電力系統(tǒng)中電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用分析及成本預(yù)測(cè)

鄒貴林  黃  琰  王  偉

今年7月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局印發(fā)了《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，明確提出“將發(fā)展新型儲(chǔ)能作為提升能源電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力、綜合效率和安全保障能力，支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重要舉措，以政策環(huán)境為有力保障，以市場(chǎng)機(jī)制為根本依托，以技術(shù)革新為內(nèi)生動(dòng)力，加快構(gòu)建多輪驅(qū)動(dòng)良好局面，推動(dòng)儲(chǔ)能高質(zhì)量發(fā)展。”還提出儲(chǔ)能發(fā)展目標(biāo)：“到2025年，實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能從商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展轉(zhuǎn)變，裝機(jī)規(guī)模達(dá)3000萬(wàn)千瓦以上；到2030年，實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能全面市場(chǎng)化發(fā)展。”

筆者針對(duì)目前電力系統(tǒng)中主要應(yīng)用的鋰離子電池、鉛碳電池、液流電池等新型電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用，尤其是儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步趨勢(shì)和市場(chǎng)需求預(yù)期，進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，提出了未來(lái)電化學(xué)儲(chǔ)能的成本下降趨勢(shì)為“三個(gè)5”——“每5年，循環(huán)壽命將提升50%，成本將下降50%”。到2030年，電化學(xué)儲(chǔ)能循環(huán)壽命將超過(guò)當(dāng)前水平的2倍以上，功率成本和能量成本將下降到當(dāng)前水平的1/3以下，度電成本低于0.1元/千瓦時(shí)·次。

“常勝將軍”的鋰離子電池，當(dāng)前已具備規(guī)模化應(yīng)用能力，適用于電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、新能源消納、緊急事故備用、黑啟動(dòng)等大部分應(yīng)用場(chǎng)景，是電力系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)的靈活調(diào)節(jié)資源。

鋰離子電池由正極、負(fù)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(chǔ)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(lái)還發(fā)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(shí)鋰離子從正極脫出，通過(guò)電解質(zhì)和隔膜向負(fù)極遷移，并在負(fù)極嵌入負(fù)極材料；放電時(shí)整個(gè)過(guò)程逆轉(zhuǎn)。

“后起之秀”的鉛炭電池，當(dāng)前充放電深度較低，系統(tǒng)可靠性較差，出力特性難以掌握，僅在部分用戶側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目中得到應(yīng)用，對(duì)于電力系統(tǒng)的適應(yīng)性還需加強(qiáng)。

鉛炭電池是在鉛酸電池的鉛負(fù)極中以“內(nèi)并”或“內(nèi)混”的形式引入具有電容特性的碳材料而形成的新型儲(chǔ)能裝置。鉛炭電池的正極是二氧化鉛，負(fù)極是鉛—炭復(fù)合電極。目前，鉛炭電池負(fù)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(chǔ)能系統(tǒng)的能量成本約為1300元~1800元/千瓦時(shí)，但由于充放電深度一般低于80%，因此實(shí)際成本略高。

“揚(yáng)長(zhǎng)避短”的液流電池，從技術(shù)原理上講，液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)存在能量轉(zhuǎn)換效率低（約為60%~65%）、能量密度低的缺陷，但由于其循環(huán)壽命長(zhǎng)的顯著優(yōu)勢(shì)，在特定場(chǎng)景中具備較好的應(yīng)用前景。

全釩液流電池，其包括正負(fù)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(fù)極電解液是分別含有V4+、V5+和V2+、V3+的水溶液，在充放電過(guò)程中電解液流過(guò)電極表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其內(nèi)部的電荷平衡是通過(guò)溶液中的H+在離子交換膜兩側(cè)遷移來(lái)完成。目前，全釩液流電池關(guān)鍵材料和部件還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，生產(chǎn)成本較高。

電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)未來(lái)前景可期。以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)近年來(lái)在本體研發(fā)、系統(tǒng)集成、工程驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)提升，初步具備了規(guī)模化應(yīng)用的條件，將成為“雙碳”進(jìn)程中發(fā)展速度最快，應(yīng)用前景最廣的儲(chǔ)能技術(shù)。

以磷酸鐵鋰電池為代表的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)擁有85%左右的高能量轉(zhuǎn)化效率、百毫秒級(jí)的四象限功率快速響應(yīng)能力以及建設(shè)靈活性等優(yōu)勢(shì)，是理想的儲(chǔ)能資源。得益于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的蓬勃發(fā)展，鋰離子電池在生產(chǎn)成本、能量密度、模塊化集成等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，給電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

而面向電力儲(chǔ)能應(yīng)用需求，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)近年來(lái)也在多個(gè)領(lǐng)域取得了關(guān)鍵性的突破，在規(guī)模化集成方面，實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)儲(chǔ)能由兆瓦級(jí)向百兆瓦級(jí)集成規(guī)模的突破；而在功能實(shí)現(xiàn)與工程驗(yàn)證方面，通過(guò)國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸、江蘇、河南、廣東等地電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能等一系列電化學(xué)儲(chǔ)能示范工程，驗(yàn)證了其在調(diào)峰、調(diào)頻、新能源消納、緊急功率支撐等多場(chǎng)景中的功能與應(yīng)用價(jià)值。

總之，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)已通過(guò)了規(guī)模化應(yīng)用功能驗(yàn)證。面向未來(lái)，鋰電池循環(huán)次數(shù)仍有一定提升空間，且能量成本仍將進(jìn)一步下降，到2030年其單位容量建設(shè)成本將低于抽水蓄能，且隨著固態(tài)電池、高安全集成等電池制備與系統(tǒng)集成技術(shù)的突破提升，其在應(yīng)用安全性與靈活性等方面的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步凸顯。