關(guān)于當(dāng)前電化學(xué)儲(chǔ)能所面臨的一些難點(diǎn)問題解析

什么是電化學(xué)儲(chǔ)能的難點(diǎn)?太陽的光線出現(xiàn)在生活中的每一個(gè)地方，人們的生活已經(jīng)離不開太陽，太陽能不僅為植物生長(zhǎng)提供光源，而且也能為人類提供能源，現(xiàn)在的光伏發(fā)電就是很大程度上利用了太陽能。

電化學(xué)儲(chǔ)能電站通過化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行電池正負(fù)極的充電和放電,實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)電池技術(shù)以鉛酸電池為代表,由于其對(duì)環(huán)境危害較大,已逐漸被鋰離子、鈉硫等性能更高、更安全環(huán)保的電池所替代。電化學(xué)儲(chǔ)能的響應(yīng)速度較快,基本不受外部條件干擾,但投資成本高、使用壽命有限,且單體容量有限。隨著技術(shù)手段的不斷發(fā)展,電化學(xué)儲(chǔ)能正越來越廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域,尤其是電動(dòng)汽車和電力系統(tǒng)中。近年電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)?？焖侔l(fā)展 主要以鋰電池為主，2018年是中國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展史的分水嶺。一方面是因?yàn)殡娀瘜W(xué)儲(chǔ)能累積裝機(jī)功率規(guī)模首次突破GW,另一方面是因?yàn)殡娀瘜W(xué)儲(chǔ)能呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng),新增電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)功率規(guī)模高達(dá)612.8MW,對(duì)比2017年新增功率規(guī)模147.3MW,同比增長(zhǎng)316%。截至2019年底,中國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能市場(chǎng)累積裝機(jī)功率規(guī)模為1709.60MW,同比增長(zhǎng)59.4%。

盡管電化學(xué)儲(chǔ)能在發(fā)電側(cè)已經(jīng)有很多示范項(xiàng)目，但在應(yīng)用方面仍然有許多困難需要克服。在政策和運(yùn)營(yíng)層面，主要面臨以下幾方面的挑戰(zhàn)：

一是傳統(tǒng)電力市場(chǎng)給儲(chǔ)能留下的空間不大。發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能的收益直接來源于電力市場(chǎng)，因此電力市場(chǎng)的總體運(yùn)行狀況對(duì)儲(chǔ)能的發(fā)展有著直接影響。根據(jù)國(guó)家能源局的數(shù)據(jù)，截至2020年1月，我國(guó)電力裝機(jī)總量在20億千瓦左右，2020年1～6月全國(guó)總用電量為33547億千瓦時(shí)。這說明我國(guó)存在電力生產(chǎn)過剩的情況。同時(shí)，我國(guó)還不斷有用于調(diào)峰的火電(燃?xì)鈾C(jī)組)、新能源機(jī)組上馬，裝機(jī)總量不斷上升，導(dǎo)致儲(chǔ)能的作用難以體現(xiàn)。

受容量配置規(guī)模限制，連續(xù)無風(fēng)或大風(fēng)天氣可能限制儲(chǔ)能作用的發(fā)揮。一般電化學(xué)儲(chǔ)能滿功率連續(xù)充放電時(shí)間在1~4小時(shí)之間，可有效應(yīng)對(duì)新能源日內(nèi)波動(dòng)，但若出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無風(fēng)或大風(fēng)等極端天氣，儲(chǔ)能利用效率可能受到較大限制。通過對(duì)西北電網(wǎng)新能源歷史出力特性統(tǒng)計(jì)分析得出，單一省份極端無風(fēng)天氣最大持續(xù)時(shí)間達(dá)6天，頻次最高達(dá)3次/年，若聯(lián)網(wǎng)規(guī)?？s小至單個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，極端無風(fēng)或持續(xù)大風(fēng)天氣可持續(xù)數(shù)周。風(fēng)電大發(fā)時(shí)通常在晚上或夜間，此時(shí)負(fù)荷較低，與風(fēng)電消納匹配性較差，同時(shí)三北地區(qū)供暖季還存在“以熱定電”的另一重矛盾，火電機(jī)組調(diào)峰能力受限，因此儲(chǔ)能需要配置更大的容量進(jìn)行調(diào)峰。與風(fēng)電相比，光伏發(fā)電可預(yù)測(cè)性更好，且具有一定的規(guī)律性，儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)定期充放，利用率相對(duì)較高;同時(shí)光伏發(fā)電輸出功率較高的時(shí)候也是用電高峰的白天，與負(fù)荷匹配度較好，只需要配置較小容量的儲(chǔ)能即可達(dá)到削峰填谷的作用。

目前，全球主要的儲(chǔ)能裝機(jī)分布于美國(guó)、西班牙、中國(guó)、日本、韓國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和澳大利亞等國(guó)。我國(guó)從‘十一五’期間布局儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展至今，主要科研投入還是圍繞在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域。

相比歐美國(guó)家，我國(guó)的電力設(shè)施很多都是近些年修建的，基礎(chǔ)設(shè)施更為“堅(jiān)強(qiáng)”，具有相當(dāng)?shù)娜菁{能力。這就使得電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能所提供的輔助服務(wù)沒有強(qiáng)烈需求。在美國(guó)，由于新建電廠的審批控制以及電網(wǎng)的老化，電力公司急需儲(chǔ)能來平抑波動(dòng)和滿足擴(kuò)容需求，在此基礎(chǔ)上形成了對(duì)儲(chǔ)能的大量需求。

在新型壓縮空氣儲(chǔ)能方面，我國(guó)與國(guó)外的科研機(jī)構(gòu)處于并跑階段。但在相變儲(chǔ)能(熱熔巖儲(chǔ)能)裝置研發(fā)以及工程應(yīng)用方面，我國(guó)與美國(guó)、西班牙等國(guó)的先進(jìn)水平仍有5-8年差距。

儲(chǔ)能技術(shù)類型眾多，可滿足毫秒至數(shù)天不同時(shí)間尺度的調(diào)節(jié)需求。調(diào)峰介于調(diào)頻與容量備用之間，調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)是我國(guó)特有的市場(chǎng)品種，本質(zhì)上是一種電能量市場(chǎng)，在國(guó)外歸為平衡市場(chǎng)或現(xiàn)貨市場(chǎng)，因此電力系統(tǒng)調(diào)峰對(duì)容量的需求要大于對(duì)功率的需求。目前，各類儲(chǔ)能技術(shù)中，抽水蓄能仍是新能源調(diào)峰的首要選擇，主要表現(xiàn)為容量大，單個(gè)電站規(guī)?？蛇_(dá)到120~360萬千瓦，能量轉(zhuǎn)換效率75%~85%，日調(diào)節(jié)一般為5~6小時(shí)，而電化學(xué)儲(chǔ)能容量難以達(dá)到系統(tǒng)級(jí)調(diào)峰的規(guī)模;抽水蓄能使用壽命長(zhǎng)，設(shè)計(jì)壽命30年，水工建筑物50年以上，而電化學(xué)儲(chǔ)能壽命周期多為10年左右;抽水蓄能的能量成本約875~1085元/千瓦時(shí)，僅為鋰離子電池的三分之一，且具有明確的兩部制電價(jià)回收機(jī)制。

不合理的市場(chǎng)定位可能無法達(dá)到物盡其用的效果。目前對(duì)各電源市場(chǎng)定位的討論非常激烈。例如，煤電是否在十四五期間由承擔(dān)基荷的定位轉(zhuǎn)向調(diào)峰的定位(保障可再生能源消納)儲(chǔ)能是否要在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域減少棄風(fēng)棄光等。

二是儲(chǔ)能作為輔助服務(wù)市場(chǎng)主體的資格不明確。

儲(chǔ)能的價(jià)值主要體現(xiàn)在它提供的輔助服務(wù)上，因此輔助服務(wù)市場(chǎng)的規(guī)制對(duì)儲(chǔ)能的收益有著決定作用。在發(fā)電側(cè)，電化學(xué)儲(chǔ)能是作為發(fā)電廠機(jī)組的輔助設(shè)備運(yùn)行的。作為機(jī)組的附屬設(shè)備，電化學(xué)儲(chǔ)能沒有輔助服務(wù)市場(chǎng)獨(dú)立的經(jīng)營(yíng)資格，由此導(dǎo)致電化學(xué)儲(chǔ)能的收益具有很高的不確定性。由于很多發(fā)電側(cè)的發(fā)電和儲(chǔ)能是分開管理的，當(dāng)政策變化時(shí)，由于沒有主體地位，儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商可能沒有多少談判的能力，收益可能會(huì)進(jìn)一步降低。

美國(guó)在儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域起步早、投入多、政策支持力度大，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)室均具備很高的硬件平臺(tái)水平和研究實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，?cè)重于新型電池材料體系研發(fā)、電池工況研究、新型電池本體特性、電池集成方法、儲(chǔ)能裝置安全性、能效研究和評(píng)價(jià)等不同領(lǐng)域，基本涵蓋了儲(chǔ)能電池研究體系的關(guān)鍵材料、本體制造、綜合性能分析以及產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但卻沒能連接貫通成為完整的閉環(huán)。

因此，發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能的主體地位是個(gè)亟待解決的問題。目前，某些地區(qū)已經(jīng)開始了這方面的嘗試。例如，福建晉江的獨(dú)立儲(chǔ)能電站就拿到了“發(fā)電業(yè)務(wù)許可證”，以此為切入點(diǎn)讓獨(dú)立的發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能進(jìn)入電力市場(chǎng)。但即使如此，儲(chǔ)能在市場(chǎng)中的身份和交易機(jī)制也不夠健全。

僅僅緩解棄風(fēng)棄光實(shí)際上是電化學(xué)儲(chǔ)能的大材小用。相比煤電，電化學(xué)儲(chǔ)能具有更強(qiáng)的靈活性，在調(diào)頻、黑啟動(dòng)、快速調(diào)峰領(lǐng)域前景廣闊。目前，部分地方為了降低棄風(fēng)棄光率，將儲(chǔ)能作為風(fēng)電場(chǎng)(光伏電站)建設(shè)的必備配套設(shè)施。根據(jù)行業(yè)初步估計(jì)，若僅僅依靠電價(jià)差獲取收益，電化學(xué)儲(chǔ)能回收成本的電價(jià)差要達(dá)到0.7元/千瓦時(shí)左右。

現(xiàn)貨市場(chǎng)在經(jīng)濟(jì)學(xué)上是指買賣交易即刻生效的市場(chǎng)，是針對(duì)期貨市場(chǎng)而言。電力市場(chǎng)中，只有實(shí)時(shí)市場(chǎng)嚴(yán)格滿足現(xiàn)貨市場(chǎng)的定義。結(jié)合電力交易即發(fā)即用的特點(diǎn)，在討論電力現(xiàn)貨市場(chǎng)時(shí)常把時(shí)間尺度擴(kuò)大到實(shí)時(shí)交易的日內(nèi)甚至一日前?，F(xiàn)貨市場(chǎng)的重要價(jià)值在于發(fā)現(xiàn)價(jià)格，用價(jià)格反映供需關(guān)系，目前我國(guó)八個(gè)現(xiàn)貨試點(diǎn)省份已經(jīng)全部進(jìn)入試運(yùn)行，隨著現(xiàn)貨市場(chǎng)的成熟運(yùn)行，電力電量的商品屬性逐步體現(xiàn)，新能源發(fā)電邊際成本為零，與儲(chǔ)能配合可根據(jù)價(jià)格信號(hào)靈活充放電獲取更高的電量收益。

以上就是電化學(xué)儲(chǔ)能的一些難點(diǎn)解析，如果某一天人們能高效利用太陽能，相信能解決很大的能源問題，畢竟太陽能是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的，能保證人類的永續(xù)發(fā)展，需要我們科研人員更加努力。