新型儲(chǔ)能發(fā)展分析及其經(jīng)濟(jì)性評(píng)估研究

王大才 曾杰

摘要：為研究在新型電力系統(tǒng)中新型儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的影響，采用財(cái)務(wù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法，對(duì)抽水蓄能、鋰離子電池、壓縮空氣、釩液流電池、鉛炭電池等5類(lèi)儲(chǔ)能進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估及應(yīng)用前景分析。結(jié)果表明：在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下，儲(chǔ)能需求空間廣闊，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，由大到小依次排序?yàn)槌樗钅堋嚎s空氣儲(chǔ)能、鋰離子電池儲(chǔ)能、鉛炭電池儲(chǔ)能與釩液流電池儲(chǔ)能，其他新型儲(chǔ)能路線(xiàn)也進(jìn)入了發(fā)展快車(chē)道。在市場(chǎng)需求爆發(fā)以及政策鼓勵(lì)的雙重推動(dòng)下，新型儲(chǔ)能技術(shù)加速迭代，有望通過(guò)技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)能效提升以及成本下降。

關(guān)鍵詞：

儲(chǔ)能； 抽水蓄能； 鋰離子電池； 壓縮空氣； 釩液流電池； 鉛炭電池

中圖法分類(lèi)號(hào)：TM911

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.016

文章編號(hào)：1006-0081（2023）07-0096-04

0 引 言

碳中和目標(biāo)下，新型電力系統(tǒng)儲(chǔ)能至關(guān)重要，在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用電側(cè)方面都有廣泛的應(yīng)用，是新能源消納以及電網(wǎng)安全的必要保障。根據(jù)中國(guó)2030年碳達(dá)峰規(guī)劃目標(biāo)，新能源發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上。新能源發(fā)電具有不穩(wěn)定性、隨機(jī)性與間歇性的問(wèn)題，需要進(jìn)行配儲(chǔ)和調(diào)峰，隨著新能源發(fā)電占比的提高，整個(gè)電力系統(tǒng)的電力電量平衡模式也需要重構(gòu)?，F(xiàn)有電力系統(tǒng)以抽水蓄能為主，但其地理資源稀有，存在明顯發(fā)展瓶頸，發(fā)展新型儲(chǔ)能成為必然趨勢(shì)。

本文研究了新型儲(chǔ)能的發(fā)展及應(yīng)用，重點(diǎn)選取抽水蓄能、鋰離子電池、壓縮空氣、釩液流電池、鉛炭電池等5類(lèi)儲(chǔ)能進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估和應(yīng)用前景分析?？偨Y(jié)了各種儲(chǔ)能技術(shù)特性、差別及適用范圍。抽水蓄能主要應(yīng)用于大電網(wǎng)的輸配電環(huán)節(jié)，化學(xué)儲(chǔ)能更多運(yùn)用于光、風(fēng)發(fā)電等波動(dòng)較大的可再生能源發(fā)電側(cè)、中小型智能變電站和用電側(cè)［1］。在中國(guó)構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)目標(biāo)下，新型儲(chǔ)能技術(shù)快速進(jìn)步，有望實(shí)現(xiàn)能效提升以及成本下降。

1 抽水蓄能發(fā)展分析及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

抽水蓄能是現(xiàn)今發(fā)展成熟且具規(guī)模的儲(chǔ)能技術(shù)。抽水蓄能電站一般由上水庫(kù)、下水庫(kù)和可逆式水泵水輪機(jī)組成。用電低峰期時(shí)，將可逆式水泵水輪機(jī)作為水泵，利用低價(jià)值電能將水從下水庫(kù)抽至上水庫(kù)，儲(chǔ)存水的勢(shì)能；用電高峰期時(shí)則將可逆式水泵水輪機(jī)作為水輪機(jī)，在上水庫(kù)開(kāi)閘放水，將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為高價(jià)值電能。抽水蓄能具有技術(shù)優(yōu)、成本低、壽命長(zhǎng)、容量大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，可適應(yīng)各種儲(chǔ)能周期需求，系統(tǒng)循環(huán)效率可達(dá)70%～80%。抽蓄電站壩體可使用100 a左右，預(yù)計(jì)電機(jī)等設(shè)備使用年限為40～60 a。截至2021年底，中國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)總規(guī)模達(dá)到46.1 GW，其中抽水蓄能占比86.3%。

抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)性評(píng)估［2］（表1），按200 MW項(xiàng)目初始投資成本6元/W，年運(yùn)維成本0.06元/W，壽命為30 a，殘值為10%，每年運(yùn)行次數(shù)400次，放電深度100%，儲(chǔ)能循環(huán)效率75%等條件，對(duì)抽水蓄能電站進(jìn)行財(cái)務(wù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)建模，測(cè)算儲(chǔ)能度電成本約為0.310元/（kW·h）。

《關(guān)于進(jìn)一步完善抽水蓄能價(jià)格形成機(jī)制的意見(jiàn)》中明確了抽水蓄能兩部制電價(jià)政策，即以競(jìng)爭(zhēng)性方式形成電量電價(jià)以及將容量電費(fèi)納入輸配電價(jià)回收機(jī)制。容量電費(fèi)納入輸配電價(jià)回收將給抽蓄電站的初始建設(shè)成本形成托底。在抽水發(fā)電運(yùn)營(yíng)方面，在未建立現(xiàn)貨市場(chǎng)區(qū)域，抽水蓄能電站按照75%燃煤基準(zhǔn)價(jià)用電，發(fā)電時(shí)段按基準(zhǔn)價(jià)上網(wǎng)，電站能效轉(zhuǎn)化75%左右，電站收益成本基本持平。在電力現(xiàn)貨市場(chǎng)運(yùn)行區(qū)域，抽水蓄能電站抽水電價(jià)、上網(wǎng)電價(jià)按現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格及規(guī)則結(jié)算，抽水蓄能電站抽水電量不執(zhí)行輸配電價(jià)、不承擔(dān)政府性基金及附加，在峰谷期電價(jià)價(jià)差達(dá)0.6～1元情況，抽水蓄能電站可盈利。

2 鋰離子電池儲(chǔ)能發(fā)展分析及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

鋰離子電池儲(chǔ)能發(fā)展勢(shì)頭迅猛。鋰離子電池由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成，具有能量密度大、無(wú)記憶效應(yīng)、充放電快速、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于風(fēng)電光伏［3］等新能源發(fā)電側(cè)配儲(chǔ)和用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目。2021年中國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)中，鋰離子電池占比高達(dá)89.7%。根據(jù)正極材料的不同，現(xiàn)行主流鋰離子電池有三元和磷酸鐵鋰兩類(lèi)［4］。儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)δ芰棵芏纫蟛桓?，成本低、壽命長(zhǎng)的磷酸鐵鋰電池更受青睞。電池是儲(chǔ)能系統(tǒng)中核心組成部分，成本占整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的50%，2021年中國(guó)磷酸鐵鋰離子電池儲(chǔ)能中標(biāo)價(jià)大多集中在1.2～1.7元/（W·h）。

鋰離子電池儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估［2］（表2），按100 MW項(xiàng)目初始投資成本1.5元/（W·h），年運(yùn)維成本0.06元/W，壽命為9 a，殘值為5%，每年運(yùn)行次數(shù)500次，放電深度90%，儲(chǔ)能循環(huán)效率88%，壽命終止容量75%等條件，對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能電站進(jìn)行財(cái)務(wù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)建模，測(cè)算儲(chǔ)能度電成本約為0.670元/（kW·h）。

鋰離子電池能效轉(zhuǎn)化率在儲(chǔ)能技術(shù)中最高，隨著技術(shù)進(jìn)步，其壽命將逐步增加，成本也有望繼續(xù)下降。鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)壽命達(dá)到10 000次，能量效率達(dá)到98%，將可與抽水蓄能電站比擬。

3 壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)展分析及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

壓縮空氣儲(chǔ)能將成為大規(guī)模儲(chǔ)能的重要補(bǔ)充。壓縮空氣儲(chǔ)能是一種基于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展而產(chǎn)生的儲(chǔ)能技術(shù)，以壓縮空氣的方式儲(chǔ)存能量。儲(chǔ)能時(shí)段，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)利用風(fēng)/光電或低谷電能帶動(dòng)壓縮機(jī)，將電能轉(zhuǎn)化為空氣壓力能，隨后高壓空氣被密封存儲(chǔ)于報(bào)廢的礦井、巖洞、廢棄的油井或人造的儲(chǔ)氣罐中；釋能時(shí)段，通過(guò)放出高壓空氣推動(dòng)膨脹機(jī)，將存儲(chǔ)的空氣壓力能再次轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或者電能。壓縮空氣主要由壓縮系統(tǒng)、膨脹系統(tǒng)、發(fā)電以及儲(chǔ)氣罐四大核心部分組成［5］。中國(guó)已建成1.5，10，100 MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目。

壓縮空氣儲(chǔ)能電站經(jīng)濟(jì)性評(píng)估［2］（表3），按100 MW/400 （MW·h）項(xiàng)目初始投資成本6元/W，年運(yùn)維成本0.1元/W，壽命為30 a，殘值為5%，每年運(yùn)行次數(shù)400次，放電深度100%，儲(chǔ)能循環(huán)效率73%等條件，對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能電站進(jìn)行財(cái)務(wù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)建模，測(cè)算儲(chǔ)能度電成本約為0.436元/（kW·h）。

隨著技術(shù)快速進(jìn)步，壓縮空氣儲(chǔ)能電站效率已升至75%，略低于抽水蓄能電站，其度電成本僅略高于抽水蓄能，但遠(yuǎn)低于磷酸鐵鋰儲(chǔ)能；其投資周期和建設(shè)周期較抽水蓄能短，且單體投資規(guī)模限制小。另外，抽水蓄能電站一般在100萬(wàn)kW以上才有較好的經(jīng)濟(jì)性，而壓縮空氣10萬(wàn)kW以上即可具備較好的商業(yè)性，項(xiàng)目單體投資小，可進(jìn)行靈活配置。綜合看來(lái)，壓縮空氣儲(chǔ)能已具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的條件，在能效進(jìn)一步提升后，有望成為繼抽水蓄能電站之后大規(guī)模儲(chǔ)能電站領(lǐng)域的重要組成部分。

4 釩液流電池儲(chǔ)能發(fā)展分析及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

釩液流電池儲(chǔ)能安全壽命長(zhǎng)，適合新能源電站儲(chǔ)能。電能以化學(xué)能的方式存儲(chǔ)在不同價(jià)態(tài)釩離子的硫酸電解液中，通過(guò)外接泵把電解液壓入電池堆體內(nèi)，在機(jī)械動(dòng)力作用下，使其在不同的儲(chǔ)液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動(dòng)。采用質(zhì)子交換膜作為電池組的隔膜，電解質(zhì)溶液平行流過(guò)電極表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)雙電極板收集和傳導(dǎo)電流，從而使儲(chǔ)存在溶液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能?？赡娴姆磻?yīng)過(guò)程使釩電池順利完成充電、放電和再充電。

全釩液流電池系統(tǒng)中，釩電解液全生命周期內(nèi)不會(huì)失效變質(zhì)，理論上總釩量不會(huì)發(fā)生變化，易于回收利用，價(jià)值較高。釩液流電池具有壽命長(zhǎng)、安全性好、輸出功率大、儲(chǔ)能容量大且易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，壽命達(dá)15～20 a，適合用于風(fēng)電、光伏電站儲(chǔ)能，滿(mǎn)足其頻繁充放電、大容量、長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能需求。但是，釩液流電池能量密度低，體積、質(zhì)量遠(yuǎn)大于其他電池，需要5°～40°的溫度環(huán)境。中國(guó)釩液流電池已在智能電網(wǎng)、通信基站、偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、可再生能源及削峰填谷等項(xiàng)目中成功應(yīng)用，并建成大連100 MW/400 （MW·h）的全球最大釩液流儲(chǔ)能項(xiàng)目。

釩液流電池儲(chǔ)能電站經(jīng)濟(jì)性評(píng)估［2］（表4），由于尚未規(guī)?；逃?，且受制于設(shè)備、產(chǎn)能以及高額的前期投入，目前釩電池初始成本約為鋰電池的3倍。按100 MW/400 （MW·h）項(xiàng)目初始投資成本13元/W，年運(yùn)維成本0.065元/W，壽命為20 a，循環(huán)次數(shù)可達(dá)12 000次以上，殘值為5%，每年運(yùn)行次數(shù)600次，放電深度100%，儲(chǔ)能循環(huán)效率70%等條件，對(duì)釩液流電池儲(chǔ)能電站進(jìn)行財(cái)務(wù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)建模，測(cè)算儲(chǔ)能度電成本約為0.688元/（kW·h）。

中國(guó)釩電池相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備充足，大規(guī)模儲(chǔ)能項(xiàng)目大量新增。在電化學(xué)儲(chǔ)能中，全釩液流電池度電成本與鐵鋰電池接近，但能量轉(zhuǎn)化效率方面不如鋰電池，對(duì)布置靈活性、溫度環(huán)境要求較高。當(dāng)前，行業(yè)處在由示范階段轉(zhuǎn)向商業(yè)化過(guò)程中，隨著未來(lái)技術(shù)以及工程進(jìn)步，成本會(huì)有較大下降空間，能效有望進(jìn)一步提高。

5 鉛炭電池儲(chǔ)能發(fā)展分析及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

鉛炭電池是一種電容型鉛酸電池，是從傳統(tǒng)的鉛酸電池演進(jìn)出來(lái)的技術(shù)。普通鉛酸電池的正極活性材料是氧化鉛（PbO2），負(fù)極活性材料是鉛（Pb），若把負(fù)極活性材料Pb全部換成活性炭，則普通鉛酸電池可變成混合電容器；若把活性炭混合到負(fù)極活性材料Pb中，則普通鉛酸電池可變成鉛炭電池。鉛炭電池同時(shí)具有鉛酸電池和電容器的特點(diǎn)，既擁有超級(jí)電容能瞬間大容量充電的優(yōu)點(diǎn)，也發(fā)揮了鉛酸電池的比能量?jī)?yōu)勢(shì)，充放電性能好，電池壽命也長(zhǎng)于鉛酸電池。中國(guó)高性能鉛炭電池在微網(wǎng)儲(chǔ)能項(xiàng)目中也有應(yīng)用。

鉛炭電池儲(chǔ)能電站經(jīng)濟(jì)性評(píng)估［2］（表5），按100 MW/200 （MW·h）項(xiàng)目初始投資成本1元/W，年運(yùn)維成本0.04元/W，壽命為5 a，循環(huán)次數(shù)可達(dá)3 000次以上，殘值為5%，每年運(yùn)行次數(shù)600次，放電深度70%，儲(chǔ)能循環(huán)效率75%等條件，對(duì)鉛炭電池儲(chǔ)能電站進(jìn)行財(cái)務(wù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)建模，測(cè)算儲(chǔ)能度電成本約為0.679元/（kW·h）。

鉛炭電池儲(chǔ)能初始投資成本較低，但度電成本優(yōu)勢(shì)并不明顯。由于鉛炭電池放電深度低于其他儲(chǔ)能形式，其能效比鐵鋰電池低，經(jīng)濟(jì)性處于一定劣勢(shì)，未來(lái)需通過(guò)技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)能效提升及成本下降。

6 結(jié) 語(yǔ)

綜上，儲(chǔ)能需求空間廣闊，在市場(chǎng)需求爆發(fā)以及政策鼓勵(lì)的雙重推動(dòng)下，成熟的抽水蓄能以及鋰電儲(chǔ)能呈現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)，其他新型儲(chǔ)能路線(xiàn)也進(jìn)入了發(fā)展快車(chē)道。根據(jù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，排序?yàn)槌樗钅?gt;壓縮空氣儲(chǔ)能>鋰離子電池儲(chǔ)能>鉛炭電池儲(chǔ)能>釩液流電池儲(chǔ)能。新型儲(chǔ)能有望通過(guò)技術(shù)進(jìn)步，在實(shí)現(xiàn)能效提升的同時(shí)降低成本。

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（編輯：唐湘茜，張 爽）