在實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)背景下，風(fēng)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(yīng)。
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(rèn)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(jìn)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(yù)測：2060年全社會用電量約15.7萬億千瓦時，電源裝機(jī)將超過67億千瓦，非化石能源裝機(jī)占比和發(fā)電量占比均超過80%;其中，風(fēng)能、太陽能發(fā)電裝機(jī)將超過40億千瓦，裝機(jī)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(shè)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(shè)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(fēng)電、太陽能發(fā)電易受天氣影響，“極熱無風(fēng)、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(dāng)電力系統(tǒng)中風(fēng)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(yīng)的支撐能力，大規(guī)模長周期儲能的作用將會進(jìn)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(yīng)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(jìn)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(yīng)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(yīng)用于日間能量轉(zhuǎn)換，周長時儲能主要應(yīng)用于多天電力平衡，季長時儲能主要應(yīng)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(dāng)前長時儲能技術(shù)放電時長和容量、效率、經(jīng)濟(jì)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(dāng)前，火電機(jī)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(dāng)前市場機(jī)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(jìn)一步增加，將推動多種長時儲能技術(shù)應(yīng)用。壓縮空氣儲能依靠大型地下洞穴或地上儲氣室進(jìn)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(jī)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(kuò)容性強，不受地理條件限制，采用模塊化設(shè)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(fēng)電具有較強的隨機(jī)性、間歇性和反調(diào)峰特性，風(fēng)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(yīng)。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(yīng)用于電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)。
需從政策、技術(shù)和應(yīng)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(jī)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(jìn)一步下降。為此，需要從政策、技術(shù)和應(yīng)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(jī)制，完善長時儲能相關(guān)市場價格機(jī)制，建立合理的長效補償和補償監(jiān)管機(jī)制，加大對長時儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支持力度，促進(jìn)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(yīng)用等方面的創(chuàng)新研究，適時開展部分長時儲能相關(guān)礦產(chǎn)資源儲備，加強長時儲能全產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)濟(jì)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(yīng)用研究和工程示范。
在應(yīng)用方面，建議結(jié)合新型電力系統(tǒng)的建設(shè)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(yīng)用長時儲能和短時儲能，明確各類儲能技術(shù)的建設(shè)時序和區(qū)域布局，更好地服務(wù)新型電力系統(tǒng)建設(shè)。
(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(xué)研究院)
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