新型電力系統中新型儲能技術發展路線探討

王雅婷 王一珺 蔡琛

（電力規劃設計總院）

新型儲能是支撐“雙碳”目標實現和新型電力系統建設的關鍵技術，規?；瘍δ軕脤⒊蔀樾滦碗娏ο到y的重要標志。目前應用的新型儲能以鋰電池儲能為主，裝機占比超過90%，然而鋰電池儲能在安全性方面存在固有隱患，且相關技術指標難以完全匹配未來新型電力系統建設需求，同時我國鋰礦對外依存度較高，2022年碳酸鋰等主要上游原材料價格漲至2021年同期的5~6倍，嚴重抬高鋰電池成本，制約鋰電池的大規模發展。本文重點對比分析了新型儲能不同技術路線與新型電力系統建設需求的匹配性，進一步研究提出近期和遠期的技術路線應用建議，為后續新型儲能技術發展提供思路。

（文章來源 微信公眾號：中能傳媒研究院 ID：ZNCMYJY 作者：王雅婷等）

一、新型電力系統建設對新型儲能技術提出更高要求

新型電力系統為適應新能源占比逐步提升，亟需新型儲能規模化應用，充分發揮儲能在保障新能源合理消納利用、提升系統調節能力、支撐新能源可靠替代等方面的重要作用，這也給新型儲能技術提出了更高要求。

新型電力系統建設要求新型儲能提供更長的儲能時長。我國電力系統是全球規模最大、結構最為復雜的電力系統。由于電力行業技術資金密集，長期形成的電力發展格局存在高度的路徑依賴，未來較長時間內，我國電力系統仍將以大規模交流同步系統為主，需要電力供需時刻保持平衡。當前電力系統主要依賴出力可調的常規電源，實現“源隨荷動”的實時平衡。隨著新能源逐步成為電量供應主體，其發電出力的隨機性、波動性和季節不均衡性將使電力系統的平衡調節問題由日內平衡調節向跨日、跨季平衡調節轉變。為此，就要求新型儲能具備更長時間尺度能量存儲和搬移能力，通過大規模長時儲能配合新能源運行，以實現“發—用”實時平衡向“發—儲—用”動態平衡轉變，支撐電力系統發用電解耦，滿足電力供需平衡要求。

新型電力系統建設要求新型儲能具備提供頻率、電壓、轉動慣量等支撐能力。隨著新能源大規模開發、高比例并網，以及逆變器、變流器等電力電子設備的大量應用，新型電力系統的“雙高”特征將進一步凸顯。“雙碳”目標下，化石電源將逐步退出，維持交流電網安全穩定的物理基礎被不斷削弱，系統轉動慣量減小，功角、頻率、電壓等傳統穩定問題呈惡化趨勢。新型儲能通過合理的控制手段，具備有功調節和無功支撐能力，能有效支撐節點電壓、平抑系統頻率波動，部分機械式儲能天然具備轉動慣量支撐能力，可有效緩解上述“雙高”帶來的系統運行穩定性問題，降低電網運行風險。

新型電力系統建設要求新型儲能具備更高的技術安全性。安全問題始終是儲能行業面臨的一大挑戰。儲能系統的整體安全性包括電氣安全、火災安全、化學安全和機械安全等多方面內容。不同儲能技術路線所對應的安全風險不同，例如鋰離子電池儲能、鈉硫電池儲能以及氫儲能需要重點關注火災安全，液流電池重點關注化學安全，飛輪儲能需要重點關注機械安全等。以目前應用較為廣泛的鋰離子電池儲能為例，據不完全統計，2018年以來各國儲能電站共發生火災事故三十余次。為適應未來新型儲能規?；l展需求，新型儲能安全性能亟需突破。

新型電力系統建設需要更為靈活的新型儲能布局。新型電力系統下，源、網、荷各側都將對新型儲能具有廣泛的應用需求，需以系統實際需求為導向進行靈活布局。在源側，新型儲能將成為支撐新能源可靠替代化石電源的重要手段，作為配套的優質調節電源，支撐大型風光基地的開發和外送。在網側，新型儲能在保障輸電通道安全可靠綠色運行、提升電力可靠供應能力、提升系統調節能力等方面都將發揮重要作用。在荷側，新型儲能是支撐分布式系統運行、實現源網荷儲一體化發展、提升需求側響應能力的重要支撐。

新型儲能規?；l展需要具備較好的能量密度特性。伴隨著新能源的大規模發展，并逐步向主體電源轉變，新型儲能作為提升系統調節能力的重要舉措，也將加快步入規?；l展的窗口期。根據電力規劃設計總院前期相關研究，預計2030年，新型儲能需求規模約2億千瓦；到2060年，新型儲能規模需求將超過12億千瓦。新型儲能的能量密度特性將成為影響其占地空間、布局靈活性、工程成本的重要因素，為此，需要新型儲能具備高能量密度，支撐規?；l展。

二、適應新型電力系統發展需求的新型儲能技術路線研判

（一）不同新型儲能技術路線與系統建設需求的匹配性分析

新型儲能按照技術類別可以分為機械儲能、電化學儲能、電磁儲能、熱儲能和氫儲能。其中，機械儲能主要包括壓縮空氣儲能、飛輪儲能、二氧化碳儲能、重力儲能等；電化學儲能主要包括鋰離子電池、鈉離子電池、鉛蓄電池、液流電池等；電磁儲能主要包括超導儲能、超級電容器等；熱儲能主要包括顯熱儲能、潛熱儲能及熱化學儲能。結合上述分析的新型電力系統建設對新型儲能的技術要求，對各類新型儲能技術與系統建設需求的匹配性進行分析比較。

機械儲能具有類比于常規火電機組的主動支撐能力，且能夠滿足長時儲能需求。尤其是機械儲能中的壓縮空氣儲能技術逐漸成熟，將成為未來極具發展潛力的新型儲能。常規基于天然鹽穴的壓縮空氣儲能受鹽穴資源限制，建設局限性較大，三北沙漠、戈壁、荒漠，東部沿海負荷中心等地區不具備建設條件，基于人工硐室壓縮空氣儲能利用基巖造穴，我國大部分地區基巖條件及深度適宜，理論上全國均可選址，布局較為靈活，未來發展前景廣闊。

電化學儲能充放時間可以控制在毫秒級，對受端電網頻率的支撐能力較高，且布局靈活，能量密度整體較高，其中鋰離子電池能量密度高達140~220Wh/kg。目前最常應用的鋰離子電池儲能適用于4小時以內的短時間尺度儲能場景，但因其存在燃爆風險，安全性仍需進一步提升。同時鋰離子電池儲能受碳酸鋰等主要上游原材料價格制約，未來大規模發展存在一定不確定性。鈉離子電池、液流電池等新型的電化學儲能技術能夠實現電池的本質安全，且具備一定長時儲能能力，但也存在運行問題，鈉離子電池在高溫運行下存在腐蝕問題和安全隱患，液流電池充放電效率偏低（60%～75%），關鍵設備仍需進一步突破，但從中遠期來看隨著技術進步應用前景廣闊。

電磁儲能具有較高的技術安全性和布局靈活性，效率較高且使用壽命長。但此類儲能技術僅適用于超短時間尺度儲能應用場景，能量密度低、成本高，同時無法對系統提供主動支撐，總體來看電力系統對其需求整體較小。

熱儲能具有容量大、壽命長、安全性好、布局相對靈活等優點，但現階段轉化損耗大、效率較低。熱儲能可以作為能量轉化過程中的一個環節，如光熱發電、清潔電能供熱等，在支撐未來多能源品種轉換應用、提升綜合能源系統利用效率方面前景廣闊。

氫儲能能量密度較高且外部環境依賴性小，儲能過程無污染，同時適用于極短或極長時間供電，是極具潛力的新型大規模儲能技術。氫儲能缺點在于涉及電制氫、氫儲運和氫發電等環節，全過程轉換效率低，并且氫屬于易燃易爆品，存在一定安全隱患。但目前來看，氫儲能是解決未來系統跨月跨季平衡調節問題的主要舉措，亟需大力推進。

總體來看，各類儲能技術的儲能時長、能量密度等特性不盡相同，存在各自匹配的應用場景，不存在“包打天下”的儲能技術。應積極推動新型儲能技術多元化發展，根據新型電力系統不同建設階段的系統需求，重點發展推廣不同的儲能技術路線。

（二）新型儲能技術分階段應用前景研判

按照黨中央提出的新時代“兩步走”戰略安排要求，錨定碳達峰碳中和目標，2030年、2060年是新型電力系統構建目標的重要時間節點。下面基于新型電力系統近期（2030年）、遠期（2060年）對儲能技術的需求差異，研判新型儲能各類技術應用前景。

新型電力系統建設近期，為加速新能源可靠替代、提升新能源并網友好性、提升分布式新能源可控可調水平，該階段對新型儲能技術的要求聚焦于技術安全性、布局靈活性、穩定支撐性方面，結合各類儲能技術的性能指標和發展成熟度，應著力發展高安全性電化學儲能技術及高靈活性壓縮空氣儲能技術，提升鋰電池安全性、降低鋰電池成本，發展鈉離子電池、液流電池等高安全水平的電化學儲能技術，同時推進基于人工硐室等靈活儲氣方式的壓縮空氣儲能技術，實現日以內時間尺度的電力系統調峰和能量調度，滿足大規模新能源調節、存儲、消納需求。

新型電力系統建設遠期，隨著新能源逐步成為電量供應主體，季節出力不均衡情況下電力系統長時間尺度平衡調節矛盾凸顯，需重點推動壓縮空氣儲能、熱儲能、氫儲能、重力儲能等長時儲能技術發展。同時，為全面支撐碳中和目標的如期實現、維護新型電力系統的長期安全靈活穩定運行，新型儲能技術需要繼續朝著高支撐能力、高能量密度、環保安全、靈活布局的方向發展，應持續革新改進儲能本體材料，實現各類儲能技術的大容量、長壽命、跨季節突破與規?；l展，持續推進長時、短時多元化新型儲能技術的有機結合和優化運行，充分發揮各類新型儲能技術的優勢，實現跨季節、大范圍的可再生能源存儲與調節。

三、關于新型儲能技術發展的幾點建議

一是結合系統需求統籌推進多元化儲能技術創新發展。以新型電力系統建設需要為導向，推動新型儲能技術創新。綜合考慮技術成熟度、安全性、技術經濟性等因素，在發展電化學儲能的同時，當前需統籌開展壓縮空氣儲能、鈉離子電池、液流電池、熱儲能、氫儲能等多元化新型儲能技術路線示范，加快關鍵儲能技術研發，開展重大工程示范，進一步帶動產業化發展，實現各類新型儲能共同發展、優勢互補、協調運行，滿足不同應用場景下、不同發展階段的電力系統實際需求。

二是提前開展長時新型儲能關鍵技術攻關布局。未來電力系統的調節需求將由日內調節轉變為跨日、跨周乃至跨月等長時間尺度調節，亟需提前開展以氫儲能為代表的長時儲能技術研究。大力推動可再生能源制取“綠氫”，重點研發質子交換膜和高溫固體氧化物電解制氫等關鍵技術，開展氫儲運/加注關鍵技術、燃料電池設備及系統集成關鍵技術研發和推廣應用，實現氫能制備利用關鍵技術完全國產化，研發純氫氣燃氣發電機組。

三是積極建立多元靈活的新型儲能電價機制和市場機制。為更好推進各類儲能技術發展，需結合發揮功能建立針對性配套價格機制。比如對于以支撐電力系統調節為主要功能的新型儲能，可考慮參照抽水蓄能電價機制，建立電量電價與容量電價相結合的兩部制電價機制。倘若是用于替代電網輸變電設備投資的新型儲能，需確保其相較其他輸變電設備具有更好的經濟性，經評估認證后可納入輸配電價回收。同時，還需加快推動新型儲能參與電力現貨市場，發揮移峰填谷和頂峰供電作用，充分發揮價格信號引導作用，適當增加現貨市場價差，擴大儲能盈利空間。適時建立容量市場，體現儲能對系統容量支撐方面的價值，推動儲能在市場中獲得合理收益。