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近年來，氣候變化問題日益突出，已從單純的環(huán)境保護(hù)問題上升為人類生存與發(fā)展問題。導(dǎo)致氣候、環(huán)境惡化的主因是化石能源消費(fèi)的碳排放，推進(jìn)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)向低碳化和清潔化方向轉(zhuǎn)型已成全球重要共識。規(guī)模開發(fā)可再生能源是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。為此，173個(gè)國家制定了可再生能源發(fā)展目標(biāo)，146個(gè)國家出臺了支持政策。近兩年來盡管受到全球化石燃料價(jià)格大跌的不利影響，但可再生能源產(chǎn)業(yè)投資并未受此干擾，2015年還創(chuàng)下新高。
為降低對化石能源依賴和促進(jìn)全球能源安全，2015年9月26日國家主席習(xí)近平在聯(lián)合國發(fā)展峰會上提出倡議：構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，推動以清潔和綠色方式滿足全球能源需求。能源互聯(lián)網(wǎng)主要是通過大范圍的電網(wǎng)互聯(lián)，使能源發(fā)展擺脫資源、時(shí)空和環(huán)境約束，并推動太陽能、風(fēng)能、水電等可再生能源逐漸成為主導(dǎo)能源。能源互聯(lián)網(wǎng)已獲得越來越多的國家認(rèn)同和積極響應(yīng)。
能源轉(zhuǎn)型和全球能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵在于規(guī)模開發(fā)可再生能源，且全球可再生能源資源十分豐富，特別是太陽能、風(fēng)能。權(quán)威資料顯示，如能獲得太陽輻射到地球能量的六千分之一或風(fēng)能能量的五百分之一，就可滿足目前全球經(jīng)濟(jì)所需的能量。
1儲能技術(shù)在能源轉(zhuǎn)型、能源互聯(lián)網(wǎng)中的地位和作用
盡管可再生能源發(fā)展?jié)摿薮?，但其不穩(wěn)定性制約了大規(guī)模發(fā)展，并由此導(dǎo)致了棄風(fēng)、棄光風(fēng)潮。儲能是有效調(diào)節(jié)可再生能源發(fā)電引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位變化，促可再生能源大規(guī)模發(fā)電、并入常規(guī)電網(wǎng)的必要條件。
全球能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)質(zhì)是“智能電網(wǎng)+特高壓電網(wǎng)+清潔能源”。智能電網(wǎng)是基礎(chǔ)，特高壓電網(wǎng)是關(guān)鍵，清潔能源是根本，而大規(guī)模儲能系統(tǒng)是智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵一環(huán)。從某種程度上說，儲能技術(shù)應(yīng)用程度既決定了可再生能源發(fā)展水平，也決定了能源互聯(lián)網(wǎng)的成敗。西方國家在10年前就已經(jīng)開始重視儲能技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。美國政府以其國防部先進(jìn)研究計(jì)劃署(DARPA)為范本，成立先進(jìn)能源研究計(jì)劃署(AdvancedResearchProjectsAgency-Energy，簡稱ARPA-E)，集結(jié)全美最好的科學(xué)家、工程師和企業(yè)家對可再生能源技術(shù)進(jìn)行研究，而儲能技術(shù)是其重中之重。德國能源轉(zhuǎn)型令世界矚目，德國可再生能源占電力來源的比例從2000年的6%增長到2015年的30%，這一比例在部分時(shí)段甚至?xí)_(dá)到70%～90%。該國能源轉(zhuǎn)型頗為重視儲能技術(shù)，政府除了資助相關(guān)技術(shù)研發(fā)外，每年設(shè)立5000萬歐元補(bǔ)助金，專門幫助居民購買儲能系統(tǒng)，德國光伏發(fā)電量有1/3來自居民。
我國儲能產(chǎn)業(yè)剛剛起步，國家相關(guān)部門近期公布了一系列支持儲能產(chǎn)業(yè)的文件。國家發(fā)改委和能源局2016年3月下發(fā)《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃(2016—2030年)》，在該文件15項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一的“先進(jìn)儲能技術(shù)創(chuàng)新”中明確指出：研究面向可再生能源并網(wǎng)、分布式及微電網(wǎng)、電動汽車應(yīng)用的儲能技術(shù)，掌握儲能技術(shù)各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵核心技術(shù)，完成示范驗(yàn)證，整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，引領(lǐng)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
國際石油公司已經(jīng)開始布局儲能領(lǐng)域，比如，道達(dá)爾公司高價(jià)收購電池制造商SAFT，埃克森美孚與FuelCellEnergy公司合作研發(fā)燃料電池技術(shù)，挪威國家石油公司將投資海上風(fēng)電場及相關(guān)的儲能技術(shù)。
2儲能技術(shù)應(yīng)用概況及進(jìn)展
儲能技術(shù)包括物理儲能、電化學(xué)儲能、電池儲能三大類，以及發(fā)電及輔助服務(wù)、可再生能源并網(wǎng)、用戶側(cè)、電力輸配、電動汽車五大類應(yīng)用領(lǐng)域(圖1)。
截至2015年底，全球累計(jì)運(yùn)行儲能項(xiàng)目(不含抽水蓄能、壓縮空氣和儲熱)327個(gè)，裝機(jī)規(guī)模從2005年50MW增長到2015年950MW，規(guī)劃和在建項(xiàng)目180個(gè)(圖2)。
從各項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用分布情況來看，鋰離子電池在各個(gè)領(lǐng)域都獲得了應(yīng)用，鈉硫電池在電力輸配、可再生能源并網(wǎng)中應(yīng)用比例最大，飛輪儲能在輔助服務(wù)(調(diào)頻)中具有一定應(yīng)用優(yōu)勢，液流電池主要應(yīng)用于可再生能源領(lǐng)域(可再生能源并網(wǎng)、分布式微網(wǎng))，鉛蓄電池在分布式微網(wǎng)中應(yīng)用占比較大。儲能技術(shù)目前應(yīng)用情況如下。
2.1壓縮空氣儲能技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)
壓縮空氣儲能技術(shù)作為目前除抽水蓄能外，容量最大、技術(shù)最成熟的儲能技術(shù)備受業(yè)界關(guān)注，國際上接近等溫壓縮空氣儲能技術(shù)已取得突破，小型空氣壓縮車處于小規(guī)模試用階段。中科院工程熱物理研究所已成功研制出國內(nèi)首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的1.5MW級超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)，比傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)效率高10%以上，為我國電網(wǎng)級的儲能應(yīng)用開辟了發(fā)展空間。
2.2液流電池技術(shù)取得重大進(jìn)展
全釩液流電池在關(guān)鍵材料、電堆、電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成上都取得了重大進(jìn)展，產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善，整體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入市場化初期階段，在日本、加拿大、美國、澳大利亞等國家已逐步開始取代鉛酸電池。且液流電池技術(shù)已經(jīng)從全釩、鋅溴體系擴(kuò)展到成本更低、能量密度更高的有機(jī)體系和水溶性體系，研究首次證明了碘化鋰—硫(碳)半固液兩相復(fù)合新型液流電池的可行性，可大大提高電池容量、安全性和使用壽命。哈佛大學(xué)BrianHuskinson研發(fā)出一種基于有機(jī)分子——苯醌的無金屬液流電池，且已經(jīng)完成了對醌基電池100次的充放電循環(huán)，成本可下降到27美元/(kW·h)，幾乎是釩電池的1/3，顯示出良好的經(jīng)濟(jì)與商業(yè)前景。液流電池概念車已問世，時(shí)速最高可達(dá)300km/h以上，續(xù)航里程超過800km。
2.3鋰離子電池依然是當(dāng)前儲能領(lǐng)域研究熱門
電動汽車成為帶動鋰離子電池技術(shù)研發(fā)的重要因素。當(dāng)前，對于鋰電池，正極材料磷酸鐵鋰和鎳鈷錳三元材料是研究重點(diǎn)，負(fù)極材料納米硅和石墨烯是研究熱點(diǎn)，正負(fù)極材料類型越來越多，應(yīng)用范圍越來越廣。鋰離子電池作為當(dāng)前電動汽車的主流電池，能量密度尚有待提高。目前電動汽車電池能量密度最高約為170W·h/kg，續(xù)航里程最多可達(dá)400km。家用鋰電池儲能系統(tǒng)已經(jīng)商業(yè)化。
2.4鋰硫電池是目前最接近產(chǎn)業(yè)化的高能量密度電池
鋰硫電池理論上能量密度超過2700W·h/kg，實(shí)際能量密度能達(dá)到400～600W·h/kg。目前國外達(dá)到商用水平的鋰硫電池能量密度已達(dá)到300W·h/kg。我國已經(jīng)研制出能量密度高于600W·h/kg的鋰硫二次電池，處于國際先進(jìn)水平。鋰—空氣電池、鋁空氣電池、鎂電池等高能量密度電池成為當(dāng)前攻關(guān)重點(diǎn)。
2.5氫燃料電池應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大
氫燃料電池依然是燃料電池發(fā)展主流方向，相關(guān)技術(shù)已基本達(dá)到產(chǎn)業(yè)化要求，且小規(guī)模應(yīng)用于火車、乘用車、自行車、叉車、小型直升機(jī)等交通工具。乘用車?yán)m(xù)航里程達(dá)到500～700km，100km能耗僅相當(dāng)于3.3L汽油。目前部分國家利用化石燃料改質(zhì)制氫成本跟汽油大致相當(dāng)。可再生能源制氫、生物制氫和常溫常壓陸路輸氫成為研究重點(diǎn)。
2.6儲熱市場受重視程度逐漸提高
目前，儲熱技術(shù)發(fā)展迅速，部分熱儲能技術(shù)已經(jīng)非常成熟，特別是顯熱儲能，但市場規(guī)模依然不大，主要是由于熱儲能成本高，社會對熱儲能缺乏足夠重視。據(jù)估算，儲熱系統(tǒng)可為全球節(jié)約30%～40%能源。業(yè)界正在研究利用儲熱電池吸收車內(nèi)熱量或捕存太陽熱能，將熱能轉(zhuǎn)換為電能，為車廂供熱制冷，降低電動汽車電池成本，預(yù)計(jì)能提高汽車?yán)m(xù)航40%以上。
3儲能產(chǎn)業(yè)及技術(shù)展望
3.1太陽能、風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)容量快速增長，發(fā)電成本繼續(xù)下降
統(tǒng)計(jì)過去20年太陽能、風(fēng)能裝機(jī)容量，太陽能裝機(jī)容量每兩年翻一番，風(fēng)能裝機(jī)容量每4年翻一番，全球太陽能裝機(jī)容量從2005年的5.1GW增長到2015年的227GW，風(fēng)能裝機(jī)容量從2005年的59GW增長到2015年的433GW。預(yù)計(jì)2025年、2030年太陽能裝機(jī)容量將分別達(dá)到1500GW、2400GW，同期風(fēng)能裝機(jī)容量將分別達(dá)到1200GW、2000GW(圖3、圖4)。儲能技術(shù)作為支撐可再生能源并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，市場潛力巨大。
晶體硅光伏電池價(jià)格持續(xù)降低，價(jià)格從1977年的76美元大幅下降至2015年的0.3美元。過去5年太陽能、風(fēng)能發(fā)電成本下降了50%～60%。當(dāng)前太陽能光伏發(fā)電、陸上風(fēng)電在部分國家已具有競爭力。按照目前的發(fā)展趨勢，預(yù)計(jì)到2025年風(fēng)電、光伏發(fā)電將在很多國家成為最便宜的發(fā)電方式。
3.2家庭儲能將呈快速增長趨勢
近5年來，家庭儲能在德國、美國、澳大利亞、日本等國家獲得快速發(fā)展，據(jù)HIS、REN最新發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，全球家庭光伏發(fā)電電池儲能裝機(jī)容量2020年有望達(dá)到1000MW，2020年后，儲能系統(tǒng)將成為電力生產(chǎn)運(yùn)營的必備部分，而工業(yè)、商業(yè)，尤其是居民家庭儲能的增長速度會明顯高過電網(wǎng)儲能，2025年儲能技術(shù)應(yīng)用有望進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展期。
3.3電池技術(shù)未來
10年有望取得重大突破目前，電動汽車電池的能量密度范圍為80～180W·h/kg，從當(dāng)前電池的研發(fā)進(jìn)展及產(chǎn)業(yè)投資、相關(guān)扶持政策來看，未來10年電池技術(shù)有望取得重大突破，能量密度有望達(dá)到300～350W·h/kg，從而使得電動汽車?yán)m(xù)航里程達(dá)到600～800km(圖5)。
3.4電動汽車市場前景廣闊
電動汽車電池成本目前占整車成本的1/3～1/2，過去5年鋰電池組成本已下降了55%，至2020年有望再下降40%。隨著電動汽車電池能量密度提高帶來的續(xù)航里程增加，加之成本不斷下降，全球電動汽車銷量有望呈指數(shù)上升(圖6)。
4結(jié)論
當(dāng)前在全球倡導(dǎo)大力發(fā)展清潔能源的時(shí)代背景下，開發(fā)能量密度更高、循環(huán)壽命更長、系統(tǒng)成本更低、安全性能更好的儲能技術(shù)已經(jīng)成為各國研究支持計(jì)劃的一個(gè)重要方向。在可再生能源產(chǎn)業(yè)、電動汽車產(chǎn)業(yè)和能源互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的推動下，儲能產(chǎn)業(yè)有望呈爆發(fā)性增長態(tài)勢。可再生能源電力儲存成本將持續(xù)降低，儲能系統(tǒng)性能和技術(shù)成本會進(jìn)入一個(gè)良性循環(huán)發(fā)展新階段。目前的電池儲能成本、能量密度距離人們的期望值還有一定距離，從當(dāng)前的研究成果來看，電池技術(shù)有望迎來重大突破，市場前景廣闊。儲能技術(shù)突破疊加全球能源轉(zhuǎn)型加速，將會給全球油氣行業(yè)帶來巨大壓力。
