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根據能量存儲形式的不同,廣義儲能技術主要分為熱儲能、電儲能、氫(氨)儲能三大類,其中,電儲能包括電化學儲能、機械儲能和電磁儲能。目前在電力系統的儲能項目中,抽水蓄能仍是主要方式,但以電化學儲能為代表的多種新型儲能方式正迅猛發展(圖1)。

抽水蓄能,即利用水作為儲能介質,通過電能與水的勢能轉化,實現電能的儲存與釋放。通常而言,抽水蓄能電站由存在一定落差的上水庫、下水庫和連接兩個水庫的引水系統、地下廠房(可逆式水輪機組)組成。當電力負荷處于低谷,或風能、太陽能等新能源持續工作時,電站通過位于地下廠房的可逆式水輪機組利用電力系統多余的電能把水抽至上水庫以勢能的形式儲存起來。在電力負荷高峰期,或風、光等新能源停止工作時,把上水庫的水放至下水庫發電,實現水能到電能的轉化,輸送給電網。
從組成結構來看,抽水蓄能電站在普通水力發電站的基礎上增設了實現下水庫到上水庫輸水的管道和相應的水泵系統,其猶如一個大型清潔能源“蓄電池”,在無過多燃料消耗的同時,有效地提高了電網的安全性、經濟性和可靠性。同時,抽水蓄能具有技術成熟、儲能容量大、系統效率高、運行壽命長、安全性能高等優勢,是當前商業化程度較高、應用范圍較廣的主流儲能技術1,2。從國際市場來看,抽水儲能占據絕對領先地位,截至2020年底,抽水蓄能裝機規模占電力儲能項目總規模的94%3。其中,中國已基本形成關于抽水蓄能的全產業鏈發展體系和專業化發展模式。據IRENA統計,截至2021年12月底,我國抽水蓄能累計裝機容量已達36.4GW,同比增長15.6%,已建和在建規模位列世界首位。美國和日本分別位列第二和第三,累計裝機容量約達21.9GW,德國、印度、韓國等國家也在抽水蓄能領域有諸多實踐,累計裝機容量均達4.7GW以上(圖2)。

從行業格局來看,我國已投運的抽水蓄能電站,由國家電網公司下屬的國網新源和南方電網下屬的雙調公司占據主要份額4。截至2021年底,國網新源公司在運和在建抽水蓄能規模分別為2,351、4,578萬KW,在抽水蓄能開發建設及運營市場中占據絕對領導地位5。冬奧期間,國網新源河北豐寧抽水蓄能電站投產發電,其裝機容量、儲能能力、地下廠房及洞室群規模均位列世界第一,成為北京冬奧場館實現100%綠電供應的堅強保障,未來也將為京津冀協同發展提供綠色動能。
在“雙碳”目標的驅動下,能源結構變化、低碳清潔新能源推廣等使得抽水蓄能的重要意義日益彰顯。2021年9月,國家能源局發布《抽水蓄能中長期發展規劃(2021-2035年)》,抽水蓄能被列為“三最”8的儲能方式,肯定了抽水蓄能在儲能領域的重要性,隨后國家系列配套政策相繼出臺,產業投資熱情點燃,成為行業發展風口期。目前,可變速抽水蓄能、大容量超高水頭抽水蓄能、抽水蓄能與新能源聯合運行控制、海水抽水蓄能以及基于廢棄礦洞的抽水蓄能等技術成為研究熱點。2022年4月,國家發展改革委、國家能源局聯合印發通知,部署加快“十四五”時期抽水蓄能項目開發建設,切實推進抽水蓄能的規?;l展。
但抽水蓄能電站的建設受地形因素限制,如上下水庫需滿足約40-600m的高度差、水庫需具備一定的容量9,且建設周期較長,通常需要7年左右,未來隨著電化學儲能等新型儲能造價的下降,抽水蓄能在電力系統中的發展空間可能受限。
新型儲能主要包括電化學儲能、熱(冷)儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能和氫(氨)儲能,不同新型儲能技術內在特性不盡相同,各有其優缺點和適用場景(表1)。其中,電化學儲能功率范圍較廣、能量密度高,相較其他新型儲能技術成熟度更高,因此適用場景更廣泛。此外,相較抽水蓄能來說,電化學儲能安裝更為便捷、不受區位限制,正迎來廣闊發展前景。

結合2021年全球及中國新增儲能裝機規模情況來看(圖3),電化學儲能有望成為拉動儲能產業發展的新動力。根據中關村儲能產業技術聯盟(簡稱CNESA)數據,2021年全球新增儲能裝機18.3GW,電化學儲能新增10.2GW,占比達56%。中國的數據也體現出了電化學儲能在儲能市場中的重要地位,2021年中國新增儲能裝機10.5GW,電化學儲能新增2.3GW,占比達13%。



從技術成熟度角度來看,中國目前是全球儲能技術基礎研究最活躍的國家之一,鋰離子電池、鉛蓄電池、液流電池、超級電容、壓縮空氣儲能、熱(冷)儲能等技術已達到或接近世界先進水平,飛輪儲能與世界先進水平尚有一定距離(表3)。

在推動技術規?;瘧眠^程中,需要針對不同的應用場景,篩選出能夠滿足電網高安全性、大規模、長壽命、低成本、高效率等需求的主流技術(表4)。從場景適用性角度分析,除了電化學儲能技術的市場前景值得關注外,壓縮空氣儲能、飛輪儲能、氫(氨)儲能等的商業化潛力同樣不容小覷。例如,壓縮空氣儲能被視為抽水蓄能的最佳替代品,兩者同屬于機械儲能,具備容量大、壽命長等優點,而壓縮空氣儲能選址條件更寬松,對生態環境影響更小,適用于電網削峰填谷、集中式可再生能源并網等大容量長時儲能場景。飛輪儲能瞬時功率大,具有毫秒級響應速度和分鐘級放電時間,更適合電網調頻、改善電能質量等高頻短時場景。此外,氫(氨)儲能近來愈發受到關注,原理是利用“電-氫-電”的互變性實現能量存儲和釋放,具有清潔低碳、存儲時間長、運輸距離遠等優勢,在大規模長距離能量儲運場景中優勢明顯。

不難看出,各類新型儲能技術在應用上既有替代性又有互補性,這是推動新型儲能多元化發展的重要前提。不過也應注意到,現階段中國主流儲能形式仍是抽水蓄能,原因是電化學等新型儲能的度電成本較高(圖5),也是當前制約新型儲能規?;瘧玫年P鍵瓶頸之一。
