8月22-24日，由國家電投&融和元儲、新型儲能產業(yè)聯(lián)盟、風光儲百人會、中國風光儲網(wǎng)等單位聯(lián)合主辦的2022中國國際光儲充產業(yè)大會（簡稱：金磚光儲充論壇）在常州香格里拉大酒店圓滿閉幕。本屆大會設置“論壇峰會+展示臺展示”，既有企業(yè)細致入微的分析，也有行業(yè)專家為市場發(fā)展提出的設想與方案，助力落實國家提出的“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標要求，積極助力構建“雙循環(huán)”新發(fā)展格局。
 

 

國網(wǎng)江蘇綜合能源服務有限公司儲能及產品事業(yè)部技術總監(jiān)王駿出席論壇并發(fā)表主題演講——《新型儲能技術比較與重力儲能技術探討》 。

 

 

各位領導、各位專家下午好，首先非常榮幸參加這次會議與各位同仁進行交流，我來自國網(wǎng)江蘇綜合能源公司的儲能及產品事業(yè)部，今天和大家分享的議題是新型儲能方案比較與重力儲能技術探討。

 

議題分4個部分，首先是政策市場分析

 

在雙碳目標引領下，新能源發(fā)電產業(yè)受益于其零排放的優(yōu)勢，得到快速發(fā)展

 

截至2020年末，全國風電、光伏累計裝機規(guī)模達253.4GW和281.7GW，同比增長24.1%和34.1%。2020年，光伏、風電發(fā)電量占比也進一步提高至3.5%和6.3%。

 

在利好政策推動下，市場正積極探索“新能源 + 儲能”模式

 

2021年7月國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布《關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》明確，到2025年，實現(xiàn)新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展轉變。到2030年，實現(xiàn)新型儲能全面市場化。《指導意見》還從國家層面首次提出裝機規(guī)模目標：預計到2025年，新型儲能裝機規(guī)模達3000萬千瓦以上，接近當前新型儲能裝機規(guī)模的10倍。

 

具體政策上，2021年截止到目前，對于新能源發(fā)電項目，共有20省要求配置儲能系統(tǒng)，配置比例基本不低于10%，其中河南、陜西部分要求達到20%。配置時間大部分為2h，其中河北市場化并網(wǎng)規(guī)模項目要求達到3h。

 

再說一下江蘇的政策：江蘇發(fā)改委印發(fā)《省發(fā)改委關于我省2021年光伏發(fā)電項目市場化并網(wǎng)有關事項的通知》。文件指出，2021年江蘇省長江以南地區(qū)新建光伏發(fā)電項目原則上按照功率8%及以上比例配建調峰能力、時長兩小時；長江以北地區(qū)原則上按照功率10%及以上比例配建調峰能力、時長兩小時。儲能設施運行期內容量衰減率不應超過20%，交流側效率不應低于85%，放電深度不應低于90%，電站可用率不應低于90%。

 

截至2021年底，中國已投運的電力儲能項目累計裝機規(guī)模46.1GW,全球占比22%，同比增長30%，其中抽水蓄能的累計裝機規(guī)模為38.8GW，同比增長25%，裝機占比較去年同期下降3個百分點，而新型儲能項目的累計裝機規(guī)模為5.7GW，新增裝機為2.4GW，同比增長75%，是儲能市場主要增量。隨著電力市場逐漸完善，儲能供應鏈配套、商業(yè)模式日臻成熟，預計未來5年我國新型儲能新增裝機將超過73GW，到2026年累計裝機規(guī)模達到79.5GW，約為2021年的14倍。

 

在應用場景上，“新能源+儲能”是新型儲能的主要應用場景，剛才我們看到目前多個省份提出明確的新能源配儲要求，推動儲能產業(yè)快速擴張，規(guī)范性與主體性更強的獨立場站在政策引導下加速發(fā)展，獨立儲能場站“一站多用”共享模式有望同時滿足發(fā)電側與電網(wǎng)側儲能需求，另外，獨立儲能場站未來有望通過參與調頻輔助服務和容量租賃來進一步增加盈利渠道。隨著電力市場的逐漸完善，科技水平的不斷進步，新型儲能技術創(chuàng)新能力顯著提高，核心技術裝備自主可控水平大幅提升，在高安全、低成本、高可靠、長壽命等方面取得長足進步，標準體系基本完善，產業(yè)體系日趨完備，市場環(huán)境和商業(yè)模式基本成熟，新型儲能將快速進入規(guī)模化發(fā)展階段。

 

下面我們對目前主流的儲能技術方案進行比較分析

 

從儲能技術分，大類上分為物理儲能和化學儲能，物理儲能是通過物理變化將能量儲存起來，可分為機械儲能、熱儲能、電磁儲能等，化學儲能是通過化學變化將能量儲存于物質中，可分為電化學儲能、氫儲能等其他類化學儲能。

 

不同形式儲能技術的能量轉換途徑不同，轉換效率、技術成熟度、存儲規(guī)模均不相同。

 

目前儲能行業(yè)處于各項技術共同發(fā)展的階段，還沒有能夠形成絕對優(yōu)勢儲能技術。這張表展示的是11種主流儲能技術的技術參數(shù)及優(yōu)缺點，各種儲能技術在其功率、放電時間、響應速度、效率、使用壽命、環(huán)境特性以及成本性能方面均有不同的表現(xiàn)。通過參考這些信息可以對不同儲能技術進行比較并根據(jù)儲能周期與應用場景選擇適用技術。

 

首先，化學儲能技術全面高速發(fā)展，電化學儲能具備高可控性、高模塊化程度、能量密度大、響應速度快、轉換效率高、建設周期短、使用范圍廣等優(yōu)勢，主要運用于光、風發(fā)電等波動較大的可再生能源發(fā)電側、中小型智能變電站和用電側，鉛酸電池、鈉硫電池、鋰離子電池、液流電池等電池儲能已成為電力儲能的主流技術，但各類電池容量成本偏高、存在環(huán)境污染問題。技術路線上，新增裝機中鋰離子電池比重超90%，主要應用于可再生能源并網(wǎng)、輔助服務，鉛蓄電池其次，主要應用于用戶側。

 

氫儲能技術適用于大規(guī)模儲能和長周期能量調節(jié)但仍存在關鍵材料與核心部件依賴進口、可靠性和耐久性與國外產品差距大、效率低等問題，需進一步研究，氫儲能技術有望在可再生消納、電網(wǎng)削峰填谷、用戶冷熱電氣聯(lián)供等場合實現(xiàn)推廣應用。

 

電磁儲能具有響應快、比功率高等優(yōu)勢，適用于瞬時停電、電力低頻振蕩等應用場景，更多應用于工業(yè)生產中對電壓波動較為敏感的精密制造與電力調頻領域，然而，超導磁儲能及超級電容器均因造價高昂迄今尚未大規(guī)模進入市場，技術可行性與經濟價值將是電磁儲能系統(tǒng)未來發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。

 

機械儲能具有壽命長、環(huán)境影響小、安全系數(shù)高等顯著優(yōu)勢，適用于電力調峰調頻及電能質量改善。但是現(xiàn)階段飛輪儲能的成熟度有待提高，暫不具備大規(guī)模商業(yè)化應用的條件；抽水蓄能以及壓縮空氣儲能技術等主要應用于大電網(wǎng)的輸配電環(huán)節(jié)，壓縮空氣儲能在熱能利用市場上擁有更好的經濟性；抽水蓄能是應用最廣泛、最成熟的儲能技術，然而僅有儲存容量相對大的電站才是經濟可行的，限制技術規(guī)模化應用的另一原因在于抽水蓄能系統(tǒng)對地理條件的要求高且損耗較大。相比之下，重力儲能度電成本低、選址靈活，同時具有容量大、零自放電率、放電深度高等優(yōu)勢，值得進一步研究。

 

下面著重跟各位專家探討一下重力儲能技術產品

 

通過剛才的VCR我們可以看到：重力儲能塔的基本技術原理是利用電網(wǎng)、光伏或風能等新能源機組富余發(fā)電量通過電機提升重力磚塊，將輸入電能以重力勢能的形式儲存起來，待電網(wǎng)或用戶需要用電時再將重物放下，由磚塊下降帶動發(fā)電機運行，將之前儲存的重力勢能轉換為電能送出。整個充放電過程，由人工智能算法系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)或用戶需求，實現(xiàn)設施儲能、供能全程自動運作。

 

雖然重力儲能原理與抽水蓄能原理基本一樣，均利用電能 — 位能 — 動能 — 機械能 — 電能的轉換原理實現(xiàn)蓄能和發(fā)電的功能。但在關鍵技術和工程上卻存在很大差別。

 

核心技術上，重力儲能塔融合了高級軌跡計算、應用計算機視覺、材料科學、廢棄物封存技術、專有系統(tǒng)設計等相關技術，具備了一定的技術壁壘：

 

1) 重力儲能的控制系統(tǒng)與人工智能算法。

 

2) 超高建筑的結構優(yōu)化。

 

3) 大宗固廢資源化利用的質量塊制備方法與工藝。

 

4) 高效低耗的儲能系統(tǒng)布置與集成方法。

 

5) 關鍵核心設備機械結構設計與裝備制造。

 

說到儲能塔的技術優(yōu)勢，首先：

 

EVx™由模塊化儲能單元構成，可根據(jù)實際需求調整設施儲能規(guī)模。

 

EVx™設施一般高約50-150m，單個儲能單元（1MWh）占地小于200㎡。

 

作為新型儲能設施，儲能規(guī)模和輸出功率可靈活配置，可以與電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)融合發(fā)展，EVx儲能設施的容量高達數(shù)GWh可以不同功率放電2-12小時。

 

說到新型電力系統(tǒng)的低慣量特征，我們通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以知道：

 

隨著新能源發(fā)電比例的提升和煤電機組退出運行，電力系統(tǒng)低轉動慣量特征將日趨明顯，因為常規(guī)發(fā)電機組在向系統(tǒng)注入電能的同時還注入了巨大的慣性動能。

 

但在電網(wǎng)發(fā)生功率缺額故障初始時刻，系統(tǒng)的慣性動能是抑制頻率下降唯一動力。新能源機組包括直流輸電系統(tǒng)可以替代煤電發(fā)電量，但不能提供系統(tǒng)必須的慣性動能（J=0)。因此，在大量煤電機組退出系統(tǒng)運行后，會因慣性動能支撐不足而導致頻率失穩(wěn)風險劇增。

 

重力儲能與其他新型儲能技術最大的不同是，其與抽水蓄能一樣利用具有轉軸的機械設備 (同步發(fā)電機、渦輪機、感應發(fā)電機等) 來實現(xiàn)能量轉換。因此當系統(tǒng)受到擾動時，發(fā)電機可迅速響應負荷變化、釋放轉子動能，阻止頻率發(fā)生突變，為系統(tǒng)重建功率平衡爭取時間。這對于未來的新能源電力系統(tǒng)來說，是非常寶貴的。

 

同時它還能夠為系統(tǒng)提供必須的自動調頻、調壓服務，特別是它突出的動態(tài)無功支撐能力。

 

它也能夠為系統(tǒng)提供寶貴的短路容量支撐。

 

重力儲能系統(tǒng)中使用最多的產品是儲能質量塊，如東項目儲能塊的總體質量超過 25 萬噸。我們可以利用固體廢棄物，如建筑垃圾、工業(yè)固廢、渣土等廢棄物作為原料來制備儲能塊。由于重力儲能項目的主要原材料為固體廢棄物，因此造價相比于化學儲能、抽水蓄能較低。

 

度電成本是儲能方案比選的評估因素之一。因Energy Vault尚無在國內建設的案例，因此使用其在國外建設和運營的數(shù)據(jù)與抽水蓄能、電池儲能項目數(shù)據(jù)比較。從項目建設成本上看，重力儲能項目的初始建設投資較低（約合3000萬美元），其平準化度電成本（LCOS）僅為0.05美元/千瓦時，大大低于其他兩類儲能形式的平準化度電成本（鋰電儲能、抽水儲能、EV重力儲能的度電成本分別為1.16、0.67、0.26元/度（即1800、1040、40美元/萬度），EV重力儲能成本優(yōu)勢顯著）。

 

因此，Energy Vault的儲能技術與現(xiàn)行的儲能技術相比，初始投資壓力較低，運營期間的經濟性較好。

 

關于具體的產品解決方案，重力儲能塔共經歷兩代的演變。

 

EV1：主要由定制磚、六臂支撐起重機、電動機/發(fā)電機、傳感器、控制軟件組成。混凝土砌磚 (總重 35 噸) 堆積成塔，六臂支撐起重機位于 33 層樓高的塔頂，砌塊在升高時儲存重力勢能并在下降時將產生的動能轉化為電能。

 

EVx&EVRC：基于最初塔式設計的優(yōu)化升級版本EVx(核心設施與 EVRC 相同) 。新產品為公司成熟技術的自然進化，其利用相同技術移動復合磚并具有以下性能屬性：

 

1) 平臺高度比塔式設計產品低約40%；

 

2) 往返效率約 85%-90%，略低于EV1系統(tǒng)；

 

3) 35年以上的存儲介質零退化壽命，優(yōu)于 EV1 系統(tǒng)；

 

4) 適應惡劣條件及較高環(huán)境工作溫度，無化學火災風險；

 

5) 移動物料依托于本地的可持續(xù)供應鏈，且可由渣土、建筑垃圾及有償廢棄材料制造，產品滿足國際建筑標準；

 

6) 滿足更高功率和自定義持續(xù)時間 (2-4 小時或 4-12+小時) 的需求；

 

7) 使用先進的算法系統(tǒng)控制設施運行，更具穩(wěn)定性和安全性。

 

EV 固體重力儲能技術也于2020 年完成了第一個 5MWh 級別的商業(yè)示范項目 (EV1) ， 實現(xiàn)了與瑞士國家電網(wǎng)的并網(wǎng)。

 

談到未來的規(guī)劃構想，國外的有西弗吉尼亞州約翰阿莫斯燃煤發(fā)電廠

 

利用光伏電站+EVx儲能設施替代現(xiàn)有的化石燃料電站

 

二氧化硫、二氧化氮和二氧化碳年減排量分別為：5265t、6285t和1501萬t

 

位于迪拜 穆罕默德本拉希德阿爾馬克圖姆太陽能公園

 

為設計規(guī)模為5GW光伏電站配合建造1GWh的彈性能源設施EVx

 

實現(xiàn)了太陽能光伏電廠的24h不間斷供電

 

國內的規(guī)劃構想主要是為西部大型新能源發(fā)電站提供配套的儲能系統(tǒng)（像內蒙古卓資縣風光互補電站、新疆哈密風力電站、敦煌光熱電站）。

 

國內重力儲能項目拓展：國內除了如東100MWh 重力儲能項目，中國天楹也在跟蹤江陰、阜陽、伊蘭等地重力儲能項目落地情況。此外EVx 技術還能為西部大型新能源發(fā)電站提供配套的儲能系統(tǒng)。西北區(qū)域是我國重要的新能源基地，預計到2022年西北電網(wǎng)的新能源裝機將超過1.7億千瓦。重力儲能由于具有功率大、效率高、壽命長、選址不受限等優(yōu)勢適用于西部可再生能源的大規(guī)模消納利用。重力儲能塔可以作為實現(xiàn)大規(guī)模“西電東送”靈活調節(jié)能源的重要選項。

 

國外重力儲能技術拓展：除了中國，EV 公司重力儲能技術將在美國、波蘭、澳大利亞、迪拜等國家建設示范項目，部分規(guī)劃建設中案例如下：美國得克薩斯州的項目80MWh 項目已完成基礎設計，建設工作已啟動；西弗吉尼亞州約翰阿莫斯燃煤發(fā)電廠將利用光伏電站+ EVx 儲能設施替代現(xiàn)有的化石燃料電站，實現(xiàn)二氧化硫、二氧化氮和二氧化碳年減排量巨大；迪拜穆罕默德本拉希德阿爾馬克圖姆太陽能公園，將設計規(guī)模為 5GW 光 伏電站配合建造 1GWh 的彈性能源設施 EVx，實現(xiàn)太陽能光伏電廠的24h 不間斷供電。

 

最后是項目示范

 

如東項目重力儲能容量100MWh，發(fā)電功率26MW，主要系統(tǒng)有100MWh儲能系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、26MW發(fā)電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及變電站等其他公輔配套系統(tǒng)。擬建放能高度為100m。根據(jù)能量轉化原則，儲存100MWh電力對應的重力勢能約為4.2x1011J（總體能量損耗15%），需要約324000t重物作為儲能模塊，共計12000塊。

 

如東建設100MWh重力儲能項目總投資 36,074.15 萬元，其中建筑工程費用 20,020.56 萬元，設備購置費為 14,162.00萬元，安裝工程費734.00萬元，工程建設其他費用為 987.47 萬元。

 

項目的主要技術經濟指標可以參見右邊的表。

 

選定區(qū)域預計規(guī)劃廠區(qū)總用地面積147580平方米，該項目建（構）筑物占地面積77562平方米；規(guī)劃總建筑面積72980平方米。

 

這是如東GESS示范工程效果圖，可以看到是一個全鋼結構可拓展的型式。

 

結合該項目建設的實際工作情況，項目公司將項目工程的建設周期確定為20個周，其工作內容包括：項目前期準備、工程勘察與設計、土建工程施工、設備采購、設備安裝調試、試車投產等。

 

預計2022年4季度投產。