如何給電力系統裝一塊電池？_風聞

實現“雙碳目標”，需要一個全新的電力系統，這已成為一個共識。

在此前的《怎麼給新能源拉一張新電網？》一文中，我們已詳細介紹過什麼樣的電力系統才稱得上是“新電網”，而想要建成這樣一個電網面臨着什麼挑戰以及三種基本解決方案，即“看得準、調得動、儲得住”。不過受篇幅所限，文章並未對“儲能”環節展開詳盡論述——但這不是因為儲能不重要，而是太重要，無法在有限的篇幅內理清。

本文將聚焦於儲能當前的技術路線、商業模式，為讀者解析這一熱門行業。

畢竟，現在可是儲能元年了。

凌霜微雨 | 特約作者

陳悶雷 | 編輯

放大燈團隊 | 策劃

我們為什麼要發展儲能？

一個能夠實現“碳達峯、碳中和”的電力系統，必然是以新能源為主體的新型電力系統。

這一解決方案意味着，未來我們的電力系統的供能主體將變為風、光等新能源，但它最大的問題是不穩定。以下是某地不同季節風光的典型出力與負荷用電情況，可以看到明顯的波動大且不穩定，對電力系統很不友好，甚至有害。

某地不同季節風光的典型出力與負荷用電情況[1]

過去，調節能力更強的火電廠尚可保證電力的平衡，但伴隨着“新能源”發電佔比持續增加，依託於火電廠的傳統調節模式，已經不能適應電力系統波動，電網需求新的調控方式。

儲能的意義就在於：通過將儲能設施與風、光集成，當發電量太多時就為儲能設備充電平抑波峯，發電量不足時就由儲能設備放電補足缺口，將新能源系統的“不可控”變成“可控”。

儲能有哪些方式？

既然儲能如此重要，目前有哪些技術路線值得發展與佈局？

在大方向上，根據《中共中央 國務院關於完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峯碳中和工作的意見》[2]，我國目前的儲能技術路線大體分為兩類：抽水蓄能與新型儲能。

 不同種類儲能的技術特徵對比[3][4]

抽水蓄能：成熟可靠、價低量足

抽水蓄能的原理非常簡單，在山上、山下建兩個水庫，安裝一台既能當抽水機又能當發電機的水輪機，電多的時候就把山下面的水抽到山上，電少的時候就把山上的水放下來發電。

抽水蓄能原理圖

抽水蓄能的優點首先是規模大。

一座抽水蓄能電站，隨便幾台機組即可實現幾百兆瓦儲能規模，上千兆瓦的也不少見（大規模的儲能非常難得）。難能可貴的是，抽水路線的單位成本不高，大概在500元~1000元/千瓦時（大概只有鋰電池的四分之一到一半），使用壽命卻可以達到40~60年（鋰電池大概只有10年不到）。

此外，抽水蓄能非常成熟，世界上第一個抽水蓄能電站1882年（清光緒八年）在瑞士就已建成，而我國也早在1968年就建成了第一座抽蓄電站。

抽水蓄能圖

但抽水蓄能也有缺陷。一個是選址苛刻，要有山、要有湖（河）、山上要能修水庫、要能把電線拉過去；另一個是對自然環境的破壞，劈山開河不可能沒有負面影響。當然這些問題都有望通過技術手段得到解決。

可以預見的是，抽水蓄能在很長一段時間內，仍將是電力系統儲能的主力軍。目前我國已投產抽水蓄能電站總規模3249萬千瓦，遠超其它所有儲能方式總和，主要分佈在華東、華北、華中和廣東；在建抽水蓄能電站總規模5513萬千瓦，約60%分佈在華東和華北。已建和在建規模均居世界首位。

從長期規劃看，根據《抽水蓄能中長期發展規劃（2021-2035年）》，到2025年，我國抽水蓄能投產總規模達到6200萬千瓦以上（翻倍），到2030年，投產總規模要達到1.2億千瓦以上（再翻倍），行業前景可觀[5]。

新型儲能：百花齊放面向未來

現階段，人們對“新型儲能”概念的認知主要來自鋰電池，但實際上，除了抽水蓄能以外的一切儲能方式，都可納入“新型儲能”範疇。關於鋰電池儲能已有大量分析文章，不再贅述，本文主要聊一聊國家在推動的其它幾種儲能方式。

今年7月，發改委與能源局發佈了《國家能源局關於加快推動新型儲能發展的指導意見》（以下簡稱“指導意見”），其中就着重強調了壓縮空氣、液流電池、飛輪儲能以及鈉離子電池這四種儲能技術，我們將在下文着重介紹[6]。

信息來源：國家發展改革委《國家能源局關於加快推動新型儲能發展的指導意見》

雖説儲能技術的種類繁多，但按照能量儲存方式，大致可分為兩種：物理儲能與電化學儲能。物理儲能就是將電能轉化為機械能、重力勢能這樣的物理能量，典型代表就是上文的抽水蓄能（重力勢能）；電化學儲能則是將電轉化為化學能，典型代表也就是時下火熱的鋰電池。

依照此種分類方式再回看“指導意見”，可以發現這四種儲能方式恰好兩兩一組。其中壓縮空氣、飛輪儲能屬於機械儲能，而液流電池與鈉離子電池則是電化學儲能。

物理儲能：壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能，顧名思義就是在電多的時候將空氣壓縮起來存儲能量，在需要用電時則利用壓縮的空氣進行發電，而根據發電的方式又可以分為“補燃式”與“非補燃式”兩種。

“補燃式”壓縮空氣儲能技術在發電時會將壓縮空氣與天然氣進行混合，之後在燃燒室中充分燃燒，驅動發電機發電。這種方式是當前最成熟的壓縮空氣儲能技術，功率可達數百兆瓦。德國早在1978年就建成了容量達290兆瓦的Huntorf壓縮空氣儲能電站。

但該模式缺點也很明顯，嚴格來説，這種儲能就是一個“燃氣發電增幅器”，本質還是一個燃氣發電廠，需要燃料且存在二氧化碳排放。所以，這一技術已經逐漸被淘汰。

補燃式壓縮空氣儲能原理示意圖[7]

另一種壓縮空氣儲能技術就是“非補燃”式，它直接用壓縮空氣推動發電機做功，不會產生額外的碳排放，同時在空氣壓縮與膨脹的過程中還會產生額外的冷與熱，可以為周圍的用户供冷、供熱，進一步提升了能量利用效率。因此，該技術路線也成為我國壓縮空氣儲能技術的首選發展方向，且在逐漸走向成熟。目前江蘇金壇（60兆瓦）與貴州畢節（10兆瓦）都建成了壓縮空氣儲能電站，並實現了併網發電[8]。

非補燃式壓縮空氣儲能原理示意圖[7]

物理儲能：飛輪儲能

飛輪儲能的主體由一個大型飛輪構成，在電多的時候用電驅動飛輪旋轉，而需要用電的時候就用飛輪驅動發電機發電，把電傳回電網。

飛輪儲能結構示意圖

飛輪在存儲能量的能力上，完全無法與抽水蓄能、壓縮空氣相比，但該技術最大的優勢，就是響應快，可以短時間快速啓動並且立刻發出大量的電，因此它能夠極好的匹配“反應快”“功率高”的場景，比如地鐵。

地鐵列車總是走走停停，每次制動會浪費大量的動能，飛輪儲能可以在停車的時候把車輛的動能存儲起來，在啓動時為地鐵供能，從而達到省電的目的。這樣的設備已經在北京地鐵房山線實現應用，根據測算，每天一個車站就可節省約1500度電，一年就是50萬度水平。

飛輪儲能應用實例 [9]

電化學儲能：液流電池

液流電池示意圖

液流電池與我們理解的傳統電池不同，它由電堆單元（電池發生反應的地方）、電解液（電池化學反應的原料）、電解液存儲供給單元（兩個大罐子，還有驅動電解液流動的水泵）以及管理控制單元（控制器）構成。

簡單來説，就是把電解液放到兩個大罐子裏，需要時就用水泵把罐子裏的電解液抽到電堆單元裏，進行充電或者放電反應，反應完了再抽回罐子。這一技術適合用來建設超大規模的電池儲能設施——只要罐子夠大，儲能能力就夠強，而大規模儲能恰是現階段最緊缺的能力。

根據電解液的不同，液流電池又可以分為鐵鉻液流電池、多硫化鈉溴液流電池、全釩液流電池、鋅溴液流電池等體系。其中，全釩液流電池技術最為成熟，已經進入了產業化階段。全釩液流電池使用水溶液作為電解質且充放電過程為均相反應（都是液體，不會產生氣體與固體），因此安全性高（不會發生爆炸），而且循環壽命超長（大於1萬次），在大規模儲能領域極具應用優勢。2021年12月，我國已經在大連建成了液流電池儲能電站國家示範項目一期工程，工程投資達19億元，建設規模100兆瓦/400兆瓦時，未來總體規模為200兆瓦/800兆瓦時，總投資38億元。

電化學儲能：鈉離子電池

鈉離子電池可以理解為使用鈉鹽做電極材料的電池，在技術原理上並無新奇之處，推動此類電池發展的核心原因也不是技術，而是產業鏈。關於該技術路線，放大燈的《鋰資源不夠用，“鈉”就取而代之？》一文中，有更為詳盡的介紹。

作為電池的核心原材料，鋰一直相對稀缺。尤其在我國，2019年國內利用自身的鋰資源加工的基礎鋰鹽僅為6.5萬噸，其餘鋰精礦依賴進口，共進口172萬噸鋰輝石精礦，且進口礦石主要都來自澳大利亞。

而近年來新能源車的爆發式增長更是進一步顯著推高了鋰礦價格，2021年12月的碳酸鋰價格已經達到了去年的4倍。中科院物理所陳立泉院士提到過，目前全球探明的可供開採的鋰資源儲量僅能滿足14.8億輛電動汽車，2020年，我國機動車保有量達3.72億輛，電動汽車汽車的佔比還比較低，鋰資源的壓力還未顯現，隨着電動車保有量進一步攀升，鋰資源供應的隱患將凸顯。可見如果繼續依賴鋰離子電池，儲能行業的發展將受到嚴重掣肘。

碳酸鋰價格走勢

而鈉離子電池就不同了，鈉元素儲量極其豐富，不存在稀缺問題，只要技術過關，我們就可減少對外依賴。依託中國科學院物理研究所技術的中科海鈉公司已經研製出145Wh/kg的鈉離子電池，雖低於磷酸鐵鋰的180Wh/kg，但已具備一定商業價值。寧德時代8月份也發佈公告稱，已經研製出了160Wh/kg的鈉離子電池，儘管絕對性能上與鋰電池還存在差距，但至少有了初步商業化的潛力，整體技術路線在未來的成長性仍然是值得期待的。

從行業前景看，如果説抽水蓄能的未來增長叫“可觀”的話，那新型儲能的發展簡直可以用“爆發”來形容。據中關村儲能產業技術聯盟全球數據庫統計，截至今年6月底，新型儲能的累計裝機規模為3571.4兆瓦/7683.0兆瓦時，也就是大概357.1萬千瓦，而規劃中2025年的目標高達3000萬千瓦 [6]，十倍增長空間——而且這一規劃還是相對保守的。

根據南方電網印發的《南方電網“十四五”電網發展規劃》，十四五期間僅南方電網就要推動新能源配套新型儲能2000萬千瓦，而南方電網僅覆蓋5個省，可以估算一下國家電網覆蓋的26個省、市、自治區會將有機會實現怎樣的增量空間[10]。

這也是為何雖然規模化與商業化還在路上，但儲能行業在資本市場早已啓動——充足的市場空間帶來了極為樂觀的成長性，相關的諸多二級市場投資標的，紛紛原地飛昇。

 儲能ETF

儲能如何賺錢？

儲能產業非常優秀不假，也確實至關重要，但它仍然需要可供開發的商業價值。只有“儲能賺錢”深入人心，龐大的社會資本才會真正的投入進來，才可能迎來行業的爆發式發展。

那麼在電力系統中，誰來出錢建這個儲能，儲能項目又該如何盈利自然就成了兩個關鍵問題。

儲能誰來建？

從建設的角色來區分，電力系統中的儲能其實可以大致分為三種：源側儲能、網側儲能與負荷側儲能，每一個的建設主體以及他們的建設目的都有不同。

源側儲能

源側儲能又叫發電側儲能，顧名思義，他的建設主體就是各種各樣的發電公司，包括了火電廠、風電場、光伏電站等。

風、光電站為了提升可控性，各省往往要求其配備5%~10%不等的儲能，這部分儲能的投資主體自然也就是對應的風光發電站。而對傳統火電廠來説，儲能可以加強它們的調節性能，而電網在核算調頻的補償費用時會直接與電廠的調節性能掛鈎，因此為了獲得更高的調頻補償費用，電廠也有動力去給自己的火電機組配備儲能。

網側儲能

網側儲能的建設主體一般為電網公司，其建設的主要目的還是為了調峯調頻，從而保證電網的安全運行。

網側儲能的最主要形式依然是抽水蓄能電站，國家電網與南方電網分別建立了“國網新源控股有限公司”與“南方電網調峯調頻發電有限公司”專門負責抽水蓄能的運營。

負荷側儲能

上面兩類建設者與涉及的儲能建設，往往更接近一種配套設施，創造商業價值並非核心訴求，本身的商業化潛力也並不強。但負荷側儲能則是相對商業潛力最高的環節，盈利也是參與者的核心目標，因此與前兩者不同，負荷側儲能的建設主體呈現出了多樣化的態勢。發電公司、電網公司以及所有想通過儲能運營賺取收益的企業，在負荷側均有一定的佈局。

商業模式是什麼？

從基本的商業模式看，儲能盈利的主要途徑則可分為峯谷價差與輔助服務市場兩種方式。

低買高賣，削峯填谷

由於人們天然的用電習慣，有的時候用電多（一般在上午和下午），有時用電少（一般在夜間），在一天中就形成了“峯”與“谷”。

然而，電力系統並不喜歡這樣的峯谷波動，其往往意味着發電機的頻繁啓停，既增加了啓停成本，又會造成發電機效率的降低，因此為了儘量拉平峯谷差，電網往往會設置峯谷電價，在峯時段電價高，在谷時段電價低。這就給儲能套利創造了機會，儲能可以在夜間低價時充電，再在高價時將電售出，賺取差價。

削峯填谷

以測算簡單，相對成熟的鋰電池為例，當前鋰電池儲能的總成本大概在1500元/千瓦時左右，投資一個1兆瓦/2兆瓦時儲能站的成本約為300萬，效率大概是90%，按照循環次數為4000次計算，這個儲能站的全壽命週期內可放電7200兆瓦時，那麼可計算得出平均度電成本、大概是0.42元/千瓦時，也就是説只要峯谷差價大於0.42元/千瓦時，該項目就有利潤空間。

那麼全國不同地方的峯谷差價，大概是什麼水平？

全國各地峯谷電價情況[11]

從上圖可以看到，絕大部分地區的峯谷電價差都滿足這個要求。即使考慮到後期電池衰減、通貨膨脹等因素，儲能的實際度電成本比我們的估算值高一半，達到0.63元，那麼也依然有大量地區擁有足夠的利潤空間。

而且，隨着技術的進步，儲能的度電成本也將進一步降低，根據2021年國家重點研發計劃“儲能與智能電網技術”《吉瓦時級鋰離子電池儲能系統技術》的考核指標，項目結項時所開發的鋰離子電池儲能系統等效度電成本不大於0.1元/千瓦時[12]，而12月9日，這個項目已經被寧德時代中標，期待寧德時代為我們帶來更先進的儲能技術[13]。

調峯調頻、輔助服務

我們在此前文章中提到過，電網需要通過技術手段進行頻率與電壓的調節，其中頻率調節就需要調節設備可以快速發出（提升頻率）或者吸收（降低頻率）功率，而向電網提供的這類服務，被統稱為“輔助服務”，而儲能就是絕佳的輔助服務供應商。

遺憾的是，目前我國電力系統仍未建立統一的輔助服務市場，長期以來提供輔助服務的工作被視為電廠的義務，由電網調度下令後直接執行。這導致儲能作為調峯調頻的優質資源，卻無法在這一場景下實現盈利，只能通過前面“峯谷電價”低買高賣進行盈利，減少了儲能的盈利手段。

但是這樣的情況也正在改變。自2015年起，國家開始陸續出台以市場化原則建立電力輔助服務機制的相關文件，並在近年逐步發展完善。到今年8月份的《電力系統輔助服務管理辦法》，政策層面已經明確將電力輔助服務劃分為基本服務和有償服務兩大類，並指出有償電力輔助服務可通過固定補償或市場化方式提供。

自此，儲能又多了一個盈利模式，為長遠發展提供了更多助力。事實上，儲能未來還可以通過各種創新的商業模式來實現盈利，例如雲儲能、共享儲能等，但篇幅所限，不在本文展開。

致謝：感謝遙望為本文提供的技術支持。

References：

[1]劉敦楠, 徐爾豐, 許小峯. 面向園區微網的源–網–荷–儲一體化運營模式[J]. 電網技術, 2018, 42(3):9.

[2] 新華社：中共中央 國務院關於完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峯碳中和工作的意見. 2021.10.24 http://www.gov.cn/xinwen/2021-10/24/content_5644613.htm

[3] 陳海生, 凌浩恕, 徐玉傑. 能源革命中的物理儲能技術[J]. 中國科學院院刊, 2019(4):10.

[4]李先鋒, 張洪章, 鄭瓊,等. 能源革命中的電化學儲能技術[J]. 中國科學院院刊, 2019(4):7.

[5] 國家能源局：抽水蓄能中長期發展規劃（2021-2035年）.2021.09.17 http://zfxxgk.nea.gov.cn/1310193456_16318589869941n.pdf

[6] 國家能源局：國家發展改革委 國家能源局關於加快推動新型儲能發展的指導意見. 2021.07.15 http://zfxxgk.nea.gov.cn/2021-07/15/c_1310079331.htm

[7] Chen, L., Zheng, T., Mei, S., Xue, X., Liu, B., & Lu, Q. (2016). Review and prospect of compressed air energy storage system. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 4(4), 529-541.

[8] 央視財經：我國新型儲能技術取得重大突破. 2021.09.30 https://www.yicai.com/news/101188443.html

[9] 央視：飛輪儲能首在地鐵中商用:一座車站可年省50萬度電|飛輪. 2019.07.09 https://news.sina.com.cn/c/2019-07-09/doc-ihytcerm2324933.shtml

[10] 南方電網報：南方電網“十四五”電網發展規劃出爐全面推進新型電力系統建設，服務碳達峯碳中和目標. 2021.11.12 https://www.csg.cn/xwzx/2021/gsyw/202111/t20211111_323490.html

[11] 北極星儲能網：2021各省峯谷電價差彙總！上海/北京/湖北/浙江/江蘇/山東排位靠前！.2021.08.09 https://chuneng.bjx.com.cn/news/20210809/1168511.shtml

[12] 科學技術部：“十四五”國家重點研發計劃“儲能與智能電網技術”重點專項2021年度項目申報指南（徵求意見稿）.2021.02.02 https://shupeidian.bjx.com.cn/html/20210202/1133827.shtml

[13] 科學技術部：國家重點研發計劃“儲能與智能電網技術”重點專項2021年度擬立項項目安排公示 2021.12.13 https://shupeidian.bjx.com.cn/html/20211213/1193225.shtml