超長時儲能：未來新型能源體系的關(guān)鍵拼圖

超長時儲能：未來新型能源體系的關(guān)鍵拼圖

張瑾軒 劉鐘淇

2021年，美國得克薩斯州遭遇百年一遇的極寒天氣，電力系統(tǒng)幾近崩潰，近500萬人陷入無電可用的困境。這場災(zāi)難暴露了高比例新能源系統(tǒng)在極端天氣下的脆弱性。

在中國西北的風(fēng)光資源富集區(qū)，另一類矛盾同樣尖銳。全國新能源消納監(jiān)測預(yù)警中心數(shù)據(jù)顯示，2025年一季度青海、甘肅、新疆等省的風(fēng)光發(fā)電利用率在90%左右，新能源電站仍存在“曬太陽”、“吹風(fēng)”的現(xiàn)象。

此類事件指向同一癥結(jié)：隨著全球能源綠色轉(zhuǎn)型加速，高比例新能源并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的靈活性提出了前所未有的挑戰(zhàn)。

儲能的爆發(fā)式增長與鋰電池的盛宴

全球儲能市場正經(jīng)歷前所未有的爆發(fā)式增長。從存量儲能項目來看，當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的儲能技術(shù)是抽水蓄能和鋰離子電池儲能。中國等亞洲國家是抽蓄建設(shè)的主陣地，而隨著符合建設(shè)條件的站址資源逐漸減少，世界范圍內(nèi)抽蓄發(fā)展已進入相對平穩(wěn)的階段。與抽水蓄能相比，以鋰離子電池為代表的新型儲能建設(shè)周期短、選址靈活，是現(xiàn)階段儲能發(fā)展的主力。彭博新能源財經(jīng)(BNEF)數(shù)據(jù)顯示，2024年全球新增儲能裝機容量達69GW/169GWh，同比增速達76%，其中電化學(xué)儲能占比超過90%。中國儲能市場發(fā)展更為迅速，截至2024年底全國已建成投運新型儲能項目累計裝機規(guī)模達73.8GW/168GWh，約為“十三五”末的20倍，較2023年底增長超過130%。2024年新型儲能的平均儲能時長達2.3小時，較2023年提升0.2小時。

值得注意的是，當(dāng)前絕大多數(shù)鋰電池項目的儲能時長仍在2~4小時區(qū)間。造成這一現(xiàn)象的原因主要有三方面。一是系統(tǒng)需求。目前對儲能項目的需求仍以日內(nèi)調(diào)節(jié)為主，主要用于解決太陽能的晝夜間歇性。如美國NREL的一項研究顯示4小時儲能可以較好覆蓋早晚高峰，已能解決大多數(shù)日內(nèi)調(diào)節(jié)問題。對于新能源長期波動，仍然主要依靠火電等傳統(tǒng)調(diào)節(jié)資源。二是系統(tǒng)成本。當(dāng)前處于爆發(fā)期的儲能技術(shù)主要為鋰離子電池?；阡囯x子電池自身的技術(shù)原理，其功率和儲電量基本呈線性相關(guān)，綜合考慮單位造價、循環(huán)壽命等，鋰離子電池的儲能時長控制在4小時內(nèi)經(jīng)濟性較好。三是政策驅(qū)動。如中國多省規(guī)定鼓勵新能源項目配置10%-20%、2-4小時的儲能系統(tǒng)，美國《通脹削減法案》(IRA)為儲能項目提供30%的投資稅收抵免等。這類激勵政策對儲能的連續(xù)放電時長要求基本都不高于4小時。

未來新型能源體系究竟需要什么樣的儲能

電力系統(tǒng)在不同時間尺度對靈活調(diào)節(jié)資源均有相應(yīng)的需求和應(yīng)用場景。瞬時尺度(秒級-分鐘級)主要包括提高電能質(zhì)量、一次調(diào)頻、無功支撐等，短時尺度(連續(xù)放電8小時以內(nèi))主要包括于二次調(diào)頻、日內(nèi)削峰填谷、提供系統(tǒng)備用等，長時尺度(連續(xù)放電8-20小時)乃至超長時尺度(連續(xù)放電20小時以上)則主要包括周、月內(nèi)乃至季節(jié)性的平衡調(diào)節(jié)等。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，不同時間尺度的調(diào)節(jié)能力主要由火電、水電等可控電源提供，本質(zhì)上也是通過儲煤、儲油、儲氣、水庫蓄水等儲能形式實現(xiàn)能量的跨時間調(diào)配。然而隨著新型能源體系和新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建，風(fēng)光新能源發(fā)電比例不斷增高，對系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力需求增大。另一方面，從中遠期來看，未來碳達峰后，火電將不可避免地面臨逐步減退，僅靠火電為主的傳統(tǒng)調(diào)節(jié)電源，越來越難以滿足系統(tǒng)需求。這也是新型儲能逐漸在電力系統(tǒng)走向前臺的最主要原因。

電力系統(tǒng)對儲能的需求與新能源滲透率密切相關(guān)。隨著新能源滲透率的提高，系統(tǒng)不僅需要儲能提供功率支持，還要求儲能的時長不斷增加。研究表明，新能源滲透率在20%以內(nèi)時，系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源的供需矛盾主要體現(xiàn)新能源的波動幅度加大，如上午時段光伏出力的快速增加，傳統(tǒng)電源調(diào)節(jié)速度跟不上，這時候就需要增加配置新型儲能，提供短時的快速功率調(diào)節(jié)能力。而隨著新能源的快速發(fā)展，截至2024年底，我國已有15個省區(qū)的新能源裝機在整個電源結(jié)構(gòu)中占比超過火電，逐漸成為主體電源，此時極熱無風(fēng)、極寒無光、長時無風(fēng)或陰雨等特殊天氣將對系統(tǒng)產(chǎn)生越來越大的影響。

以華東區(qū)域為例，根據(jù)當(dāng)?shù)?5個氣象測站1980年-2020年40年的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，梅雨季節(jié)新能源持續(xù)低出力天氣事件(連續(xù)24小時風(fēng)速低于平均水平的10%且輻照度低于平均水平的20%)達500次以上，其中99次持續(xù)時間達到三天以上。這種情況下，系統(tǒng)對于儲能的需求就不僅體現(xiàn)在功率調(diào)節(jié)能力上，還需要儲能具備長時間連續(xù)放電能力，也就是說，需要長時或超長時的儲能。

未來的新型能源體系將前所未有地需求可連續(xù)放電20小時以上的超長時儲能。在火電等傳統(tǒng)調(diào)節(jié)電源減退的背景下，為有效應(yīng)對新能源持續(xù)低出力天氣事件的影響，在大多數(shù)情況下，需要儲能具備可連續(xù)放電20小時或頂峰供電5天以上的能力(以每天頂峰供電4小時計)。另一方面，為平抑高比例風(fēng)電光伏帶來的季節(jié)性波動，也需要超長時儲能解決跨季節(jié)的電力電量平衡問題。

經(jīng)測算，在保持系統(tǒng)合理經(jīng)濟性的前提下，當(dāng)新能源滲透率超過30% 以后，僅配置短時儲能(4-6小時)難以繼續(xù)滿足系統(tǒng)需求，需要逐漸引入長時儲能為系統(tǒng)提供能量調(diào)節(jié)能力。

隨著新能源滲透率的進一步提高，如果僅配置短時儲能，系統(tǒng)棄風(fēng)、棄光率將大幅提高。若遭遇連續(xù)陰雨無風(fēng)天氣過程，短時儲能資源迅速耗盡，各類可調(diào)節(jié)電源全部滿發(fā)后仍無法滿足用電需求，需要長時、超長時儲能(20小時以上)提高應(yīng)對極端天氣、保障電力可靠供應(yīng)的能力。通過協(xié)同調(diào)度發(fā)揮各類儲能的技術(shù)比較優(yōu)勢，確保不同類型儲能在最需要的關(guān)鍵時刻被有效利用，能夠顯著提升電力系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟性和靈活性。

超長時儲能的技術(shù)圖譜與關(guān)鍵瓶頸

那么什么樣的儲能技術(shù)路線可以滿足未來超長時(長時)儲能的需求?液流電池、壓縮空氣儲能等曾被寄予厚望，但無論從放電時長還是造價看，這些技術(shù)往往難以勝任超長時儲能。能實現(xiàn)超長時、長時能量存儲一般要求儲能的功率和電量可解耦，隨著儲能時長的提升其單位能量成本呈下降趨勢。如鋰離子電池的特性決定了增加儲能時長需等比例擴展電芯規(guī)模，故鋰離子電池儲能系統(tǒng)的成本隨時長增加幾乎線性增長，作為長時儲能的經(jīng)濟性較差。而全釩液流電池，其容量與電解液相關(guān)，電池的功率則由電堆決定，功率和容量相互獨立，是長時儲能的可選技術(shù)，但受限于能量密度低、循環(huán)效率也相對不高，作為長時儲能其經(jīng)濟性較差。

氫儲能系統(tǒng)由電制氫、儲氫容器、氫發(fā)電設(shè)備等聯(lián)合構(gòu)成，其功率由電制氫和氫發(fā)電設(shè)備決定，容量與儲氫容器規(guī)模相關(guān)，隨著儲能時長的增加氫儲能系統(tǒng)能量成本顯著下降。在當(dāng)前技術(shù)水平下，氫儲能與壓縮空氣、抽水蓄能等儲能手段相比，在放電時長方面優(yōu)勢明顯且不受特定的地理條件的限制，是未來發(fā)展前景最好的長時或超長時儲能技術(shù)之一。但其短板同樣突出：電-氫-電全流程的能量轉(zhuǎn)化效率僅在30%左右，遠低于抽水蓄能、鋰離子電池等儲能技術(shù);儲氫罐、氫燃料電池等關(guān)鍵設(shè)備成本仍較高，推高了氫儲能的系統(tǒng)成本;氫儲能標準體系尚不完善，缺乏相應(yīng)的政策支持，電力市場尚未建立針對長時儲能的補償機制，由于長時儲能系統(tǒng)年利用率低，回收投資難，抑制了社會資本投入。以可連續(xù)放電20小時的氫儲能系統(tǒng)為例，其能量成本大約只有鋰電池一半，但功率成本是鋰電池的2~3倍。考慮到長時儲能利用率遠低于短時儲能，氫儲能電量電價可達2元/kWh以上，是鋰電池儲能的6~7倍。氫儲能距離大規(guī)模應(yīng)用仍需跨越技術(shù)與市場機制的雙重鴻溝。

除氫儲能外，合成零碳燃氣(如綠色甲烷)、儲熱、大容量混合式抽蓄也是長時或超長時儲能的可選技術(shù)路線。甲烷等合成零碳燃氣相比氫氣更易于存儲，但合成過程能耗高，全周期能量轉(zhuǎn)化效率往往也更低。儲熱部署靈活，更適合熱能的跨季節(jié)存儲，可用于工業(yè)供熱、民用供暖等場景。大容量混合式抽蓄技術(shù)成熟，能量轉(zhuǎn)化效率高，但其開發(fā)建設(shè)周期長，也更受地理環(huán)境限制。

未來的超長時(長時)儲能也需要用戶側(cè)的廣泛參與，充分發(fā)掘電動汽車、溫控負荷、工業(yè)負荷等負荷側(cè)的調(diào)節(jié)潛力。電動汽車通過有序充電、車網(wǎng)互動(V2G)可參與削峰填谷，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。冶金、化工等生產(chǎn)高載能產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)可靈活調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)奏，產(chǎn)品借助成熟的工業(yè)倉儲、物流體系進行存儲，同樣有望解決新能源季節(jié)性的大幅波動給電力系統(tǒng)帶來的長周期靈活調(diào)節(jié)資源稀缺問題，實現(xiàn)廣義上的超長時儲能。

推動超長時儲能發(fā)展的建議

一是開展技術(shù)攻關(guān)，降低儲能系統(tǒng)的成本。如優(yōu)化制氫電解槽制造工藝，進一步降低成本、提高制氫效率;研發(fā)低成本、高可靠的高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)儲氫設(shè)備，研究新型有機液體儲氫技術(shù);發(fā)展重型純氫燃氣輪機的設(shè)計制造技術(shù)，降低氫燃料電池關(guān)鍵零部件的成本、提高氫燃料電池發(fā)電效率;優(yōu)化甲烷化工藝，充分利用反應(yīng)熱、降低能耗;開發(fā)新型高性能相變材料，開發(fā)儲熱智能化控制系統(tǒng)等。

二是創(chuàng)新氫能應(yīng)用模式，推動電氫協(xié)同發(fā)展。需要完善頂層設(shè)計，統(tǒng)籌規(guī)劃電氫協(xié)同生產(chǎn)配置網(wǎng)絡(luò)布局和電力、化工、交通等領(lǐng)域用能發(fā)展規(guī)劃。同時強化政策支持，給予綠氫生產(chǎn)補貼，完善全國碳市場建設(shè)，促進氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展。從而充分發(fā)揮電與氫各自的獨特優(yōu)勢，實現(xiàn)“1+1>2”。

三是創(chuàng)新儲能體系調(diào)度、應(yīng)用模式，發(fā)揮超長時儲能長周期能量存儲功能。建立中長期風(fēng)光出力概率預(yù)測模型，根據(jù)預(yù)測結(jié)果動態(tài)配置各類儲能規(guī)模，優(yōu)化短時、長時、超長時儲能調(diào)用策略，讓短時儲能“輕裝上陣”、長時儲能“精準發(fā)力”、超長時儲能“兜底維穩(wěn)”。同時，著眼于廣義的超長時儲能，推動化工、冶金等高載能產(chǎn)業(yè)與新能源發(fā)電的聯(lián)動，激活負荷側(cè)潛在的靈活調(diào)節(jié)潛力。

四是完善頂層設(shè)計和儲能市場機制，為超長時儲能提供政策支持。建立超長時儲能能量補償機制，如對于儲能時長超過20小時的超長時儲能項目按能量給予補償和輸配電價優(yōu)惠，綜合儲能時長和容量折算新能源項目的配儲比例，支持超長時、長時儲能試點項目參與電力現(xiàn)貨市場等。此外，還應(yīng)完善氫儲能相關(guān)標準體系，強化對這一領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新支持，鼓勵開展氫儲能全鏈條示范。

超長時儲能的發(fā)展注定是一場馬拉松。短期看，技術(shù)成熟度低、經(jīng)濟性不足仍是主要障礙;但長期看，能源革命逐漸進入深水區(qū)，超長時儲能已不是單純的技術(shù)選項，而是新型電力系統(tǒng)存續(xù)發(fā)展的生命線，隨著技術(shù)成熟和市場機制的健全，其經(jīng)濟優(yōu)勢也將逐漸顯現(xiàn)。這場關(guān)乎能源安全的攻堅戰(zhàn)，需要政策制定者、技術(shù)研發(fā)者與市場參與者共同落子。(作者單位：全球能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院)