新型储能产业发展对新型电力系统建设的促进研究_张文智.pdf
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1、第 4 卷 第 1 期2023 年 8 月新能源科技New第 4 卷 第 1 期2023 年 8 月新能源科技New EnergyEnergy TechnologyVol.4,No.1August,2023TechnologyVol.4,No.1August,2023 作者简介:张文智(1975),男,山东栖霞人,高级工程师,硕士;研究方向:项目管理,综合能源服务。新型储能产业发展对新型电力系统建设的促进研究张文智1,杨晋红2,贾艳刚3(1.国网综合能源服务集团有限公司,北京 100010;2.国网英大长安保险经纪有限公司,北京 100010;3.南京绿新能源研究院有限公司,江苏 南京 210
2、008)摘要:加快新型储能产业发展,对于促进新型电力系统建设具有重要意义。文章首先讨论了面对当今能源发展的现状,国家电网努力构建新型电力系统面临的挑战和机遇;其次,介绍了新型储能技术的种类、原理、应用现状以及其在新型电力系统中的作用;最后,提出了国网推进新型储能产业发展的具体措施和建议,包括政策支持、技术研发和产业合作等方面,以加快新型电力系统的构建和推进。政府的政策支持、产业的技术研发和企业之间的合作是新型储能产业发展的关键。关键词:新型电力系统;新型储能;政策;发展中图分类号:TM911 文献标志码:A0 引言 新型储能是构建新型电力系统的重要技术和基础装备,是实现碳达峰碳中和目标的重要支
3、撑,是破解“能源不可能三角”的主要方法,也是催生国内能源新业态、抢占国际战略新高地的重要领域和关键窗口1-2。储电、储热、储气、储氢等覆盖全周期的多种类新型储能设施有机结合,在不同时间和空间尺度上可以满足未来大规模可再生能源调节和存储需求,保障电力系统中高比例新能源的稳定运行,支撑电力系统实现跨季节的动态平衡,提升能源系统运行的灵活性和效率3。本研究采用市场调研、统计分析和建立数学模型等方法,对新型储能(本文以锂离子电池电化学储能为例)的技术、经济性进行分析,认为新型储能技术是构建新型电力系统的重要基石,需要加快推进,并提出推动新型储能产业发展的政策建议。1 新型储能发展现状1.1 新型储能技
4、术类型与市场分布1.1 新型储能技术类型与市场分布 储能技术类型包括抽水蓄能、电化学储能、熔融盐储能、压缩空气储能、飞轮储能等十几种。新型储能是指除抽水蓄能外,以电力为输出形式的储能技术,是性能优异的灵活调节资源,是构建新型电力系统的重要技术和基础装备,是实现“双碳”目标的重要支撑4。根据接入位置,新型储能可分为电源侧储能、电网侧储能、用户侧储能 3 种。电源侧储能是指接入风、光、火等电源并网点以内,与电源联合运行的储能。电网侧储能电站指直接接入公用电网,介于发电厂和用户与电网结算的计量关口之间,服务电力系统运行的储能,一般包括独立储能和替代性储能。用户侧储能是指在用户所有场地建设,接入用户与
5、电网结算计量关口表后,支持用户可靠经济用能的储能。据有关统计,截至 2022 年年底,全球已投运的电力储能项目主要分布在亚太、北美和欧洲地区,累计装机规模 237.2 GW。其中,新型储能累计装机规模达 45.7 GW,年增长率 80%,锂离子电池占据绝对主导地位,年增长率超过 85%,其在新型储能中的累计装机占比与 2021 年同期相比上升 3.5 个百分点。2022 年新增投运储能项目装机规模 30.7 GW,同比增长 98%。其中,新型储能新增投运规模首次突破20 GW,达到 20.4 GW,是 2021 年同期的 2 倍。中欧美3 个地区继续引领全球储能市场的发展,三者合计占全球市场的
6、86%,比2021 年同期上升6 个百分点,中国已投运电力储能项目累计装机规模 59.8 GW,占全球市场总规模的 25%,年增长率 38%。抽水蓄能累计装机占比首次低于 80%,同比下降 8.3 个百分点5。新型储能继续高速发展,2022 年被业内称为“中国电化学储能元年”,累计装机规模达到 13.1 GW/27.1 GWh,功率规模年增长率达 128%,能量规模年增长率达 141%。2022 年,中国新增投运电力储能项目装机(功率容量,下同)规模达到16.5 GW,其中,新21新能源科技新能源科技型储能新增规模达到 7.3 GW/15.9 GWh,功率规模同比增长 200%,能量规模同比增
7、长 280%;新型储能中,锂离子电池继续占据绝对主导地位。此外,压缩空气储能、液流电池、钠离子电池、飞轮等其他技术路线的项目,在规模上有所突破,应用模式逐渐增多6。锂离子、液流电池、钠离子电池均属于电化学储能,由于选址灵活、电池容量可依需求配置、初始投资相对较小,应用范围和发展潜力相对较大。在全球新增的已投运电化学储能项目的技术分布中,锂离子电池已连续 10 年占据全球新增投运总规模的最大比重,2022 年底达 97%,成为近期产业化的主要方向,因此,成为本次研究的典型样本。1.2 新型储能应用商业模式与实效1.2 新型储能应用商业模式与实效 新型储能商业模式处于探索阶段。在电源侧,有些省份或
8、地区把配套新型储能作为审批新建新能源发电项目指标的前置条件,但是该配套储能装置参与电网调度的时间和频率不明确、共享收益分成难以达成共识等问题,让此类储能项目的经济性存在一定不确定性。在辅助服务市场方面,虽然明确了新型储能的市场主体地位,部分省份或地区出台了调频辅助服务市场运营规则,电力中长期交易基本规则(暂行)鼓励储能尝试参与中长期交易,但未有细则落地7。在现货交易市场方面,14 个试点省份中,除山东、甘肃等个别省份外,各省尚未明确储能作为现货市场主体参与交易。在电网侧,能源主管部门提出,建立电网侧独立储能电站容量电价机制,逐步推动储能电站参与电力市场;研究探索将电网替代性储能设施成本收益纳入
9、输配电价回收的导向性原则,但实施细则尚未出台。尚未允许将储能纳入输配电价核价范围,未明确认定程序、核价方式及参数等细则。在用户侧,主要通过峰谷价差机制获得收益,机制不完善,作用发挥不足,成本回收存在一定风险8。中电联研究指出,电源侧储能存在利用率不高、成本难以消化、分散方式难发挥有效作用、配置的合理性及规模缺乏科学论证等问题。新能源配储能的电化学储能项目平均等效利用系数仅为 6.1%,火电厂配储能为 15.3%。新能源配储能调用频次、等效利用系数、利用率大大低于火电厂配储能、电网储能和用户储能。用户侧,一是用户单位自主建设,从峰谷电价差获利。二是引入外部投资者,采用租赁或合同能源管理模式,从峰
10、谷价差获利或构建虚拟电厂、参与辅助服务获利。用户侧储能利用系数为 28.3%,使用效率最高。电网侧,当前电网侧新型储能发挥功能以促进局部地区新能源消纳、替代输变电工程投资为主,电网侧储能利用系数为 14.8%。结合新型电力系统需求,电网侧新型储能本应发挥一些综合性、全局性作用,但是目前仍缺乏明确定位。1.3 产业链发展现状1.3 产业链发展现状 国内储能产业发展基础逐步夯实。电化学储能产业链主要由电池本体、BMS、EMS、PCS 及配套电气设备制造,系统集成、投资运营、梯次利用、平台生态等环节构成。中国储能市场的设备供应商,多数是从动力电池、光伏和电力设备等行业跨界而来,依赖原有路径,向上下游
11、延伸,尚未出现以电力储能为主业的独角兽公司。储能系统生产、投资运营存在较大技术、资金壁垒。目前,简单系统集成厂商较多,缺少高质量系统集成商,储能云平台生态尚处于初步布局阶段。2 形势分析2.1 市场形势2.1.1 政策方面2.1 市场形势2.1.1 政策方面2022 年初,国家发展改革委、国家能源局半年内先后发布“十四五”新型储能发展实施方案(发改能源2022209 号)和关于进一步推动新型储能参与电力市场和调度运用的通知(发改办运行2022475 号),提出建立电网侧独立储能电站的容量电价机制,即将容量电价对应的容量电费纳入输配电价回收,探索替代输配电的储能设施成本收益纳入输配电价。按照上述
12、两个重要文件形成的共识,该政策为电网企业投资新型储能提供了一种可能的政策路径,虽然该政策路径目前还较宏观,实施路线、准入条件、操作细则等尚不明确,更需要精心设计预案并精密演算。同时,各省对储能产业总体持鼓励支持态度,但有关政策重复性、雷同性较多,缺乏持续性和系统性,可操作的“实用性”政策较少。而且,有些地方政策调整频繁,增加了投资难度。2.1.2 市场方面2.1.2 市场方面随着投资成本不断下降、储能技术持续进步、商业模式逐渐成熟,可以预见未来 5 年(20232027),我国新型储能将以年均超过 50%的复合增速迅猛发展。综合各方数据保守测算,中国新型储能累计达到97.0 GW/138.4
13、GWh 规模,年均新增储能装机平稳上升,约为 16.8 GW/25.1 GWh,年均投资额 1 000 亿元以上,是名副其实的千亿产业。新能源配储和独立储能仍将是未来中国新型储能的主要应用场景。另据全球能源互联网发展合作组织、国网能源研究院有限公司等研究成果,在电网侧缓解输变电设施31新能源科技新能源科技阻塞,延缓输变电投资储能配置场景下,预计 2030年、2050 年、2060 年储能需求分别为 3 600 万千瓦、3 900 万千瓦、4 050 万千瓦(结合最大负荷增长速度,近中期按照最大负荷 2%,中远期按照最大负荷1.5%考虑输变电设备临时性重载或过载情况),主要采用可移动式的新型储能
14、,一般需要采用电化学电池。2.1.3 储能技术及经济性方面2.1.3 储能技术及经济性方面未来储能技术将向高安全、长寿命、低成本、易回收方向发展。针对不同储能应用场景特点,选择匹配具有相应技术经济优势的技术路线,将成为储能应用的重要趋势。电力系统大规模储能应用将摆脱依赖传统动力电池和系统的技术路线,形成专业应用的储能电池和 BMS 控制系统。据预测,随着电池寿命、安全性提升以及储能电池本体成本的下降,未来电化学储能有望迎来商业化大规模应用机遇。中国电化学储能市场现阶段主要采用锂离子电池,2022 年电池循环寿命达 6 000 8 000 次,电池价格约每瓦时0.81.5 元;预计 2024 年
15、电池价格约每瓦时 0.6 1.2 元。电化学储能电池技术经济性将进一步提高。据郭剑波院士研究,根据目前多类型储能技术的成熟度和发展趋势,未来 10 年,能够较好地适应电力系统多种应用场景,具备规模化集成应用能力,且安全性可控的新型储能技术主要有锂离子电池储能、液流电池储能、钠离子电池储能及非补燃先进压缩空气储能(见表 1)。表 1 新型储能各技术路线技术经济性情况类别技术类型集成功率等级2022 年2030 年效率(%)响应时间服役年限或充放次数2022 年2030 年安全特性机械储能非补燃先进压缩空气储能百兆瓦级吉瓦级4070分钟级3050 年3050 年高压气体风险液化压缩空气储能十兆瓦级
16、百兆瓦级4070分钟级3050 年3050 年高压气体风险飞轮储能兆瓦级十兆瓦级85分钟级2025 年2025 年旋转机械风险电化学储能磷酸铁锂电池百兆瓦级吉瓦级8590毫秒级6 0008 000 次13 000 次热失控风险钛酸锂电池十兆瓦级百兆瓦级8590毫秒级15 00020 000 次30 000 次热失控风险钠离子电池兆瓦级百兆瓦级8090毫秒级4 0006 000 次10 000 次热失控风险全钒液流电池百兆瓦级吉瓦级7075毫秒级10 00015 000 次20 000 次电解液泄漏风险钠硫电池百兆瓦级吉瓦级8090毫秒级4 0006 000 次10 000 次高温、燃爆风险铅炭
17、电池泄漏风险瓦级吉瓦级7080毫秒级2 0003 000 次4 000 次析氢、燃爆风险2.1.4 产业链方面2.1.4 产业链方面一是储能电池技术要求高,目前,面向储能应用的产品和工艺设计处于起步阶段。近年来,由于动力电池产能过剩,有关电池生产厂家纷纷涉足储能电池领域,竞争较激烈。电池本体厂家中,宁德时代、松下、比亚迪等锂电出货量居前;南都、圣阳电源、卧龙等铅炭电池出货量较大。二是 BMS、EMS、PCS 等设备系统国内技术已达国际先进水平,但控制芯片、IGBT 等核心器件仍依赖国外,主要厂家有高特、禾望、索英、阳光等。三是高质量系统集成对储能系统的安全和性能起较关键作用,需衔接上下游,是产
18、业链最关键的一环,技术难度高,不仅涉及电化学、IT、电网调度等诸多技术领域,还需适应不同行业的应用场景,实现难度大。目前,主要参与方为电池、PCS、风电光伏设备制造商、储能项目开发商等。四是投资运营方主要是电池制造企业、新能源开发企业、发电和电网以及其他能源投资企业,资金实力要求高。据调研,国外电网企业开始由单纯采购运营者向产业链上游延伸,收并购、合资设立储能公司成为电网企业快速切入储能市场的重要途径。软件和服务环节也成为电网企业等相关方关注的领域。2.2 趋势分析2.2.1 国家支持新型储能发展的政策方向明确2.2 趋势分析2.2.1 国家支持新型储能发展的政策方向明确中共中央政治局 202
19、3 年 4 月 28 日召开会议,明确要求加快推进充电桩、储能等设施建设和配套电网改造9。在前期政策的基础上,国家能源局高度重视并推进健全新型储能价格和市场机制,推动新型储能多元化、市场化、产业化发展。2023 年能源监管工作要点提出,建立健全用户参与的辅助服务分担共享机制,不断引导新型储能等新型主体参与系统调节。2022 年以来,山东、新疆、湖南、宁夏等省市,相继出台了新型储能容量电价政策,疏导储能投资成本,促进新型储能发展。国家“双碳”目标下对储能的角色定位和储能产业政策为储能发展提供了政策支持,正在逐步建立完善相关市场机制、价格机制和运行机制,必将对国家电网投资经营产生重大影响,亟待探索
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