劉吉臻：儲能發(fā)展須從工程示范中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題

　　人物簡介:劉吉臻　男，1951年8月出生，漢族，山西嵐縣人。中國工程院院士，教授，博士生導(dǎo)師。1993年8月起，歷任原華北電力學(xué)院副院長，華北電力大學(xué)副校長、保定校區(qū)校長;1998年6月起任原武漢水利電力大學(xué)校長;2001年1月至2016年11月任華北電力大學(xué)校長;現(xiàn)任“新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”主任，“973計(jì)劃”項(xiàng)目首席科學(xué)家。兼任中國電機(jī)工程學(xué)會副理事長、公共安全科學(xué)技術(shù)學(xué)會副理事長、中國能源研究會智能發(fā)電專委會主任委員、英國工程技術(shù)學(xué)會會士(FIET)、第十二屆全國政協(xié)委員。

　　長期致力于發(fā)電廠自動化技術(shù)研究，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻克了行業(yè)發(fā)展面臨的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題，取得了具有開創(chuàng)性、系統(tǒng)性的研究成果。獲國家科技進(jìn)步一等獎1項(xiàng)、二等獎2項(xiàng)，其他省部級及以上獎項(xiàng)7項(xiàng)。出版《新能源電力系統(tǒng)建模與控制》等學(xué)術(shù)著作5部，獲授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)，發(fā)表SCI論文100余篇。

　　今年7月，中央全面深化改革委員會第二次會議提出：“要立足我國生態(tài)文明建設(shè)已進(jìn)入以降碳為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向的關(guān)鍵時期，完善能源消耗總量和強(qiáng)度調(diào)控，逐步轉(zhuǎn)向碳排放總量和強(qiáng)度雙控制度。要深化電力體制改革，加快構(gòu)建清潔低碳、安全充裕、經(jīng)濟(jì)高效、供需協(xié)同、靈活智能的新型電力系統(tǒng)，更好推動能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，保障國家能源安全。”

　　近日，在“2023年全球能源轉(zhuǎn)型高層論壇儲能產(chǎn)學(xué)研融合發(fā)展分論壇”上，華北電力大學(xué)教授、中國工程院院士、新能源電力系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任劉吉臻深入闡述了我國能源轉(zhuǎn)型的背景及發(fā)展思路，對儲能在新型電力系統(tǒng)中的定位、發(fā)展方向和問題挑戰(zhàn)展開了詳細(xì)分析。劉吉臻表示，近年來我國能源發(fā)展指導(dǎo)思想不斷調(diào)整、更加務(wù)實(shí)，“清潔低碳、安全充裕、經(jīng)濟(jì)高效、供需協(xié)同、靈活智能”成為我國能源電力轉(zhuǎn)型發(fā)展二十字方針，新型電力系統(tǒng)建設(shè)也將成為儲能發(fā)展的核心推動力，儲能要發(fā)揮更大作用必須堅(jiān)持因地制宜，重視其安全性和經(jīng)濟(jì)性。

　　我國能源轉(zhuǎn)型的背景及發(fā)展思路

　　2022年，我國一次能源消費(fèi)總量折合54.1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占世界能源消費(fèi)總量的26.5%，超過1/4;煤炭、石油、天然氣和非化石能源占一次能源消費(fèi)總量比重分別為56.2%、17.9%、8.4%和17.5%;煤炭消費(fèi)30.4億噸標(biāo)煤，占世界消費(fèi)總量的54.8%，超過1/2;能源相關(guān)二氧化碳排放量105.5億噸，約占世界二氧化碳總排放量的1/3。劉吉臻指出，我國仍處于“煤基能源時代”，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)難以根本改變，我國面臨著煤炭仍占主導(dǎo)地位、環(huán)境污染碳排放高、用能效率較低、新能源技術(shù)創(chuàng)新能力不足、能源安全形勢嚴(yán)峻等種種問題與挑戰(zhàn)。

　　為應(yīng)對挑戰(zhàn)，劉吉臻認(rèn)為，應(yīng)大力推動化石能源清潔化、清潔能源規(guī)?；投喾N能源綜合化。第一，化石能源清潔化即發(fā)展煤炭等化石能源清潔高效開發(fā)利用技術(shù)，降低化石能源消費(fèi)量和占比;第二，清潔能源規(guī)模化即發(fā)展可再生能源和先進(jìn)核能技術(shù)，大幅提高非化石能源占比;第三，多種能源綜合化即提高電能在終端能源消費(fèi)中的比重，突破電網(wǎng)、儲能、氫能等綜合能源技術(shù)。

　　對于新型電力系統(tǒng)與能源轉(zhuǎn)型二十字方針，劉吉臻所負(fù)責(zé)的新能源電力系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室給出了具體的定義和解釋——隨著大規(guī)模新能源電力接入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)需要在隨機(jī)波動的負(fù)荷需求與電源之間實(shí)現(xiàn)能量供需平衡，其結(jié)構(gòu)形態(tài)、運(yùn)行控制方式及規(guī)劃建設(shè)與管理模式發(fā)生根本性變革，逐步形成以新能源電力生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)為主體的新一代電力系統(tǒng)，即新型電力系統(tǒng)。“清潔低碳”即提高綠色發(fā)電裝機(jī)、電量占比，“安全充裕”即資源供給安全、系統(tǒng)運(yùn)行安全、發(fā)電和電網(wǎng)能力充足，“經(jīng)濟(jì)高效”即完善市場機(jī)制、建立新型電力市場，“供需協(xié)同”即建立源網(wǎng)荷儲一體化運(yùn)行模式，“靈活智能”即數(shù)字賦能、建立靈活智能的控制系統(tǒng)。

　　新型儲能發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)最新動向

　　近年來，在推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型與構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的大背景之下，儲能產(chǎn)業(yè)受到全社會、全球各國的高度關(guān)注，我國新型儲能技術(shù)研發(fā)、儲能系統(tǒng)集成、儲能示范應(yīng)用、儲能產(chǎn)業(yè)化等領(lǐng)域發(fā)展極其活躍。

　　當(dāng)前，全球儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)以下四大發(fā)展特點(diǎn)和趨勢：

　　第一，全球儲能產(chǎn)業(yè)處于快速增長期。截至2022年底，全球已投運(yùn)儲能項(xiàng)目規(guī)模達(dá)到2.4億千瓦，同比增長15%。2022年，儲能新增規(guī)模超過3000萬千瓦，比2021年翻一番。其中，中國、歐洲和美國新增規(guī)模占比分別為36%、26%和24%，三者合計(jì)占全球新增市場的86%。

　　第二，電化學(xué)儲能將成增量主體，負(fù)荷側(cè)儲能呈爆發(fā)式增長。截至2022年底，全球電化學(xué)儲能累計(jì)裝機(jī)4500萬千瓦，年增長率達(dá)到80%，其中鋰離子電池仍占據(jù)主導(dǎo)地位。

　　第三，新型電力系統(tǒng)建設(shè)將成為儲能發(fā)展的核心推動力。儲能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備，有利于新能源快速增長和全球電氣化程度提升。據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測，從2022~2050年，全球風(fēng)光等新能源發(fā)電量占比將由14.4%提升至50%，電力在終端能源消費(fèi)中的占比將由20%提升至50%以上。

　　第四，儲能技術(shù)成本下降和政策布局將助推產(chǎn)業(yè)持續(xù)擴(kuò)張。隨著技術(shù)日漸成熟和產(chǎn)能擴(kuò)張，儲能成本快速下降，以鋰離子電池為例，2022年全球平均價格約150美元/千瓦時，比2013年下降了近80%。

　　值得關(guān)注的是，我國新型儲能發(fā)展勢頭非常迅猛。截至2022年底，全國新型儲能裝機(jī)規(guī)模約870萬千瓦/1805萬千瓦時，平均儲能時長2.1小時。全國已投運(yùn)新型儲能項(xiàng)目中，鋰離子電池占比約94.5%，鉛酸(碳)電池占比約1.7%，液流電池占比約1.6%。壓縮空氣儲能發(fā)展提速，占比約為2.0%。

　　從技術(shù)角度出發(fā)，新型儲能應(yīng)重點(diǎn)明確“促進(jìn)新能源大規(guī)模開發(fā)消納、支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和保障用戶靈活高效用電”的三大功能定位：

　　促進(jìn)新能源大規(guī)模開發(fā)消納方面。一是在新能源富集地區(qū)，通過建設(shè)系統(tǒng)友好型新能源電站、新能源場站配建儲能、租賃共享儲能等形式，平滑輸出功率，減少新能源棄電，保障新能源高效消納利用。二是支撐大規(guī)模新能源外送，例如在沙漠戈壁荒漠大型新能源基地，儲能可提升外送通道利用率和通道可再生能源電量占比;再如大規(guī)模海上風(fēng)電基地，儲能有助于提升海上風(fēng)電消納利用水平和容量支撐能力。

　　支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行方面，新型儲能可用于保供、調(diào)節(jié)、穩(wěn)定、替代和應(yīng)急。保供即可支撐電力保供，利用儲能應(yīng)對尖峰負(fù)荷，提供頂峰供電服務(wù);儲能還可承擔(dān)備用容量中的負(fù)荷備用及旋轉(zhuǎn)事故熱備用。調(diào)節(jié)即提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，電網(wǎng)側(cè)接入新型儲能資源統(tǒng)一調(diào)度，電源側(cè)可構(gòu)建“火儲聯(lián)調(diào)”或火電、核電等傳統(tǒng)電源配儲能。穩(wěn)定即提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定水平，發(fā)揮調(diào)頻、調(diào)壓、事故備用、爬坡、黑啟動等功能，提升系統(tǒng)抵御突發(fā)事件和故障后恢復(fù)能力。替代即延緩輸配電設(shè)備投資，在輸電走廊資源和變電站站址資源緊張地區(qū)，用儲能代替輸配電設(shè)備。應(yīng)急即實(shí)現(xiàn)應(yīng)急備用，新型儲能在極端條件下可保證穩(wěn)定、不間斷供電，提升重要負(fù)荷中心的應(yīng)急保障能力。

　　保障用戶靈活高效用電方面，一是提供需求側(cè)響應(yīng)能力，利用雙向互動智能充放電技術(shù)參與電力市場調(diào)節(jié)，通過“低充高放”，降低用戶的整體用電成本，同時響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)節(jié)需求，提升智能高效用電水平。二是滿足用戶高質(zhì)量用能需求，針對用電量大且對供電可靠性、電能質(zhì)量要求高的電力用戶，支撐高品質(zhì)用電;針對分散終端用戶，以及具備條件的農(nóng)村用戶，提高用能質(zhì)量、降低用能成本。三是服務(wù)用戶綠色低碳用能，不間斷電源、充換電設(shè)施等可作為用戶側(cè)分散式儲能設(shè)施，電動汽車、智慧用電設(shè)施等雙向互動智能充放電也可發(fā)揮儲能的作用。

　　當(dāng)前，規(guī)?；瘧?yīng)用的新型儲能技術(shù)主要有鋰離子電池儲能、液流電池儲能和壓縮空氣儲能;試點(diǎn)示范的新型儲能技術(shù)主要有鈉離子電池儲能、抽汽蓄能、壓縮二氧化碳儲能、重力儲能、氫(氨)儲能、飛輪和超級電容器。而尚處于研發(fā)攻關(guān)階段的新型儲能技術(shù)，國內(nèi)外將重點(diǎn)以低成本、高安全、大規(guī)模為研發(fā)方向，攻克現(xiàn)有技術(shù)短板。固態(tài)電池、金屬空氣電池、多電子二次電池、熱泵儲能、液態(tài)空氣儲能等技術(shù)領(lǐng)域是研究熱點(diǎn)，但多數(shù)技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，距離規(guī)模化應(yīng)用仍有一定距離。

　　需要重新評估儲能在新型電力系統(tǒng)中的地位和作用

　　“電荷最大的一個缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)大量的堆積。截至2022年，全球電化學(xué)儲能累計(jì)裝機(jī)4500萬千瓦，但與更為龐大的發(fā)電裝機(jī)相比，儲能所發(fā)揮的作用很有限，且新型儲能也無法提供保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行所需的轉(zhuǎn)動慣量等必要元素。”劉吉臻分析道，“在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)過程中，關(guān)鍵還是在于‘源網(wǎng)荷’環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)供需協(xié)同、靈活智能，儲能在新型電力系統(tǒng)中也必將有發(fā)揮其作用的一席之地，新型電力系統(tǒng)建設(shè)也將成為儲能發(fā)展的核心推動力。”

　　劉吉臻表示，行業(yè)要系統(tǒng)、準(zhǔn)確評估儲能在新型電力系統(tǒng)中的定位和作用，保持清醒的頭腦與認(rèn)識，穩(wěn)妥有序推動儲能發(fā)展。

　　劉吉臻還指出，把儲能置于構(gòu)建新型電力系統(tǒng)這一宏大命題下，有兩個關(guān)鍵問題：

　　第一個問題是儲能“放”在“源網(wǎng)荷”哪個環(huán)節(jié)更合適?

　　第二個問題是儲能的品類繁多，電化學(xué)儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等，縱橫交錯，究竟孰優(yōu)孰劣?

　　劉吉臻表示，要回答上述兩個問題，關(guān)鍵還是要緊扣能源轉(zhuǎn)型二十字方針，即兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性，從近期、長期和遠(yuǎn)期角度，明晰儲能的定位，堅(jiān)持技術(shù)中立原則，穩(wěn)妥有序推進(jìn)儲能的示范應(yīng)用和規(guī)模化推廣。以沙戈荒新能源大基地為例，儲能的應(yīng)用目標(biāo)是促進(jìn)新能源的大規(guī)模開發(fā)和消納，目前“新能源配火電、配抽水蓄能或電化學(xué)儲能”，關(guān)鍵在于“配多少”和“怎么用”。

　　從技術(shù)需求來看，新型儲能發(fā)展的應(yīng)用場景、儲能規(guī)模、儲能時長及應(yīng)用地區(qū)，都需要因地制宜、對癥下藥。劉吉臻舉例說明道，最近寧夏靈武電廠投入了1.24兆瓦的飛輪儲能示范項(xiàng)目，探索解決火電機(jī)組一次調(diào)頻能力不足的問題。系統(tǒng)投入運(yùn)行至今約2年，不僅有效解決了該廠原有的一次調(diào)頻考核不合格問題，幫助電廠實(shí)現(xiàn)扭虧為盈，且項(xiàng)目僅需3年左右的時間即可收回全部初期投資，小小的飛輪發(fā)揮了巨大的作用，該項(xiàng)目可在全國范圍內(nèi)同類型電廠推廣。

　　“因此，還是要多做示范，實(shí)踐出真知，只有在工程示范過程中，才能發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，紙上談兵不可取?？偠灾?，一定要把通過技術(shù)攻關(guān)解決重大難題放在首位，核心是圍繞低成本、高安全和規(guī)?；膬δ軕?yīng)用場景。”劉吉臻總結(jié)道。

　　本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2023年10期