電力系統中電化學儲能技術應用分析及成本預測

鄒貴林  黃  琰  王  偉

今年7月，國家發展改革委、國家能源局印發了《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》，明確提出“將發展新型儲能作為提升能源電力系統調節能力、綜合效率和安全保障能力，支撐新型電力系統建設的重要舉措，以政策環境為有力保障，以市場機制為根本依托，以技術革新為內生動力，加快構建多輪驅動良好局面，推動儲能高質量發展。”還提出儲能發展目標：“到2025年，實現新型儲能從商業化初期向規?；l展轉變，裝機規模達3000萬千瓦以上；到2030年，實現新型儲能全面市場化發展。”

筆者針對目前電力系統中主要應用的鋰離子電池、鉛碳電池、液流電池等新型電化學儲能技術應用，尤其是儲能技術進步趨勢和市場需求預期，進行了技術經濟分析，提出了未來電化學儲能的成本下降趨勢為“三個5”——“每5年，循環壽命將提升50%，成本將下降50%”。到2030年，電化學儲能循環壽命將超過當前水平的2倍以上，功率成本和能量成本將下降到當前水平的1/3以下，度電成本低于0.1元/千瓦時·次。

“常勝將軍”的鋰離子電池，當前已具備規模化應用能力，適用于電力系統調峰、調頻、新能源消納、緊急事故備用、黑啟動等大部分應用場景，是電力系統優質的靈活調節資源。

鋰離子電池由正極、負極、隔膜和電解液組成，其材料體系豐富多樣，其中適合用于電力儲能的主要有磷酸鐵鋰、三元（鎳鈷錳酸鋰）、鈦酸鋰等，此外近年來還發展了一些高能量密度的新型鋰離子電池體系。鋰離子電池充電時鋰離子從正極脫出，通過電解質和隔膜向負極遷移，并在負極嵌入負極材料；放電時整個過程逆轉。

“后起之秀”的鉛炭電池，當前充放電深度較低，系統可靠性較差，出力特性難以掌握，僅在部分用戶側儲能項目中得到應用，對于電力系統的適應性還需加強。

鉛炭電池是在鉛酸電池的鉛負極中以“內并”或“內混”的形式引入具有電容特性的碳材料而形成的新型儲能裝置。鉛炭電池的正極是二氧化鉛，負極是鉛—炭復合電極。目前，鉛炭電池負極中加入的炭材料主要有石墨、炭黑、活性炭、碳納米管、石墨烯等。目前，鉛炭電池儲能系統的能量成本約為1300元~1800元/千瓦時，但由于充放電深度一般低于80%，因此實際成本略高。

“揚長避短”的液流電池，從技術原理上講，液流電池儲能系統在實際工程應用時存在能量轉換效率低（約為60%~65%）、能量密度低的缺陷，但由于其循環壽命長的顯著優勢，在特定場景中具備較好的應用前景。

全釩液流電池，其包括正負兩極的電解液罐、水泵以及中間的電堆，電堆中包括端片（絕緣框架）、集流體（主要為銅）、石墨片、碳/石墨氈電極及離子交換膜。正負極電解液是分別含有V4+、V5+和V2+、V3+的水溶液，在充放電過程中電解液流過電極表面發生化學反應，其內部的電荷平衡是通過溶液中的H+在離子交換膜兩側遷移來完成。目前，全釩液流電池關鍵材料和部件還未實現大規模商業化，生產成本較高。

電化學儲能技術未來前景可期。以鋰離子電池為代表的電化學儲能技術近年來在本體研發、系統集成、工程驗證等關鍵技術領域持續提升，初步具備了規?；瘧玫臈l件，將成為“雙碳”進程中發展速度最快，應用前景最廣的儲能技術。

以磷酸鐵鋰電池為代表的電化學儲能技術擁有85%左右的高能量轉化效率、百毫秒級的四象限功率快速響應能力以及建設靈活性等優勢，是理想的儲能資源。得益于電動汽車動力電池的蓬勃發展，鋰離子電池在生產成本、能量密度、模塊化集成等方面取得了長足的進步，給電化學儲能應用奠定了良好的基礎。

而面向電力儲能應用需求，電化學儲能技術近年來也在多個領域取得了關鍵性的突破，在規模化集成方面，實現了電化學儲能由兆瓦級向百兆瓦級集成規模的突破；而在功能實現與工程驗證方面，通過國家風光儲輸、江蘇、河南、廣東等地電網側儲能等一系列電化學儲能示范工程，驗證了其在調峰、調頻、新能源消納、緊急功率支撐等多場景中的功能與應用價值。

總之，電化學儲能技術已通過了規?；瘧霉δ茯炞C。面向未來，鋰電池循環次數仍有一定提升空間，且能量成本仍將進一步下降，到2030年其單位容量建設成本將低于抽水蓄能，且隨著固態電池、高安全集成等電池制備與系統集成技術的突破提升，其在應用安全性與靈活性等方面的優勢將進一步凸顯。