音符動態(tài)簡約分割線
近年來，氣候變化問題日益突出，已從單純的環(huán)境保護問題上升為人類生存與發(fā)展問題。導致氣候、環(huán)境惡化的主因是化石能源消費的碳排放，推進能源消費結(jié)構(gòu)向低碳化和清潔化方向轉(zhuǎn)型已成全球重要共識。規(guī)模開發(fā)可再生能源是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。為此，173個國家制定了可再生能源發(fā)展目標，146個國家出臺了支持政策。近兩年來盡管受到全球化石燃料價格大跌的不利影響，但可再生能源產(chǎn)業(yè)投資并未受此干擾，2015年還創(chuàng)下新高。
為降低對化石能源依賴和促進全球能源安全，2015年9月26日國家主席習近平在聯(lián)合國發(fā)展峰會上提出倡議：構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，推動以清潔和綠色方式滿足全球能源需求。能源互聯(lián)網(wǎng)主要是通過大范圍的電網(wǎng)互聯(lián)，使能源發(fā)展擺脫資源、時空和環(huán)境約束，并推動太陽能、風能、水電等可再生能源逐漸成為主導能源。能源互聯(lián)網(wǎng)已獲得越來越多的國家認同和積極響應。
能源轉(zhuǎn)型和全球能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵在于規(guī)模開發(fā)可再生能源，且全球可再生能源資源十分豐富，特別是太陽能、風能。權(quán)威資料顯示，如能獲得太陽輻射到地球能量的六千分之一或風能能量的五百分之一，就可滿足目前全球經(jīng)濟所需的能量。
1儲能技術(shù)在能源轉(zhuǎn)型、能源互聯(lián)網(wǎng)中的地位和作用
盡管可再生能源發(fā)展?jié)摿薮?，但其不穩(wěn)定性制約了大規(guī)模發(fā)展，并由此導致了棄風、棄光風潮。儲能是有效調(diào)節(jié)可再生能源發(fā)電引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位變化，促可再生能源大規(guī)模發(fā)電、并入常規(guī)電網(wǎng)的必要條件。
全球能源互聯(lián)網(wǎng)實質(zhì)是“智能電網(wǎng)+特高壓電網(wǎng)+清潔能源”。智能電網(wǎng)是基礎(chǔ)，特高壓電網(wǎng)是關(guān)鍵，清潔能源是根本，而大規(guī)模儲能系統(tǒng)是智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵一環(huán)。從某種程度上說，儲能技術(shù)應用程度既決定了可再生能源發(fā)展水平，也決定了能源互聯(lián)網(wǎng)的成敗。西方國家在10年前就已經(jīng)開始重視儲能技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。美國政府以其國防部先進研究計劃署(DARPA)為范本，成立先進能源研究計劃署(AdvancedResearchProjectsAgency-Energy，簡稱ARPA-E)，集結(jié)全美最好的科學家、工程師和企業(yè)家對可再生能源技術(shù)進行研究，而儲能技術(shù)是其重中之重。德國能源轉(zhuǎn)型令世界矚目，德國可再生能源占電力來源的比例從2000年的6%增長到2015年的30%，這一比例在部分時段甚至會達到70%～90%。該國能源轉(zhuǎn)型頗為重視儲能技術(shù)，政府除了資助相關(guān)技術(shù)研發(fā)外，每年設(shè)立5000萬歐元補助金，專門幫助居民購買儲能系統(tǒng)，德國光伏發(fā)電量有1/3來自居民。
我國儲能產(chǎn)業(yè)剛剛起步，國家相關(guān)部門近期公布了一系列支持儲能產(chǎn)業(yè)的文件。國家發(fā)改委和能源局2016年3月下發(fā)《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030年)》，在該文件15項重點任務之一的“先進儲能技術(shù)創(chuàng)新”中明確指出：研究面向可再生能源并網(wǎng)、分布式及微電網(wǎng)、電動汽車應用的儲能技術(shù)，掌握儲能技術(shù)各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵核心技術(shù)，完成示范驗證，整體技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平，引領(lǐng)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
國際石油公司已經(jīng)開始布局儲能領(lǐng)域，比如，道達爾公司高價收購電池制造商SAFT，?？松梨谂cFuelCellEnergy公司合作研發(fā)燃料電池技術(shù)，挪威國家石油公司將投資海上風電場及相關(guān)的儲能技術(shù)。
2儲能技術(shù)應用概況及進展
儲能技術(shù)包括物理儲能、電化學儲能、電池儲能三大類，以及發(fā)電及輔助服務、可再生能源并網(wǎng)、用戶側(cè)、電力輸配、電動汽車五大類應用領(lǐng)域(圖1)。
截至2015年底，全球累計運行儲能項目(不含抽水蓄能、壓縮空氣和儲熱)327個，裝機規(guī)模從2005年50MW增長到2015年950MW，規(guī)劃和在建項目180個(圖2)。
從各項技術(shù)應用分布情況來看，鋰離子電池在各個領(lǐng)域都獲得了應用，鈉硫電池在電力輸配、可再生能源并網(wǎng)中應用比例最大，飛輪儲能在輔助服務(調(diào)頻)中具有一定應用優(yōu)勢，液流電池主要應用于可再生能源領(lǐng)域(可再生能源并網(wǎng)、分布式微網(wǎng))，鉛蓄電池在分布式微網(wǎng)中應用占比較大。儲能技術(shù)目前應用情況如下。
2.1壓縮空氣儲能技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化邁進
壓縮空氣儲能技術(shù)作為目前除抽水蓄能外，容量最大、技術(shù)最成熟的儲能技術(shù)備受業(yè)界關(guān)注，國際上接近等溫壓縮空氣儲能技術(shù)已取得突破，小型空氣壓縮車處于小規(guī)模試用階段。中科院工程熱物理研究所已成功研制出國內(nèi)首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的1.5MW級超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)，比傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)效率高10%以上，為我國電網(wǎng)級的儲能應用開辟了發(fā)展空間。
2.2液流電池技術(shù)取得重大進展
全釩液流電池在關(guān)鍵材料、電堆、電池系統(tǒng)設(shè)計與集成上都取得了重大進展，產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善，整體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入市場化初期階段，在日本、加拿大、美國、澳大利亞等國家已逐步開始取代鉛酸電池。且液流電池技術(shù)已經(jīng)從全釩、鋅溴體系擴展到成本更低、能量密度更高的有機體系和水溶性體系，研究首次證明了碘化鋰—硫(碳)半固液兩相復合新型液流電池的可行性，可大大提高電池容量、安全性和使用壽命。哈佛大學BrianHuskinson研發(fā)出一種基于有機分子——苯醌的無金屬液流電池，且已經(jīng)完成了對醌基電池100次的充放電循環(huán)，成本可下降到27美元/(kW·h)，幾乎是釩電池的1/3，顯示出良好的經(jīng)濟與商業(yè)前景。液流電池概念車已問世，時速最高可達300km/h以上，續(xù)航里程超過800km。
2.3鋰離子電池依然是當前儲能領(lǐng)域研究熱門
電動汽車成為帶動鋰離子電池技術(shù)研發(fā)的重要因素。當前，對于鋰電池，正極材料磷酸鐵鋰和鎳鈷錳三元材料是研究重點，負極材料納米硅和石墨烯是研究熱點，正負極材料類型越來越多，應用范圍越來越廣。鋰離子電池作為當前電動汽車的主流電池，能量密度尚有待提高。目前電動汽車電池能量密度最高約為170W·h/kg，續(xù)航里程最多可達400km。家用鋰電池儲能系統(tǒng)已經(jīng)商業(yè)化。
2.4鋰硫電池是目前最接近產(chǎn)業(yè)化的高能量密度電池
鋰硫電池理論上能量密度超過2700W·h/kg，實際能量密度能達到400～600W·h/kg。目前國外達到商用水平的鋰硫電池能量密度已達到300W·h/kg。我國已經(jīng)研制出能量密度高于600W·h/kg的鋰硫二次電池，處于國際先進水平。鋰—空氣電池、鋁空氣電池、鎂電池等高能量密度電池成為當前攻關(guān)重點。
2.5氫燃料電池應用規(guī)模逐漸擴大
氫燃料電池依然是燃料電池發(fā)展主流方向，相關(guān)技術(shù)已基本達到產(chǎn)業(yè)化要求，且小規(guī)模應用于火車、乘用車、自行車、叉車、小型直升機等交通工具。乘用車續(xù)航里程達到500～700km，100km能耗僅相當于3.3L汽油。目前部分國家利用化石燃料改質(zhì)制氫成本跟汽油大致相當?？稍偕茉粗茪?、生物制氫和常溫常壓陸路輸氫成為研究重點。
2.6儲熱市場受重視程度逐漸提高
目前，儲熱技術(shù)發(fā)展迅速，部分熱儲能技術(shù)已經(jīng)非常成熟，特別是顯熱儲能，但市場規(guī)模依然不大，主要是由于熱儲能成本高，社會對熱儲能缺乏足夠重視。據(jù)估算，儲熱系統(tǒng)可為全球節(jié)約30%～40%能源。業(yè)界正在研究利用儲熱電池吸收車內(nèi)熱量或捕存太陽熱能，將熱能轉(zhuǎn)換為電能，為車廂供熱制冷，降低電動汽車電池成本，預計能提高汽車續(xù)航40%以上。
3儲能產(chǎn)業(yè)及技術(shù)展望
3.1太陽能、風能發(fā)電裝機容量快速增長，發(fā)電成本繼續(xù)下降
統(tǒng)計過去20年太陽能、風能裝機容量，太陽能裝機容量每兩年翻一番，風能裝機容量每4年翻一番，全球太陽能裝機容量從2005年的5.1GW增長到2015年的227GW，風能裝機容量從2005年的59GW增長到2015年的433GW。預計2025年、2030年太陽能裝機容量將分別達到1500GW、2400GW，同期風能裝機容量將分別達到1200GW、2000GW(圖3、圖4)。儲能技術(shù)作為支撐可再生能源并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，市場潛力巨大。
晶體硅光伏電池價格持續(xù)降低，價格從1977年的76美元大幅下降至2015年的0.3美元。過去5年太陽能、風能發(fā)電成本下降了50%～60%。當前太陽能光伏發(fā)電、陸上風電在部分國家已具有競爭力。按照目前的發(fā)展趨勢，預計到2025年風電、光伏發(fā)電將在很多國家成為最便宜的發(fā)電方式。
3.2家庭儲能將呈快速增長趨勢
近5年來，家庭儲能在德國、美國、澳大利亞、日本等國家獲得快速發(fā)展，據(jù)HIS、REN最新發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，全球家庭光伏發(fā)電電池儲能裝機容量2020年有望達到1000MW，2020年后，儲能系統(tǒng)將成為電力生產(chǎn)運營的必備部分，而工業(yè)、商業(yè)，尤其是居民家庭儲能的增長速度會明顯高過電網(wǎng)儲能，2025年儲能技術(shù)應用有望進入大規(guī)模發(fā)展期。
3.3電池技術(shù)未來
10年有望取得重大突破目前，電動汽車電池的能量密度范圍為80～180W·h/kg，從當前電池的研發(fā)進展及產(chǎn)業(yè)投資、相關(guān)扶持政策來看，未來10年電池技術(shù)有望取得重大突破，能量密度有望達到300～350W·h/kg，從而使得電動汽車續(xù)航里程達到600～800km(圖5)。
3.4電動汽車市場前景廣闊
電動汽車電池成本目前占整車成本的1/3～1/2，過去5年鋰電池組成本已下降了55%，至2020年有望再下降40%。隨著電動汽車電池能量密度提高帶來的續(xù)航里程增加，加之成本不斷下降，全球電動汽車銷量有望呈指數(shù)上升(圖6)。
4結(jié)論
當前在全球倡導大力發(fā)展清潔能源的時代背景下，開發(fā)能量密度更高、循環(huán)壽命更長、系統(tǒng)成本更低、安全性能更好的儲能技術(shù)已經(jīng)成為各國研究支持計劃的一個重要方向。在可再生能源產(chǎn)業(yè)、電動汽車產(chǎn)業(yè)和能源互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的推動下，儲能產(chǎn)業(yè)有望呈爆發(fā)性增長態(tài)勢?？稍偕茉措娏Υ娉杀緦⒊掷m(xù)降低，儲能系統(tǒng)性能和技術(shù)成本會進入一個良性循環(huán)發(fā)展新階段。目前的電池儲能成本、能量密度距離人們的期望值還有一定距離，從當前的研究成果來看，電池技術(shù)有望迎來重大突破，市場前景廣闊。儲能技術(shù)突破疊加全球能源轉(zhuǎn)型加速，將會給全球油氣行業(yè)帶來巨大壓力。
