从技术视角分析上海储能技术和产业的发展

杜坤杰

上海新能源科技成果转化与产业促进中心

0 前言

当前，新一轮的能源革命已初露端倪，努力构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系是“十三五”时期我国能源发展的目标[1]。储能是构建现代能源体系的关键支撑技术之一。2019年，诺贝尔化学奖授予美国固体物理学家约翰·巴尼斯特·古迪纳夫（John B.Goodenough）等三位科学家，以表彰他们在锂电池方面做出的巨大贡献，储能领域也成为国际能源界关注的热点。

储能市场前景广阔，发展空间巨大。在电力系统，储能可为电网提供调峰调频、削峰填谷、黑启动、需求响应支撑等多种服务，提升传统电力系统的灵活性、经济性和安全性。在新能源开发上，可显著提高风、光等可再生能源的消纳水平，支撑分布式电力及微网。面对越来越普及的新能源汽车，储能将在能源互联互通、融合新能源汽车在内的智慧交通网络起到关键作用。

“十三五”以来，国内外储能行业发展势头强劲。据中关村储能产业技术联盟（CNESA)的统计和预测，2016～2020年我国储能行业投资建设规模在1 400～2 300亿元，年均投资规模约为280～460亿元[2]，未来10年我国储能行业将迎来快速发展期，目前正处于发展的临界点。2016年，国家发改委等三部门联合印发《中国制造2025——能源装备实施方案》，储能成为能源装备发展任务的15个领域之一。2017年，国家能源局等多部委联合印发《促进储能技术与产业发展的指导意见》，这是我国首个国家层面出台的储能产业政策。在地方层面，山西省针对储能参与电力调峰调频服务出台了有关鼓励政策，国网江苏省电力公司制定了支持客户侧储能系统发展的管理规范，北京、广东、福建等地方政府和电力公司也在积极探索储能产业发展路径，制定相关支持政策。

1 储能技术发展现状及趋势

储能作为能源产业最具发展前景的前瞻性技术，呈现多元发展的良好态势。按照技术类型大致可分为：物理储能（抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等）；电磁储能（超级电容器、超导电磁储能等）；电化学储能（铅蓄电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池等）；热储能和化学类储能（氢能、合成燃料等）“五类”。

在物理储能方面，抽水蓄能占全球总储能容量的98%，是目前最为成熟的储能技术。压缩空气储能发展也较快，在德国和美国得到一定的商业应用。抽水蓄能和压缩空气储能对环境、地理条件都有较高的要求，应用受到限制。在新型压缩空气储能方面，国际上只有美国、英国等个别机构具备兆瓦级的生产设计能力。中科院工程热物理研究所经过十多年的研究攻关，已突破1～10 MW新型压缩空气储能各项关键技术，10 MW储能示范系统效率达60.2%，是全球目前效率最高的压缩空气储能系统。中科院工程热物理研究所正在研发100 MW级技术，预计额定效率将达到70%左右[3]。飞轮储能属于功率型储能，主要应用在UPS中。

在电磁储能方面，超级电容器充放电速度快，适合于需要提供短时较大脉冲功率的场合。美国、日本、俄罗斯等产品几乎占据了整个超级电容器市场。国内超级电容研发起步晚，达到市场化水平的企业仅有10多家，其中上海奥威公司技术领先，已达到了国际同类先进产品的水平。目前，能量密度低、成本高，以及电池寿命和安全问题是超级电容器面临的主要挑战。石墨烯柔性超级电容器为其发展提供了新思路。超导电磁储能是将电能以电磁能的形式储存在超导线圈中，具有功率密度高、综合效率高和响应速度快的优点，尚处于前期研发阶段，仅在美国、日本和欧洲得到初步应用。

在化学储能方面，铅酸电池技术成型早、材料成本低，是目前发展最为成熟的一种化学电池，缺点是能量密度低、可充放电次数少，制造过程中存在一定污染。我国是铅酸电池的第一大生产国和使用国。铅碳电池是铅酸电池的演进技术，提升了电池的功率密度，延长循环寿命，是铅酸电池发展的主流方向。锂电池已成为全球最具竞争力的化学储能技术，发展势头迅猛，是当前增速最快的储能技术。钠离子电池是前沿技术的研究热点，也将是未来储能技术发展的重要选择之一。液流电池的发展较为平稳，全钒液流电池和锌溴液流电池相对成熟，主要应用于大规模可再生能源并网领域。钠硫电池具有能量密度高、循环寿命长等优点，最近20年发展迅猛。日本NGK公司是国际上唯一实现钠硫电池产业化的机构。2015年，钠硫电池系统发生火灾事件后，NGK公司改进了电池结构并加强安全性研发，目前仍然引领着全球钠硫电池的发展。中科院上海硅酸盐研究所在国内钠硫电池领域一直处于领先水平，在国际上也具有很强的研发竞争力[4]。

储热技术包括显热储热、潜热储热、热化学储热。目前，潜热储热是研究热点，热化学储热在前沿技术方面发展得最快。

氢储能技术是解决大规模风电储存的一种新途径,适于商业应用的有高压气态储氢技术、低温液态储氢技术、金属氢化物储氢技术，研究侧重于安全性、成本和体积密度。

美国为支持储能发展，从2009年开始出台一系列产业规划和财税政策支持研发及示范应用。日本也投入大量资金支持核心设备开发、示范项目建设及商业化运作。欧盟、加拿大、韩国等国家也分别出台相应政策激励储能行业发展。近年来，我国在储能项目规划、政策支持和产能布局等方面也加快了步伐，国内储能行业正蓄势待发。

2 上海发展储能技术的重要性和优势基础

当前，在全球大力倡导发展清洁能源的时代背景下，开发能量密度更高、循环寿命更长、系统成本更低、安全性能更好的储能技术已成为各国政府支持研究计划的一个重要内容。近年来，上海在相关部门引导和支持下，在储能领域组织开展了大量的研发和示范工作，促进了储能产业化应用。在新形势下，我们认为上海发展储能的重要性和具备的基础有以下5点。

1）能源互联网发展给储能技术带来新的机遇，储能技术将带来变革性的突破

在可再生能源、电动汽车和能源互联网快速发展的推动下，储能行业有望呈爆发性增长态势，储能系统性能和技术将进入一个良性快速的发展阶段。目前，储能电池成本、能量密度与市场的期望值还有很大距离，从当前的研究成果看，储能技术有望迎来重大突破，未来市场前景广阔。2017年，国家能源局等五部门联合印发《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》[5]，提出未来10年二步走的实施路经，即“十三五”期间储能由研发示范向商业化初期过渡，“十四五”期间实现商业化初期向规模化发展转变。上海必须牢牢把握产业发展的重大机遇，以全面掌握国际领先的储能关键技术和核心装备、形成完整的产业体系为目标，大力推动储能技术研发和应用，支撑上海能源结构优化升级，并拉动能源相关产业的快速发展。

2）以储能技术的发展应用为突破口，保障上海电力安全，牢固守住超大城市的能源安全底线

“十三五”以来，我国能源供应紧张的现象得到有效缓解，但上海作为超大城市，能源安全面临新的问题：全市最大用电峰谷差已超过1 300万kw，电力调峰矛盾十分突出；上海全市平均供电可靠性为99.969%，低于新加坡（99.9999%）、东京（99.9994%）、香港（99.9981%）。这些问题的解决，近期主要通过华东电网电量置换等管理措施，但是未来更多是需要储能、分布式供能等新技术的突破。

3）代表国家参与全球能源互联网建设，打造长三角区域先进储能技术的策源地

能源互联网是未来能源发展的重要方向。2015年9月，中国提出探讨构建全球能源互联网的倡议。储能是构建能源互联网、推动我国电力体制改革和促进能源新业态发展的核心基础和关键支撑技术。上海应抓住机遇，结合落实“长三角区域一体化发展”等国家战略，充分发挥上海科研基础雄厚、国际化程度高的优势，着力推进储能技术研发示范，争取在全国率先取得突破，带动国内能源技术和产业发展，也为国家参与全球能源治理发挥重要作用，并将其成为上海建设全球科创中心的重要载体。

4）上海科研力量聚集，研发创新链较为齐全，具备发展储能的良好科研基础

自“十五”以来，在市科委等部门的推动下，上海在钠硫电池、锂电池和超级电容等技术研发及示范上取得了一批在国内外有较大影响的科研成果。2008年，中科院硅酸盐研究所研发出650 Ah(安时)的单体钠硫电池，使我国成为自日本之后第二个掌握单体钠硫电池技术的国家。2014年，中科院硅酸盐研究所在崇明岛建设了国内首个钠硫电站工程化示范项目。上海空间电源研究所和上海动力储能电池系统工程技术有限公司在国内首次完成兆瓦级储能电池系统的全生命周期安全性评估和多层级安全性设计。面对上海已成为全球新能源汽车拥有量最大城市的现状，上海动力储能电池系统工程技术有限公司采用电动大巴退役锂电池，建成了电池梯次利用储能系统。上海电气集团研发动力储能梯次电池快速检测和筛选方法，解决电池梯次利用的一致性难题，并应用于工程示范。上海交通大学马紫峰团队完成的“磷酸铁锂动力电池制造及其应用过程关键技术”项目荣获2018年国家科技进步二等奖。此外，复旦大学、上海交通大学开展了钠离子电池等前沿技术研究。复旦大学建成我国第一条具有自主知识产权的水系离子电池生产线。上海奥威科技开发有限公司研制的超级电容公交车除供上海使用外，还出口到东欧、西亚和北非等国家，产品满足欧盟标准认证，成为了上海特色产品。在储热领域，中科院上海应用物理研究所掌握高温熔盐蓄热系统方案，建设国际首个10 MW超高温熔盐储能示范装置。沙特电力（ACWA）和上海电气联合体中标全球最大的迪拜700 MW光热电站，极大地推动了中国光热发电产业链拓展国际市场的步伐。

5）长三角一体化战略为上海发展储能技术提供了新机遇

受土地、人力成本及环保等要素制约，上海的储能电池生产企业相对较少，产业发展较为薄弱。但周边省市强大的产业基础，为上海推动储能技术发展提供了有利条件。据初步调研，浙江南都电源动力股份有限公司是全球最大的蓄电池生产企业之一，杉杉股份是国内最大的锂电池综合材料供应商，合肥国轩高科具有完整的锂电池产业链，阳光电源利用其技术优势构建了储能云平台，江苏国泰具有优势的锂离子电池电解液。在2018年首届中国国际进口博览会上，习近平宣布将长三角区域一体化发展上升为国家战略。上海要以落实国家战略为契机，依托丰富的科技资源，全力打造包括储能技术等新能源科技创新的策源高地。

3 上海发展储能技术和产业的建议

储能系统作为新能源发展的“最后一公里”，在可再生能源、能源互联网等领域具有重要作用。上海要站在提升科技创新策源能力的高度，将“科研密度”转化为“创新浓度”，有效地推动上海储能技术和产业的发展。

1）紧盯国际前沿技术趋势，打造具有国际水准的技术高地

不同的储能技术在原理上差异很大，其关键科学问题与技术难点也有所不同。要组织专家团队深入论证，科学研判储能技术发展及市场走势，制定发展路线图。现阶段不但要加强低成本、高安全、长寿命的锂电池技术研究，也要密切关注液态钠离子电池、固态电池、基于石墨烯的储能电池等国际前沿技术，提前布局研发一批重大关键技术与核心装备，建成一批不同技术类型、不同应用场景的试点示范项目，在更高起点上形成上海的技术竞争力。

2）依托长三角一体化发展战略,打造科技创新的策源高地

上海有交通大学、复旦大学等著名高校，以及中科院、航天集团旗下的研究所等国家队，还有上海电气、上海奥威等地方生力军，储能研发力量雄厚。上海要与苏浙皖三省的企业形成产学研合作模式，将其纳入长三角产业创新城市联盟等开放创新平台，紧密协作，以上海技术培育出国内更多的具有新技术、新模式、新业态的“独角兽”和“隐形冠军”企业，共同把长三角地区建设成为我国储能技术和产业发展强劲活跃的聚集地。

3）开放上海创新资源,打造储能电池标准及检测服务高地

依托上海的工程技术中心、公共服务平台等基础，集合上海市储能各领域的力量，开放科研设施，建立新能源发电并网、风电调频、削峰填谷、户用储能、电动车储充一体等不同应用领域和应用场景下的储能系统准入标准，建设相应的检测评价平台，形成储能电池及系统性能诊断、寿命预测、残值评估及失效分析服务能力，为长三角乃至全国储能系统应用推广提供评测与分析服务。

4 结语

储能技术被称为“能源革命的支撑技术”，正处于研发示范向商业化过渡的关键阶段。上海要发挥科技资源集聚的优势，依托长三角一体化发展国家战略，打造科技创新的策源高地，大力开展储能技术研发和综合应用示范，对于推动储能技术和产业在我国的快速发展具有重要的意义。