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    建設多元化儲能系統以滿足電力系統調節需求

    發布時間:2021-10-27 瀏覽數:60

    為實現碳達峰、碳中和目標,必須建設清潔低碳高效安全的能源體系,大力推進以綠色新能源代替化石能源,深化電力系統改革,著力建設以新能源為主體的新型電力系統。為緩解新能源的間歇功率特性,支持可再生能源消納和分布式新能源接入,適應新形勢下電力系統調峰調頻需求,儲能技術與可再生能源發電的結合應用是實現未來高占比大規??稍偕茉磻玫谋匾侄?,因此需要大力發展和建設多元化儲能系統。

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    先進儲能技術是實現高比例新能源電力系統的關鍵支撐技術

    目前我國擁有全球比較大的能源系統(生產和消費),其中非化石能源在一次能源中所占的比例僅為15%左右。要實現二氧化碳減排的目標,開發利用以太陽能和風能為代表的可再生能源已成為當務之急。隨著能源革命進程加快推進,新能源迎來爆發式增長,預計到2030年和2060年,我國新能源發電量占比將分別超過25%和60%。風力發電和光伏發電是目前主流新能源發電技術,由于易受外界自然條件干擾,風電和光伏均表現出顯著的功率間歇波動性,給電力系統帶來巨大干擾。隨著風光等間歇性新能源在電力系統中滲透率不斷提高,新型電力系統必然面臨著較為嚴重的功率波動問題。大力發展先進儲能技術,對于促進可再生能源消納、提升電力系統靈活性能具有重要意義。

    一方面,為平抑新能源的功率波動,支撐大規模新能源并網與分布式新能源開放接入,在改造傳統火電、提升其靈活性的同時,有必要開發多角度、多層次、多尺度的儲能技術,為突破新型電力系統傳統靈活性調節能力的瓶頸構建適用于多場景的完善儲能體系。從電源側將儲能與可再生能源發電相結合,組成一個聯合系統,通過儲能系統的能量存儲和釋放入網,使間歇性可再生電力能源變成穩定、安全、高效的清潔能源。與此同時,風、光等新能源面對電網負荷擾動難以進行功率調節,且其功率幅值在日周期內變化巨大。具備靈活雙向調節能力的儲能電站能夠與電網現行調頻調峰控制深度結合,兼顧電網功率平衡和發電成本,為電網運行提供調峰、調頻、備用、黑啟動、需求響應支撐等多種服務,是提升傳統電力系統靈活性、經濟性和安全性的重要手段,成為智能電網、“互聯網+”智慧能源的重要組成部分和關鍵支撐技術。

    另一方面,大量先進儲能技術的應用將顯著提高風、光等可再生能源的消納水平,支撐分布式電力及微網,是推動主體能源由化石能源向可再生能源更替的關鍵技術,可促進能源生產消費開放共享和靈活交易,實現多能協同,是構建能源互聯網、推動電力體制改革和促進能源新業態發展的核心基礎。因此,先進儲能技術對建設源網荷儲深度融合的智能化、數字化新型電力系統具有重要意義。

    大力發展抽水蓄能、電化學儲能和壓縮空氣等多元化儲能技術

    儲能技術實現方式多種多樣,具體包括抽水蓄能、化學電池、壓縮空氣儲能、飛輪、超級電容器、超導磁系統以及氫能、儲冷、儲熱等。近年來全球范圍內建設了數百項兆瓦級及以上規模的儲能示范工程,截至2020年底,全球已投運儲能項目累計裝機規模達到191.1吉瓦,中國已投運儲能項目累計裝機規模為35.6吉瓦。在眾多儲能技術中,由于在儲能規模、安全性和經濟性等多項指標上的優越表現,抽水蓄能、電化學儲能、壓縮空氣、飛輪等儲能技術受到重點關注。

    1.抽水蓄能在可見未來仍將是主力儲能技術

    抽水蓄能是目前技術比較成熟、應用比較廣泛的儲能技術,具有規模大、壽命長和運行費用低的特點。截至2020年底,全球儲能市場中抽水蓄能的累計裝機規模達到172.5吉瓦,占比為90.3%;我國抽水儲能的累計裝機規模已達到31.79吉瓦,占中國儲能項目的89.3%。抽水蓄能技術的主要發展方向是電站關鍵部件的能效性能提升、系統控制優化以及與廠網間的智能聯動。許多專家學者提出了地下抽水蓄能的概念,可將環境影響降至較低,是極具潛力的未來儲能系統。南方電網主持的國家重點研發計劃“海水抽水蓄能電站前瞻技術研究項目”關鍵成果“波浪擾動環境下可變速抽水蓄能機組實證平臺”在2021年5月通過專家評審會。相信隨著越來越多的新型抽水蓄能技術的研發,會有更多的示范性項目為未來商業化推廣提供基礎數據和積累經驗。

    2.電化學儲能技術將快速發展

    隨著電動汽車行業的大力發展,其核心部件電池產業也得到重視和研究,進而帶動了電池儲能電站的大發展。采用電池的儲能電站的規模不斷擴大,在儲電市場占比中僅次于抽水蓄能。目前在儲能特別是儲電領域是以抽水蓄能為主、以電池儲能為輔的局面。截至2020年底,全球電化學儲能的裝機規模達14.2吉瓦,占比為7.5%。從技術分布上看,全球電化學儲能中鋰離子電池的累計裝機規模比較大,達到了13.1吉瓦,電化學儲能和鋰離子電池的累計規模均首次突破10吉瓦大關。我國電化學儲能累計裝機規模3.28吉瓦,占比9.2%,新增裝機功率規模達到1.56吉瓦,年新增首次突破1吉瓦,排名世界首位,增長率遠遠高于抽水儲能?,F階段電池技術仍然處于快速提升階段,鋰離子電池是除抽水蓄能之外,應用占比較高的儲能技術,但也存在安全隱患較大、成本較高、控制技術復雜等挑戰。新型的電化學儲能技術,如鈉離子電池的應用將會擴大?!笆奈濉逼陂g,電化學儲能將以實現本質安全化、低成本和長壽命為主攻目標。

    3.壓縮空氣儲能是極具潛力的儲能手段

    壓縮空氣儲能是利用空氣作為介質,具有規模大、壽命長和運維費用低的特點。改進的絕熱型和噴汽增焓型壓縮空氣儲能技術具有可擴展性、環保性和高儲能效率等優點,且可以避免化石燃料的使用,經濟優勢更為顯著。理想情況下壓縮空氣儲能效率可達70%以上,建設成本為3000元~4000元/千瓦,甚至可以與抽水蓄能比較成本競爭力,同時還具有充分的位置靈活性。目前商業化運行的壓縮空氣儲能電站有兩個,分別為德國Huntorf電站和美國McIntosh電站。由于良好的應用前景,當前各國政府均大力支持壓縮空氣儲能技術研究。2019年,國際首套10兆瓦級先進壓縮空氣儲能示范系統在中國通過科技部驗收;另外,國際首套100兆瓦先進壓縮空氣儲能項目在張家口正式開工,國家重點研發計劃項目“10兆瓦級先進壓縮空氣儲能技術研發與示范”將于2021年完成驗收。中國的壓縮空氣儲能技術將由理論和示范轉為小范圍商業化應用,隨著分布式新能源發電的進一步爆發,中小規模的壓縮空氣儲能項目將會在未來得到更大范圍發展。

    國家能源局于2021年4月發布《關于加快推動新型儲能發展的指導意見(征求意見稿)》,提出:“堅持儲能技術多元化,推動鋰離子電池等相對成熟新型儲能技術成本持續下降和商業化規模應用,實現壓縮空氣、液流電池等長時間儲能技術進入商業化發展初期,加快飛輪儲能、鈉離子電池等技術開展規?;囼炇痉?,以需求為導向,探索開展氫儲能及其他創新儲能技術的研究和示范應用?!痹俅蚊鞔_不同的儲能技術將針對典型應用場景、滿足不同時長和頻率的儲能要求,提出了需要開展儲能技術多元化發展的目標。

    建設多元化儲能系統以滿足電力系統調節需求

    以新能源為主體的新型電力系統中出現的功率不平衡現象是具有多樣性、不同時間尺度和顯著層次性的,其成因包括新能源發電隨機性、負荷擾動以及突發故障等多種因素,且表現出秒級、分鐘、小時乃至季度等多種級別的時間尺度。新型電力系統中儲能系統需要及時平衡新型電力系統的功率波動,同時配合電網調節策略,實現新型電力系統的安全經濟運行。要實現這個目的,要求儲能系統具備三大功能。

    1)大容量:儲能系統功率支援能力必須能夠覆蓋系統中新能源發電功率波動較大差額,因此必須具備較大容量;

    2)快速響應:儲能系統一般進行后發式功率支援,必須具備快速響應能力;

    3)多層次功率支援能力:新型電力系統中功率不平衡問題來源和特性極具多樣性,儲能系統對各種類型的功率不平衡現象均要具備強大的多層次支援能力。

    單一技術結構和控制策略的儲能系統難以滿足上述要求,因此必須建設智能的多元化儲能系統,具體表現為三個方面。

    1)技術多樣性:任何一種儲能技術電站都具有其優缺點,為滿足多樣化的功率支援需求,儲能系統應當包含多種不同類型儲能電站,且各類儲能電站的容量配比與新型電力系統自身特性相契合。

    2)功能層次化:為實現新型電力系統的安全經濟運行,儲能系統需要具備多層次的功率支援能力。有必要制定針對性的控制策略,并對各種特性的儲能電站規劃不同的角色,使其在系統中發揮特定作用,實現儲能系統整體的層次化矩陣式的調節作用。

    3)智能數字化:電力系統中的所有儲能電站受電網中樞控制,形成網絡化矩陣式的儲能系統,實現儲能電站優化配置,功率支援優化控制。以數字技術改變儲能電站傳統作業模式,以數據驅動儲能電站規劃管理和科學決策,與數字電網建設深度融合。

    當前,南方電網儲能電站以抽水蓄能電站占據絕對優勢地位,電池儲能和壓縮空氣儲能等技術方興未艾。未來儲能系統建設將依托數字化新型電力系統建設,通過源—網—荷—儲一體化規劃優化,多措并舉實現儲能與電力系統的協調配合,支撐大規模新能源消納和復雜大電網控制,支撐能源結構的轉型,努力構建資源“靈活可調”、潮流“柔性可控”、故障“韌性可愈”的智能電網,為實現碳達峰、碳中和目標作出貢獻。

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