李建林, 孟高軍, 葛 樂(lè), 周京華, 石文輝, 張占奎

(1.北方工業(yè)大學(xué) 北京市變頻技術(shù)工程研究中心, 北京 100144; 2.南京工程學(xué)院, 江蘇 南京 211167; 3.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司 新能源與儲(chǔ)能運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100192)

0 引 言

在國(guó)家戰(zhàn)略全球能源互聯(lián)中,儲(chǔ)能技術(shù)充當(dāng)著不可或缺的角色。推進(jìn)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)向低碳化和清潔化方向轉(zhuǎn)型已成全球重要共識(shí)[1-3]。大規(guī)模發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生清潔能源是實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展和改善環(huán)境質(zhì)量的有效途徑。為應(yīng)對(duì)石化能源開發(fā)利用帶來(lái)的能源和環(huán)境危機(jī),以及未來(lái)能源不足所帶來(lái)的危機(jī),以電能替代與清潔替代為特征的能源革命在全球蓬勃興起[4],全球能源互聯(lián)網(wǎng)概念應(yīng)運(yùn)而生。

能源互聯(lián)網(wǎng)是以電力系統(tǒng)為核心紐帶,以清潔能源為主導(dǎo)的互聯(lián)互通、共建共享的現(xiàn)代能源系統(tǒng),實(shí)質(zhì)就是“智能電網(wǎng)+特高壓電網(wǎng)+清潔能源[5-7]。全球能源互聯(lián)網(wǎng)是“兩個(gè)替代”的重要載體,代表著當(dāng)前及未來(lái)世界能源發(fā)展的趨勢(shì)[8]。全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要堅(jiān)持兩個(gè)基本原則:清潔能源發(fā)展原則和能源全球互聯(lián)互通配置原則[9]。因此,在能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)程中,清潔能源將得到快速發(fā)展與利用,以風(fēng)能和太陽(yáng)能為代表的可再生清潔能源發(fā)電在電力系統(tǒng)中的滲透比例逐漸增大。然而,風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的出力具有不確定性,大規(guī)模的發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)造成巨大沖擊,對(duì)電網(wǎng)的電壓、頻率穩(wěn)定造成重要的影響,危害電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定;最終導(dǎo)致大規(guī)模棄風(fēng)、棄光問(wèn)題,會(huì)嚴(yán)重阻礙全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的進(jìn)程。

近年來(lái),儲(chǔ)能技術(shù)迅速發(fā)展,在全球能源互聯(lián)網(wǎng)中的作用日漸凸顯。儲(chǔ)能技術(shù)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分,是智能電網(wǎng)、可再生能源高占比能源系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù)[10-11]。通過(guò)在電力系統(tǒng)中增加能源存儲(chǔ)環(huán)節(jié),可以改變電能即發(fā)即用的傳統(tǒng)模式,使得“剛性”電網(wǎng)變得柔性靈活,從而提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性、靈活性。儲(chǔ)能不僅可提高常規(guī)發(fā)電和輸電的效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性,也是實(shí)現(xiàn)可再生能源平滑波動(dòng)、調(diào)峰調(diào)頻,滿足可再生能源大規(guī)模消納、接入的重要手段,同時(shí)也是分布式能源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的重要組成部分[12]。因此,儲(chǔ)能在未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)中具有舉足輕重的地位[13-14]。

綜合上述分析,首先介紹儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用類型及特性,并對(duì)全球能源互聯(lián)網(wǎng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的必要性及當(dāng)前全球儲(chǔ)能發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析闡述。在此基礎(chǔ)上,將重點(diǎn)梳理全球典型國(guó)家和地區(qū)的儲(chǔ)能市場(chǎng)發(fā)展?fàn)顩r,總結(jié)分析典型國(guó)家、地區(qū)的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向政策對(duì)儲(chǔ)能市場(chǎng)發(fā)展的積極推動(dòng)作用。然后,針對(duì)全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展框架,給出源、網(wǎng)、荷等能源互聯(lián)網(wǎng)重要環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能技術(shù)規(guī)劃方案。最后,結(jié)合當(dāng)前儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、地區(qū)政策導(dǎo)向因素與未來(lái)能源發(fā)展需求,對(duì)未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展前景作出展望與預(yù)測(cè)。

1 全球能源互聯(lián)網(wǎng)的儲(chǔ)能需求分析及概況

1.1 儲(chǔ)能技術(shù)的類型與特性

在能源互聯(lián)網(wǎng)中,傳統(tǒng)的能源產(chǎn)生、傳輸、消費(fèi)的模式將發(fā)生改變。大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用,使得能源轉(zhuǎn)換與利用更加高效,實(shí)現(xiàn)了能源的時(shí)空平移,解決了能源在生產(chǎn)、傳輸以及使用環(huán)節(jié)的不同步性,奠定了能源互聯(lián)網(wǎng)互通共享原則的基礎(chǔ)[15]。

按存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行分類,儲(chǔ)能技術(shù)主要分為物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電氣儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能以及熱儲(chǔ)能五大類[16]。儲(chǔ)能技術(shù)分類如圖1所示。

主要儲(chǔ)能技術(shù)及其效率與應(yīng)用如表1所示。

1.2 全球能源互聯(lián)網(wǎng)中的儲(chǔ)能需求分析

在能源互聯(lián)網(wǎng)組成部分的發(fā)展思路下,能源的產(chǎn)生、傳輸以及終端消費(fèi)將以電能的形式體現(xiàn),儲(chǔ)能技術(shù)在能源網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)環(huán)節(jié)都有著廣泛的應(yīng)用需求。

表1 主要儲(chǔ)能技術(shù)及其效率與應(yīng)用

1.2.1 儲(chǔ)能技術(shù)在電源側(cè)的需求分析

隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)程度的深入,未來(lái)在全球范圍內(nèi)風(fēng)電與光伏發(fā)電將迎來(lái)大規(guī)模的開發(fā)。大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電并網(wǎng)時(shí),出力的隨機(jī)性、波動(dòng)性使得電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性受到威脅,導(dǎo)致電網(wǎng)無(wú)法完全消納風(fēng)電與光電,造成可再生能源利用效率低下。儲(chǔ)能技術(shù)在電源側(cè)的應(yīng)用可以解決如下問(wèn)題:

(1)克服可再生能源發(fā)電的預(yù)測(cè)誤差,跟蹤計(jì)劃出力,降低系統(tǒng)備用容量,提高電網(wǎng)對(duì)可再生能源的接納能力。

(2)平滑可再生能源發(fā)電的不確定性輸出,有效降低其出力對(duì)電網(wǎng)的沖擊,提高可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)友好性。

(3)利用大規(guī)模儲(chǔ)能“削峰填谷”,實(shí)現(xiàn)能源與負(fù)荷的時(shí)空平移,提高能源利用效率與經(jīng)濟(jì)性。

1.2.2 儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)側(cè)的需求分析

隨著電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及其負(fù)荷日益龐大、復(fù)雜,電網(wǎng)的電能質(zhì)量以及電能傳輸通道堵塞問(wèn)題日益突出,亟需大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)來(lái)解決電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題,并提升電能傳輸能力。儲(chǔ)能在電網(wǎng)側(cè)應(yīng)用分為兩個(gè)部分:輸電網(wǎng)應(yīng)用與配電網(wǎng)應(yīng)用。儲(chǔ)能系統(tǒng)在輸電網(wǎng)中的應(yīng)用主要包括以下兩方面:

(1)作為輸電網(wǎng)投資升級(jí)的替代方案(延緩輸電網(wǎng)的升級(jí)與增容),提高關(guān)鍵輸電通道、斷面的輸送容量或提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定水平。

(2)作為新的手段,安裝在輸電網(wǎng)中以提升電網(wǎng)的輸送能力,降低對(duì)輸變電設(shè)備的投資。在配電網(wǎng)中,儲(chǔ)能接入配電網(wǎng)可以減少或延緩配電網(wǎng)升級(jí)投資,并且分布在配電網(wǎng)中的儲(chǔ)能還可以在相關(guān)政策和市場(chǎng)規(guī)則允許的條件下為大電網(wǎng)提供調(diào)頻、調(diào)峰、容量備用和電能質(zhì)量治理等輔助服務(wù)。

1.2.3 儲(chǔ)能技術(shù)在用戶側(cè)的需求分析

在用戶側(cè),儲(chǔ)能主要應(yīng)用于峰谷差電價(jià)套利,保證用戶供電可靠性,改善電能質(zhì)量問(wèn)題,提高分布式能源就地消納等方面。具體如下:

(1)在實(shí)施分時(shí)電價(jià)的電力市場(chǎng)中,儲(chǔ)能是幫助電力用戶實(shí)現(xiàn)分時(shí)電價(jià)管理的理想手段,可以降低用戶的整體用電成本。

(2)使用儲(chǔ)能設(shè)備為用戶最高負(fù)荷供電,還可以降低輸變電設(shè)備容量,減少容量費(fèi)用,節(jié)約總用電費(fèi)用。

(3)提高供電的可靠性。當(dāng)供電線路發(fā)生故障時(shí),為重要負(fù)荷提供不間斷電源。

(4)提高分布式能源的就地消納能力,提高用戶端能源自給自足能力,改善用戶側(cè)發(fā)電的電能質(zhì)量。

1.3 全球儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展概況

近年來(lái),全球儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)顯示,截至2018年6月,全球儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模累計(jì)達(dá)195.74 GW(共1 747個(gè)在運(yùn)項(xiàng)目),同比增長(zhǎng)1.7%。其中,抽水蓄能184.20 GW(353個(gè)在運(yùn)項(xiàng)目);儲(chǔ)熱4.03 GW(225個(gè)在運(yùn)項(xiàng)目);其他機(jī)械儲(chǔ)能2.65 GW(78個(gè)在運(yùn)項(xiàng)目);電化學(xué)儲(chǔ)能4.83 GW(1077個(gè)在運(yùn)項(xiàng)目);儲(chǔ)氫0.02 GW(14個(gè)在運(yùn)項(xiàng)目)。2018年全球儲(chǔ)能市場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)規(guī)模各類型儲(chǔ)能所占比重如圖2所示。

從儲(chǔ)能技術(shù)的分布區(qū)域看,全球的儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)分布極不均勻,主要分布在亞洲、歐洲和北美。其中,亞洲主要是中國(guó)、日本、印度和韓國(guó),歐洲主要是西班牙、德國(guó)、意大利、法國(guó)、奧地利,北美洲主要是美國(guó)。這10個(gè)國(guó)家的累計(jì)裝機(jī)量約占全球的4/5[17]。2018年全球累計(jì)運(yùn)行儲(chǔ)能裝機(jī)前10名如圖3所示。

目前,按照儲(chǔ)能技術(shù)分布的類型來(lái)看,抽水蓄能仍占最大的比例。但隨著技術(shù)的進(jìn)步和材料成本的下降,電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)將成為儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用的主要類型。

截至2017年底,全球電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為2 926.6 MW。從全球已投運(yùn)的電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目的技術(shù)分布上看,鋰離子電池累計(jì)裝機(jī)規(guī)模最大,為2 213 MW,所占比重為76%;鈉硫電池和鉛蓄電池分列第二、三位,所占比重分別為13%和7%。

從已經(jīng)投運(yùn)的電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目的應(yīng)用分布上看,主要分為5個(gè)方面的應(yīng)用:電網(wǎng)側(cè)、輔助服務(wù)、電源側(cè)、用戶側(cè)以及集中式可再生能源并網(wǎng)。其中輔助服務(wù)領(lǐng)域累計(jì)裝機(jī)規(guī)模最大,為1 005.7 MW,占比為34%,集中式可再生能源并網(wǎng)、用戶側(cè)分居第二、三位,所占比重分別為28%、18%。

電化學(xué)儲(chǔ)能是儲(chǔ)能市場(chǎng)保持增長(zhǎng)的新動(dòng)力,是未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的主要方向。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新受到各國(guó)的密切關(guān)注與支持[18]。

2 國(guó)內(nèi)外典型國(guó)家儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及政策

近年來(lái),隨著各個(gè)國(guó)家對(duì)可再生能源開發(fā)利用的規(guī)模加大,儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展與突破也成為各國(guó)關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域。目前,亞洲、歐洲、北美等地區(qū)的一些國(guó)家已建設(shè)了相關(guān)的儲(chǔ)能項(xiàng)目,并出臺(tái)了相關(guān)政策補(bǔ)貼措施來(lái)促進(jìn)儲(chǔ)能項(xiàng)目的研究與應(yīng)用。下面選擇幾個(gè)典型國(guó)家或地區(qū)的儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與政策進(jìn)行分析梳理。

2.1 中國(guó)

2.1.1 儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模

我國(guó)的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較晚,但是發(fā)展迅速。根據(jù)相關(guān)不完全統(tǒng)計(jì),截至2018年底,我國(guó)儲(chǔ)能總裝機(jī)容量已達(dá)到31.2 GW,占全球市場(chǎng)的17.3%。

從儲(chǔ)能技術(shù)裝機(jī)類型看,抽水蓄能作為目前發(fā)展最為成熟的儲(chǔ)能技術(shù),其裝機(jī)容量仍占據(jù)主導(dǎo)地位,為30.0 GW,占比為96%。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)作為應(yīng)用最為廣泛、發(fā)展?jié)摿ψ顬榫薮蟮膬?chǔ)能技術(shù),近年來(lái)得到了飛速的發(fā)展,在2018年我國(guó)的電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)容量突破1 GW大關(guān),達(dá)到1 072.7 MW,占全球電化學(xué)儲(chǔ)能總裝機(jī)容量的16.2%。2018年,我國(guó)儲(chǔ)能新增裝機(jī)容量為2.3 GW,電化學(xué)儲(chǔ)能新增0.6 GW,占比超過(guò)25%,同步增幅達(dá)414%。在電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)容量中,鋰離子電池因?yàn)槠渥陨硗怀鰞?yōu)勢(shì),占比高達(dá)68%,鉛蓄電池次之。其他儲(chǔ)能技術(shù)如超級(jí)電容、超導(dǎo)儲(chǔ)能等因?yàn)槿萘恳约凹夹g(shù)限制,占比有限。

從儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域上看,我國(guó)新增電化學(xué)儲(chǔ)能主要集中在用戶側(cè)領(lǐng)域,為59%,其次是集中式可再生能源并網(wǎng)領(lǐng)域,所占比重接近25%。

從地域上看,我國(guó)的西北與華東地區(qū)是儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)地區(qū),比重分別為55%與25%。江蘇、河南、青海、廣東、內(nèi)蒙古等省份是目前電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)較大的地區(qū)。

在一定時(shí)間內(nèi),我國(guó)的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)中仍然以抽水蓄能為主。電化學(xué)儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),方便靈活,發(fā)展?jié)摿薮?是我國(guó)未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的重要方向,預(yù)計(jì)短期內(nèi)我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模將保持高速增長(zhǎng)。

2.1.2 相關(guān)政策

近年來(lái),我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展與政策因素密不可分,自2015年以來(lái)對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的扶持政策密集出臺(tái)。

在國(guó)家層面上,“十三五”期間,儲(chǔ)能被列入“十三五”規(guī)劃,首次正式進(jìn)入國(guó)家發(fā)展規(guī)劃。2017年,國(guó)家發(fā)改委、財(cái)政部、科技部、工業(yè)和信息化部和國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》,提出了未來(lái)10年我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo),即在未來(lái)10年內(nèi)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展分兩個(gè)階段推進(jìn),第一階段為:在“十三五”期間,實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期過(guò)渡;第二階段為:在“十四五”期間,實(shí)現(xiàn)商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展轉(zhuǎn)變。該指導(dǎo)意見是我國(guó)在國(guó)家層面上的第一個(gè)指導(dǎo)性政策,從技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用示范、市場(chǎng)發(fā)展、行業(yè)管理等方面對(duì)我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行了明確部署,有效地促進(jìn)了我國(guó)儲(chǔ)能多元發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)。

在地方層面上,隨著國(guó)家五大部門的儲(chǔ)能《指導(dǎo)意見》的發(fā)布,各地紛紛出臺(tái)有關(guān)儲(chǔ)能項(xiàng)目、發(fā)展規(guī)劃的政策。2017年,山西能監(jiān)辦下發(fā)《關(guān)于鼓勵(lì)電儲(chǔ)能參與山西省調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)有關(guān)事項(xiàng)通知》,加強(qiáng)引導(dǎo)儲(chǔ)能進(jìn)入電力市場(chǎng)。2018年,江蘇省發(fā)布首個(gè)升級(jí)峰谷電價(jià)政策《江蘇省物價(jià)局關(guān)于創(chuàng)新和完善促進(jìn)綠色發(fā)展價(jià)格機(jī)制的實(shí)施意見》,利用峰谷差價(jià),輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制促進(jìn)儲(chǔ)能發(fā)展。河南省能監(jiān)辦印發(fā)《河南電力輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制實(shí)施方案》,鼓勵(lì)儲(chǔ)能設(shè)備參與電力市場(chǎng)輔助服務(wù)。此外,山東、廣東、甘肅等地也出臺(tái)相應(yīng)政策,響應(yīng)國(guó)家發(fā)展規(guī)劃,積極探索儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展道路。

目前,國(guó)家與地方對(duì)于儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展支持力度不斷加大,在政策力度上不斷加碼,可以預(yù)見,在不久的未來(lái),我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)巨大的發(fā)展。

2.2 美國(guó)

2.2.1 儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模

美國(guó)是全球儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早的國(guó)家,也是目前擁有儲(chǔ)能項(xiàng)目最多的國(guó)家,擁有全球近半的示范項(xiàng)目。截至2018年12月,美國(guó)裝機(jī)總規(guī)模達(dá)到32.9 GW,占全球比重的18.2%。

在美國(guó),儲(chǔ)能類型仍是以抽水蓄能為主,裝機(jī)規(guī)模為31.6 GW。但是,未來(lái)美國(guó)電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)趨勢(shì)向多功能、靈活性發(fā)展,因此電化學(xué)儲(chǔ)能成為美國(guó)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的首選。目前美國(guó)是全球最大的電化學(xué)儲(chǔ)能市場(chǎng),并且電池儲(chǔ)能設(shè)施的安裝以每年30%～40%的速度增長(zhǎng)。2018年,美國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)新增331 MW、777 MWh,突破歷年電化學(xué)儲(chǔ)能新增裝機(jī)規(guī)模紀(jì)錄。電化學(xué)儲(chǔ)能電站是全球儲(chǔ)能發(fā)展的重要趨勢(shì)。

從應(yīng)用領(lǐng)域上看,輔助服務(wù)應(yīng)用占比最大,但是由于2017年加州電源側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目的規(guī)模化應(yīng)用,電源側(cè)儲(chǔ)能投入開始呈現(xiàn)出明顯的大規(guī)模應(yīng)用趨勢(shì)。用戶側(cè)依然是美國(guó)最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域,集中式可再生能源領(lǐng)域儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

從地區(qū)上看,美國(guó)加州地區(qū)將繼續(xù)引領(lǐng)全美儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,夏威夷州、紐約州和德克薩斯州等地區(qū)的儲(chǔ)能市場(chǎng)也開始呈現(xiàn)爆發(fā)趨勢(shì)。

2.2.2 相關(guān)政策

美國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生與快速發(fā)展離不開美國(guó)聯(lián)邦政府與各地州政府的政策支持。因?yàn)閮?chǔ)能在智能電網(wǎng)與能源利用中有著重要的作用,因此為了促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步和儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模的發(fā)展,美國(guó)對(duì)儲(chǔ)能行業(yè)制定了相關(guān)的政策,通過(guò)制定儲(chǔ)能采購(gòu)目標(biāo)來(lái)構(gòu)建長(zhǎng)期穩(wěn)定的儲(chǔ)能市場(chǎng)。

2018年,美國(guó)電力市場(chǎng)監(jiān)管會(huì)發(fā)布841法案,將儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)推動(dòng)成為整個(gè)國(guó)家關(guān)注的焦點(diǎn)。該法案對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行了正式的定義,并在聯(lián)邦政府層面制定了儲(chǔ)能參與電力批發(fā)市場(chǎng)的市場(chǎng)規(guī)則與應(yīng)用模式。該法案被認(rèn)為是儲(chǔ)能在北美市場(chǎng)發(fā)展的重要一步,消除了儲(chǔ)能在電力批發(fā)市場(chǎng)參與公平競(jìng)爭(zhēng)的障礙。

在地方州政府層面,從2015年阿利索峽谷天然氣泄漏事件開始,美國(guó)加州政府成為推動(dòng)美國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的引領(lǐng)者,頒布了包括制定儲(chǔ)能項(xiàng)目采購(gòu)、構(gòu)建激勵(lì)儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)服務(wù)機(jī)制在內(nèi)的諸多政策;相應(yīng)的浪潮也在其他地區(qū)擴(kuò)散,紐約州、新澤西州等也紛紛推出相應(yīng)的儲(chǔ)能清潔法案,制定儲(chǔ)能采購(gòu)目標(biāo),鼓勵(lì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,進(jìn)一步掃除儲(chǔ)能應(yīng)用的障礙。

2.3 歐洲、日本

2.3.1 儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模

為了應(yīng)對(duì)未來(lái)的能源危機(jī),歐洲國(guó)家高度關(guān)注能源轉(zhuǎn)型。2017年,歐洲儲(chǔ)能項(xiàng)目在德國(guó)、英國(guó)、荷蘭、法國(guó)、芬蘭、丹麥、西班牙、捷克、比利時(shí)、俄羅斯、奧地利在內(nèi)的11個(gè)國(guó)家內(nèi)紛紛部署,合計(jì)規(guī)模超過(guò)36.3 GW,部署了大量的電化學(xué)儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氫等研發(fā)、應(yīng)用示范性項(xiàng)目,應(yīng)用于用戶側(cè)、可再生能源并網(wǎng)以及輔助服務(wù)領(lǐng)域。

自日本福島核電站泄漏事故后,日本政府開始大力發(fā)展可再生清潔能源。為了提高電網(wǎng)對(duì)可再生能源的消納能力,日本政府將儲(chǔ)能技術(shù)作為優(yōu)先選擇的技術(shù)之一。截至2016年,日本累計(jì)儲(chǔ)能總裝機(jī)26.43 GW,其中抽水蓄能26.17 GW,電化學(xué)儲(chǔ)能0.25 GW。到2018年,日本裝機(jī)規(guī)模在全球排至第三位,僅次于美國(guó)與中國(guó)。日本在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究比較前沿,2017年,日本新增投運(yùn)電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目總裝機(jī)規(guī)模為17.9 MW,同比下降80%,占全球新增投運(yùn)電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目總裝機(jī)的8.5%。在應(yīng)用領(lǐng)域中,日本的大規(guī)模儲(chǔ)能項(xiàng)目幾乎全部應(yīng)用在電力輸配電領(lǐng)域。

2.3.2 主要政策

歐洲與日本的儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展較為迅速。歐盟與日本已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到儲(chǔ)能對(duì)于能源變革的重要性,出臺(tái)了諸多政策、法律鼓勵(lì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

在歐洲,德國(guó)政府高度重視能源轉(zhuǎn)型。德國(guó)自2011年啟動(dòng)儲(chǔ)能啟動(dòng)基金以來(lái),已經(jīng)累計(jì)支持了259個(gè)研究項(xiàng)目。此外,德國(guó)復(fù)興銀行推出了新的家用光儲(chǔ)補(bǔ)貼計(jì)劃,給可再生能源滲透率日益增高的歐洲電網(wǎng)做支撐。繼德國(guó)之后,意大利、瑞典、法國(guó)等歐盟國(guó)家紛紛出臺(tái)用戶側(cè)儲(chǔ)能補(bǔ)貼政策,建立儲(chǔ)能激勵(lì)機(jī)制。

在日本,政策對(duì)于儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的導(dǎo)向作用十分明顯。日本政府和監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定了一系列電池儲(chǔ)能政策以及監(jiān)管體系,以推動(dòng)儲(chǔ)能電池的發(fā)展。為鼓勵(lì)新能源走進(jìn)住戶,日本政府對(duì)實(shí)施零能耗房屋改造的家庭提供一定的補(bǔ)貼,補(bǔ)貼來(lái)自中央政府和地方政府兩個(gè)渠道。此外,日本要求公用事業(yè)太陽(yáng)能獨(dú)立發(fā)電廠與電網(wǎng)公司配備儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)平滑太陽(yáng)能發(fā)電出力與維護(hù)電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定,或從供應(yīng)商購(gòu)買輔助服務(wù)等,有效促進(jìn)了日本儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3 面向全球能源的儲(chǔ)能技術(shù)規(guī)劃方案

為了實(shí)現(xiàn)能源的高效綜合利用,面向全球能源互聯(lián)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié),需要采用合適的儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)能源存儲(chǔ)。根據(jù)能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),將能源互聯(lián)網(wǎng)主要分為3個(gè)環(huán)節(jié):可再生能源發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、負(fù)荷中心側(cè);結(jié)合我國(guó)“一帶一路”重大戰(zhàn)略發(fā)展背景,梳理給出面向全球能源網(wǎng)“源網(wǎng)荷”3個(gè)環(huán)節(jié)與“一帶一路”地區(qū)的儲(chǔ)能技術(shù)的規(guī)劃方案。

3.1 可再生能源基地發(fā)電側(cè)的儲(chǔ)能技術(shù)和規(guī)劃方案

北極地區(qū)風(fēng)能資源豐富且分布廣,赤道地區(qū)的太陽(yáng)能資源開發(fā)潛力巨大。隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的步伐加快,“一極一道”地區(qū)將成為未來(lái)全球能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架中的全球能源基地[19]。北極風(fēng)電的大規(guī)模集中開發(fā),赤道地區(qū)太陽(yáng)能、水能的綜合利用開發(fā),可以分別將能源送至亞洲、歐洲以及美洲地區(qū),為全球各地區(qū)發(fā)展提供豐富能源保障。然而,由于可再生能源發(fā)電出力的不確定性,在并網(wǎng)過(guò)程中會(huì)對(duì)全球能源互聯(lián)網(wǎng)的電力系統(tǒng)能量傳輸網(wǎng)產(chǎn)生沖擊,因此需要在可再生能源基地側(cè)配置儲(chǔ)能系統(tǒng),平滑可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性與間歇性,降低其對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊,突破可再生資源限制。

具體為:在北極地區(qū)的大型風(fēng)電場(chǎng)基地與赤道地區(qū)的大型太陽(yáng)能發(fā)電基地配置大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)為新能源集中并網(wǎng)提供支持。儲(chǔ)能系統(tǒng)的類型與容量規(guī)模需要將可再生能源發(fā)電側(cè)的發(fā)電規(guī)模、能源外送規(guī)模、自然因素等綜合考慮在內(nèi)。對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)配置類型,可再生能源基地側(cè)的儲(chǔ)能系統(tǒng)需求是發(fā)揮平滑功率輸出、跟蹤計(jì)劃出力,能夠?qū)崿F(xiàn)大容量削峰填谷,因此需要采用爬坡率較高的功率型儲(chǔ)能與備用容量大的能量型儲(chǔ)能相結(jié)合的混合儲(chǔ)能方式。根據(jù)地理?xiàng)l件,因地制宜,處于北極附近的大型風(fēng)電基地可采用爬坡率高、響應(yīng)速度快的電池儲(chǔ)能和高能量密度的氫儲(chǔ)能、冰蓄能、冷水儲(chǔ)能以及壓縮空氣儲(chǔ)能;同理,在赤道附近的太陽(yáng)能發(fā)電基地,可以配置大容量的熱儲(chǔ)能。通過(guò)在可再生能源發(fā)電側(cè)配置儲(chǔ)能系統(tǒng),可以有效提高電網(wǎng)對(duì)可再生能源的消納能力與能源利用效率。

3.2 輸電側(cè)的儲(chǔ)能技術(shù)和規(guī)劃方案

全球能源互聯(lián)網(wǎng)的骨干架構(gòu)主要由“一極一道”能源外送通道、洲際聯(lián)網(wǎng)通道構(gòu)成。

考慮到大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸電和跨洲聯(lián)網(wǎng)的需求,“一極一道”大型可再生能源基地電力外送和洲際大容量交換通道主要采用特高壓直流輸電技術(shù)。在未來(lái)所構(gòu)想建設(shè)的全球能源互聯(lián)網(wǎng)中,特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)是連接可再生能源基地與各大洲負(fù)荷中心的橋梁。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)因?yàn)槠渑渲渺`活、可模塊化生產(chǎn)使用,適合在特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)附近配置,提高特高壓網(wǎng)絡(luò)電能輸送效率,并在一定程度上改善輸電通道中的電能質(zhì)量問(wèn)題。

此外,隨著氫儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展,也為能源輸送提供了一個(gè)新的思路。氫氣是可以通過(guò)管道輸送的高品位清潔能源?？梢岳脷鋬?chǔ)能技術(shù)進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換,并利用天然氣的管道將清潔的氫氣輸送到各大洲的能源需求側(cè),可有效節(jié)約能源輸送通道建設(shè)的投資成本,減輕特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的能源輸送壓力。

3.3 負(fù)荷中心側(cè)的儲(chǔ)能技術(shù)和規(guī)劃方案

在全球的負(fù)荷中心側(cè),需要考慮負(fù)荷中心的能源情況需求配置儲(chǔ)能系統(tǒng),提高負(fù)荷中心的供電可靠性與電能質(zhì)量。在近負(fù)荷中心的電網(wǎng)側(cè),需要考慮電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷、頻率、諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題,在用戶環(huán)節(jié)需要考慮用戶能源需求(包括對(duì)電能質(zhì)量的需求、不間斷供電的需求等)及經(jīng)濟(jì)性等因素。

此外,在各大洲的負(fù)荷中心,需要充分考慮各大洲的地理、自然條件,在水資源豐富與具備一定地形條件的地區(qū),可以考慮抽水蓄能以及洞穴壓縮空氣儲(chǔ)能等方式。在自然條件不足的地區(qū),地面壓縮/液化空氣儲(chǔ)能和電池儲(chǔ)能配置較為普遍。

此外,未來(lái)隨著氫儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展,可以在用戶側(cè)大量配置氫儲(chǔ)系統(tǒng),為用戶提供豐富的清潔能源。同時(shí),儲(chǔ)熱系統(tǒng)可在負(fù)荷中心維度較高的地區(qū)投入,通過(guò)電、熱相結(jié)合的方式,既可以為用戶提供優(yōu)質(zhì)的電能,也能為用戶提供熱力資源,有效地提高能源的利用效率,保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.4 面向“一帶一路”的儲(chǔ)能技術(shù)和規(guī)劃方案

“一帶一路”是面向21世紀(jì)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)全球化的重大倡議,貫穿亞歐非大陸連接世界各國(guó),涵蓋東亞、東南亞、西亞、北非、中東歐等大部分地區(qū)。沿線分布著世界最主要的能源生產(chǎn)國(guó)、通道國(guó)和能源消費(fèi)國(guó),既是化石能源集中的生產(chǎn)區(qū),又是化石能源重要的消費(fèi)區(qū)?！耙粠б宦贰笔鞘澜缃?jīng)濟(jì)發(fā)展和能源的心臟地帶。

因此,需要針對(duì)不同國(guó)家的地理位置、資源類型、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r,因地制宜,采用不同的儲(chǔ)能方式。將“一帶一路“和非洲地區(qū)的國(guó)家分為能源輸出地區(qū)和能源需求地區(qū),這兩個(gè)不同的類型需要不同的儲(chǔ)能方式。在能源輸出地區(qū)需要配備大容量的儲(chǔ)能,通常采用電池儲(chǔ)能和能量型氫儲(chǔ)能。在能量需求側(cè),例如我國(guó)要更多地考慮電網(wǎng)和用戶多重需求,配置大容量混合儲(chǔ)能系統(tǒng),電池儲(chǔ)能為最普遍的配置。

4 面向全球能源的儲(chǔ)能市場(chǎng)展望

儲(chǔ)能技術(shù)在未來(lái)能源中處于重要的地位,是能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的關(guān)鍵一環(huán)。在一定程度上,儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的水平將決定能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展水平。

儲(chǔ)能技術(shù)的研究和發(fā)展一直以來(lái)備受各國(guó)重視,越來(lái)越多的研究認(rèn)為儲(chǔ)能可能是實(shí)現(xiàn)未來(lái)能源系統(tǒng)變革的基礎(chǔ)。隨著各國(guó)對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)關(guān)注、扶持力度的加大和儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展,在未來(lái)幾十年內(nèi),全球的儲(chǔ)能市場(chǎng)將迎來(lái)蓬勃的發(fā)展。下面對(duì)全球主要地區(qū)的儲(chǔ)能市場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)與展望。

從地區(qū)上看,根據(jù)能源發(fā)展的需求以及科技、經(jīng)濟(jì)等因素,可以預(yù)測(cè),在未來(lái)的20年內(nèi),全球儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)格局仍然以歐洲、亞太、北美地區(qū)為主。在發(fā)展需求與政策導(dǎo)向作用下,美國(guó)、中國(guó)、日本以及德國(guó)將會(huì)成為引領(lǐng)全球儲(chǔ)能發(fā)展的主力軍。

北美儲(chǔ)能市場(chǎng)在政策和技術(shù)的推動(dòng)下,美國(guó)電池儲(chǔ)能的投入和安裝的速度十分迅速,每年增速超過(guò)30%。按照2015年電池儲(chǔ)能功率300 MW計(jì)算,保守預(yù)測(cè)2030年電池儲(chǔ)能功率將超過(guò)15 GW。因此在未來(lái)10年左右,北美儲(chǔ)能市場(chǎng)將獲得巨大的發(fā)展。

在歐洲儲(chǔ)能市場(chǎng),德國(guó)作為目前歐洲范圍內(nèi)最成熟的分布式光儲(chǔ)市場(chǎng),也是用戶側(cè)商業(yè)模式發(fā)展最先進(jìn)的國(guó)家,將繼續(xù)引領(lǐng)歐洲用戶側(cè)儲(chǔ)能市場(chǎng)的發(fā)展。英國(guó)、意大利則更多投入到電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能上。歐洲其他國(guó)家將會(huì)根據(jù)自身發(fā)展?fàn)顩r和在歐盟的推動(dòng)下,緊隨英、德兩國(guó)的步伐,大力推動(dòng)可再生能源儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。

亞太地區(qū)儲(chǔ)能市場(chǎng)以中國(guó)、日本、韓國(guó)為主。根據(jù)預(yù)測(cè)到2030年,全球累積儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模將增加6倍,達(dá)到1.25億kW,主要部署在美國(guó)、中國(guó)、日本、印度、德國(guó)、英國(guó)、澳大利亞和韓國(guó)這8個(gè)國(guó)家。由此可知,未來(lái)亞太地區(qū)將會(huì)成為全球儲(chǔ)能市場(chǎng)的中心。日本將繼續(xù)是世界儲(chǔ)能發(fā)展領(lǐng)先的國(guó)家之一,因?yàn)槟壳爸袊?guó)的儲(chǔ)能市場(chǎng)缺乏有效的政策支持,在今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),將主要集中在可再生能源并網(wǎng)的幾個(gè)示范項(xiàng)目上,其商業(yè)化模式還亟需完善。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 儲(chǔ)能作為一種跨區(qū)域、跨季節(jié)甚至跨境交易的電量調(diào)節(jié)優(yōu)選手段，其高效性、不可或缺性已經(jīng)逐步為人們所接受，必將成為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的中間力量。

(2) 隨著石墨烯等材料的引入以及大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術(shù)的日益成熟,儲(chǔ)能進(jìn)入共享時(shí)代，為公平電力交易提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

(3) 儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)各從業(yè)者有義務(wù)自律，避免惡性競(jìng)爭(zhēng)，扎實(shí)做好基礎(chǔ)研究工作，確保各自產(chǎn)品高質(zhì),完善整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，才是儲(chǔ)能長(zhǎng)久生命力的保障。

(4) 呼吁國(guó)家層面、各級(jí)政府出臺(tái)有效的保障措施，為儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的健康、穩(wěn)健發(fā)展提供良好的外部環(huán)境。