高比例可再生能源系统中的储能技术应用与展望

文 | 王晓

作者系中电建西勘院新能源工程院规划研究中心副主任

高比例新能源意味着更大的责任，储能就是实现责任的基础。

近年来，可再生能源开发迎来了持续的高速增长，随着行业的不断进步，高比例可再生能源电力系统也逐步从部分的区域电网扩展至全国范围。可再生能源电量的迅速增加，对能源系统的建设提出了新的要求。

首先，从能量的功率平衡角度来说，光伏、风电等增长较快的可再生能源发电形式，存在随机性、波动性、间歇性的特点。且从电量平衡角度考虑，新能源的年利用小时数普遍偏低。

举例来说，全国所有风电的年平均利用小时数大约只有2000小时左右，而光伏的年利用小时数，大概不到1300小时。但是像江苏省这样的东部经济发达地区——也是电力主要的负荷端——最大负荷利用小时数达到6000多小时。

这样的现状就导致了一个困境：如果新能源在功率层面与负荷端达成匹配，由于利用小数的巨大差异，会导致新能源的电量只能占到20%到30%的比例；如果是新能源的电量达到50%到60%的水平，那么意味着新能源的装机规模要更大，就存在大量新能源高发时段是在非负荷高峰时——例如晚间——段的问题。

因此，高比例可再生电力系统需要大容量、高功率、低成本，且能够应对瞬时、小时级甚至长周期，不同层次调峰需求的储能环节支撑，满足不同调峰需求。也就是说，储能系统要解决供需匹配、安全可控等问题，并为机制革新提供技术支撑。

储能商业化现状和发展前景

首先我们要明确：储能环节可以有效地为能源系统提供稳定性、可控性和灵活性，使得能源供需匹配性更强，运行安全性更高，利用方式更加灵活便利，是高比例可再生能源系统实现功能需求，并进一步优化的重要助力。储能技术的发展，是新能源装机迅速发展的重要保障。甚至可以说它是新能源装机和电量达到我们中远期目标的前提条件。

储能技术按原理可以分为很多种。现在进入商业化阶段的储能形式主要还是电储能、抽水蓄能和多元储能三类。虽然这些储能技术在不断的发展，储能的成本也在不断的降低，但面对我国数千GWh的储能需求，现在已经商业化的技术实际上还是存在着成本相对过高、建设条件苛刻、技术尚不完全成熟等问题。相关技术的发展，还待进一步的推进。

一些新兴储能技术也在发展。这包括储热/储冷技术，新型压缩空气储能技术，飞轮储能技术，高能超导储能技术等。而且这些储能技术都有着明确、清晰的创新路径，也能够根据各自不同的特点，适用不同容量的储能应用场景。

但整体来说，这些技术处于小试、中试或者研发阶段，还需要继续攻关，对于我们的迫切需求来说还稍微有点差距。

在应用场景方面，储能技术在发电侧、电网侧和用户侧均可以与可再生能源系统结合实现应用，市场前景广阔。为了更好的匹配现有技术水平与应用需求的差异，中电建西勘院新能源工程院结合实际的可再生能源项目，积极寻求相关的技术解决方案，开展了多层次、多技术路线的储能应用探索。

通过各种储能技术与可再生能源的结合，实现技术进步和转换，进而助力高比例可再生能源系统的建设。进行了光热等储能型电站的建设和示范；因地制宜的完成了多种电源和多种储能环节的组合外送规划；研究了区域综合能源系统的源网荷储匹配优化。我们也开展了多种领先技术的工程应用，并形成了大量的技术成果。

应用案例与探索

中电建西勘院新能源工程院是国内最早涉足新能源行业的单位之一，承担多项标志性项目，编写多项国家及行业规范。并依托多个实际项目，开展可再生能源+储能技术的工程应用。我们致力于各类基于新能源的储能电站建设示范以及不同储能技术的应用和互补。

首先，我们院尝试采用了锂离子电池和铅碳电池等多种电池形式，设计了包括西藏双湖县可再生能源局域网工程，西藏尼玛县可再生能源局域网工程等高寒、高海拔、高难度的标志性工程。并在积极策划和探索各种电池技术路线、配置方式、控制优化等方面的实证工作，推动电储能的快速发展和合理使用。

在熔盐储热方面，我们参与了中电建青海共和50MW光热项目，为我国首批光热示范项目中第三座并网的塔式光热电站，储热时长为6小时，设计年利用小时数为3138小时。

在探索中我们发现，熔盐储热技术有着非常鲜明的特点。首先就是熔盐在40年的使用时间里可以做到完全的无衰减，循环次数也没有限制。其次，由于它是通过泵以及后端的汽轮机发电来实现储能，控制和监测要比电化学储能要容易很多，而且规模可以更大。目前的示范项目可以实现6小时储能，对应储电的规模大概是在300GWh左右。而国内最大的光热储能项目规模大概在1.1GWh左右。

项目并网之后，现在正处于发电量的调升和测试阶段，当前最大日发电量为539兆瓦时。同时光热电站设计之初就定位为匹配电源，所以我们也进行了低负荷运营测试。现在50兆瓦的电站基本上可以做到15%到20%的低负荷运行，这也为我们后期进行能源互补提供了实践的数据基础。

除了储电和储热的探讨之外，我们还在进行储氢的探索。我们对储氢的定位是可以成为更加灵活使用的环节。目前在多能互补项目中，问题在于电源端很难与负荷端进行实时匹配。氢能的出现就增加了电力灵活消纳的能力。基于这样的考虑，我们开展了技术储备，承担了陕西省、安徽省、内蒙古自治区等多个区域的氢能发展研究规划或氢能产业发展研究。积极探索包括可再生能源电解水制氢、定日镜热化学制氢，等氢能生产、运输、使用与新能源结合的新模式。

基于我们对各种技术路线不同的研究和储备，我们在发电侧和用户侧也进行了高比例可再生能源的探索。通过基地级的设计规划，为大电网的运行稳定性提供了支撑，提高了新能源的消纳能力。

中电建西勘院新能源工程院参编的青海海西州和海南州千万千瓦级可再生能源基地规划，结合区域内光伏、风电、光 热等清洁能源，辅以抽水蓄能电站，开展了多种能源，多种储能形式，相互配合的高比例可再生能源系统研究，有力助推了相关外送通道的落地工作。多能互补方面我们积极研究，考虑设计和运维的问题，同时基于不同应用场景，设置储能系统运行逻辑，实现整体系统优化。

在需求更加多样的用户侧，中电建西勘院新能源工程院积极探索以综合能源系统为代表的区域电、热、冷、气、水多能源一体化的解决方案，打破不同能源品种单独规划、单独设计、单独运行的传统模式，为系统的耦合优化提供了基础。依托实际项目，以储能系统的集成和管控方式为核心，研究多能流的合理供需匹配，通过储热、储电、储氢等多个环节的组合和转化，最终实现整个能源系统的高效利用和合理供给。

伴随着双碳目标的提出，我国的可再生能源发展迎来了一个新机遇。在未来的能源结构当中，可再生能源产业必定占据更大份额，同时承担更大的责任。储能系统是可再生能源系统不断提升电源品质，提高能源利用率的关键。

将储能技术与大数据、人工智能、5G等多种新技术结合，可以探索创新性的高比例可再生能源系统建设模式，提升系统性能和调度能力。希望通过产学研多个层面的密切配合，能够共同推动储能技术进步，为我国能源结构的转型升级贡献力量。