一、基本概要
從廣義上講，儲(chǔ)能即能量存儲(chǔ)，是指通過(guò)一種介質(zhì)或者設(shè)備，把一種能量形式用同一種或者轉(zhuǎn)換成另一種能量形式存儲(chǔ)起來(lái)，基于未來(lái)應(yīng)用需要以特定能量形式釋放出來(lái)的循環(huán)過(guò)程。儲(chǔ)能技術(shù)按照儲(chǔ)存介質(zhì)進(jìn)行分類，可以分為機(jī)械類儲(chǔ)能、電氣類儲(chǔ)能、電化學(xué)類儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和化學(xué)類儲(chǔ)能。
儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)注點(diǎn)往往包括：能量密度 、功率密度、充放電效率、設(shè)備壽命 (年)或充放電次數(shù)、技術(shù)成熟度、經(jīng)濟(jì)因素 (投資成本、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用)、安全和環(huán)境方面等。
對(duì)比各種儲(chǔ)能技術(shù)，當(dāng)前成熟度和優(yōu)越性最高的要屬抽水蓄能，占比最高。據(jù)CNESA 統(tǒng)計(jì)，截至2017年底全球已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為175.4GW，年增長(zhǎng)率3.9%;國(guó)內(nèi)為28.9GW，年增長(zhǎng)率18.9%。其中，累計(jì)裝機(jī)中抽水蓄能裝機(jī)占比最大，全球和國(guó)內(nèi)分別為96、99。使用功率大、放電時(shí)間長(zhǎng)、平準(zhǔn)化成本低廉的特點(diǎn)使其在發(fā)電側(cè)占據(jù)優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，抽蓄電站限制也很明顯：廠址的選擇依賴地理?xiàng)l件(特別是需要上下水庫(kù))、與負(fù)荷中心通常較遠(yuǎn)、耗資大且工期漫長(zhǎng)。
但如果考慮到發(fā)展前景，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在適用性、效率、壽命、 充放電、重量和便攜式方面更具優(yōu)勢(shì)。近幾年的發(fā)展勢(shì)頭已然證明了這一點(diǎn)。
二、突飛猛進(jìn)的電化學(xué)儲(chǔ)能行業(yè)
據(jù)CNESA統(tǒng)計(jì)，2000-2017年全球電化學(xué)儲(chǔ)能的累計(jì)投運(yùn)規(guī)模為2.6GW，容量為4.1GWh，年增長(zhǎng)率分別為30%和52% ;2017年新增裝機(jī)規(guī)模為0.6GW，容量為1.4GWh，全年已有超過(guò)130個(gè)項(xiàng)目投運(yùn)。2016-2017年全球規(guī)劃和在建項(xiàng)目的規(guī)模達(dá)到4.7GW，越來(lái)越多的項(xiàng)目有望在近一兩年投運(yùn);同時(shí)，儲(chǔ)能呈現(xiàn)全球化應(yīng)用趨勢(shì)，2017年則有來(lái)自北美洲、南美洲、非洲、歐洲、大洋洲和亞洲在內(nèi)的近30個(gè)國(guó)家都投運(yùn)了儲(chǔ)能項(xiàng)目。
我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目的年增長(zhǎng)率達(dá)到45%，超過(guò)全球增速。在2016-2017年期間，我國(guó)規(guī)劃和在建的項(xiàng)目規(guī)模近1.6GW，占全球規(guī)劃和在建規(guī)模的34%，有望在未來(lái)幾年引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
電化學(xué)儲(chǔ)能所涉及環(huán)節(jié)如下圖所示：
發(fā)電側(cè)：儲(chǔ)能系統(tǒng)可以參與快速響應(yīng)調(diào)頻服務(wù)，提高電網(wǎng)備用容量，并且可將如風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源向終端用戶提供持續(xù)供電，揚(yáng)長(zhǎng)避短地利用了可再生能源清潔發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)，也有效地克服了其波動(dòng)性、間歇性等缺點(diǎn);
輸配環(huán)節(jié)：儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效地提高輸電系統(tǒng)的可靠性，提高電能的質(zhì)量;
用戶側(cè)：分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)在智能微電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制下優(yōu)化用電，降低用電費(fèi)用，并且保持電能的高質(zhì)量。
從應(yīng)用分布來(lái)看，2017年無(wú)論是全球市場(chǎng)還是中國(guó)市場(chǎng)，主要在集中式可再生能源并網(wǎng)、輔助服務(wù)以及用戶側(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用比較活躍。
如上圖所示，從各場(chǎng)景的運(yùn)用而言，國(guó)內(nèi)份額主要被鋰離子電池和鉛蓄電池占據(jù)，2016、2017年新增電化學(xué)儲(chǔ)能幾乎全部采用鋰離子電池和鉛蓄電池，其中2017年兩者占比分別達(dá)到 51%、49%。其中出于安全性及使用壽命的考量，鋰離子電池以磷酸鐵鋰為主。因?yàn)榻?jīng)濟(jì)性的考量，目前新增分布式發(fā)電中選擇鉛蓄電池儲(chǔ)能較多，鋰離子電池則壟斷輔助服務(wù)市場(chǎng)。由于鋰電池具有能量密度高、功率密度大以及體積/重量小、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，新增裝機(jī)基本采用了鋰電池技術(shù)，技術(shù)路線已基本成型 。
三、電化學(xué)儲(chǔ)能的運(yùn)用方向
儲(chǔ)能發(fā)揮的作用如圖所示，運(yùn)用比較活躍的領(lǐng)域包括用戶側(cè)、可再生能源并網(wǎng)以及輔助服務(wù)三大板塊。
1. 用戶側(cè)：峰谷電價(jià)套利成為現(xiàn)實(shí)，用電大省最具吸引力
我國(guó)目前絕大部分省市工業(yè)大戶均已實(shí)施峰谷電價(jià)制，通過(guò)降低夜間低谷期電價(jià)，提高白天高峰期電價(jià)，來(lái)鼓勵(lì)用戶分時(shí)計(jì)劃用電。儲(chǔ)能用于此的意義在于，用戶可以在電價(jià)較低的谷期利用儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)電能，在電高峰期使用存儲(chǔ)好的電能，避免直接大規(guī)模使用高價(jià)的電網(wǎng)電能，如此可以降低用戶的電力使用成本，實(shí)現(xiàn)峰谷電價(jià)套利。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)數(shù)據(jù)，全國(guó)用電大省峰谷價(jià)差分布于 0.4——0.9 元/kWh，而對(duì)于江蘇和廣東兩個(gè)用電量全國(guó)前二的省份，其峰谷價(jià)差高于 0.8 元/kWh，為用戶側(cè)利用儲(chǔ)能來(lái)套利峰谷價(jià)差提供了可觀空間。
從技術(shù)路線而言，以廣東省(峰谷價(jià)差0.86元/kwh)為例，如表所示:
利用鉛蓄電池套利靜態(tài)投資回收期不足 5 年，已經(jīng)具有商業(yè)化可行性。根據(jù) CNESA 的統(tǒng)計(jì)，2017 年用戶側(cè)領(lǐng)域新增電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目中鉛蓄電池所占比重最大，為77%，剩余為鋰電池。也說(shuō)明出于成本考慮，現(xiàn)在企業(yè)更傾向于安裝經(jīng)濟(jì)效益更佳的鉛蓄電池。但從發(fā)展趨勢(shì)而言，鋰離子電池在技術(shù)指標(biāo)上天然具備優(yōu)勢(shì)，且從最近幾年而言，成本下降可觀。根據(jù)國(guó)家發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，相較于2010年，平均成本下降80%;到2020年鋰電系統(tǒng)成本將降至 1 元/Wh 以下，屆時(shí)投資回收期有望縮短至 3.9 年，取代鉛炭電池將成為可能。
2. 可再生能源并網(wǎng)：分布式光伏與儲(chǔ)能結(jié)合有望成為全新增長(zhǎng)點(diǎn)
分布式光伏發(fā)電具有靠近用戶側(cè)、建設(shè)規(guī)模靈活、安裝簡(jiǎn)單、適用范圍廣的特點(diǎn)，是光伏發(fā)電重要的應(yīng)用形式。自 2016 年起，隨著燃煤發(fā)電上網(wǎng)價(jià)格下調(diào)、光伏發(fā)電標(biāo)桿電價(jià)下調(diào)，政策逐步向分布式光伏發(fā)電傾斜，分布式光伏電站迎來(lái)春天。2016、2017 年分布式光伏發(fā)電連續(xù)兩年呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，其中 2017 年全年新增裝機(jī) 1944 萬(wàn)千瓦，同比增加 358%。
目前分布式光伏電價(jià)分為“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”和“全額上網(wǎng)”兩種模式，兩者結(jié)算電價(jià)分別為：
自發(fā)自用部分電價(jià)=用戶電價(jià)+國(guó)家補(bǔ)貼+地方補(bǔ)貼;
余電上網(wǎng)部分電價(jià)=當(dāng)?shù)孛摿蛎荷暇W(wǎng)電價(jià)+國(guó)家補(bǔ)貼+地方補(bǔ)貼;
全額上網(wǎng)電價(jià)=光伏標(biāo)桿電價(jià)(分一、二、三類資源區(qū))。
在“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式下，由于用戶電價(jià)高于當(dāng)?shù)孛摿蛎荷暇W(wǎng)電價(jià)(以北京為例，脫硫煤上網(wǎng)電價(jià)約 0.35 元/度，用戶電價(jià)約 0.77 元/度)，可以看出用戶自發(fā)自用部分占比越大，收益就越高。此外，目前國(guó)家對(duì)余電上網(wǎng)補(bǔ)貼額度基本與全額上網(wǎng)電價(jià)相當(dāng)，因此從經(jīng)濟(jì)效益角度，采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式并盡可能提高自發(fā)自用電量對(duì)用戶更有吸引力。
然而由于光伏發(fā)電高峰期與用戶用電高峰期存在時(shí)間上的錯(cuò)位，目前用戶自用率都相對(duì)較低，部分不足30%。引入儲(chǔ)能系統(tǒng)的意義就在于此，居民用戶通過(guò)白天光伏發(fā)電高峰期儲(chǔ)能，夜晚高峰期用電，可以提升光伏自用率，進(jìn)而提升用戶收益。隨著儲(chǔ)能成本的下降，預(yù)計(jì)未來(lái)儲(chǔ)能在分布式光伏領(lǐng)域滲透率將穩(wěn)步提升。
目前值得參考的包括德國(guó)、日本、美國(guó)等，伴隨著儲(chǔ)能成本的下降，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)光儲(chǔ)在用戶側(cè)的平價(jià)上網(wǎng)。我們相信隨著光伏市場(chǎng)的成本降低(根據(jù)國(guó)網(wǎng)能源研究院發(fā)布報(bào)告，2008年至今平均成本下降80%)及電價(jià)改革的推進(jìn)，國(guó)內(nèi)居民用戶儲(chǔ)能將迎來(lái)爆發(fā)式的增長(zhǎng)。
3. 輔助服務(wù)：火電儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻市場(chǎng)開(kāi)始發(fā)展
電力市場(chǎng)輔助服務(wù)是指為維護(hù)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，保證電能質(zhì)量，除正常電能生產(chǎn)、輸送、使用外，由發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)企業(yè)和電力用戶提供的服務(wù)。其主要內(nèi)容包括： 一次調(diào)頻、自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)、調(diào)峰、無(wú)功調(diào)節(jié)、備用、黑啟動(dòng)等。
之所以是火電與儲(chǔ)能技術(shù)合作，主要原因在于我國(guó)電源結(jié)構(gòu)仍以火電為主。根據(jù)中電聯(lián)發(fā)布數(shù)據(jù)，2017 年火電發(fā)電量4.61 萬(wàn)億千瓦時(shí)，占總發(fā)電量比重 71%;總裝機(jī)量11.06 億千瓦，占總裝機(jī)量比重為 62%，預(yù)計(jì)火電中長(zhǎng)期仍將是電力供應(yīng)主力。但隨著新能源發(fā)電占比的不斷提升，為接納新能源發(fā)電入網(wǎng)，對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)能力要求將不斷提升。由于國(guó)內(nèi)的電力結(jié)構(gòu)，火電廠在未來(lái)將主要承擔(dān)輔助服務(wù)功能。
問(wèn)題點(diǎn)在于目前火電應(yīng)用于輔助服務(wù)仍面臨技術(shù)端、成本端的壓力。從技術(shù)端來(lái)看，火電機(jī)組響應(yīng)時(shí)滯長(zhǎng)，不適合參與更短周期調(diào)頻，一次調(diào)頻機(jī)組受蓄熱制約而存在調(diào)頻量明顯不足，參與二次調(diào)頻機(jī)組爬坡速率跟不上 AGC 指令，一、二次調(diào)頻協(xié)聯(lián)配合也尚需加強(qiáng)。從成本端來(lái)看，一方面火電機(jī)組頻繁變動(dòng)功率將加大排放物排放量控制難度，火電廠出于環(huán)保壓力將被迫采用更優(yōu)質(zhì)燃煤增加成本，低負(fù)荷工作狀態(tài)下單位煤耗也更高;另一方面頻繁調(diào)頻將降低火電機(jī)組使用率，將加速設(shè)備磨損，增加維修成本，目前輔助服務(wù)成本已經(jīng)成為火力發(fā)電成本重要組成部分。
根據(jù)清華大學(xué)電機(jī)系劉紅衛(wèi)的論文《電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與火電機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻的性能及經(jīng)濟(jì)性分析》顯示，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)所具備的自動(dòng)化程度高、增減負(fù)荷靈活、對(duì)負(fù)荷隨機(jī)和瞬間變化可作出快速反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，能保證電網(wǎng)穩(wěn)定，起到很好調(diào)頻作用。因此，可以設(shè)想的方式是火電儲(chǔ)能共同參與 AGC 調(diào)頻，通過(guò)儲(chǔ)能跟蹤 AGC 調(diào)度指令，實(shí)現(xiàn)快速折返、精確輸出以及瞬間調(diào)節(jié)，彌補(bǔ)發(fā)電機(jī)組的響應(yīng)偏差，改善調(diào)節(jié)性能。
據(jù)測(cè)算，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)功率提升速度是火電燃煤機(jī)組的 3 倍以上，即調(diào)頻能力相當(dāng)于 3 倍于功率火電機(jī)組。一般調(diào)頻功率配套需求 2——3%，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有火電裝機(jī)量 11 億千瓦，若按照 3%配套，將產(chǎn)生 33GW 儲(chǔ)能電池需求，目前1GW鋰電池儲(chǔ)能電站的投資成本將近在15億元以上，建成后年產(chǎn)值將達(dá)到10億元，保守估計(jì)市場(chǎng)規(guī)模將在百億元以上。
四、總結(jié)和展望
1. 電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展迅速，前景可觀
從全球和國(guó)內(nèi)角度而言，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)近幾年都呈現(xiàn)出較為可觀的發(fā)展趨勢(shì)，在適用性、效率、壽命、 充放電等參數(shù)上相比于其他方式具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在技術(shù)路線上，目前出于成本的考慮，鉛蓄類電池占據(jù)主要地位，然而無(wú)論是從技術(shù)參數(shù)特點(diǎn)，以及最近幾年成本下降的趨勢(shì)而言，鋰電池全面取代的可能性日益增強(qiáng)。
2.運(yùn)用領(lǐng)域前景廣闊，核心盈利模式有待擴(kuò)充
在運(yùn)用領(lǐng)域中，以用戶側(cè)、可再生能源并網(wǎng)以及輔助服務(wù)三大板塊最為活躍。通過(guò)對(duì)相關(guān)上市公司的調(diào)查，包括南都電源、陽(yáng)光電源等企業(yè)，目前較為成熟的商業(yè)盈利模式仍然以削峰填谷的電價(jià)套利模式為主，此類模式的弱點(diǎn)在于受制于價(jià)差，市場(chǎng)集中在用電大省，廣東、江蘇一帶，競(jìng)爭(zhēng)激烈。在運(yùn)營(yíng)上，項(xiàng)目由企業(yè)自持，使用方支付服務(wù)費(fèi)，前期投資壓力大，回報(bào)周期受制于當(dāng)?shù)貎r(jià)差，一般而言，回本周期在3年以上，設(shè)施使用時(shí)間可達(dá)15-20年之間，理論上而言，具有較好的回報(bào)前景。
對(duì)于可再生能源并網(wǎng)，尤其是光電儲(chǔ)能領(lǐng)域，我們看好其在家用領(lǐng)域銷售的潛力，速度取決于民用光伏發(fā)電成本的下降速率。在可見(jiàn)的未來(lái)，當(dāng)光伏發(fā)電的成本下降到與國(guó)家主流發(fā)電方式相當(dāng)時(shí)(目前光電0.7元/度，主流的火力發(fā)電成本0.35元/度)，對(duì)于居民而言，目前將多余電量按電力成本價(jià)銷售給國(guó)家電網(wǎng)的方式將得到改變。儲(chǔ)能設(shè)備提供商建立自身的電力網(wǎng)絡(luò)，收購(gòu)多余電力進(jìn)行銷售將成為可能。對(duì)于便攜式發(fā)電領(lǐng)域，甚至是國(guó)家電網(wǎng)都將形成一定的挑戰(zhàn)。
對(duì)于輔助業(yè)務(wù)，我們看好其后續(xù)增長(zhǎng)的潛力，然而在當(dāng)前情況下，市場(chǎng)規(guī)模仍然有限，真正獲得大幅度增長(zhǎng)的時(shí)間完全取決于新能源發(fā)電量的增長(zhǎng)速率以上是較為具備可行性的領(lǐng)域，我們?cè)诳吹狡浒l(fā)展?jié)摿Φ耐瑫r(shí)，我們也需要看到這三大應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)于資金和企業(yè)抗風(fēng)險(xiǎn)能力的要求極高，基本都以企業(yè)自建相應(yīng)設(shè)施，(項(xiàng)目規(guī)?；驹谡淄呒?jí)以上，一次性投入基本在千萬(wàn)級(jí)別)，收取運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的模式賺取收益回報(bào)。在當(dāng)下商業(yè)模式改變可能較小的情況下，前期投入巨大，回本周期3年以上，受制于電價(jià)波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)長(zhǎng)期存在，投資者需引起必要的警惕。
