儲能在碳達峰碳中和目標下的戰(zhàn)略地位和作用

陳海生 ，劉暢 ，徐玉杰 ，岳芬 ，劉為 ，俞振華

（1中國科學(xué)院工程熱物理研究所 北京 100190；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，北京 100190）

1 中國的雙碳目標和挑戰(zhàn)

1.1 中國“碳達峰碳中和”目標

習近平主席在2020年9月22日在聯(lián)合國大會上一般性辯論中提到：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和?！痹谄浜蟮陌肽陼r間里，習總書記先后十余次提到“碳達峰、碳中和”的目標，充分體現(xiàn)了中國對“碳達峰、碳中和”的大國擔當和堅定信心。正如中央財經(jīng)委員會第九次會議所指出的，實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”是黨中央經(jīng)過深思熟慮作出的重大戰(zhàn)略決策，事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運共同體。

目前已有120個國家制定了碳中和的目標與路線圖[1]，主要國家和地區(qū)的碳中和目標與主要措施詳見表1。碳中和已經(jīng)成為大國競爭的重點領(lǐng)域，將深刻影響全球的環(huán)境治理。中國實施“碳達峰、碳中和”路徑的主要特點和挑戰(zhàn)包括兩方面。①時間短。世界主要國家碳達峰到碳中和的過渡期如圖1所示，我國實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”僅有30年的時間，時間非常緊迫；②任務(wù)重。中國、美國、日本和世界CO2排放量如圖2所示，可以看出我國年CO2排放量已居世界第一，且我國是發(fā)展中國家，處于全面高速發(fā)展的階段，CO2排放量處于逐步增長的階段[2-4]。

表1 世界主要國家和地區(qū)的碳中和目標與主要舉措[1]Table 1 Carbon neutrality goals and major measures in major countries and regions of the world[1]

圖1 世界主要國家碳達峰到碳中和的過渡期[1]Fig.1 The transition period from carbon peak to carbon neutrality in major countries of the world[1]

圖2 中國、美國、日本和世界CO2排放量[2]Fig.2 CO2 emissions in China,the United States,Japan and the World[2]

1.2 碳達峰碳中和的歷史意義

首先，“碳達峰、碳中和”是一場能源革命。實現(xiàn)碳中和的過程中，可再生能源將從補充能源變?yōu)橹黧w能源，化石能源將從主體能源變?yōu)檩o助能源?？稍偕茉凑急葘默F(xiàn)在的20%左右提升至80%左右，化石能源將從80%左右降至20%左右，這是一場革命性的變革。同時，與化石能源相適應(yīng)的以集中式為主的電力系統(tǒng)將轉(zhuǎn)化成以集中式和分布式相結(jié)合的、適合于分散式可再生能源的、以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，這將推動能源的生產(chǎn)、消費、技術(shù)和體制的深刻變革。

圖3 世界一次能源消費構(gòu)成(2℃目標導(dǎo)向推薦情景)[3]Fig.3 Composition of global primary energy consumption(2℃goal-oriented recommended scenario)[3]

同時，“碳達峰、碳中和”是一場工業(yè)革命。每一次的能源革命都將帶來一次工業(yè)革命。例如，蒸汽機的發(fā)明和煤炭的利用掀起第一次工業(yè)革命，油氣和電力的使用開啟第二次工業(yè)革命[5]。第三次能源革命必將引領(lǐng)交通、通信、信息等領(lǐng)域的第三次工業(yè)革命和深刻變革。

第三，“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略的實施將引領(lǐng)綠色制造、綠色金融、綠色農(nóng)業(yè)和低碳技術(shù)評估交易等先進生產(chǎn)生活模式巨大變革，對工業(yè)領(lǐng)域、交通領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域和生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域產(chǎn)生長期而深遠的影響。

1.3 碳達峰碳中和的實施路徑

既要實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標，又要保障國家能源安全是我國面臨的巨大挑戰(zhàn)。

實現(xiàn)“雙碳”目標，其主要實施路徑包括三個方面：①減少高碳能源的使用和消費(主要為化石能源)；②用低碳或零碳的可再生能源來替代一部分傳統(tǒng)高碳能源；③通過碳匯和CCUS來實現(xiàn)CO2的吸收與封存。如圖4所示。

圖4 “碳達峰、碳中和”的實施路徑與挑戰(zhàn)Fig.4 The implementation path and challenge of“carbon peak and carbon neutrality”

保障國家的能源安全，首先需要降低油氣的依存度。中國石油、天然氣的對外依存已經(jīng)分別超過了70%和40%，要保障國家能源安全，應(yīng)降低油氣的依存度[6]；此外，需要在不穩(wěn)定的可再生能源成為主體能源的情景下，保障國家能源體系的運行安全。降低油氣依存度和可再生能源成為主體能源必然引起多方面的挑戰(zhàn)：①可再生能源成為主體能源，必然要建設(shè)以可再生能源為主體的能源體系，需要通過儲能解決其間歇性、不穩(wěn)定性和周期性的問題[7-9]；②減少化石能源，使化石能源由主體能源變?yōu)檩o助能源，需要通過儲能技術(shù)大幅提高原有化石能源系統(tǒng)靈活性；③降低油氣依存度，其主要手段是交通的電氣化，需要大力發(fā)展動力電池技術(shù)[8,10]。因此，在可再生能源成為主體能源、化石能源變?yōu)檩o助能源和動力電池技術(shù)規(guī)模發(fā)展的進程中，對儲能提出了重大需求。

2 儲能的戰(zhàn)略地位和作用

2.1 儲能的戰(zhàn)略地位

儲能是第三次工業(yè)革命五大支柱的關(guān)鍵支撐技術(shù)[5]。在國家國民經(jīng)濟十四五規(guī)劃中，明確指出加強源網(wǎng)荷儲銜接，提升清潔能源消納和存儲能力，加快抽水蓄能電站建設(shè)和新型儲能技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用。

第一，儲能是通訊革命的支撐技術(shù)。通訊技術(shù)經(jīng)歷了三個時代：第一個時代為PC時代，第二個時代是互聯(lián)網(wǎng)時代，第三個時代是移動互聯(lián)網(wǎng)時代。過去十年，國內(nèi)外移動終端增長了10倍以上[11]，使用移動能源的移動終端對儲能提出了重大需求(圖5)。

圖5 移動終端的數(shù)量[11]Fig.5 The number of mobile terminals[11]

第二，儲能是交通動力變革的關(guān)鍵支撐技術(shù)。過去十年，電動汽車、電動自行車等增長了10倍以上，預(yù)計到2030年全球電動汽車達到1.45億輛，2050年電動汽車在交通中的使用量占比將達到80%以上[12]。電動汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展對動力電池技術(shù)提出了重大需求。

圖6 插電式電動汽車的年銷售數(shù)量[13]Fig.6 The number of plug-in electric vehicles sales[13]

第三，儲能是能源革命的支撐技術(shù)。目前電力系統(tǒng)是發(fā)輸配用的單向平衡，通過發(fā)電端的調(diào)節(jié)達到與用戶端的負荷平衡，且通過電網(wǎng)的調(diào)度來實現(xiàn)該功能。隨著可再生能源的大規(guī)模發(fā)展，可再生能源成為主流能源，這種間歇性、不穩(wěn)定的能源將在發(fā)電端和用戶端大規(guī)模裝機，該情景下整個電力系統(tǒng)的平衡將難以實現(xiàn)。為了實現(xiàn)以可再生能源為主體的電力系統(tǒng)的負荷平衡，儲能將成為其關(guān)鍵支撐技術(shù)。未來，可再生能源裝機仍會保持較快的增長，2021和2022年可再生能源占全球新增發(fā)電裝機容量均將超過90%[14]。變間歇性、不穩(wěn)定性、不可控的可再生能源為穩(wěn)定、可控的可再生能源，對儲能提出了重大的需求。

2.2 儲能在能源系統(tǒng)中的作用

儲能在電力系統(tǒng)中可以發(fā)揮巨大的作用，具體包括[16]如下方面。

圖7 可再生能源的裝機[15]Fig.7 Installed capacity of renewable energy[15]

（1）發(fā)電端。儲能裝置可以解決可再生能源大規(guī)模接入帶來的不穩(wěn)定性和間歇性問題；通過輔助動態(tài)運行和火電機組共同按照調(diào)度的要求調(diào)整輸出的大小，盡可能地減小火電機組輸出的波動范圍，盡可能地讓火電機組工作在接近經(jīng)濟運行狀態(tài)下；在負荷低的時候，通過原有的高效機組給儲能系統(tǒng)充電，在尖峰負荷時儲能系統(tǒng)向負荷放電，實現(xiàn)取代或延緩新建機組。

（2）電網(wǎng)側(cè)。儲能系統(tǒng)可以在電力負荷低或限電時，吸收電網(wǎng)電力，在負荷高或不限電時，電網(wǎng)充電，實現(xiàn)削峰填谷；通過對電網(wǎng)中的儲能設(shè)備進行充放電以及控制充放電的速率，儲能達到調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率的目的；分布式儲能裝置通過快速響應(yīng)的能力快速響應(yīng)負荷需求，為負荷提供持續(xù)幾分鐘甚至一個小時的服務(wù)，將其布置在負荷端，根據(jù)負荷需求釋放或吸收無功功率，能很好地避免無功功率遠距離輸送時的損耗問題，實現(xiàn)電壓支持。

（3）用戶側(cè)。用戶可以根據(jù)自己的實際情況安排用電計劃，將電價較高時段的電力需求轉(zhuǎn)移到電價較低的時段，從而達到降低總體電價水平的目的，實現(xiàn)分時電價管理；電力用戶采取一定的方式方法，在不影響正常生產(chǎn)工作的情況下，降低最高用電功率，有效地降低容量費用，從而達到降低總體電費的目的，實現(xiàn)容量費用管理；儲能系統(tǒng)將儲備的能量供應(yīng)給終端用戶，避免故障修復(fù)過程中的電能中斷，即提高供電可靠性；在負荷端的儲能系統(tǒng)能夠在短期故障的情況下保持電能質(zhì)量，減少電壓波動、頻率波動、功率因數(shù)、諧波以及秒級到分鐘級的負荷擾動等對電能質(zhì)量的影響，即提高電能質(zhì)量。

儲能廣泛的應(yīng)用場景和已經(jīng)存在的商業(yè)模式相結(jié)合，形成了以下主要的應(yīng)用模式。具體包括[16-17]如下幾個。

（1）集中式風/光電站+儲能，大規(guī)?？稍偕茉囱b機，當前收益主要有定制發(fā)電側(cè)峰谷電價、儲能初裝補貼、落實優(yōu)先調(diào)度機制、稅收優(yōu)惠等，未來可能有準許風電場+儲能參與電力輔助服務(wù)市場、制定調(diào)峰補償、保證直購電交易/電能替代的電能質(zhì)量等潛在收益。

（2）輔助服務(wù)，主要是火電調(diào)頻服務(wù)，通過提高火電調(diào)頻性能來使火電在調(diào)度之后減少罰款和增加獎勵，通過提高火電調(diào)頻性能來獲得收益的商業(yè)應(yīng)用模式，目前已有很多實施細則支持儲能參與調(diào)頻服務(wù)。

（3）在電網(wǎng)側(cè)，主要是抽水蓄能，采用租賃制，獲得項目使用權(quán)，可利用儲能資源替代傳統(tǒng)輸配電資產(chǎn)投資、提高電力系統(tǒng)運行可靠性或提升可再生能源消納能力。

（4）用戶側(cè)的分布式“光伏+儲能”，其收益主要為峰谷價差增大、儲能系統(tǒng)初裝補貼、稅收優(yōu)惠等，未來的潛在收益包括分布式光儲度電補貼、體現(xiàn)需求響應(yīng)價值的補償方式、落實分布式光儲參與電力輔助服務(wù)市場機制等。

3 儲能的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

3.1 裝機規(guī)模

根據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟的統(tǒng)計[16]，截止到2020年底，全球儲能裝機已經(jīng)達到191 GW，其中抽水蓄能裝機占儲能總裝機的90.3%，電化學(xué)儲能裝機占比為7.5%，熔融鹽儲熱裝機占比為1.8%，壓縮空氣儲能和飛輪儲能占比均為0.2%。2020年新增儲能裝機6.4 GW，雖然有疫情影響仍逆勢增長，其中電化學(xué)儲能突破10 GW(圖8)。截止到2020年底，我國已投運儲能項目累計35.6 GW，新增裝機3.2 GW，同比增長9.8%。我國抽水蓄能裝機占儲能總裝機的89.3%，電化學(xué)儲能裝機占比為9.2%，熔融鹽儲熱裝機占比為1.5%，壓縮空氣儲能裝機占比為0.03%(圖9)。

圖8 全球儲能市場總規(guī)模Fig.8 Overall scale of global energy storage market

圖9 中國儲能市場總規(guī)模Fig.9 Overall scale of China's energy storage market

根據(jù)可再生能源署(IRENA)的預(yù)測，到2030年全球儲能裝機將達到230 GW以上[18]；世界能源理事會(WEC)預(yù)測，到2030年全球儲能總裝機將達250 GW[19]。國家發(fā)展改革委《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見(征求意見稿)》指出，到2025年我國新型儲能裝機規(guī)模將達30 GW以上，到2030年，實現(xiàn)新型儲能全面市場化發(fā)展[20]；前瞻產(chǎn)業(yè)研究院在《2021—2026中國儲能電站行業(yè)市場前瞻與投資規(guī)劃分析報告》中預(yù)測我國儲能電站裝機容量在未來5年內(nèi)仍將保持26%以上的增速，到2026年超過141 GW[21]；到2060年，我國僅新型儲能裝機將達4.2億千瓦左右[22]，全國儲能總裝機容量將達7.5億千瓦，市場將達到萬億級的規(guī)模，因此儲能具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.2 發(fā)展路線

我國的儲能經(jīng)過15年左右的發(fā)展，歷經(jīng)從技術(shù)驗證，到示范應(yīng)用，再到商業(yè)化初期的階段，已經(jīng)進入了規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的新階段，詳見表2。

表2 中國儲能技術(shù)發(fā)展路線Table 2 Development route of energy storage technology in China

3.3 技術(shù)特點

儲能技術(shù)可以分為物理儲能和化學(xué)儲能兩類，各類儲能技術(shù)所應(yīng)用的場景不同，所要求的技術(shù)條件也有所不同。但不同儲能技術(shù)種類的技術(shù)水平和發(fā)展方向均面向市場化應(yīng)用，因此其應(yīng)滿足三個基本要求：安全性高、全生命周期的性價比高、全生命周期的環(huán)境負荷低[9-10]。表3和表4列出了主要的物理儲能和化學(xué)儲能技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。

表3 主要物理儲能技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)[9]Table 3 Key parameters of the main physical energy storage technology[9]

表4 主要化學(xué)儲能技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)[10]Table 4 Key parameters of the main chemical energy storage technology[10]

儲能的主要特點如下。

（1）儲能技術(shù)是一種典型的多學(xué)科交叉融合的科學(xué)技術(shù)，涉及到電氣、材料、熱物理、機械、控制、信息等等，是一個典型的多尺度有機融合的科學(xué)領(lǐng)域，這也是各領(lǐng)域未來的發(fā)展方向[7-10]。

（2）各種儲能技術(shù)長期并存，主流技術(shù)逐步聚焦。未來將逐步有主流技術(shù)占據(jù)一定的市場份額，但需要靠市場來決擇，同時不同的新技術(shù)也將不斷涌現(xiàn)[23-24]。

（3）儲能產(chǎn)品的性能不斷提升。如鋰電池能量密度提高50%以上，壽命提高了3倍，價格大幅下降[10,16]；物理儲能方面，如壓縮空氣儲能規(guī)模提高了100倍，效率提高了20%等[8-9,23-24]。儲能整個產(chǎn)業(yè)體系基本建成，包括關(guān)鍵材料、本體技術(shù)和系統(tǒng)集成，已有多個行業(yè)的企業(yè)對儲能應(yīng)用進行多方面的努力，基本形成了完整的商業(yè)體系。

（4）儲能的價格在快速下降。到2020年，鋰離子電池儲能價格已經(jīng)從2013年的4500～6000元/kW·h下降至現(xiàn)今的1000～1500元/kW·h，超臨界壓縮空氣儲能價格已經(jīng)從2013年的1400～1500元/kW·h下降至現(xiàn)今的500～600元/kW·h，全釩液流電池和鉛炭電池等儲能技術(shù)的價格均已低于或接近1500元/kW·h的經(jīng)濟拐點，充分具備商業(yè)化競爭的條件。過去十年儲能系統(tǒng)價格每年降低約15%，預(yù)計未來5年內(nèi)，儲能系統(tǒng)的成本有望再下降41%[23-25]，未來儲能技術(shù)成本還在快速下降的通道內(nèi)(圖10)。

圖10 主要儲能技術(shù)的價格變化趨勢[26]Fig.10 Price trends for major energy storage technologies[26]

4 儲能的政策建議

儲能經(jīng)歷了快速的發(fā)展，但仍存在各種挑戰(zhàn)。首先在技術(shù)的規(guī)模、成本、壽命方面還不能完全滿足應(yīng)用的要求，部分核心技術(shù)還無法完全掌握。其次，儲能產(chǎn)品的安全和標準體系仍需繼續(xù)完善。再次，儲能市場的主體地位還需進一步落實，目前的情況是儲能廠商還依附于某一電力主體，儲能雖然提供了某種服務(wù)，但成本還是加在某一單位主體上，存在收益小于全額投入的情況，尚未形成穩(wěn)定、成熟的儲能價格機制[27]。

為推動儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，主要的政策建議如下。

（1）建設(shè)示范工程，引領(lǐng)技術(shù)進步。需要大幅推動以下5個示范工程：推進儲能技術(shù)裝備研發(fā)示范，推進儲能提升可再生能源利用水平應(yīng)用示范，推進儲能提升電力系統(tǒng)靈活性和穩(wěn)定性應(yīng)用示范，推進儲能提升用能智能化水平應(yīng)用示范，推進儲能多元化應(yīng)用支撐能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范。

（2）明確政策導(dǎo)向，推動產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。首先，明確責任主體。明確儲能項目的管理責任和主體責任，加強對儲能系統(tǒng)的安全管理，不斷更新完善相關(guān)標準和規(guī)范。其次，明確市場主體身份。明確儲能項目的流程和手續(xù)，包括消防、環(huán)境、土地、并網(wǎng)等。再次，明確合理價格機制。秉持“誰受益、誰承擔”的原則，建立發(fā)電、電網(wǎng)、用戶共同承擔的合理的市場化價格機制。最后，加快推動電力市場化進程。利用市場化手段解決儲能系統(tǒng)應(yīng)用中的難點問題，在市場化初期需要對儲能實現(xiàn)的社會效益給予一定的資金補償。

（3）建立長效機制，促進成本疏導(dǎo)。做好前瞻性規(guī)劃研究，避免資源無效配置；落實配套支持政策，推動友好型可再生能源模式發(fā)展。在電力市場和價格機制尚無法反映配套系統(tǒng)應(yīng)用價值的情況下，有必要推廣抽水蓄能政策和出臺過渡政策以支持可再生能源與儲能協(xié)同發(fā)展；研究儲能配額機制，提高“綠色電力”認定權(quán)重，參照我國綠證交易和可再生能源配額機制。同時，推動建立市場化長效機制和全局衡量的儲能價格機制，實現(xiàn)“綠色價值”的成本疏導(dǎo)。

5 結(jié) 語

本文闡述了在中國“碳達峰、碳中和”目標背景下儲能的戰(zhàn)略地位和作用，并深入探討了儲能目前的發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，進而給出儲能發(fā)展的政策需求和建議。通過分析，得到主要結(jié)論如下。

（1）實現(xiàn)“雙碳”目標是一場深刻的能源和工業(yè)革命，將對社會經(jīng)濟生活帶來深遠影響。儲能是實現(xiàn)“雙碳”目標和能源革命的關(guān)鍵支撐技術(shù)，發(fā)展儲能具有重大的戰(zhàn)略意義。

（2）儲能技術(shù)是一種典型的多學(xué)科交叉融合的科學(xué)技術(shù)，各種儲能技術(shù)長期并存，主流技術(shù)逐步聚焦，目前儲能已經(jīng)進入了規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的新階段，各類儲能技術(shù)性能不斷提升，且價格仍處在快速下降的過程中。

（3）儲能正快速發(fā)展，但仍存在各種挑戰(zhàn)。未來政策層面可以通過建設(shè)示范工程，引領(lǐng)技術(shù)不斷進步，通過明確政策導(dǎo)向，有效推動產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，并建立長效機制，積極促進成本疏導(dǎo)。