01儲(chǔ)能簡介及應(yīng)用

儲(chǔ)能，是指通過介質(zhì)或設(shè)備把能量存儲(chǔ)起來，在需要時(shí)再釋放的過程。儲(chǔ)能系統(tǒng)貫穿于電力發(fā)電、輸電、配電、用電各個(gè)環(huán)節(jié)，是新型電力系統(tǒng)的必要配置。儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)的應(yīng)用場景，主要分為發(fā)電側(cè)、輸配電側(cè)、用電側(cè)。

發(fā)電側(cè)需求場景多：電力調(diào)峰、輔助動(dòng)態(tài)運(yùn)行、系統(tǒng)調(diào)頻、可再生能源并網(wǎng)等；輸配電側(cè)：緩解電網(wǎng)阻塞、延緩輸配電設(shè)備擴(kuò)容升級(jí)等；用電側(cè)：電力自發(fā)自用、峰谷價(jià)差套利、容量電費(fèi)管理和提升供電可靠性等。

 

02儲(chǔ)能是新型電力系統(tǒng)的必選項(xiàng)

1、發(fā)電側(cè)解決不穩(wěn)定性

新能源發(fā)電不同于傳統(tǒng)火電可通過人工調(diào)節(jié)發(fā)電效率，其具有明顯的不可控性、不穩(wěn)定性，在并網(wǎng)時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成巨大電流沖擊損傷電網(wǎng)，因而解決不穩(wěn)定性成為清潔能源發(fā)展的核心瓶頸。在發(fā)電側(cè)，儲(chǔ)能系統(tǒng)大多配備于大型集中式電站，用以緩解這一技術(shù)瓶頸。一方面，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過將不能消納的多余電量存儲(chǔ)起來，按需求調(diào)度放電時(shí)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”，解決棄風(fēng)棄光問題。

另一方面，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以頻繁充放電或快速響應(yīng)調(diào)頻信號(hào)，來實(shí)時(shí)調(diào)整新能源發(fā)電的短時(shí)輸出及功率，緩解電網(wǎng)短時(shí)間內(nèi)的調(diào)頻、調(diào)峰壓力。

2、輸配側(cè)作為擴(kuò)容裝置或后備裝置，提升線路可調(diào)節(jié)性及安全性

輸配側(cè)配置儲(chǔ)能能夠擴(kuò)充線路容量，在日常應(yīng)用中緩解線路阻塞，并且儲(chǔ)能的暫時(shí)性擴(kuò)容作用能夠延緩或免去對(duì)老舊線路的替換需求，減少支出。同時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備也可作為后備裝置應(yīng)用于變電站中，在外部交流電中斷時(shí)提供后備直流電，提高可靠性及安全性。

3、用戶側(cè)可有效利用電價(jià)差異，降低用電成本

在用戶側(cè)，儲(chǔ)能多應(yīng)用于分布式光伏或風(fēng)電裝置。基于分時(shí)電價(jià)體系或容量費(fèi)用體系，用戶在電價(jià)較低的時(shí)段發(fā)電儲(chǔ)存，以滿足電價(jià)較高時(shí)段的用電需求，以此來實(shí)現(xiàn)總體用電成本的降低。

此外，用戶側(cè)另一重要應(yīng)用即“微電網(wǎng)”，將分布式電源、儲(chǔ)能、能量轉(zhuǎn)換裝置等匯集成小型發(fā)配電系統(tǒng)，與總電網(wǎng)相分離，就近消納、減少對(duì)總電網(wǎng)沖擊等作用。

 

圖 | 儲(chǔ)能與電力市場公眾號(hào)，浙商證券研究所
 

03儲(chǔ)能技術(shù)路徑及未來趨勢(shì)分析

根據(jù)能量存儲(chǔ)形式，儲(chǔ)能包括物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能，其中電化學(xué)儲(chǔ)能是最主要的儲(chǔ)能方式，電化學(xué)儲(chǔ)能是指二次電池儲(chǔ)能，包括鋰離子電池、鈉離子電池、鉛蓄電池和液流電池等；物理儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣和飛輪儲(chǔ)能等。
 

 

不同技術(shù)路徑各有優(yōu)劣，適用于不同應(yīng)用場景。電化學(xué)儲(chǔ)能的額定功率和存儲(chǔ)電量較為靈活，但普遍存在安全或環(huán)保問題，主要用于新能源消納、峰谷價(jià)差套利、電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻以及UPS等領(lǐng)域。物理儲(chǔ)能普遍壽命較長，但響應(yīng)時(shí)間顯著慢于電化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能，主要用于電力系統(tǒng)調(diào)峰領(lǐng)域。

圖 |《派能科技招股說明書》，《電力系統(tǒng)自動(dòng)化》，華鑫證券研究

1、氫儲(chǔ)能

氫儲(chǔ)能基本原理是將水電解得到氫氣并儲(chǔ)存起來，當(dāng)需要電能時(shí)將儲(chǔ)存的氫氣通過燃料電池或其他方式轉(zhuǎn)換為電能輸送上網(wǎng)。電解水制氫需要大量電能，成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)制氫方式，但因?yàn)榭稍偕茉床⒕W(wǎng)的不穩(wěn)定性，我國具有嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光問題，利用風(fēng)電、光伏產(chǎn)生的富余電能制氫可以有效的解決電解水制氫的成本問題，并解決風(fēng)光電的消納，因此氫儲(chǔ)能正逐漸成為我國能源科技創(chuàng)新的焦點(diǎn)。

但目前我國缺少方便有效的儲(chǔ)氫材料和技術(shù)，且氫儲(chǔ)能能量轉(zhuǎn)換效率較低，因此目前應(yīng)用較少，能否解決這兩方面的問題將成為氫儲(chǔ)能未來能否獲得更多份額的關(guān)鍵。

 

2、物理儲(chǔ)能

物理儲(chǔ)能通過物理方法對(duì)能量進(jìn)行存儲(chǔ)，需要時(shí)再將物理能轉(zhuǎn)化為電能。物理儲(chǔ)能主要包括重力儲(chǔ)能、抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能。

（1）重力儲(chǔ)能

重力儲(chǔ)能介質(zhì)主要分為水和固體物質(zhì)，基于高度落差對(duì)儲(chǔ)能介質(zhì)進(jìn)行升降來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過程。除較成熟的抽水蓄能外，主流重力儲(chǔ)能方式為EnergyVault（EV）提出的儲(chǔ)能塔，其利用起重機(jī)將混凝土塊堆疊成塔，通過混凝土塊的吊起和吊落進(jìn)行儲(chǔ)能和釋能。根據(jù)EV官網(wǎng)信息，其儲(chǔ)能塔能源效率可達(dá)90%，可以在8-16小時(shí)內(nèi)以4-8MW連續(xù)功率放電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)需求的高速響應(yīng)。

 

（2）抽水蓄能

抽水蓄能電站包含上下兩個(gè)水庫，在電力負(fù)荷低谷時(shí)利用過剩的電力抽水至上水庫，高峰時(shí)將水放出，利用水從上水庫流向下水庫時(shí)產(chǎn)生的物理能發(fā)電，從而達(dá)到調(diào)峰的作用。抽水蓄能可以實(shí)現(xiàn)能量的大規(guī)模存儲(chǔ)，因此廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)峰。但由于其響應(yīng)速度較慢，初始投資高，且受地理選址限制，因此未來發(fā)展空間有限。

 

（3）飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能在儲(chǔ)能時(shí)，電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)飛輪加速轉(zhuǎn)動(dòng)，飛輪以動(dòng)能的形式將能量存儲(chǔ)起來；釋能時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪拖動(dòng)電機(jī)發(fā)電，完成物理能到電能的轉(zhuǎn)換。飛輪儲(chǔ)能比功率大，使用壽命長達(dá)15-30年，且響應(yīng)速度可以達(dá)到毫秒級(jí)。因此飛輪儲(chǔ)能主要用于調(diào)頻和UPS。但因?yàn)槠淠芰棵芏鹊颓覀潆姇r(shí)長無法超過30分鐘，因此無法應(yīng)用于大規(guī)模儲(chǔ)能電站。

 

（4）壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)源于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)。用電低谷通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)將空氣壓縮并儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣室中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能以存儲(chǔ)；用電高峰時(shí)，高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放，進(jìn)入燃料室同燃料一起燃燒，驅(qū)動(dòng)透平做工，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

壓縮空氣儲(chǔ)能是抽水蓄能之后另外一項(xiàng)適合GW級(jí)大規(guī)模電力儲(chǔ)能的技術(shù)，除存儲(chǔ)能量高之外，還具有能量密度和功率密度高、運(yùn)營成本低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但與抽水蓄能類似，壓縮空氣儲(chǔ)能也受地理?xiàng)l件限制，需要高氣密性的洞穴作為儲(chǔ)氣室，這也進(jìn)一步限制了壓縮空氣儲(chǔ)能的發(fā)展。
 

 

3、電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)能即通過電化學(xué)反應(yīng)完成電能和化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放。目前主要應(yīng)用的儲(chǔ)能電池主要包括鉛酸蓄電池、液流電池和鋰離子電池等，未來鈉離子電池隨產(chǎn)業(yè)鏈成熟也將逐步應(yīng)用于儲(chǔ)能。

（1）鉛酸電池

鉛酸電池是以二氧化鉛為正極、金屬鉛為負(fù)極、硫酸溶液為電解液的一種二次電池，發(fā)展至今已有150多年歷史，是最早規(guī)模化使用的二次電池。鉛酸電池的儲(chǔ)能成本低，可靠性好，效率較高，廣泛應(yīng)用于UPS，也是我國早期大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能的主導(dǎo)技術(shù)路線。但因?yàn)殂U酸電池循環(huán)壽命短、能量密度低、使用溫度范圍窄、充電速度慢，且鉛金屬對(duì)環(huán)境影響較大，鉛酸電池未來應(yīng)用將會(huì)受極大程度限制。

 

（2）液流電池

液流電池技術(shù)路徑包括全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池等，其中，全釩液流電池綜合性能最佳、商業(yè)化程度最高。液流電池正、負(fù)極電解液儲(chǔ)罐獨(dú)立分離，放置在堆棧外部，通過兩個(gè)循環(huán)動(dòng)力泵將正、負(fù)極電解液通過管道泵入液流電池堆棧中并持續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通過將化學(xué)能與電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換作用來完成電能的儲(chǔ)存和釋放。液流電池功率取決于電極反應(yīng)面積大小，存儲(chǔ)容量則取決于電解液體積與濃度，故液流電池規(guī)模大小設(shè)計(jì)更為靈活多變。因此，在長時(shí)儲(chǔ)能方面，全釩液流電池將具備成本優(yōu)勢(shì)，較鋰電池等其他技術(shù)路徑具差異化競爭優(yōu)勢(shì)。

 

（3）鋰離子電池

鋰離子電池通過鋰離子在正負(fù)極電極材料中的嵌入和脫嵌實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)。鋰離子電池能量密度較高，壽命長，因此正逐漸成為電化學(xué)儲(chǔ)能的主流路線。根據(jù)正極材料的不同，鋰離子電池又分為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元電池等。

磷酸鐵鋰電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域綜合優(yōu)勢(shì)顯著，其能量密度適中，安全性、使用壽命均優(yōu)于其他電池類型，且成本較低；鈷酸鋰電池因金屬鈷的稀缺性價(jià)格遠(yuǎn)高于其他電池，且循環(huán)壽命、安全性差，因此在儲(chǔ)能領(lǐng)域幾無應(yīng)用；錳酸鋰電池能量密度與磷酸鐵鋰電池相近，價(jià)格雖低于磷酸鐵鋰，但使用壽命低導(dǎo)致其全生命周期度電成本高于磷酸鐵鋰電池，故應(yīng)用較少；三元電池能量密度遠(yuǎn)高于其他電池類型，使用壽命也可以達(dá)到8-10年，但安全性相對(duì)較差，成本遠(yuǎn)高于磷酸鐵鋰電池，因此在不需要極高能量密度的儲(chǔ)能領(lǐng)域，應(yīng)用前景弱于磷酸鐵鋰電池。

 

（4）鈉離子電池

鈉離子電池工作原理與鋰離子電池類似，利用鈉離子在正負(fù)極之間嵌脫過程實(shí)現(xiàn)充放電。鈉離子電池相對(duì)磷酸鐵鋰電池安全性能、低溫性能、快充性能更高，成本更低，且鈉資源遠(yuǎn)比鋰資源豐富且遍布全球各地，若鈉離子能夠廣泛應(yīng)用，我國將很大程度上擺脫目前鋰資源受限的情況。

鈉離子電池劣勢(shì)主要體現(xiàn)在循環(huán)次數(shù)較低和產(chǎn)業(yè)鏈不成熟。目前鈉電池循環(huán)壽命普遍在2000-3000次，產(chǎn)業(yè)鏈不成熟則導(dǎo)致上游價(jià)格較高，鈉電池成本優(yōu)勢(shì)無法顯現(xiàn)。

 

4、小結(jié)：

綜合而言，抽水蓄能、鋰電池、鈉電池與全釩液流電池，四者的發(fā)展空間較大。

具體來看，在大規(guī)模調(diào)峰方面，抽水蓄能具有全生命周期成本優(yōu)勢(shì)，將繼續(xù)成為主流選擇；后三者則將廣泛與風(fēng)電、光伏配合使用，全釩液流電池主要用于4小時(shí)以上長時(shí)儲(chǔ)能，鈉電池將在大型儲(chǔ)能電站中對(duì)鋰電池形成一定替代，對(duì)能量密度敏感性較高的工商業(yè)與家用儲(chǔ)能中，鋰電池仍將占主導(dǎo)地位。

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