能源安全视角下的储能技术发展路径分析

殷光治, 郑漳华, 王 歆, 诸嘉慧

(1.中国绿发投资集团, 北京 100020;2.全球能源互联网发展合作组织, 北京 100031;3.中国电力科学研究院有限公司, 北京 100192)

0 引 言

中国储能行业的正式商业化发展起步于2010年,在经历了十余年的发展后,已经逐步形成产业链较为完整、品类丰富、技术路线局部领先的总体发展格局[1-2]。许多示范项目成功推行,商业模式在探索中逐步改进,一个充满潜力的储能市场已初具规模。储能设备的技术特性不同于常规的发电机组,因此其并网后电力系统的运行方式会出现显著变化,目前较多研究对此进行了关注[3-5]。此外,也有部分研究从能源规划的角度重点关注了储能技术在未来的发展路径[6-8]。

然而值得指出的是,储能的发展并不是一个单纯的技术问题,也并非仅仅局限于我国内部环境[9]。在全球化的大背景下,我国的产业发展与全球的能源安全视角密不可分。虽然我国储能行业发展市场巨大,但我国国内的原料供应能力并不能有效支撑储能行业发展,在部分关键原材料的供给和定价等层面,受国际供应链的影响颇深。随着气候变化议题日益政治化,逆全球化趋势逐渐抬头,关键资源的供应情况日渐受到影响[10],我国的储能行业需在传统发展路径外探索其他发展技术路径。

在当前的研究中,从能源安全的国际视角对中国储能行业发展的讨论并不充分。本文旨在梳理我国的储能和锂资源供求现状,分析国际局势对于储能行业发展的潜在影响,研究可实现高自给率的潜在储能技术发展路径,给出了能源安全视角下的储能技术发展建议。

1 我国储能装机发展现状

我国于2020年提出了“双碳”目标,在现行的资源禀赋和电源结构之下,可再生能源的电源建设得到了前所未有的助力。但是,由于可再生能源具有波动性,所以电力系统的灵活调节能力愈发成为稀缺资源[4-5]。由此,储能的发展对于可再生能源大规模应用的价值日益凸显,储能逐渐成为了电源建设的刚性需求。国家能源主管部门多次发布文件对储能行业的发展提出目标,多个省级政府和省级电网公司也提出了强制性的“可再生能源+储能”发展要求,并使用省级政策或者调度管理条例等工具将要求固定下来。经过多年的实践,包括“风光水火储一体化”、“源网荷储一体化”等都成为了重要的发展方向。整个2021年内,共计有20个省区市提出了储能设备的配置要求,配置比例基本在5%～20%之间,储能时长要求普遍在约2 h,部分省份要求 1 h或者 4 h。

按照能量转化机制的不同,储能技术大致可以分为物理储能(抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能等)、电磁储能(超级电容器、超导储能等)、电化学储能(锂电池、液流电池、铅炭电池等)、热储能(相变材料、熔融盐等)及化学储能(氢、甲烷、甲醇)等几大类。

由于建造和运行成本低,能量转换效率相对较高,目前我国已经投运的储能项目中累计装机占比最大的是抽水蓄能,截至2020年底占总储能装机的比例为 89.30%。电化学储能是除抽水蓄能以外发展最快的储能类型,总装机中超过9%为电化学储能,锂电池贡献了电化学储能装机容量中接近90%的份额[11]。其他技术类型的装机绝对量有显著增长,但从总占比来看,增长的速度远低于锂电池。在现有技术条件下,锂电池能量密度大、自放电小、记忆效应不明显、工作温度范围宽、可快速充放电、使用寿命长、环境污染小。2020年中国储能装机构成(全国总装机34.8 GW)如图1所示;2020年中国电化学储能装机构成如图2所示。

图1 2020年中国储能装机构成(全国总装机34.8 GW)

图2 2020年中国电化学储能装机构成

2 锂资源供给情况分析

从当前的发展趋势来看,由于锂电池在很大程度上受到了市场的追捧,储能行业对锂的需求将会呈现一个高速增长的态势,并会占据锂市场消费的绝对主导地位[12],但我国锂资源的自给能力极为有限。我国的锂矿资源在采、选、冶、用的全流程中面临对外依存度高、资源禀赋差等关键性难题。

从储量上来讲,根据美国地质调查局的统计数据显示,截止2020年底全球的锂矿资源已探明储量为2 200万吨(以金属锂当量计)[13],其中智利、澳大利亚和阿根廷三国的储量占比超过78%,我国的储量仅为150万吨,占全球的比例仅为7%。2021年全球锂资源储量(万吨金属锂当量)如图3所示。

图3 2021年全球锂资源储量(万吨金属锂当量)

从质量上看,我国的锂矿床共有151处,超大型3处,大型10处,其余均为中小型矿床。主要分布在西藏、新疆、青海、四川、江西、湖北、湖南、河南及福建,带有明显的区域性集中的特征[14],西藏、青海、四川和江西的探明储量占全国总量的96%。与国际优质矿床相比,我国锂矿床开采难度大,提取成本高,盈利能力不容乐观。2019年全球主要锂矿床开采现金成本为4 083美元/吨(以碳酸锂计),我国的宜春锂云母矿、扎布耶盐湖、东西台吉乃尔盐湖、察尔汗盐湖的开采现金成本在5 002～9 274美元/吨,比国际平均成本高23%～127%。 2016～2020年中国主要锂产品产量情况如表1所示;2016～2020年中国主要锂产品需求情况如表2所示。

表1 2016～2020年中国主要锂产品产量情况 万吨

表2 2016～2020年中国主要锂产品需求情况 万吨

但近五年来我国的锂矿资源消费增速在15%以上,2019年需求增速甚至达到29.6%。巨大的需求面对有限的自给能力必然衍生出巨大的对外依存度。我国的锂矿资源对外依存度长期保持在70%以上,而全球锂矿资源生产量的70%以上被德国Chemetall、美国FMC和智利SQM三大巨头把持。随着国际环境的转变和大国竞争的加剧,中国的锂矿供应态势面临严峻考验[15]。

3 新外部环境对供应链的影响分析

3.1 气候变化议题方面的影响

碳中和是人类自工业革命以来自主的从生产、消费、社会、宏观管理框架以及价值观的“范式变更”。美国及其盟友将碳中和视为工业革命以来重塑全球秩序的重要抓手,全力争夺碳中和规则制定的制高点,取代在传统工业理念下建立的布雷顿森林体系并进一步强化对全球的控制权。

从历次气候变化大会来看,美国及其盟友基于意识形态对抗的需求和重塑全球制度的需求在推动气候变化政治化层面不遗余力。气候目标从2 K温升目标上升为1.5 K温升目标,且将更多种类的温室气体渐次纳入排放管控清单,甚至全面去煤等极为激进的要求也被提及。这些要求有利于欧美充分利用已经开展的社会转型工作塑造新的竞争优势,并极大增加了发展中国家实现碳中和的难度,削弱了发展中国家参与全球竞争的能力。

3.2 发达国家供应链“去中国化”的影响

由于地缘政治和疫情的强力冲击,全球供应链在过去两年出现了严重的松动,采购成本和物流成本急剧上升,严重阻碍了全球的经济复苏。自美国政府单方面挑起中美贸易摩擦后,美国及其盟友针对其经济所涉及的产业链(尤其是技术产业链和能源产业链)进行评估。这些评估从安全性、韧性、效益水平和可持续性等多重维度考虑,目前评估工作已经基本结束,可以预期全球供应链将在2022年后被实质性调整。

美国及其盟友的供应链调整将以“去中国化”为根本核心。虽然中国制造业在全球的规模和系统性层面具有短期内不可逾越的地位,完全与中国实现“硬脱钩”将带来任何主要国家都不能承受的巨大代价。但从安全性、韧性、效益水平和可持续性等多重维度出发实施一个“降中国化”的方案必将成为欧美国家的首要选择。

目前美国及其盟友都颁布了大量旨在提高自身供应链水平的法案,比如美国拜登政府颁布了Executive Order 14017以专门评估美国供应链[16],并于2021年6月8日发布了The White House 100-Day Supply Chain Report(《供应链百日评估报告》),其中明确指出要强化供应链自主可控能力,减少外部依赖[17]。2021年5月5日欧盟颁布《更新2020年工业战略:为欧洲复苏建立更强大的单一市场》,明确提出要强化欧盟自身工业的韧性,使欧盟工业在全球更具竞争力[18]。除了提升自身的能力,这些法案不约而同地对中国进行了限制,譬如严格控制中国获取中高科技产品的途径;严厉禁止可能让中国实现技术突破的技术转让;严格控制可能让中国实现技术进步的原材料供应;制定各类标准将中国产业“阻隔在外”。

3.3 资源民粹主义和大宗商品价格波动的影响

在近年来的地缘政治冲击下,石油、天然气等大宗商品的价格不断上涨,对于非化石能源的替代性需求成为了推动锂、铬和钴等稀缺金属价格上升的重要因素。加之碳中和、低碳转型等概念已经成为了国际上主流话语体系和主流国家所共同采用的政治态度,稀缺金属的价格目前已经飙升。可以预计,在未来长达数十年的能源转型进程中,传统上石油、天然气为核心的供需格局和大宗商品市场结构将被打破,以锂、铬和钴等稀缺金属为核心的大宗商品需求、供给结构和市场结构正在形成,其价格也将不断上涨。

但另一个层面,作为逆全球化的一部分,针对于稀缺金属的民粹主义倾向已经出现。譬如有的拉美国家将锂矿国有化,加倍征收资源税;有的亚洲国家限制煤出口;有的非洲国家撕毁现有合同限制稀缺金属的出口;美国等发达国家制定了关于稀缺金属的产能和贸易管制政策;一些全球性的金融巨头也在稀缺金属市场上采取了相应的动作。可以预期,未来与碳中和有关的稀缺金属价格都将维持高位,并具备持续上升的强劲动力。

3.4 俄乌冲突的影响——以镍期货事件为例

俄乌战争的突然爆发给全世界都带来了影响,我国从很多方面都可以从中吸取教训并做出应对。由于我国作为大工业国的独特地位,有多种原材料都不可避免需要从外部进口。从储能行业所需要的资源上来讲,虽然俄乌对我国的重要出口产品类别中并不包含锂资源,但制造锂电池所需要的镍资源却在本轮冲突中受到了较为显著的影响。

在锂电池的制造中,镍的重要性逐年提升。2021年锂电池制造中镍资源占比为16.1%,预计在2022年会提升至约21.5%。根据必和必拓公司的消息,其85%的镍产量被用于锂电池的制造,而在2017年,这个比例仅为约21%。镍资源在能源领域已经拥有越来越强的属性。而俄罗斯恰好是全球镍矿交易的重要参与者。2021年俄罗斯镍矿产出占全球镍矿产出比例约为9.3%,俄镍产量占全球精炼镍产量的比例超过23%。俄罗斯2021年主要矿石工业品全球产量占比如图4所示。

图4 俄罗斯2021年主要矿石工业品全球产量占比

目前我国是全球最大的镍消费国,占全球总消费量的53%,对外依存度高达86%。俄罗斯是我国较为重要的镍资源进口方之一。2021年我国镍资源进口额达318亿元,其中57亿元来自于俄罗斯,镍资源对俄依赖度达到18%。

较高的对俄依赖度意味着镍现货是极为重要的战略资源,而俄乌冲突必然导致俄镍的现货交易与运输出现问题,这在金融市场上将有所反应,比如发生于2022年3月8号国际资本对于镍期货的史诗级逼空事件就是例证。俄罗斯2020年金属出口额占全球比重如图5所示。

图5 俄罗斯2020年金属出口额占全球比重

事件起因是我国某重要钢铁企业为了锁定利润因而在LME交易所建立了20万吨的镍期货空头头寸。根据期货交易规则,所建立的头寸最终必须平仓,或以实物交割的方式平仓,或以金融交易的方式平仓,否则将会面临巨大的违约。此处需要指出的是,该企业所控制的镍资源为印尼镍矿所生产的氧化镍矿,而LME规定的交割品种为硫化镍矿。硫化镍恰好是俄镍的重要品种。因此,如果该企业面对需要交割的情况时需要大量购买现货俄镍以完成交割。

国际资本注意到俄罗斯无法完成现货交割且该企业无法自行生产满足交割条件的镍矿后,便大规模建立多头头寸。随着空头头寸交割日期的临近,多头不断抬高价格,试图迫使空头以极高价格完成交割,镍期货价格暴幅度达到涨近3倍以上。一旦交割,必将对国家造成超过120亿美元的外汇储备损失。

最终事件以LME取消了特定时间段内的所有镍期货交易作为收尾,且同时交易所也对镍期货的价格涨跌幅设定必要的限制,但背后蕴含的风险足以让人警惕。即使类似的国际资本恶性逼空事件能够在各方势力的干涉下和解,国际冲突可能引发的巨额大宗商品价格变动也足以对我国产业的正常经营情况构成严重的干扰,直接损害我国相关产业实现良性发展的能力。

4 进口安全视角的储能技术路径分析

4.1 高资源自给率储能技术路线分析

虽然当前高达99%的储能装机都由抽水蓄能和锂电池构成,但还有大量其他储能技术也具有自身独特的优势,且学界和业界目前也有相当的力量正在稳步推进有关这些技术的研发和改进工作。在未来时机成熟时,这些技术将存在大规模商用的可能性。

(1) 氢储能。利用多余电量电解制氢并将所制取的氢用以发电是氢储能实现的最主要方式。氢储能可以有效实现多种类型能源的灵活转换,储能规模和储能时间都可以达到极高的水平,且清洁环保,原料极为易得,储能地点也可以灵活选择。随着制氢的效率逐渐提高和运氢储氢效率逐渐提高,氢储能的普及程度也必将逐渐提高[19]。

(2) 钠离子电池。与锂电池比较,钠电池的原料资源极丰富、成本低,发展钠电池可以有效降低当前行业对于锂资源的进口依存度。而且钠电池的正极材料制造成本仅为锂电池正极材料的40%。钠电池和锂电池的工作原理本身具有较高的相似性,二者的制造设备兼容性相对较高,生产线转换成本低。随着锂离子电池上游原材料缺口的不断扩大,国内许多新能源企业已经开始储备钠电池的生产技术,上下游企业也在为钠电池的产业化做准备。

(3) 镁基电池。镁电池的理论能量密度相对锂电池更高,储存寿命最长可达十年以上。由于镁熔点相较于锂更高,化学性质更加稳定,因此也更为安全。另外我国镁矿的蕴藏量远比锂更加丰富,而我国本身贡献了全球70%以上的镁产量。极高的镁产量有助于降低生产成本,提高产业链安全性。当然,镁电池的更进一步普及有赖于解决“电压滞后”和长期间歇放电等关键性问题。

(4) 压缩空气储能。通过将电能用于压缩空气并储存,后续可以将高压密闭或低温业态的空气用于发电。既可以与燃气轮机协同运行,又可以单独运行。压缩空气储能可以做到较大规模的装机,设备使用寿命长,清洁无污染,储能周期几乎不受限制,对于化石燃料和地理条件依赖程度也非常低,是极具发展潜力的长时大规模储能技术。

(5) 熔盐储能。熔盐作为一种储热介质,具有大比热容、高传热性等优点。与其他储能技术相比,熔盐系统结构设计相对简单,初始投资成本较低,是兼顾能源利用效率、经济性和安全性的有效途径之一。目前在光热发电领域内已经出现了较为成熟的熔盐储能系统应用。

潜在高自给率储能技术主要优缺点总结如表3所示。

表3 潜在高自给率储能技术主要优缺点总结

上述技术普遍具有建设选址灵活、响应快捷、装机容量灵活选择等关键优点,无论是用于电力系统调峰还是用于分布式系统储能都具有良好的适用性。有的还在实验室阶段,有的则已经产业化但还未大规模被使用。这通常也是因为在一些关键的技术环节无法取得足够有效的成本突破而导致的。

现有产业固然是在先前的市场环境下成本最低的最优解,但是如果我国的众多关键产业在核心资源上自给能力不足,国家产业的发展面临的形势必然越来越严峻。一旦进口被彻底掐断,那么整个产业链都将面临断裂的巨大风险。

针对这一现象有两种解决思路,其一是通过外交、军事、贸易等综合手段强化我国在全球范围内对于关键资源的控制能力,其二是全方位评估我国的资源自给能力,并基于此选择产业发展的技术路线,从而提高国内的产业保障能力。

可再生能源装机规模的大幅度增长给储能带来了刚性的需求,这种需求并不以资源进口环境的恶化改变。因此,考虑现行普及技术的替代性技术对于维持我国储能行业健康发展态势大有裨益。

在众多储能发展技术路线中,有许多技术所需要的资源可以实现极高的资源自给率,国家可以考虑更多地为这些技术的发展提供政策倾斜,促成技术的早日进步,为我国实现以内循环为中心的能源转型提供强有力支撑。

4.2 政策建议

(1) 中国需要系统性梳理与战略性产业相关的产业链,强化对于全产业链的控制能力。中国作为世界工厂需要购买大量原材料进行产品加工,既用于出口,又用于满足自身需要。与发达国家保持密切贸易往来是很重要的一种战略工具,但是这种工具应当主要用于避免硬脱钩,不应该让核心产业受制于人。

(2) 重点扶持我国具有高资源自给率储能技术类型的发展,动员包括生产企业、科研机构、业主等参与到新型储能技术的开发和商用当中。以我国的资源禀赋作为基础条件,发展具有中国特色的储能产业,全力保障产业的安全性。

(3) 加大力度进行资源勘探,提高资源的自主供应能力。产业的转换需要充分的时间,并非可以做到一蹴而就。在完全建立我国可以高度实现资源自给的储能产业之前,我国需要提高对存量产业链的保障能力,确保产业升级能够是一个平稳有效过渡的过程。

5 结 语

储能设备是支撑“双碳”目标实现的关键设备,锂电池作为中国最为依赖的电化学发展路径,贡献了全国仅9%的储能装机,但却长期维持着超过70%的锂资源对外依存度。经过分析,本文主要结论如下:

(1) 随着气候变化议题日益政治化,发达国家产业链日益“去中国化”,我国当前所选择的储能发展技术路线可能面临关键资源价格飙升,甚至是供应中断的风险。

(2) 实现产业的长期健康发展,应考虑对能实现高资源自给率的技术进行充分的支持,比如氢能(0污染,100%可循环)、镁电池(中国产量占全球70%以上)、钠电池(原料易得,正极材料成本仅为锂电池40%)等,确保核心产业把握在自己手中,避免外部环境的变化损害国家实现“双碳”目标的整体能力。

(3) 建议强化我国对于全产业链的控制能力,重点扶持包括生产企业、科研机构、业主等参与到新型储能技术的开发和商用当中,加大资源勘探力度,推进产业链的建设和升级。