超長(cháng)時(shí)儲能：未來(lái)新型能源體系的關(guān)鍵拼圖

超長(cháng)時(shí)儲能：未來(lái)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，電力系統幾近崩潰，近500萬(wàn)人陷入無(wú)電可用的困境。這場(chǎng)災難暴露了高比例新能源系統在極端天氣下的脆弱性。

在中國西北的風(fēng)光資源富集區，另一類(lèi)矛盾同樣尖銳。全國新能源消納監測預警中心數據顯示，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(yáng)”、“吹風(fēng)”的現象。

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

儲能的爆發(fā)式增長(cháng)與鋰電池的盛宴

全球儲能市場(chǎng)正經(jīng)歷前所未有的爆發(fā)式增長(cháng)。從存量?jì)δ茼椖縼?lái)看，當前應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的主陣地，而隨著(zhù)符合建設條件的站址資源逐漸減少，世界范圍內抽蓄發(fā)展已進(jìn)入相對平穩的階段。與抽水蓄能相比，以鋰離子電池為代表的新型儲能建設周期短、選址靈活，是現階段儲能發(fā)展的主力。彭博新能源財經(jīng)(BNEF)數據顯示，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(guò)90%。中國儲能市場(chǎng)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模達73.8GW/168GWh，約為“十三五”末的20倍，較2023年底增長(cháng)超過(guò)130%。2024年新型儲能的平均儲能時(shí)長(cháng)達2.3小時(shí)，較2023年提升0.2小時(shí)。

值得注意的是，當前絕大多數鋰電池項目的儲能時(shí)長(cháng)仍在2~4小時(shí)區間。造成這一現象的原因主要有三方面。一是系統需求。目前對儲能項目的需求仍以日內調節為主，主要用于解決太陽(yáng)能的晝夜間歇性。如美國NREL的一項研究顯示4小時(shí)儲能可以較好覆蓋早晚高峰，已能解決大多數日內調節問(wèn)題。對于新能源長(cháng)期波動(dòng)，仍然主要依靠火電等傳統調節資源。二是系統成本。當前處于爆發(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(xiàn)性相關(guān)，綜合考慮單位造價(jià)、循環(huán)壽命等，鋰離子電池的儲能時(shí)長(cháng)控制在4小時(shí)內經(jīng)濟性較好。三是政策驅動(dòng)。如中國多省規定鼓勵新能源項目配置10%-20%、2-4小時(shí)的儲能系統，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(lèi)激勵政策對儲能的連續放電時(shí)長(cháng)要求基本都不高于4小時(shí)。

未來(lái)新型能源體系究竟需要什么樣的儲能

電力系統在不同時(shí)間尺度對靈活調節資源均有相應的需求和應用場(chǎng)景。瞬時(shí)尺度(秒級-分鐘級)主要包括提高電能質(zhì)量、一次調頻、無(wú)功支撐等，短時(shí)尺度(連續放電8小時(shí)以?xún)?主要包括于二次調頻、日內削峰填谷、提供系統備用等，長(cháng)時(shí)尺度(連續放電8-20小時(shí))乃至超長(cháng)時(shí)尺度(連續放電20小時(shí)以上)則主要包括周、月內乃至季節性的平衡調節等。傳統電力系統中，不同時(shí)間尺度的調節能力主要由火電、水電等可控電源提供，本質(zhì)上也是通過(guò)儲煤、儲油、儲氣、水庫蓄水等儲能形式實(shí)現能量的跨時(shí)間調配。然而隨著(zhù)新型能源體系和新型電力系統的構建，風(fēng)光新能源發(fā)電比例不斷增高，對系統靈活調節能力需求增大。另一方面，從中遠期來(lái)看，未來(lái)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調節電源，越來(lái)越難以滿(mǎn)足系統需求。這也是新型儲能逐漸在電力系統走向前臺的最主要原因。

電力系統對儲能的需求與新能源滲透率密切相關(guān)。隨著(zhù)新能源滲透率的提高，系統不僅需要儲能提供功率支持，還要求儲能的時(shí)長(cháng)不斷增加。研究表明，新能源滲透率在20%以?xún)葧r(shí)，系統調節資源的供需矛盾主要體現新能源的波動(dòng)幅度加大，如上午時(shí)段光伏出力的快速增加，傳統電源調節速度跟不上，這時(shí)候就需要增加配置新型儲能，提供短時(shí)的快速功率調節能力。而隨著(zhù)新能源的快速發(fā)展，截至2024年底，我國已有15個(gè)省區的新能源裝機在整個(gè)電源結構中占比超過(guò)火電，逐漸成為主體電源，此時(shí)極熱無(wú)風(fēng)、極寒無(wú)光、長(cháng)時(shí)無(wú)風(fēng)或陰雨等特殊天氣將對系統產(chǎn)生越來(lái)越大的影響。

以華東區域為例，根據當地35個(gè)氣象測站1980年-2020年40年的歷史監測數據統計，梅雨季節新能源持續低出力天氣事件(連續24小時(shí)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次持續時(shí)間達到三天以上。這種情況下，系統對于儲能的需求就不僅體現在功率調節能力上，還需要儲能具備長(cháng)時(shí)間連續放電能力，也就是說(shuō)，需要長(cháng)時(shí)或超長(cháng)時(shí)的儲能。

未來(lái)的新型能源體系將前所未有地需求可連續放電20小時(shí)以上的超長(cháng)時(shí)儲能。在火電等傳統調節電源減退的背景下，為有效應對新能源持續低出力天氣事件的影響，在大多數情況下，需要儲能具備可連續放電20小時(shí)或頂峰供電5天以上的能力(以每天頂峰供電4小時(shí)計)。另一方面，為平抑高比例風(fēng)電光伏帶來(lái)的季節性波動(dòng)，也需要超長(cháng)時(shí)儲能解決跨季節的電力電量平衡問(wèn)題。

經(jīng)測算，在保持系統合理經(jīng)濟性的前提下，當新能源滲透率超過(guò)30% 以后，僅配置短時(shí)儲能(4-6小時(shí))難以繼續滿(mǎn)足系統需求，需要逐漸引入長(cháng)時(shí)儲能為系統提供能量調節能力。

隨著(zhù)新能源滲透率的進(jìn)一步提高，如果僅配置短時(shí)儲能，系統棄風(fēng)、棄光率將大幅提高。若遭遇連續陰雨無(wú)風(fēng)天氣過(guò)程，短時(shí)儲能資源迅速耗盡，各類(lèi)可調節電源全部滿(mǎn)發(fā)后仍無(wú)法滿(mǎn)足用電需求，需要長(cháng)時(shí)、超長(cháng)時(shí)儲能(20小時(shí)以上)提高應對極端天氣、保障電力可靠供應的能力。通過(guò)協(xié)同調度發(fā)揮各類(lèi)儲能的技術(shù)比較優(yōu)勢，確保不同類(lèi)型儲能在最需要的關(guān)鍵時(shí)刻被有效利用，能夠顯著(zhù)提升電力系統的可靠性、經(jīng)濟性和靈活性。

超長(cháng)時(shí)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(xiàn)可以滿(mǎn)足未來(lái)超長(cháng)時(shí)(長(cháng)時(shí))儲能的需求?液流電池、壓縮空氣儲能等曾被寄予厚望，但無(wú)論從放電時(shí)長(cháng)還是造價(jià)看，這些技術(shù)往往難以勝任超長(cháng)時(shí)儲能。能實(shí)現超長(cháng)時(shí)、長(cháng)時(shí)能量存儲一般要求儲能的功率和電量可解耦，隨著(zhù)儲能時(shí)長(cháng)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(shí)長(cháng)需等比例擴展電芯規模，故鋰離子電池儲能系統的成本隨時(shí)長(cháng)增加幾乎線(xiàn)性增長(cháng)，作為長(cháng)時(shí)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(cháng)時(shí)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(cháng)時(shí)儲能其經(jīng)濟性較差。

氫儲能系統由電制氫、儲氫容器、氫發(fā)電設備等聯(lián)合構成，其功率由電制氫和氫發(fā)電設備決定，容量與儲氫容器規模相關(guān)，隨著(zhù)儲能時(shí)長(cháng)的增加氫儲能系統能量成本顯著(zhù)下降。在當前技術(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(shí)長(cháng)方面優(yōu)勢明顯且不受特定的地理條件的限制，是未來(lái)發(fā)展前景最好的長(cháng)時(shí)或超長(cháng)時(shí)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)鍵設備成本仍較高，推高了氫儲能的系統成本;氫儲能標準體系尚不完善，缺乏相應的政策支持，電力市場(chǎng)尚未建立針對長(cháng)時(shí)儲能的補償機制，由于長(cháng)時(shí)儲能系統年利用率低，回收投資難，抑制了社會(huì )資本投入。以可連續放電20小時(shí)的氫儲能系統為例，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?？紤]到長(cháng)時(shí)儲能利用率遠低于短時(shí)儲能，氫儲能電量電價(jià)可達2元/kWh以上，是鋰電池儲能的6~7倍。氫儲能距離大規模應用仍需跨越技術(shù)與市場(chǎng)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(cháng)時(shí)或超長(cháng)時(shí)儲能的可選技術(shù)路線(xiàn)。甲烷等合成零碳燃氣相比氫氣更易于存儲，但合成過(guò)程能耗高，全周期能量轉化效率往往也更低。儲熱部署靈活，更適合熱能的跨季節存儲，可用于工業(yè)供熱、民用供暖等場(chǎng)景。大容量混合式抽蓄技術(shù)成熟，能量轉化效率高，但其開(kāi)發(fā)建設周期長(cháng)，也更受地理環(huán)境限制。

未來(lái)的超長(cháng)時(shí)(長(cháng)時(shí))儲能也需要用戶(hù)側的廣泛參與，充分發(fā)掘電動(dòng)汽車(chē)、溫控負荷、工業(yè)負荷等負荷側的調節潛力。電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)有序充電、車(chē)網(wǎng)互動(dòng)(V2G)可參與削峰填谷，提高電網(wǎng)的穩定性和可靠性。冶金、化工等生產(chǎn)高載能產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)可靈活調節生產(chǎn)節奏，產(chǎn)品借助成熟的工業(yè)倉儲、物流體系進(jìn)行存儲，同樣有望解決新能源季節性的大幅波動(dòng)給電力系統帶來(lái)的長(cháng)周期靈活調節資源稀缺問(wèn)題，實(shí)現廣義上的超長(cháng)時(shí)儲能。

推動(dòng)超長(cháng)時(shí)儲能發(fā)展的建議

一是開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，降低儲能系統的成本。如優(yōu)化制氫電解槽制造工藝，進(jìn)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，充分利用反應熱、降低能耗;開(kāi)發(fā)新型高性能相變材料，開(kāi)發(fā)儲熱智能化控制系統等。

二是創(chuàng )新氫能應用模式，推動(dòng)電氫協(xié)同發(fā)展。需要完善頂層設計，統籌規劃電氫協(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)展規劃。同時(shí)強化政策支持，給予綠氫生產(chǎn)補貼，完善全國碳市場(chǎng)建設，促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)規?；l(fā)展。從而充分發(fā)揮電與氫各自的獨特優(yōu)勢，實(shí)現“1+1>2”。

三是創(chuàng )新儲能體系調度、應用模式，發(fā)揮超長(cháng)時(shí)儲能長(cháng)周期能量存儲功能。建立中長(cháng)期風(fēng)光出力概率預測模型，根據預測結果動(dòng)態(tài)配置各類(lèi)儲能規模，優(yōu)化短時(shí)、長(cháng)時(shí)、超長(cháng)時(shí)儲能調用策略，讓短時(shí)儲能“輕裝上陣”、長(cháng)時(shí)儲能“精準發(fā)力”、超長(cháng)時(shí)儲能“兜底維穩”。同時(shí)，著(zhù)眼于廣義的超長(cháng)時(shí)儲能，推動(dòng)化工、冶金等高載能產(chǎn)業(yè)與新能源發(fā)電的聯(lián)動(dòng)，激活負荷側潛在的靈活調節潛力。

四是完善頂層設計和儲能市場(chǎng)機制，為超長(cháng)時(shí)儲能提供政策支持。建立超長(cháng)時(shí)儲能能量補償機制，如對于儲能時(shí)長(cháng)超過(guò)20小時(shí)的超長(cháng)時(shí)儲能項目按能量給予補償和輸配電價(jià)優(yōu)惠，綜合儲能時(shí)長(cháng)和容量折算新能源項目的配儲比例，支持超長(cháng)時(shí)、長(cháng)時(shí)儲能試點(diǎn)項目參與電力現貨市場(chǎng)等。此外，還應完善氫儲能相關(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(kāi)展氫儲能全鏈條示范。

超長(cháng)時(shí)儲能的發(fā)展注定是一場(chǎng)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(cháng)期看，能源革命逐漸進(jìn)入深水區，超長(cháng)時(shí)儲能已不是單純的技術(shù)選項，而是新型電力系統存續發(fā)展的生命線(xiàn)，隨著(zhù)技術(shù)成熟和市場(chǎng)機制的健全，其經(jīng)濟優(yōu)勢也將逐漸顯現。這場(chǎng)關(guān)乎能源安全的攻堅戰，需要政策制定者、技術(shù)研發(fā)者與市場(chǎng)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)