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2016年9月23日 星期五

來源: 能源情報研究


一直以來,儲能技術的研究和發展備受各國能源、交通、電力、電訊等部門的高度關注,尤其對發展新能源產業具有重大意義。受環境約束,各國紛紛大力提倡發展新能源,然而由於新能源發電具有不穩定性和間歇性,大規模開發,和利用將使供需矛盾更加突出,全球棄風、棄光問題普遍存在,嚴重限制了新能源的發展。


因此,儲能技術的突破和創新,就成為新能源能否順利發展的關鍵。從某種意義上說,儲能技術應用的程度,將決定新能源的發展水平。

全球儲能技術發展現狀
(一)全球各儲能技術裝機情況
近年來,儲能市場一直保持較快增長。據美國能源部全球儲能數據庫(DOE Global Energy Storage Database)2016年8月16日的更新數據顯示,全球累計運行的儲能項目裝機規模167.24GW(共1227個在運項目),其中抽水蓄能161.23GW(316個在運項目)、儲熱3.05GW(190個在運項目)、其他機械儲能1.57GW(49個在運項目)、電化學儲能1.38GW(665個在運項目)、儲氫0.01GW(7個在運項目),具體見圖1。


1 2016年全球各儲能技術類型最新裝機情況

全球累計運行的儲能項目裝機量以抽水蓄能佔比最大,約佔全球的96%。按照總裝機量,中國成為裝機位列第一的國家,日本和美國次之,三國裝機分別為32.1GW、28.5GW和24.1GW,共佔全球裝機總量的50%。

全球累計運行儲能項目裝機排名前十的主要是亞洲和歐洲國家,詳見表1。

2016年全球储能技术发展现状与展望
1 2016年全球累計運行儲能裝機TOP10國家

(二)全球儲能技術區域分布情況
全球的儲能項目裝機主要分布在亞洲、歐洲和北美,見圖2。其中,亞洲主要是中國、日本、印度和韓國,歐洲主要是西班牙、德國、意大利、法國、奧地利,北美洲主要是美國。這十個國家的累計裝機量約佔全球的近五分之四。

亞洲在抽水蓄能上發展更為成熟,歐洲則在另外幾種儲能技術上發展優勢更為明顯。其中,由於西班牙的光熱裝機的不斷擴大,使得該國超過德國成為歐洲儲能裝機比重最大的國家。美國的各類型儲能技術發展則相對均衡。

2016年全球储能技术发展现状与展望
 2 全球儲能技術類型區域分布

按照儲能技術類型分布來看,抽水蓄能裝機佔比最大,主要分布在中國、日本和美國。與2014年相比,中國抽水蓄能裝機增速最快,增加了約10GW,美國則沒有變化。儲熱裝機排名第二,其中西班牙儲熱裝機量最大,佔全球儲熱裝機總量的37%。其次,是美國和智利。

智利儲熱技術發展非常迅速,今年首次超過南非。其他機械儲能,以德國為主,其次是英國和美國,三國佔全球該技術類型總量的94%,僅德國就佔58%。電化學儲能主要分布在美國、日本和韓國,其中美國佔全球該技術類型總裝機的39%。

日本在鈉硫電池、液流電池和改性鉛酸電池儲能技術方面,處於國際領先水平,尤其在鈉硫電池領域,具有絕對的專利技術優勢。近兩年韓國的電化學儲能發展異常迅速,一舉取代中國之前第三的位次。


儲氫技術則發展相對較晚,尚不成熟,目前歐洲較為領先。全球各類型儲能技術裝機情況具體見表2。

2016年全球储能技术发展现状与展望
2全球各類型儲能技術主要裝機國家


(三)全球各儲能技術市場發展情況
從全球各儲能技術類型市場發育程度來看,抽水蓄能技術發展最為成熟,裝機規模也最大。儲熱技術近十年發展很快,目前在裝機量上排名第二。

電化學儲能則是全球發展最為迅速,增速最快,也是在運項目數最多的技術。其他機械儲能增長相對比較平穩。除此之外,儲氫、石墨烯儲能等新技術也開始進入市場。各類型技術發展趨勢詳見圖3。

2016年全球储能技术发展现状与展望
3 20052016年全球各儲能技術裝機情況

抽水蓄能電站的儲能投資收益最高,技術成熟度也最高,是目前電力系統中最成熟、最實用的大規模儲能方式。據美國能源部全球儲能數據庫2016年8月16日的更新數據顯示,全球累計運行的抽水蓄能項目裝機161.23GW(316個在運項目),佔全部裝機的96%。

相比於其它儲能方式,抽水蓄能電站設備具有壽命長、儲能規模大、轉換效率高、技術成熟、運行條件簡便、清潔環保等特點,因而得到了快速發展和廣泛應用。隨著近年來新的儲能技術的不斷發展,以及抽水蓄能建設的地理選址受限等因素影響,抽水蓄能裝機增長逐漸趨緩。


以2011年為分界點,前5年儲熱裝機增速最快,較2007年增加7倍,後5年化學儲能則成為發展最快的技術,詳見表3。


2016年全球储能技术发展现状与展望
3 2016年各儲能技術類型增速

目前電化學儲能技術,是各國儲能產業研發和創新的重點領域。儘管電化學儲能裝機量不大,僅有1.38GW,但是運行項目卻是最多的,高達665個。

電化學儲能主要包括鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池等。全球電化學儲能中鋰電池和鈉硫電池的佔比比較大,裝機比例接近,而鋰離子電池的增速較快。鋰離子電池無論在運行項目中,還是在建、規劃項目中,均佔據裝機第一的位置。

IHS預計,到2025年全球蓄能裝置中,鋰電池佔比將會超過80%。鈉硫電池技術是目前,唯一同時具備大容量和高能量密度的儲能電池,但由於鈉硫電池仍面臨成本高的難題,所以現在尚未在全球實現大規模應用。

比較值得關注的是,近期石墨烯鋰離子電池的發明,開啓了儲能技術的新紀元。

儲熱技術在近幾年也越來越受到重視,發展非常迅速。據美國能源部,全球儲能數據庫2016年8月16日的更新數據顯示,全球儲熱累計總裝機為3.05GW,有190個在運項目,其中西班牙裝機規模最大,自2011年首次超過美國,至今一直領銜全球。

然而,從儲熱技術的發展速度來看,西班牙近兩年來開始落後於美國。美國自2013年加快了儲熱技術的發展步伐,並在2016年達到0.8GW的裝機,較2015年增加33%。

目前,儲熱技術應用於光熱電站已經成熟,其在未來全球光熱發電項目開發中將被更加重視。

其他機械儲能(主要包括壓縮空氣儲能、飛輪儲能等)至今未實現大規模商業化應用。其中,壓縮空氣儲能相對比較成熟,飛輪儲能尚處於研發階段。

截至目前,其他機械儲能裝機量為1.57GW,但與快速增長的儲熱和電化學儲能相比,增長較為緩慢。目前,德國是該技術類型的最為積極的研發和應用推廣者。

國際典型國家儲能技術發展現狀
隨著各國對發展可再生能源比例目標的不斷提高,儲能技術成為當前各國研發和亟需實現技術突破的重要領域。分地區來看,以前主要以北美、中南美及亞洲部分地區等系統,基礎設施不穩定地區的應急電源用途為主。

近年來,隨著補貼制度的完善,在德國、澳洲和美國部分地區,支持家庭光伏發電的自用蓄電池安裝項目在增加。

在澳、德國和日本等市場,家用光儲系統在金融資本的支持下逐步盈利。加拿大、英國、美國的紐約州、韓國及一些島嶼國家的政府,也頒布了儲能採購的相關政策和規劃。

下面選擇幾個典型國家進行分析。

(一)美國儲能概況
美國發展儲能較早,目前擁有全球近半的示範項目,並且出現了若干實現商業化應用的儲能項目。美國能源部還專門建立了全球儲能數據庫,用於對全球儲能項目進行追蹤,同時設立了多個部門,來促進並規範儲能的發展。

據該數據庫2016年8月16日的更新數據顯示,美國累計儲能裝機24.12GW(491個在運項目),其中抽水蓄能22.56GW(38個在運項目)、儲熱0.82GW(139個在運項目)、電化學儲能0.57GW(289個在運項目)、其他機械儲能0.17GW(25個在運項目),見圖4。


4 2016年美國最新儲能結構

目前美國的電網儲能以抽水蓄能為主,未來主要方向為電池等靈活儲能系統。美國發電裝機總量在1200GW左右,有大概2%的儲能能力。美國電網儲能的94%為抽水蓄能,總量超過20GW,基本上都是在1980年以前建造的,但由於其環境影響大、建造週期長、投資巨大、地理選址受限等原因,未來的發展非常有限。

未來電網儲能的主要發展方向是使用更加柔性化、多功能、靈活的儲能系統。電池儲能技術由於高效、功能多樣、充放電雙向反應、響應速度快、清潔而成為首選。

目前,美國全國電池儲能設施的安裝以每年30%~40%的速度增長,這個速度接近5年前光伏的增長速度。據美國能源部統計,截至2015年底全國電池儲能總功率已經超過300MW,預計到2019年會增長到近1GW。

(二)德國儲能概況
德國政府正在實施一項宏大的能源轉型戰略,即到2020年使可再生能源供電的比例達到35%,到2030年和2050年分別達到50%以上和80%以上,旨在使可再生能源成為德國未來電力供應的核心,而能源存儲技術的快速發展則成為該戰略的有效支撐。

據美國能源部全球儲能數據庫2016年8月16日的更新數據顯示,德國累計儲能總裝機7.57GW(76個在運項目),其中抽水蓄能6.53GW(28個在運項目)、其他機械儲能0.91GW(4個在運行項目)、電化學儲能0.12GW(38個在運行項目)、儲氫0.01GW(5個在運行項目),見圖5。

2016年全球储能技术发展现状与展望
5 2016年德國最新儲能結構

德國由於沒有開發光熱電站的資源條件,利用儲電技術實現更多可再生能源平滑,併網成為重要選擇之一,尤其在太陽能儲電池領域潛力巨大。

未來幾年,德國儲能市場將會呈現顯著性增長,GTMResearch預計2015~2021年可增長11倍,達到每年10.3億美元,且大幅增長將主要出現在住宅領域。目前,僅光伏發電就可為用戶帶來不錯的經濟效益,今後光伏儲能的發展,將很可能趕超光伏。

即使零售電價按照預期適度的上漲,未來光伏上網電價下降,光伏儲能都將會越來越受市場歡迎。

隨著德國進入21世紀20年代,儲能將扮演光伏市場裡另一重要驅動力,同時為了避免更高的零售電價,用戶安裝光伏儲能系統會進一步增多。

(三)日本儲能概況
在日本主要有兩種儲能:抽水蓄能和電化學儲能。據美國能源部全球儲能數據庫2016年8月16日的更新數據顯示,日本累計儲能總裝機26.43GW(88個在運項目),其中抽水蓄能26.17GW(41個在運項目)、電化學儲能0.25GW(47個在運項目)。

日本在電化學儲能領域的研究比較前沿,前期以鈉硫電池為主,後期以鋰離子電池為主。日本還非常關注智慧城市的概念,並將儲能作為核心技術引入智慧城市建設中。

中國儲能技術發展現狀及問題
目前,儲能產業在中國還處於發展的初級階段,隨著可再生能源的快速發展,中國儲能市場潛力巨大,中國將成為全球最大儲能市場。

雖然現階段儲能相關的政策還相對較少,也沒有相應的價格機制,但儲能作為一個新興產業,已越來越受到政府能源部門,和科技部門的關注和支持,應用示範的財政補貼,也在逐步推進中。整體而言,目前中國儲能應用,基本大多是一些示範工程,尚未實現大規模商業化應用。

(一)中國儲能市場概況
目前來看,國儲能產業還處於發展的初期階段,以應用示範為主。據美國能源部全球儲能數據庫2016年8月16日更新數據顯示,中國累計儲能總裝機32.10GW(94個在運行項目),其中抽水蓄能32GW(34個在運項目)、電化學儲能0.05GW(58個在運項目)、儲熱0.05GW(2個)。抽水蓄能電站和電化學儲能項目都主要集中在國東部沿海城市,詳見圖6。

2016年全球储能技术发展现状与展望
6 2016年中國各類型儲能項目區域分布情況

近5年,中國抽水蓄能發展相對緩慢,而電化學儲能市場的增速明顯高於全球市場,光熱儲能目前尚處於起步階段。得益於技術進步、成本降低,在目前無補貼的情況下,儲能在峰谷價差套利、輔助服務市場,及可再生能源限電解決方案上,已實現有條件的商業化運行。

1.抽水蓄能發展相對緩慢
「十二五」期間,中國抽水蓄能整體發展相對緩慢。2011~2014年處於緩慢增長期,裝機每年保持約5%的增速。2014年11月17日發佈的《關於促進抽水蓄能電站健康有序發展有關問題的意見》明確指出,要適度加快抽水蓄能電站建設步伐,提出到2025年全國抽水蓄能總裝機約1億千瓦的目標。

在該政策刺激下,抽水蓄能建設開始提速。數據顯示,「十二五」前4年,累計開工11座電站,總規模14.6GW。僅2015年新開工的抽水蓄能電站項目就達10個,裝機量約14.1GW,且預計都將在2022年左右完工。

2.電化學儲能技術發展迅速
目前,國電化學儲能發展相對迅速。以鋰電池為主,發展也相對成熟,其累計運行裝機規模佔電化學儲能市場總裝機的三分之二以上,在調頻輔助服務、分布式微網、戶用儲能領域的增長速度最快。

此外,儲能在電動汽車充換電方面,也發揮了很好的作用,如建立車電互聯(V2G)系統,光儲式電動汽車充換電站、需求響應充電等。

然而,鋰電池儲能還處於商業化初期,由於價格高、用於大型儲能上尚存在弊端等因素,離大規模推廣普及還有一定的距離。

鈉硫電池在日本已經實現商業化,在國還沒有完全從實驗室走向商業化應用階段。該技術是目前唯一同時具備,大容量和高能量密度的儲能電池,但由於成本高,在尚未實現大規模應用。

值得注意的是,目前石墨烯鋰離子電池,在電動汽車和儲能領域具有非常強的競爭力,可在幾分鐘內充滿,為此石墨烯技術成為各國研發的頭號技術。

當前在此技術上取得了重大突破。最早進入石墨烯領域的上市公司之一,東旭光電於今年7月8日推出了世界首款石墨烯基鋰離子電池產品

3.光熱發展仍處於起步階段
目前,的儲熱項目尚不成熟,還在起步階段,共有兩個示範項目:一個是北京延慶的八達嶺項目,規劃裝機為1.5MW;另一個是青海的中控德令哈項目,規劃裝機50MW。

八達嶺太陽能熱發電實驗電站,於2012年8月成功發電,是亞洲首個兆瓦級太陽能塔式熱發電站,但目前未有併網消息。

中控德令哈10MW塔式熔鹽儲能光熱電站,於今年8月21日實現滿負荷並網發電。這是投運的第一座熔鹽儲能光熱電站,也是全世界第三座熔鹽儲能塔式光熱電站。

青海省除中控德令哈的項目外,還有中廣核德令哈50MW槽式光熱發電、青海光熱電力集團格爾木200MW塔式光熱發電和博昱新能源有限公司德令哈50MW槽式光熱發電三個在建項目。

今年9月1日國家發改委核定了太陽能熱發電標桿上網電價1.15元/kWh(適用於2016年實施的示範項目),為光熱發電行業迎來重大利好。

總體來講,目前應用相對比較廣泛的主流儲能技術,為抽水蓄能、鋰離子電池和液流電池。除抽水蓄能外,目前還沒有一種技術在成本、安全、穩定性等各項指標上佔明顯優勢。

(二)存在的問題
目前,已經有了一些地區性規定,提供了一些發展機會和市場模式,但離整體產業的健康發展還有很大距離。儲能商業化應用,面臨儲能成本偏高、電力交易市場化程度不健全、儲能技術路線不成熟、缺乏儲能價格激勵政策等幾大挑戰,需要其中央政府進一步頒布扶持政策。具體來說,主要有以下幾點:

1.儲能技術路線不成熟
儲能電池研究得多一點,但也只是對材料和單一裝置進行研究,很多項目還在示範驗證階段,整個系統應用以及整個產業,並沒有一個明晰的技術路線,即哪類技術、哪種項目更有市場發展前景尚不明晰。

2.缺乏相應的數據支撐
目前儲能系統,沒有實現單獨參與電網調度,還沒有這方面的數據來說明,儲能參與輔助服務的作用。抽水蓄能電站作為一種運行多年的儲能形式,積累了很多數據,但電價機制仍處於探索階段。

目前,對儲能電池的評價還是空白,而電池儲能有壽命週期,與傳統電力設備壽命的概念不同。可在電源側、負荷側都多做一些試點,明確電池的壽命衰減情況、安全隱患、運行維護情況,積累數據、釐清紛繁數據之間的關聯性,讓試點和政策相互促進,為今後提議調頻電價做數據支撐。

3.儲能政策體系和價格機制不完善
現階段還未頒布儲能技術產業化,相關的政策體系和價格機制,尤其是針對電力儲能,基本沒有實施細則的政策,參與電力市場的機制很不健全。

儲能有利於提升電力系統的運行質量、效率,但本身並不創造價值,如何為其定價是一個難點,國際上通過成熟的電力市場,很容易為其定價,而電力市場化改革還未完成。

4.成本高且不具備盈利性
絕大部分儲能項目,因為成本高,不具備盈利性,也缺乏可預期的收益,以吸引資本跟進,利用峰谷差套利、通過參與需求響應獲得額外收益等用戶,側手段一時也很難實現。

5.儲能項目融資困難
項目融資渠道也非常有限,主要是業主自有資本金加銀行融資,還沒能通過產業投資基金撬動項目開發,而且與社會資本之間的對接還不夠。

6.儲能技術有待進一步突破
目前,儲能技術在系統容量、轉換率、壽命、安全性等問題上還有待進一步提高。如儲能設備需要可靠性保證,由於風電和太陽能項目一般要運行20年,儲能設備至少要有10年的壽命期。

如果電池儲能不能使用10年以上,對於電力系統調節來講沒有意義。之前,儲能市場一直局限於通信領域,而在可再生能源和電動汽車領域的技術,還有待進一步開發。


全球儲能發展前景展望
過去幾年,電網儲能市場的發展不夠集中。但是在未來幾年,隨著可再生能源的快速發展,電網儲能市場將迎來快速增長。據美國市場研究機構NavigantResearch研究,預計到2024年,全球儲能技術收益將突破210億美元。

就應用領域而言,隨著技術升級持續改變電網穩定性、成本效益,儲能發展越來越受到可再生能源行業的歡迎。IHS預計,到2018年全球家庭光伏發電電池儲能,裝機容量將達到900MW,其主要增長市場為德國、義大利與英國。

電動汽車領軍者特斯拉在2015年4月在美國內華達州建立了自己的電池工廠,預計2020年建成時,其年電池產量將達到35GWh。

就區域需求而言,由於對可再生能源併入電網的需求,亞洲將佔據儲能領域的主導地位。市場研究與咨詢機構Frost&Sullivan預計,2016年亞洲每年新增太陽能發電量將增加至33GW,年均增長率達28.9%。

這種需求有望推動,對社區和電網規模儲能解決方案的關注,尤其是在日本、中國和韓國。目前,電池儲能絕大多數被用到電網輸配環節,未來工業、商業、尤其是居民儲能的增長速度會高過電網儲能。澳洲和日本有望在2016年,成為住宅能源存儲的主要市場。

就技術路線而言,鋰離子電池是目前最具發展前景的技術。IHS預計,到2025年全球儲能裝置中,鋰電池將會佔據超過80%。不僅是美國、日本,在南非、肯亞、菲律賓等其他國家的電池成本也在持續下降。到2025年,澳洲的儲能裝置安裝率將超過5%,成為全球蓄電池的領軍。

                                                                                                                                                                                                                             

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