能源轉(zhuǎn)型的定海神針

 

2050年或2060年是全球主要經(jīng)濟(jì)體為實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)所劃定的時間上限，以清潔能源替代傳統(tǒng)化石能源成為了不二的選擇，其中可以展示出強(qiáng)大替代功能與廣闊應(yīng)用前景的清潔能源主要有水能、氫能、太陽能與風(fēng)能，但是，水能不僅全球分布不平衡，而且資源稟賦數(shù)量十分有限；同時受制于技術(shù)條件的不成熟，氫能資源短期內(nèi)還不能做到大規(guī)模開發(fā)和利用。這樣，稀釋傳統(tǒng)火電與創(chuàng)造未來綠電并最終實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)的重任就落在了風(fēng)能與太陽能身上。

 

可是，風(fēng)能與太陽能雖然看上去取之不竭，但要真正用于發(fā)電，其自身的短板明顯。拿風(fēng)能而論，日內(nèi)出力波幅最高可達(dá)80%，凌晨前后是高峰，午后便減弱到最低點，“逆負(fù)荷”特性異常明顯；同樣，光能日內(nèi)波動幅度更是高達(dá)100%，正午達(dá)到當(dāng)日波峰，正午前后均呈均勻回落態(tài)勢，夜間出力降至零，峰谷特性鮮明；不僅如此，光能還易受天氣擾動，天氣陰晴對光能的實際有功功率釋放的影響十分強(qiáng)烈，每日的實際有功功率也具有一定隨機(jī)性。正是風(fēng)能和光能的波動性、間歇性與隨機(jī)性所形成的不穩(wěn)定的出力電源極易導(dǎo)致發(fā)電側(cè)的電力輸出不均勻和不連續(xù)，電網(wǎng)側(cè)也難以平衡發(fā)電側(cè)與用戶側(cè)的電力供求，整個電力系統(tǒng)的波動性劇烈，社會生產(chǎn)與民眾生活必然受到風(fēng)險波及。

 

總體評判，清潔能源對化石能源的替代力度越強(qiáng)，綠電的輸出功率就越大，但同時電力供求的平衡難度也將明顯提升，對此，只有借助儲能的力量機(jī)制才能將風(fēng)能、光能等清潔能源轉(zhuǎn)化為綠電的風(fēng)險降到最小?？陀^上說，在沒有收納之前，風(fēng)能與光能都處于閑置與過剩狀態(tài)，但通過收儲，無形的能源就變成了有價值的資源，特別是當(dāng)動力能源不足或者用電側(cè)需求量增大時，將儲備的能源釋放出去并轉(zhuǎn)化為電力，每一個單位的風(fēng)能、光能便得到了充分利用與開發(fā)；與此同時，將風(fēng)能、光能儲存起來，既可以大大減少后續(xù)天氣因素的意外干擾，增強(qiáng)發(fā)電側(cè)輸電的連續(xù)性與穩(wěn)定性，并且借助于儲能，電網(wǎng)側(cè)(企業(yè))可在供電側(cè)旺盛時及時購進(jìn)電力，用電側(cè)需求旺盛時迅疾售出電力，削峰填谷，還可大大提高電網(wǎng)系統(tǒng)的靈活性，實踐過程中也能夠高效消納清潔能源的電力，防止因供求失衡而倒逼出“棄風(fēng)棄光”的行為。

 

還值得強(qiáng)調(diào)的是，無論是發(fā)電側(cè)還是電網(wǎng)側(cè)抑或是用戶側(cè)，借助于儲能還可以獲得較為理想的溢價收益，即當(dāng)電力峰谷狀態(tài)出現(xiàn)導(dǎo)致電價走高時，三者可以通過綠電交易市場有償讓渡出富余儲電并從中獲利，由此便可大大增強(qiáng)各儲能主體的積極性，最終形成“儲能—發(fā)電—交易—增值—再儲能”的商業(yè)市場閉環(huán)與良性循環(huán)機(jī)制，同時促進(jìn)電力供求的平衡，清潔能源替代傳統(tǒng)能源的轉(zhuǎn)型風(fēng)險便可得到有效稀釋與消除，從這個意義而言，我們可以將儲能視為能源轉(zhuǎn)型的定海神針。

 

新型儲能后來居上

 

按照儲能所依賴的資源工具及其性能，全球各國的儲能主要分為傳統(tǒng)儲能與新型儲能兩種，前者主要是指抽水儲能，后者則包括電化學(xué)儲能以及壓縮空氣儲能等。抽水儲能是利用電力負(fù)荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫發(fā)電；電化學(xué)儲能是借助大功率與高性能電池正負(fù)極進(jìn)行儲電與放電，壓縮空氣儲能則主要利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時的剩余電力壓縮空氣，并將其儲藏在高壓密封設(shè)施內(nèi)，在用電高峰釋放出來驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。目前來看，全球范圍內(nèi)抽水蓄能累計裝機(jī)規(guī)模最大，電化學(xué)儲能累計裝機(jī)規(guī)模次之，壓縮空氣儲能處于緩慢擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。

 

抽水儲能不僅歷史悠久，技術(shù)積累與商業(yè)模式也較為成熟，但作為最主要的儲能方式，抽水儲能卻受到地理位勢空間的嚴(yán)格限制，不僅啟動速度慢、建設(shè)周期長，而且資源稟賦有限、成本較高，相比之下，電化學(xué)儲能受到的外部因素影響較少，項目啟動與建設(shè)靈活，且響應(yīng)速度較快，而更重要的是，作為目前布局最廣泛的電化學(xué)儲能方式，鋰電儲能不僅工藝成熟，而且成本降低的邊際趨勢越來顯著。數(shù)據(jù)顯示，截至2021年底，全球抽水儲能的累計裝機(jī)規(guī)模首次低于90%，同比下降了4.1%，而電化學(xué)儲能的占比提高至12.2%，累計裝機(jī)規(guī)模為25.4吉瓦，同比增長了67.7%，且基于電化學(xué)儲能的靈活性以及其對人口集中區(qū)的高適配性，未來伸展的空間還將更廣泛。

 

進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，目前鋰電池儲能的市場份額全球超過了90%，但數(shù)據(jù)顯示，鈉元素儲量豐富，在地殼中占比高達(dá)2.75%，并遍布全球，而相比之下，鋰元素僅為0.0065%，主要分布于美洲；反映在價格上，鈉的價格只有0.29美元/公斤，而鋰價格目前約為21.5美元/公斤，受到影響，鈉電池的原材料成本相比鋰電池要低30%~40%；不僅如此，鈉離子電池在-20的低溫環(huán)境中可以實現(xiàn)90%以上的放電保持率，-40低溫下可放出70%以上的容量，高溫80還能循環(huán)充放使用，項目落地與場景應(yīng)用更具靈活性，因此鈉電池取代鋰電池將是大勢所趨；另外，釩電池壽命在10年以上，循環(huán)次數(shù)可超過萬次，且不會發(fā)生熱失控、燃燒和爆炸，全球已探明的釩金屬儲量多達(dá)2200萬噸，釩電池儲能同樣可能后來居上。

 

與電化學(xué)儲能相比，壓縮空氣儲能的規(guī)?；潭缺M管低得多，但如同抽水儲能一樣，壓縮空氣儲能也有相當(dāng)長的歷史，德國、美國很早就利用洞穴(巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等)進(jìn)行空氣壓縮儲能，只是傳統(tǒng)壓縮空氣儲能依賴化石燃料、依賴天然儲氣洞穴的短板制約了擴(kuò)展空間，而針對相關(guān)瓶頸因素，世界各國都積極研發(fā)新型壓縮空氣儲能技術(shù)，包括等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)、液化空氣儲能系統(tǒng)、恒壓壓縮空氣儲能系統(tǒng)等。目前來看，新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)效率逼近75%，項目造價720~850美元/千瓦，與抽水蓄能相當(dāng)，同時還有壽命長、清潔無污染、儲能周期不受限制、不依賴化石燃料及地理條件等優(yōu)勢，未來可能大顯身手。

 

放量擴(kuò)身與主流趨勢

 

數(shù)據(jù)顯示，至2021年底，全球已投運儲能項目累計裝機(jī)規(guī)模209.4吉瓦，其中2021年新增投運儲能項目裝機(jī)規(guī)模18.3吉瓦，同比增長185%。進(jìn)入2022年，受到地緣政治因素的影響，歐洲能源價格不斷走高，由此推動當(dāng)?shù)仉妰r接續(xù)創(chuàng)出歷史新高，同時，由大宗商品價格上漲所引致的成本推動式通貨膨脹也抬高了全球企業(yè)與居民的傳統(tǒng)能源消費成本，由此刺激儲能需求井噴式增長。市場研究機(jī)構(gòu)HIS Markit公司指出，未來5年全球儲能新增需求量將達(dá)到630吉瓦時，受到牽引，全球儲能規(guī)?；c商業(yè)化程度勢必繼續(xù)放大。而更值得關(guān)注的是，在總量規(guī)模擴(kuò)張的同時，未來全球儲能還將顯示出幾條十分清晰的脈絡(luò)與趨勢。

 

其一，新型儲能占比越來越大。在2021年全球新增投運儲能項目裝機(jī)規(guī)模中，新型儲能的新增投運規(guī)模首次突破10吉瓦，達(dá)到10.3吉瓦，同比增長119%，至2021年底，全球新型儲能累計裝機(jī)約25吉瓦，同比增長約68%，在全部儲能裝機(jī)中的占比提高到12%。依據(jù)美國國家可再生能源實驗室發(fā)布的研究報告，到2030年，作為新型儲能最主要成本的電池儲能系統(tǒng)，成本將持續(xù)和快速地大幅降低，直到2050年下降速度才有可能放緩，由此將引發(fā)新型儲能的加速擴(kuò)面壯身。目前美國已經(jīng)完全停止新建抽水蓄能發(fā)電設(shè)施，基于節(jié)約與保護(hù)水資源的目的，全球主要經(jīng)濟(jì)體有望率先跟進(jìn)，傳統(tǒng)儲能最終將退出市場。

 

其二，頭部效應(yīng)越來越顯著。截至2021年底，美國、中國與歐洲三大主要經(jīng)濟(jì)體在全球已投運儲能項目的占比分別為34%、24%和22%，合計占比高達(dá)80%，并且這種頭部方陣趨勢還會繼續(xù)強(qiáng)化。BNEF(彭博新能源財經(jīng))預(yù)計，未來五年，美國儲能系統(tǒng)新增裝機(jī)規(guī)模復(fù)合增速將達(dá)118.3%，中國速度更快，增幅為174.3%，歐洲則為76.3%。

 

其三，應(yīng)用場景越來越迥異。按照應(yīng)用領(lǐng)域的不同，儲能可以分為表前儲能和表后儲能，其中表前儲能可以分為發(fā)電側(cè)儲能與電網(wǎng)側(cè)儲能，表后儲能則包括由工商業(yè)儲能與家庭儲能的用戶側(cè)儲能?；陔娋W(wǎng)建設(shè)的剛性需求、成熟的商業(yè)模式以及政策補(bǔ)貼的重心傾斜，美國的儲能主要表現(xiàn)為表前儲能，未來五年相應(yīng)的儲能裝機(jī)規(guī)模年化復(fù)合增速高達(dá)125%；同樣，源于發(fā)電側(cè)政策要求下的強(qiáng)制配儲，中國未來新增儲能也主要集中于表前儲能，相應(yīng)的儲能新增裝機(jī)年化復(fù)合增速有望達(dá)到190%；除中美之外，歐洲、日本以及澳大利亞等主要儲能國家和地區(qū)的新增儲能則集中體現(xiàn)為表后儲能，尤其是歐洲地區(qū)特殊的屋頂結(jié)構(gòu)，外加長期高電價的制約，分布式的光伏+戶儲(家庭儲能)將是極其重要的儲能主體，未來五年整個歐洲表后儲能裝機(jī)年化復(fù)合增速可達(dá)142%，其中戶儲增速有望超過150%。

 

其四，長時儲能越來越突出。目前全球新型儲能所提供的服務(wù)響應(yīng)需求一般為4小時，有的甚至更短，但隨著未來超長時間尺度和中長時間尺度儲能技術(shù)和高比例可再生能源主動支持技術(shù)的進(jìn)步，長時儲能(時長10小時以上甚至以天為單位)將成為行業(yè)主要發(fā)展趨勢，同時，按照美國能源部發(fā)起的Energy Earthshots計劃，未來十年內(nèi)可將長時儲能的成本降低90%，長時儲能更會進(jìn)一步凸顯出商業(yè)應(yīng)用的優(yōu)勢，與此相對應(yīng)，可支持長時儲能的壓縮空氣儲能等新型儲能的覆蓋面有望加速擴(kuò)展。

 

其五，儲能安全性越來越受到重視。據(jù)不完全統(tǒng)計，過去10年全球儲能安全事故已發(fā)生50余起，而今年韓國SK能源公司電池儲能大樓發(fā)生的火災(zāi)給市場再次敲響了警鐘，儲能安全問題成為全球共同面對的難題。為此，建立儲能技術(shù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系，限制低價低質(zhì)競爭，明確儲能安全主體責(zé)任，完善相關(guān)安全制度規(guī)范等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)議題也將快速提到國際社會關(guān)注與各國政府決策的前臺。