储能商业化发展前景在哪里?从市场与技术角度分析我国储能形势

全球节能环保网2018-10-01 09:27:10

导读  

2017年4月24-26日,第七届中国国际储能大会在苏州隆重举行。会议上,从技术研讨到产业展望,再到细分领域,凡是涉及储能行业发展的内容,无论大小均能获得一阵阵共鸣。火爆的现场只是储能行业当前发展现状的一个缩影,本文接下来将从从市场与技术角度来分析储能的商业化。


1.储能市场需求巨大


储能技术在电力系统中具有广泛应用。随着我国新能源和电力行业的快速发展,如何高效、稳定、环保地利用电能已成为能源技术变革乃至国民经济发展中的一项重要课题。具体来看,储能在电力系统中的应用贯穿发电侧、输电侧及配电侧,可广泛应用于可再生能源并网、电网调峰调频、电力输配、应急电源、用户侧存储及分布式微网建设等方面。


图1 储能在电力系统中的意义

来源:《中国电力发展和技术创新》


表1  储能在电力系统中的作用

来源:中国能源报、国泰君安证券研究所


一. 风光点快速发展催生巨大储能需求


储能是突破风光电并网瓶颈的关键技术。我国近年来风电、光电装机规模保持高速增长,预计到2020年,风电、光电装机规模将达2.1、1.1亿千瓦,“十三五”期间年均增速为9.9%、21.2%。而风光发电具有随机性、间歇性和区域性,大规模风光电并网会对电网的连续性和稳定性构成挑战。此外,我国风光电发展还面临并网消纳困难、“弃风弃光”现象严重等问题。2016年我国弃风电量为497亿千瓦时,同比增加52%。在最具代表性的新疆、甘肃等地区,“弃风弃光”的比例均超过了总发电量的20%。造成这一问题的主要原因是新能源电站分布集中、区域消纳能力不足和电力基础设施薄弱,而大规模储能设施的建设已被认为是解决这一问题的重要手段。


图2 近年来我国风光电装机规模

数据来源:IRENA,国泰君安证券研究所


图3 西北地区“弃风弃光”率

数据来源:国家能源局,国泰君安证券研究所


二. 储能在电力辅助服务市场前景广阔


社会用电结构变化扩大储能调峰需求。当前,我国第二产业用电比重不断下降,高能耗的传统产业逐渐被低能耗的新型产业替代,而第三产业和居民用电的比重不断上升,导致日夜用电峰谷差加大。2016年我国第三产业和居民用电量分别为7961亿千瓦时和8054亿千瓦时,同比增长11.2%、10.8%;而占总用电量比重最大的第二产业共用电42108亿千瓦时,同比增长仅为2.9%。可以预见,随着国内生产技术和社会经济的持续发展,我国电网将面临的调峰压力将进一步扩大。目前国内电站大多仍采用机组减负启停这一传统调峰方式,经济性较低,其规模也难以满足日益增长的调峰需求。抽水蓄能、大容量化学电池等储能技术可发挥“削峰填谷”作用,在该领域具有广阔的市场空间


图4 储能系统“削峰填谷”示意图

来源:奥磁科技官网


储能调频效率远高于传统手段。美国西北太平洋国家实验室的分析报告指出,同等规模比较下,储能系统进行调频的效率是水电机组的1.7倍,是燃气机组的2.7倍,是火电机组和联合循环机组的近20倍。从美国PJM电力市场的实际运行结果来看,利用储能系统快速调频不但能够使系统整体调频容量降低30%以上,其服务价格也远低于常规调频手段。


三. 用户侧储能需求高涨


国内分布式发电及用户侧储能需求大。用户侧储能主要是指在用户端设置储能装置,实现削峰填谷、平滑负荷、应急启动、减少能耗等多种功能。同时,这类系统还可与光伏技术相结合,实现分布式发电。目前,用户侧储能约占我国全部储能装机总量的57%,且持续保持高增长。根据我国电力发展“十三五”规划,到2020年止,太阳能发电装机目标在110GW以上,其中分布式光伏将达60GW以上。以单个光伏系统配备5%储能计算,2020年该领域储能装机需求将达3GW,未来四年复合增速高达130%。


图5 2016年储能装机规模比例 


数据来源:CNESA, 国泰君安证券研究所


 图6 用户侧储能装机规模

数据来源:CNESA, 国泰君安证券研究所


2. 储能市场多种技术路线并存


一. 物理储能功率容量大,适合电站调峰


抽水蓄能是当前储能调峰的主要方式。在负荷低谷时,抽水蓄能电站利用多余电能将水从地势低的水库抽到地势高的水库,实现电能向势能的转换;在用电高峰时,再利用高地势水库中的水推动下水库的水轮发电机发电。除调峰外,抽水蓄能电站也具备调频调相、黑启动等功能。这一储能技术相对成熟,目前总装机量占全球储能项目的98%以上。我国2016年抽水蓄能装机2669万千瓦,同比增长16%,但在总发电装机量中的比例仍然偏低。其局限性在于投资规模大、建设时间长,且对水资源和地貌有一定要求。一般抽水蓄能电站的能量转换效率为60-70%。


图7 抽水蓄能电站工作原理示意图

来源:《抽水蓄能电站枢纽布置及施工方法介绍》


压缩空气储能已初步商用这一储能方式具有储能容量大、功率大、成本相对较低等优势,但同时也存在能量转换效率较低、响应速度慢、需消耗化石燃料等问题。目前德国Huntorf和美国Mcintosh市已有两座大型压缩空气储能电站投入运行,日本、瑞士、俄罗斯、法国等国家也在积极开发压缩空气储能技术。我国这方面研究起步较晚,中科院热物理研究所正在开展1.5MW先进压缩空气储能示范工作。

图8 压缩空气储能电站工作原理示意图

来源:《压缩空气储能技术原理》


飞轮储能技术尚未成熟。这一技术的优点是能量转换效率高,结合超导技术在液氮温度下可达到90%以上。但由于储能密度低、自放电率高等因素,目前这项技术的发展仍受到制约。


图9 飞轮储能系统工作原理示意图

来源:《压飞轮储能技术基础》


表2 常用物理储能技术参数对比

来源:《储能技术融合分布式可再生能源的现状及发展趋势》


二. 化学储能发展迅速,应用范围广


电化学电池技术是当前储能行业一大增长点。截至2016年底,全球电化学储能装机规模达1756.5MW,近5年复合增长率27.5%。我国储能产业起步相对较晚,经过十多年发展,目前正从小规模研究示范向商业化初期过渡发展。2016年我国化学储能装机量为189.4MW,同比增长达79.5%。与其他储能方式相比,电化学储能具有设备机动性好、响应速度快、能量密度高和循环效率高等优势,是当前国内外储能研究的热点。


图10 近年来全球(左)及我国(右)化学储能装机容量

来源:CNESA, 国泰君安证券研究所


铅炭电池性价比高,短期商业化潜力大。这类电池历史悠久、储能成本低、可靠性好、效率较高,是目前全世界应用最为广泛的电源技术之一。其缺点是循环寿命较短、能量密度较低、无法深度放电,且所含重金属铅属有毒物质。近年来全球很多企业致力于开发碳材料改性的铅炭电池,可一定程度上改善电池的使用寿命,同时保持了电池高功率、低成本等优点,短期内具有一定市场空间。但由于铅蓄电池本身的局限性,长远来看,其在大规模储能领域的应用前景受到制约。


钠硫电池技术由日本主导,国内短期难以推广。其工作温度一般在300-350摄氏度,具有能量密度高、响应时间快、原材料价格低、无自放电等优点。其主要不足之处在于制造成本和安全性。由于电池使用液态钠且在高温下运行,一旦陶瓷电介质发生受损破裂形成短路,将引发电池燃烧产生重大安全事故。目前全球已建有 200 多处此类储能电站,主要用于调峰调频等领域


液流电池适合大容量储能,材料成本受制约。目前较为成熟的液流电池体系包括全钒液流电池、锌溴液流电池、铁铬液流电池等。其中全钒液流电池由于安全性好、循环寿命长、充放电特性良好、环境友好等优点,在短时间内得到了很快发展。当前液流电池大规模产业化仍受到电解液、电极极板特别是离子交换膜等关键材料的制约,实际储能价格也相对偏高。


锂电池商业化潜力大,适合风光储。锂离子电池具有能量密度大、工作温度范围宽、无记忆效应、可快速充放电、环境友好等优点,近年来,随着锂电池技术的不断发展和生产成本的降低,其在大规模储能领域的应用潜力也逐步显现。在目前全球已建MW级电化学储能示范项目中,锂电池项目装机容量约占总容量的50%,国家张北风光储输、南网宝清电站等示范项目,也都将锂电储能作为重点技术路线发展


三. 电磁储能以功率型应用为主

电磁储能技术主要包括超导储能、超级电容等。这类技术具有效率高、响应时间短、寿命长等特点,因而未来在功率型应用领域具有较好的前。由于电磁储能一般能量密度较小,其在大规模储能领域的应用较为有限。当前电磁储能技术仍处于研究和验证阶段,成本相对较高。随着科技的不断进步,这些技术有望在未来为储能产业注入新的活力。



3.成本制约是主因


据测算,储能市场化成本目标约为1000-1500元/千瓦时。到2016年底,大部分主流储能技术的建设成本在2000-3000元/千瓦时之间,较2013年下降超过50%;预计到2020年,这一数值会进一步下降到1000-1500元/千瓦时,从而为储能技术的大规模产业化奠定基础。在此之前,储能在各应用领域的经济效益普遍较小,预计其市场化初期将较大程度地依赖政策补贴。


表3 主流储能经济性对比

来源:CNESA, 国泰君安证券研究所


图11 储能技术发展现状(左)与期望(右)



储能在电力市场中的盈利机制有待完善。当前我国储能产业盈利的主要模式是利用峰谷电价差套利。在储能系统成本较高、国内峰谷电价差较小的大背景下,这一模式产生的经济效益较为有限。与此同时,储能电站在国内电力辅助服务领域的定价、结算机制也尚不明确。在这方面,美国PJM等成熟电力市场对储能技术的发展经验具有较大参考价值。随着未来配套政策的不断完善和电力体制改革的推进,储能在各领域的经济效益有望逐步提升。


储能产业政策扶持力度加大,补贴机制呼之欲出。从国内外储能产业发展经验来看,国家政策扶持和补贴将是短期内推动储能产业向商业化过渡的重要力量。我国最近出台的《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》、《国家创新驱动发展战略纲要》、《中国制造2025—能源装备实施方案》等多项规划政策,都将储能作为重点研究和发展的领域之一。而近期国家能源局发布的《储能技术与产业发展指导意见》(征求意见稿),更是明确指出要建立针对性补偿机制和价格政策。随着电力体制改革的推进和各项政策落实,储能产业有望在“十三五”期间迎来突破式发展。




根据中徐云飞2017、北极星储能网相关内容改编