在實現(xiàn)“雙碳”目標背景下,風電、太陽能發(fā)電等新能源發(fā)電發(fā)展迅速,其波動性給電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行和供需平衡帶來挑戰(zhàn)。長時儲能憑借長周期、大容量特性,能夠在長時間維度上平抑新能源發(fā)電帶來的波動,保障季節(jié)性及極端天氣下的電力供應。
國網(wǎng)新源新疆阜康抽水蓄能電站下水庫。耿文浩 攝
目前,國內(nèi)外對于長時儲能的放電時長尚未統(tǒng)一定義,國內(nèi)一般認為持續(xù)放電時長在4小時以上的技術(shù)屬于長時儲能,主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、熔鹽儲熱、液流電池和氫儲能等5種類型。發(fā)展長時儲能對我國保障能源安全、推動能源綠色低碳轉(zhuǎn)型、促進能源高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。
長時儲能是保障新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要手段
國網(wǎng)能源研究院有限公司預測:2060年全社會用電量約15.7萬億千瓦時,電源裝機將超過67億千瓦,非化石能源裝機占比和發(fā)電量占比均超過80%;其中,風能、太陽能發(fā)電裝機將超過40億千瓦,裝機占比超過60%,發(fā)電量占比超過50%。
隨著新能源電源和電力電子設備大規(guī)模接入,電力系統(tǒng)高比例可再生能源、高比例電力電子設備的“雙高”特征凸顯,系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量持續(xù)下降,調(diào)頻、調(diào)壓能力不足,使得電力實時平衡難度增大,這對電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源提出了巨大的需求。同時,風電、太陽能發(fā)電易受天氣影響,“極熱無風、極寒少光”特點明顯,出現(xiàn)極端天氣時出力不穩(wěn)定,容易造成電力供需不平衡。根據(jù)仿真分析,當電力系統(tǒng)中風電、太陽能發(fā)電量占比超過50%時,需要解決數(shù)天、數(shù)周乃至跨季節(jié)的電力電量平衡問題。由于2至4小時的短時儲能不具備相應的支撐能力,大規(guī)模長周期儲能的作用將會進一步凸顯。
與短時儲能相比,長時儲能在提升新能源發(fā)電消納能力、增強電網(wǎng)靈活性等方面優(yōu)勢更明顯,尤其是應對季節(jié)性氣候或極端天氣時,長時儲能可以提供更長時間的電力安全保障儲備,實現(xiàn)跨天、跨月甚至跨季節(jié)的充放電循環(huán)。“新能源+長時儲能”將成為保障新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要解決方案之一。
長時儲能技術(shù)在不同時間尺度調(diào)節(jié)場景下發(fā)揮作用
國家發(fā)展改革委和國家能源局對儲能發(fā)展進行了整體規(guī)劃部署,出臺了《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》等文件,要求重點試點示范壓縮空氣、液流電池、高效儲熱等日到周、周到季時間尺度儲能技術(shù),以及可再生能源制氫、制氨等更長周期儲能技術(shù),滿足多時間尺度應用需求。
根據(jù)日、周、季等時間尺度,長時儲能分為日長時儲能(4至12小時)、周長時儲能(12至100小時)和季長時儲能(100小時以上)。日長時儲能主要應用于日間能量轉(zhuǎn)換,周長時儲能主要應用于多天電力平衡,季長時儲能主要應用于季節(jié)電力平衡以及極端天氣下的電力平衡。
綜合考慮當前長時儲能技術(shù)放電時長和容量、效率、經(jīng)濟性、技術(shù)成熟度等多種因素,日調(diào)節(jié)、周調(diào)節(jié)以及季調(diào)節(jié)場景適用不同的長時儲能技術(shù)。
在日調(diào)節(jié)場景下,抽水蓄能是最適用的儲能技術(shù)。當前,火電機組仍是我國電力系統(tǒng)靈活性的主要支撐,儲能主要用于日間調(diào)峰。抽水蓄能憑借技術(shù)成熟以及成本低等優(yōu)勢成為長時儲能的主流方式,而壓縮空氣儲能、熔鹽儲熱、液流電池和氫儲能等仍處在工程示范階段,在當前市場機制下不具備競爭力。
在周調(diào)節(jié)場景下,壓縮空氣儲能、熔鹽儲熱和液流電池等將成為長時儲能的主要方式,形成多元化競爭格局。隨著新能源占比逐步提高,電力系統(tǒng)對長時儲能的需求進一步增加,將推動多種長時儲能技術(shù)應用。壓縮空氣儲能依靠大型地下洞穴或地上儲氣室進行儲氣,隨著深冷液化、超臨界等技術(shù)取得突破,可作為抽水蓄能的補充。熔鹽儲熱在光熱發(fā)電、火電機組靈活性改造以及熱電聯(lián)供等場景具有明顯優(yōu)勢,是大規(guī)模中高溫儲熱的主流技術(shù)。液流電池功率和容量解耦,擴容性強,不受地理條件限制,采用模塊化設計,有利于提高儲能的規(guī)模和靈活性。
在季調(diào)節(jié)場景下,氫儲能是最適用的大規(guī)模、長周期儲能方式。到2060年,新能源將成為發(fā)電主力且成本大幅降低。由于風電具有較強的隨機性、間歇性和反調(diào)峰特性,風資源豐富的地區(qū)更需要跨季節(jié)長時儲能來保障季節(jié)性電力平衡和極端天氣下的電力供應。與其他儲能方式相比,氫儲能在放電時長和容量上具有明顯優(yōu)勢,儲存形式多樣,不受地理條件限制,有望成為跨季節(jié)長時儲能技術(shù)的首選。氫儲能隨著制、儲、輸、用等方面技術(shù)不斷突破,成本將大幅降低,能夠應用于電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)。
需從政策、技術(shù)和應用等方面推動長時儲能發(fā)展
構(gòu)建新型電力系統(tǒng)需要不同時長的儲能技術(shù),以滿足各類場景的調(diào)節(jié)需求。然而,長時儲能整體上還處于初步發(fā)展階段,技術(shù)類型較多,商業(yè)模式和運行機制尚不完善,產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模較小,還沒有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈,成本也有待進一步下降。為此,需要從政策、技術(shù)和應用等三方面推動長時儲能技術(shù)發(fā)展。
在政策方面,建議出臺適用于長時儲能發(fā)展的電力市場機制,完善長時儲能相關市場價格機制,建立合理的長效補償和補償監(jiān)管機制,加大對長時儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支持力度,促進長時儲能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
在技術(shù)方面,建議持續(xù)跟蹤長時儲能技術(shù)在成本、效率、安全、應用等方面的創(chuàng)新研究,適時開展部分長時儲能相關礦產(chǎn)資源儲備,加強長時儲能全產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)濟性與技術(shù)成熟度分析,以科技創(chuàng)新推動長時儲能技術(shù)的多元化應用研究和工程示范。
在應用方面,建議結(jié)合新型電力系統(tǒng)的建設階段,分析研判長時儲能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的場景適用性,厘清長時儲能技術(shù)演變路徑,統(tǒng)籌發(fā)展應用長時儲能和短時儲能,明確各類儲能技術(shù)的建設時序和區(qū)域布局,更好地服務新型電力系統(tǒng)建設。
(作者:閆華光 康建東 李揚 單位:國家電網(wǎng)有限公司大數(shù)據(jù)中心 中國電力科學研究院)
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