创新型分布式发电与储能

1 中德能源转型研究项目 创新型分布式发电与储能 德国与欧洲的经验及对中国的展望 版本信息 《创新型分布式发电与储能》报告介绍了能源转型对于创新技术的需求和政策在推动创新方面起到的关键作 用以及中国在清洁能源创新方面的潜在角色。该报告在中德能源转型研究项目框架内发布，项目受德国联邦经济和气候保护部(BMWK)委托，在中国国家能源局（NEA）的支持下，致力于在中德两国在低碳能源政策的深入交流合作。作为中德能源与能效合作伙伴的一部分，项目结合德国能源转型的优秀实践经验及遇到的问题和挑战，为中国能源领域的政治决策者和能源政策研究相关的智库提供政策领域的参考建议。德国国际合作机构(GIZ)、德国智库Agora能源转型论坛和德国能源署（dena）受BMWK委托，与中方相关合作伙伴共同实施该项目。作为一家德国联邦企业，德国国际合作机构为德国政府实现可持续发展国际合作目标提供相应支持。 发布方 中德能源转型研究项目 受德国联邦经济和气候保护部（BMWK）的委托 北京市朝阳区亮马河南街14号 塔园外交办公大楼1-15，邮编100600 德国国际合作机构（GIZ） TorstenFritscheKöthenerStr.2Berlin10963 项目管理 ChristophBoth 德国国际合作机构（GIZ） 作者 蒂姆·门纳尔（TIMMENNEL）利昂·波德尔（LEONPODEHL） 珀西·舒尔茨-布希霍夫（PERCYSCHULZE- BUSCHHOFF） 丽莎·斯特普真（LISASTRIPPCHEN）威克托瑞亚·威腾（WIKTORIAWITAN） 设计 edelman.ergo（受德国联邦经济与气候保护部委托） 图片 德国联邦经济和气候保护部/封面 ©北京，2023年1月 本报告全文受版权保护。截至本研究报告发布前，德国国际合作机构和相关作者对出版物中所涉及的数据和信息进行了仔细研究与核对，但不对其中所涉及内容及评论的正确性和完整性做任何形式的保证。本出版物中涉及到的外部网站发行方将对其网站相关内容负责，德国国际合作机构不对其内容承担任何责任。本文件中的观点陈述不代表委托方的意见。对于图例是否最新、正确或者完整，以及由其使用造成的任何直接或间接损害，德国国际合作机构概不承担任何责任。 目录 1概要：能源转型离不开创新型分布式发电4 2分布式发电、分散式灵活性以及对创新的需求5 2.1分散式发电和分散式灵活性的角色5 2.2对创新的需求和现有技术的成本下降6 2.3政府在创新中的角色7 2.4欧盟和德国的研发政策7 2.5与中国的相关性9 3创新型发电技术——超越传统光伏11 3.1创新型分布式发电技术的概况11 3.2中国的潜在角色12 4创新型储能——超越锂离子电池13 4.1创新技术的概况13 4.2中国的潜在角色15 5结论：创新对分布式发电的未来至关重要16 6附录：创新储能技术的概况介绍17 6.1电能储存17 6.2热能储存22 6.3机械能储存23 6.4化学能储存25 1概要：能源转型离不开创新型分布式发电 要实现《巴黎协定》设定的减排目标，就必须扩大可再生能源的利用规模，包括在配电网层面上（分布式发电）对可再生能源的利用。实际上，分布式发电资产——尤其是光伏——近年来在中德两国都变得更加重要，以后也势必会取得进一步增长。大多数此类发电技术都会造成馈入量的可变性，因此要将这种资产整合到系统中并确保整体的供应安全性，不论是输电系统运营商还是配电系统运营商，都必须采取专门的措施，以应对由这种可变性引起的挑战。除了电网扩张外，激发灵活性也很重要，即出于市场及电网目的，使用电力储能技术（主要是电池）和需求侧管理（DSM）。尽管目前分布式发电和灵活性技术已经存在，但进一步的技术创新仍然至关重要，其原因有二：首先，光伏和电池等技术的成本下降将有助于提升能源转型的成本效率，使这种技术在工业化及非工业化经济体中的应用变得可行。其次，创新的技术有可能解决现有技术的多项挑战，例如过度的土地使用、制造中的环境污染以及能源效率低下。 要推动创新，政府就要推行创新政策。欧盟和德国都在能源转型技术领域，启动了支持研究与开发的全面计划，涵盖了发电、灵活性和电网管理。此外，德国有一个能源研究机构的网络，涵盖了从基础研究到产业研究的整个研究领域。目前，中国是光伏设备的主要生产国，也在电池生产领域进行了投资。中国在这些领域的创新取得过令人瞩目的成绩。但是，考虑到分布式发电的挑战及其对碳中和未来的重要性，建议中国扩大关注点，将新的发电、储能和IT技术也纳入到创新工作的范围内。尤其是，要实现雄心勃勃的全球减排目标，能源转型就需要摒弃了稀有原材料的电池技术，藉此满足未来的全球需求。未来的系统运行应基于可以控制负荷与发电的新型软件。除了实验室研发之外，通过部署新资产，往往也会带来技术的进步（实践中学习）。中国宜在分布式发电和分布式储能领域推行创新技术，依赖现有能力，不断谋求技术改进。 2分布式发电、分散式灵活性以及对创新的需求 目前，在德国分布式可再生能源在可再生能源的总装机容量中占比巨大。光伏技术尤其重要。因为发电量的波动性，系统需要更多的灵活性，才能确保电力供应的稳定。一个重要的灵活性选项是使用储能设备。尽管在配电层面上已经存在各种储能技术，但推动创新可能有助于解决当前问题，进一步降低成本，加速能源转型。过去二十多年间，中国系统层面上的可再生能源发电容量取得了突飞猛进的增长。但是，分布式发电仍有巨大的潜力有待挖掘。创新有助于推动分布式发电的应用，可帮助中国实现其减排目标。 2.1分布式发电和分散式灵活性的角色i 德国致力于在2045年之前实现气候中和。在电力 系统中，联邦政府的目标是在2030年之前，实现可再生能源（RES）占比80%的目标。目前，风电和光伏是在电力系统中占主导地位的可再生能源技术。要实现2030年目标，就必须进一步扩大这两 类技术的部署规模。具体来说，政府计划在2030年之前实现215吉瓦光伏、30吉瓦海上风电以及115吉瓦陆上风电的装机容量。 截至2021，德国已经实现了138吉瓦的可再生能源装机容量：64吉瓦的陆上及海上风电和59吉瓦的光伏。2022年上半年，可再生能源在发电中的总计占比大约为51%。ii 图1：2019年的光伏发电装机容量iii 目前，在可再生能源发电领域，分布式可再生能源设施占到了很大的比例，其中又以光伏为主导。最常见的应用是屋顶光伏系统和空地光伏。2019年，德国安装了大约200万套系统。容量低于10千瓦 的光伏系统贡献了大约7吉瓦的总装机容量。容量 低于1兆瓦的小型光伏系统在总装机容量中占到大约60%。空地光伏系统仅在小规模光伏的装机容量中占到一小部分，如图1所示。 在未来的低碳供电系统中，分布式发电将发挥更加重要的作用。现如今，产消者已经开始在发电所在地直接消费电力。 GW 18 建筑物 空地 16 14 12 10 8 6 4 2 0 <10kW10-20kW20-40kW40kW-1MW1-10MW>10MW 来源：德国联邦网络局（Bundesnetzagentur），2020 但是，可再生能源发电的扩张给电力系统造成了挑战：可再生能源馈入量的波动给电网带来了技术问题。在配电层面上，这些问题包括网络装置的热过载、电压超限、反向馈电问题和相位不平衡。波动也可能导致系统层面上的稳定性问题。 灵活性措施是解决这些电网问题的关键。对于配电网，灵活性指的是增加储能（主要是电池）和需求侧管理（DSM）的使用。随着波动性可再生能源比例的提高，电力系统需要更多的灵活性服务。ivv 在储能方面，电池目前是配电网层面上最有价值的技术。电池可以提供负荷转移、平衡电力、空转备用以及黑启动能力等服务。通过这些服务，电池也可以减少输电网限制，推迟对主要基础设施投资的需求。在电表背后的电池可能有助于增加消费者的自用消费，改进用电质量。vivii 2.2对创新的需求和现有技术的成本下降 目前已有各种发电技术和储能解决方案。实现气候目标及具体的发电目标要求可再生能源进一步大规模的扩张。随着具有波动性的电力在系统中占比的不断提高，对灵活性的需求也因此更高。除了传统 的储能选项以外，还需要通过创新的解决方案来满足这种灵活性需求。 创新的最大优点是成本下降。成本下降描述的是生产成本随着生产规模的扩大而下降的过程。以固定式锂离子电池为例，其成本在2014到2017年之间已经下降了大约60%。2030年之前，成本还有潜力进一步下降大约54%-61%。viii不同电池的潜在成本下降将在第4节进行详细概述。不仅是电池，发电技术也可得益于创新和相应的成本下降。例如，第3节介绍了光伏电池的成本下降。 此外，现有的发电和储能技术解决方案都面临着各种挑战。土地使用冲突、接受度问题和材料资源问题只是几个例子。新技术可以为这些问题提供解决方案。创新不仅能够通过新技术解决问题，也能够提高现有技术的效率。在光伏领域，目前的创新周期约为2到4年，每年带来的效率提升约为0.6%。 太阳能电池效率 硅限硅叠层HJT TOPCon PERCAI-BSF 趋势 图2：太阳能电池效率的发展ix 2.3政府在创新中的角色 创新自上世纪九十年代能源转型刚开始时就是推动转型的重要支柱。目前，推动电力部门能源转型的两项主要技术就是基于风能和太阳辐射的技术。这两项技术能实现在不少国家的经济性部署得益于此前的诸多创新成果。过去几百年间，风电的应用一直在发展进步：历史研究表明，古代的埃及和中国是最早使用风能为各种机械提供动力的国家。在中世纪，人们建造风车作为一种研磨谷物的农具，而风车也成为沿海地区的一道风景线，例如在荷兰。 19世纪末，苏格兰、丹麦和美国几乎同步发明了用于发电的风车。在电气化的早期阶段以及中期阶段的大部分时间里，风车都是一项利基技术，主要应用于尚未接入电网系统的地区。但是，多个国家仍在持续推进创新研究。在经历了1970年代的能源危机之后，德国联邦政府于1979年决定委托建造一个风电试点项目，以期改进现有技术，实现其在电力系统中的部署。当时的电力系统还是以褐煤、硬煤和核能为主。德国在北海附近建造了风力涡轮机GROWIAN。此涡轮机额定功率3,000千瓦峰、涡轮机室高为100米，于1983年投入运行，是当时规模最大的涡轮机。尽管此项目是政府赞助的研发项目的绝佳范例，但它在产量及可靠性方面并未达到预期。因此，直到1991年，当法律允许商业开发商将其风车接入网络以换取固定电价之后，这种技术才开始具有技术可行性，成为经济性越来越高的电力来源。从2010年到2020年的这十年间，国际可再生能源署报告称陆上风电的成本平均下降了40%，海上风电下降了29%，且未来还有进一步下降的潜力。 风电的历史发展反映了创新经济学中使用的两个范式：基于政府资助之研发、旨在改进技术的创新；和通过在实践中学习实现的技术创新，即通过应用不断完善。经济学家说明私营部门在创新方面的投资往往是不够的，因为创新者即使研发出了新的产品或者生产技术，它们也无法获得其全部效益。未承担创新成本的模仿者很快就会攫取市场份额。因此，政府通过建立技术研究所或者通过向产业实验室提供研究补助的方式，支持创新活动。可再生能源领域的GROWIAN项目就是一个例子。但是，有些创新是在技术的常规应用过程中，通过相关的逐步完善最终实现的结果，并不是由研究实验室的创新促成的突飞猛进式的发展（“在实践中学习”范 式）。尤其是，随着时间的发展，这些创新可能导致成本的大幅下降。此外，生产设施的规模扩张以及需求的增长也可能导致成本的下降。这说明政府赞助的新技术扶持计划确实应着眼于技术的部署，而非研发。2000年《可再生能源法》（EEG）的上网电价计划是这种政府干预的一个范例。x人们普遍认为，此计划在过去二十年间促成了风电和光伏发电技术的大幅成本下降。xi目前，德国的风电和光伏发电被认为是已经发展到了市场成熟期。因此，未来几年间，扶持机制可能会被淘汰。 2.4欧盟和德国的研发政策