助力实现碳达峰、碳中和 储能技术将发挥更大作用

储能世界网讯:随着我国碳达峰、碳中和目标的提出,新能源未来将成为电力供应的主体。当前,电源侧新能源装机快速增长,用户侧负荷呈多样性变化,电力系统面临诸多挑战。储能技术可在提高可再生能源消纳比例、保障电力系统安全稳定运行等方面发挥重要作用,是支撑我国大规模发展新能源、保障能源安全的关键技术。

储能:支撑大规模新能源发展的关键技术

随着我国能源转型的不断深入,电力系统面临诸多挑战:

大规模随机波动新能源并网给电网运行带来挑战。风能、太阳能等发电方式受自然因素影响较大,具有明显的随机性和波动性。未来新能源并网容量增加,电力系统将由原来的需求侧单侧随机性波动系统发展为“需求侧-电源侧”双侧随机性波动系统。

电力峰谷差日益加大,按照高峰负荷需求扩建增容将影响电力资产利用率。从我国整体用电负荷来看,日间电力负荷峰谷差持续拉大,尖峰负荷增长显著,谷电期负荷水平不及峰值的一半;年峰值负荷持续时间仅数日到数小时不等,为满足短时间高峰负荷需求,需扩大电厂规模、提高输配电能力,投资大且利用率低。

多种能量间的耦合关系和相互制约,影响多能系统的灵活性和可靠性。以常见的热电联供系统为例,当系统中没有储能设施时,热电联供系统将按照以热定电、以电定热或混合运行三种模式工作,灵活性较差。随着电力系统中能量单元种类增加,多种能源之间的强相关和紧密耦合关系将更突出,多能系统的灵活性和可靠性亟待提升。

储能技术是支撑我国大规模发展新能源、保障能源安全的关键技术之一,具有提高新能源消纳比例、保障电力系统安全稳定运行、提高发输配电设施利用率、促进多网融合等多方面作用。

储能技术是将随机波动能源变为友好能源的关键技术之一。应用储能技术,可打破原有电力系统发输变配用必须实时平衡的瓶颈。在电源侧,储能技术可联合火电机组调峰调频、平抑新能源出力波动;在电网侧,储能技术可支撑电网调峰调频,在系统发生故障或异常情况下保障电网运行安全;在用户侧,储能技术可在实现用户冷热电气综合供应的同时,充分调动负荷侧资源弹性,支撑电网需求侧响应。

储能设备相对于发电厂来说建设周期短,可移动,便于灵活配置。因此,应用储能设备是应对峰值负荷、延缓发输配电设施升级的有效措施之一。储能装置还可作为调峰资源,主动参与电力需求响应,进一步提升电力资产利用效率和经济性。

储能技术是实现多能融合、跨能源网络协同优化的重要媒介。利用电化工(P2X)技术,可实现电能向多种能源的转化。储能技术作为能源转化、存储的关键连接点,可实现电力系统与其他能源系统的连接,是多网融合的纽带,将在能源互联网各环节发挥重要作用,具有广阔的发展前景。

新型储能技术有望在更多应用场景展现价值

按照能量的存储方式,储能技术可分为化学储能(如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、锂电池等电化学储能及氢储能)、电磁储能(如超导电磁储能、超级电容器等)、物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能)、储热(如显热、潜热、化学储热)等。

据不完全统计,目前全球发展最成熟、装机规模最大的储能是抽水蓄能,电化学储能紧随其后。同时,以氢储能技术、储热/冷技术、压缩空气储能技术为代表的新型储能技术也在越来越多的应用场景展现价值。

● 商业化应用的储能技术

抽水蓄能技术是目前技术最成熟、应用最广泛的能量型储能技术,具有规模大、寿命长、运行费用低等优点,具备调峰、调频、黑启动等功能,但其建设周期较长,且需要适宜的地理资源条件。抽水蓄能技术在我国的应用已较成熟。截至2020年年底,全国在运抽水蓄能电站总装机容量3146万千瓦,可开发站址资源约1.6亿千瓦。

电化学储能技术主要通过电池内部不同材料间的可逆电化学反应实现电能与化学能的相互转化,电池类型主要有锂离子电池、铅蓄电池、液流电池和钠硫电池等。电化学储能响应速度快,主要作为功率型储能技术应用。目前,电化学储能应用已覆盖电力系统各环节,能够满足多样化的场景需求。全生命周期成本、安全问题是在推广应用电化学储能过程中应持续关注的问题。

一方面,储能系统安全问题涉及储能系统设计选型、生产制造、施工等多个环节,需尽快推进储能安全标准体系建设;另一方面,还需进一步完善市场机制和价格机制,确保储能工程质量和安全。

● 新型储能技术

近年来,随着储能产业的发展,多种新型储能技术不断突破,在越来越多的场景实现示范应用,主要有储热技术、氢储能技术、电磁储能和飞轮储能等。

储热技术属于能量型储能技术,能量密度高、成本低、寿命长、利用方式多样、综合热利用效率高,在可再生能源消纳、清洁供暖及太阳能光热电站储能系统应用领域均可发挥较大作用。

近年来,备受关注的储热技术主要有熔融盐储热技术和高温相变储热技术。熔融盐储热技术的主要优点是规模大,方便配合常规燃气机使用,主要应用于大型塔式光热发电系统和槽式光热发电系统。

高温相变储热技术具有能量密度高、系统体积小、储热和释热温度基本恒定、成本低廉、寿命较长等优点,也是目前研究的热点。该技术适用于新能源消纳、集中/分布式电制热清洁供暖、工业高品质供热供冷,同时可作为规模化的储热负荷,为电网提供需求侧响应等辅助服务,目前已应用于民用供热领域,并逐步向对供能有更高需求的工业供热领域拓展。

氢储能技术是通过电解水制取氢气,将氢气存储或通过管道运输,有用能需求时通过燃料电池进行热(冷)电联供的能源利用方式。该技术适用于大规模储能和长周期能量调节,是实现电、气、交通等多类型能源互联的关键。氢储能技术主要包含电解制氢、储氢及燃料电池发电技术。该技术可用于新能源消纳、削峰填谷、热(冷)电联供,以及备用电源等诸多场景。

在国内,氢储能技术目前还处于示范应用阶段。全球能源互联网研究院有限公司作为该技术的核心研发单位,正与各省级电力公司开展氢能技术联合攻关,并在多地开展不同场景的示范应用,如和国网安徽电力在六安建设的国内首个兆瓦级固体聚合物电解水制氢及燃料电池发电示范项目,以及与国网浙江电力在台州市椒江区大陈岛建设的“绿氢”综合能源系统示范工程等。

电磁储能和飞轮储能属于功率型储能技术。电磁储能中,超导电磁储能功率特性好,但能量密度较低、成本高;超级电容器功率密度高,充放电循环次数达十万甚至数百万次,但储能密度较低,成本高。飞轮储能寿命长,对环境无不良影响,但自放电率高、成本高。这些储能技术离实现大规模商业应用尚有一段距离。

规模化储能技术将向多元化方向发展

综合考虑技术成熟度与场景适用性,各种储能技术将在不同应用领域发挥更大作用。

抽水蓄能技术已经比较成熟,在储能应用中将持续保持高占比。电化学储能技术响应速度快,可满足多样化场景需求,是电力行业发展的新焦点。储热技术相比其他储能技术,在电供暖、电供热、工业高温供热等热能利用市场有更好的经济性,同时在电力辅助服务市场及综合能源服务等领域均有应用价值和市场空间。

氢储能技术是极具发展潜力的规模化储能技术,有望在可再生能源消纳、电网削峰填谷、用户冷热电气联供等场合推广应用。

随着储能技术研发的推进,以及市场机制的逐步完善,综合经济效益将是影响储能技术大规模推广的重要因素。未来,储能材料会朝着低成本、高储能密度、高循环稳定性、长周期存储的方向发展。储能装置的发展也将从关注单体设备效率、成本,转向满足差异性需求的高品质供能、储用协调方向。规模化储能技术将从单纯供能转向兼顾电网辅助服务和综合能源服务的多元化用能。储能将为构建以新能源为主体的新型电力系统提供有力支撑,助力碳达峰、碳中和目标实现。

(作者单位:全球能源互联网研究院有限公司)

原标题:助力实现碳达峰、碳中和,储能技术将发挥更大作用

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