大型的、獨立新型儲能電站的建設與調用。
用電側：傳統(tǒng)的用電側也將因地制宜地引入分布式電源和儲能設施，在配電網(wǎng)基礎上發(fā)展以工商業(yè)微電網(wǎng)為代表的分布式能源系統(tǒng)，并與輸電網(wǎng)進行雙向互動。通過峰谷價差等價格信號實施需求響應，微電網(wǎng)的電力用戶可根據(jù)電力價格信號和有關激勵機制以及電網(wǎng)對負荷調整的需求做出響應，電動汽車及工商業(yè)儲能系統(tǒng)也可根據(jù)需要參與系統(tǒng)的削峰填谷。
上述能源電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢正是未來能源革命的趨勢，體現(xiàn)了能源新質生產(chǎn)力的崛起和發(fā)展。“生產(chǎn)力決定生產(chǎn)關系”，為了適應新質生產(chǎn)力的發(fā)展要求，生產(chǎn)關系也必須隨之發(fā)生變化。
“管住中間，放開兩頭”
“中間”是包含電網(wǎng)側儲能在內的輸電網(wǎng)，“兩頭”在傳統(tǒng)意義上是指發(fā)電側和用戶側，在新型電力系統(tǒng)中還包含了新能源和儲能在內的分布式能源系統(tǒng)(虛擬電廠和工商業(yè)微電網(wǎng))。
“管住中間”的目的是打破電網(wǎng)壟斷，確保電網(wǎng)企業(yè)不參與市場競爭性業(yè)務，保證電網(wǎng)運營的公正性和透明度。新能源電力的并網(wǎng)調度和新型儲能電站的調用是新型電力系統(tǒng)建設面臨的重要挑戰(zhàn)。新能源發(fā)電比例的提升增加了電網(wǎng)調度的難度，分布式電源和新型儲能快速發(fā)展帶來大量分散調控對象的接入需求，同時終端用電負荷呈現(xiàn)增長快、變化大、多樣化的新趨勢，使電力負荷預測和協(xié)調難度加大。另外，在電力體制方面，電網(wǎng)企業(yè)作為輸配電環(huán)節(jié)的主體機構，缺乏主動調用新能源電力和新型儲能的底層動力，電力市場化程度有待提高。為了適應未來的能源發(fā)展需求，應在全國統(tǒng)一電力市場體系的基礎上，持續(xù)推進區(qū)域電網(wǎng)建設和輸配電分離體制改革，改變傳統(tǒng)大電網(wǎng)集中調度模式，建立適應分布式能源系統(tǒng)的輸電、配電和售電機制。通過壟斷性業(yè)務(輸電網(wǎng))和競爭性業(yè)務(配售電公司)的徹底分離，鼓勵配電網(wǎng)投資建設運營的市場化競爭，基于配電網(wǎng)的需求響應價格機制，引導分布式能源、虛擬電廠等向電網(wǎng)滲透，通過市場價格反映真實供求關系，為新能源市場交易創(chuàng)造條件。
“放開兩頭”是引入市場競爭機制，形成多元化的供電和售電主體結構，增強電力市場的活力和效率。新能源發(fā)電側，需抓緊修訂《可再生能源法》，出臺考慮儲能在內的新能源發(fā)電并網(wǎng)指導規(guī)范。結合陸地“一帶一路”建設發(fā)展分布式能源，推動制造業(yè)和能耗產(chǎn)業(yè)向西部和北部等富能地區(qū)轉移，突破能源“胡煥庸線”，在新能源豐富地區(qū)積極引入新質生產(chǎn)力產(chǎn)業(yè)(如算力中心、新型制造業(yè)等)。用戶側儲能的核心價值在于用電的應急需求，以及與分布式光伏、風電匹配的支撐價值，因此，需打破隔墻售電壁壘，推進輸配分離，因地制宜、因時制宜發(fā)展以工商業(yè)微網(wǎng)為代表的分布式能源系統(tǒng)，加大推動“分布式光伏+儲能”、臺區(qū)配儲、離網(wǎng)配儲、海島多能互補、園區(qū)微電網(wǎng)、光儲充、通信基站、數(shù)據(jù)中心等典型細分應用場景建設。
“還原能源的商品屬性”
得益于我國能源保供能力的不斷提升和強大的宏觀調控能力，我國電力價格長期穩(wěn)定，為用戶提供了相對穩(wěn)定的能源供應環(huán)境。但同時行政干預未完全破除，導致市場缺乏充分競爭，非公資本在能源市場中處于不公平競爭狀態(tài)，能源行業(yè)市場集中度高、壟斷等現(xiàn)象依舊存在。未來，新能源發(fā)電占比大幅提升，包括新型儲能在內的靈活性調節(jié)資源將成為新型電力系統(tǒng)的重要支撐，分布式能源系統(tǒng)的建設也將加快發(fā)展。
當前，我國電力市場靈活性調節(jié)資源價值還沒有充分體現(xiàn)，為了加快推進新能源和新型儲能參與電力市場交易，應加快推動形成由市場決定能源價格的交易機制，完善電力現(xiàn)貨市場和輔助服務市場的建設，促進市場主體多元化競爭，充分發(fā)揮市場化價格機制對電力資源的配置作用。分布式能源的建設應考慮其單體容量小、數(shù)量多、布點分散的特點，積極探索創(chuàng)新商業(yè)模式和多元化盈利模式，以虛擬電廠、工商業(yè)微電網(wǎng)等形式進行能源的有效聚合和集中調控，提供靈活多樣的供需資源匹配服務。
在市場主導的交易體系中，能源價格充分反映自身的稀缺程度和供需關系，同時也要滿足綠色發(fā)展的需求。目前，新能源的綠色價值還沒有充分體現(xiàn)，綠證自愿認購的激勵機制不足、綠色電力消費的環(huán)境溢價效用未能得到體現(xiàn)，因此，應盡快建立和完善體現(xiàn)新能源綠色價值的政策體系，實現(xiàn)電力市場和碳市場的協(xié)同發(fā)展。
前景展望：“新能源發(fā)電+儲能”，春天即將到來
根據(jù)國家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)，2023年，中國火力發(fā)電仍然是絕對的主力，占據(jù)了全國發(fā)電量的69.95%，發(fā)電量高達62318億千瓦時，不降反升，同比增長了6.10%。而太陽能發(fā)電產(chǎn)出2939.68億千瓦時，雖然同比增長了17.17%，但總發(fā)電量只占3.3%。新能源發(fā)展任重道遠。因此，在光伏和儲能成本迅速下降的產(chǎn)業(yè)背景下，以及近幾年極端天氣風險和地緣政治沖突風險驟升的情況下，希望火電的有序退出能夠成為戰(zhàn)略性的能源發(fā)展方向，從政策方向上推動包含儲能和就地消納因素在內的分布式能源的發(fā)展。
最近三年，各地在“全面開花”建設抽水蓄能電站，電站建設成本也由早期的50~65億元/吉瓦，上升到70~80億元/吉瓦，換算成全生命周期度電成本，已經(jīng)接近0.30元了?？紤]新型儲能度電成本的快速下降(2026年約0.30元，2030年約0.20元)，以及新型儲能安全性和綠色度的提升，預計在2030年碳達峰之前，新型儲能的優(yōu)勢將超過抽水蓄能，成為新能源大規(guī)模發(fā)展、特別是分布式能源發(fā)展的支撐技術。因此，需要我們前瞻性考慮抽水蓄能的建設規(guī)模和合理布局，避免造成2030年后抽水蓄能產(chǎn)能的結構性過剩。
對于能源革命，我們要有信心，千萬不能以“能源安全”為由，拒絕調整生產(chǎn)關系，阻礙新質生產(chǎn)力的發(fā)展。與能源行業(yè)同等重要的糧食食品行業(yè)在上世紀九十年代完成了市場改革，并在過去的30年里持續(xù)改進和完善，很好地支撐了中國式現(xiàn)代化的進程。在儲能、特別是新型儲能的支持下，新能源的大規(guī)模發(fā)展是必然趨勢，這需要我們從技術創(chuàng)新和體制創(chuàng)新兩方面做好準備，推動能源領域新質生產(chǎn)力和新型生產(chǎn)關系的協(xié)調發(fā)展，順利實現(xiàn)“雙碳”目標。
(本文僅代表作者個人觀點，不代表本刊立場)
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2024年05期，作者陳永翀、馮彩梅、何穎源供職于清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院綠色儲能研究所，作者劉勇供職于中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會
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