长时储能技术路线及在新型电力系统中的应用研究

执行摘要 THE LONG-DURATION ENERGYSTORAGE TECHNOLOGY PATHWAYSAND THEIR APPLICATIONS IN NEWELECTRICITY SYSTEM Executive Summary 编写单位：中关村储能产业技术联盟 中关村储能产业技术联盟（CHINA ENERGY STORAGE ALLIANCE，简称CNESA）成立于2010年3月，是中国最早的专注于储能领域的非营利性行业社团组织，被北京市民政局评定为中国社会组织5A级社团。截至2023年底有630+家会员单位和数百家合作单位，覆盖重点研究院所、电网企业、发电企业、电池厂商和储能系统集成商等各个领域。CNESA致力于推进我国储能政策制定和实施、促进储能产业商业化发展、加强储能关键技术研发，推动我国储能产业与技术的健康、有序发展。 编写人： 李晨飞、岳芬、孙佳为、宁娜 支持单位：美国环保协会（EDF）北京代表处 本研究立足长时储能，通过对长时储能定义、长时储能在新型电力系统中的作用以及长时储能成本下降潜力的研究分析，总结长时储能发展面临的挑战，并提出相关建议，以期支撑大规模可再生能源并网及消纳，助力中国“碳达峰、碳中和”目标实现。鉴于编写者能力有限，编写中难免有疏漏和不足，望业内专家批评指正。 目录 一、长时储能定义.............................................................................2 二、长时储能技术多元化发展...........................................................4 1.抽水蓄能......................................................................................52.压缩空气储能..............................................................................63.重力储能......................................................................................74.液流电池......................................................................................85.储热..............................................................................................96.氢储能..........................................................................................9 三、长时储能成本下降潜力较大.......................................................11 1.各类技术性能对比......................................................................122.各类技术全生命周期成本预测..................................................12 四、长时储能将在新型电力系统中发挥重要作用.............................13 1.长时储能在新型电力系统中的应用..........................................142.长时储能市场空间展望..............................................................15 五、新型电力系统背景下的长时储能发展建议................................. 16 1.制定长时储能技术路线图..........................................................172.促进新型长时储能技术攻关......................................................173.推动试点示范项目建设..............................................................184.促进长时储能商业化进程..........................................................195.加强长时储能知识产权保护......................................................196.加快长时储能标准体系建设......................................................207.完善政策机制保障体系...............................................................20 第一章 长时储能定义 长时储能尚处于发展早期阶段，仅有少数国家明确了长时储能定义。 本课题基于我国可再生能源和电力系统的发展，将适合我国国情的长时储能定义为：在额定功率下能够实现持续放电4小时及以上，或者数天、数月的大规模低成本储能技术。 具体地，根据我国新型能源系统的发展阶段和灵活性储能的总体需求，长时储能技术又可以分为： （1）中长时储能，主要是指在额定功率下持续运行（放电）4-10小时的储能系统；（2）长时储能，主要是指在额定功率下持续运行（放电）10小时到1周的储能系统；（3）超长时储能，主要是指在额定功率下持续运行（放电）1周以上的储能系统。 长时储能技术种类多样，包括物理长时储能、电化学长时储能、储热（蓄冷）和化学长时储能。新型储能是指除抽水蓄能外，以输出电力为主要形式的储能技术。因此除抽水蓄能外，其他长时储能技术可统称为新型长时储能技术。由于新型储能以输出电力为主要形式，因此电能转化为热能或氢能的单向技术应用场景，一般不列为新型长时储能。 第二章 长时储能技术多元化发展 一、抽水蓄能 抽水蓄能电站由上水库、下水库、输水道、厂房及开关站等部分组成。抽水工况下，电网中的电能驱动电动发电机旋转，带动水泵水轮机把下水库的水抽至上水库，将电网中的电能以水势能的形式储存起来；发电工况下，上水库的水流向下水库推动水泵水轮机旋转，带动电动发电机发电并向电网传输，将水的势能转换为电能。 抽水蓄能根据技术类型、开发形式和电站规模可分为不同类型，目前主要为定速的大型抽水蓄能电站，目前主要研究方向为对电网更为友好的变速抽水蓄能，此外，随着大型抽水蓄能电站站址资源减少，中小型抽水蓄能电站逐渐增多。 二、压缩空气储能 压缩空气储能是指利用压缩机将低谷电、不稳定的新能源弃电等电能转化为空气介质压力内能和储热介质的内能，并分别存储于储气单元和储热单元中，在用电需求高峰时释放高压空气经透平膨胀做功后发电的一种储能方式。压缩空气储能系统主要包括压缩子系统、储气子系统、膨胀发电子系统和蓄热换热子系统等，其主要设备包括压缩机、透平膨胀机、储气装置、电动机、发电机、控制系统和辅助设备等，其中压缩机和透平膨胀机是最主要的核心部件。 压缩空气储能包括传统补燃压缩空气储能、绝热压缩空气储能、蓄热式压缩空气储能、液态空气储能、等温压缩空气储能、空气压缩至超临界状态及恒压压缩空气储能等。目前大规模工程应用主要为蓄热式压缩空气储能，液态空气储能、等温压缩空气储能、恒压压缩空气储能等压缩空气储能技术也受到广泛关注。 三、重力储能 重力储能原理与抽水蓄能类似，主要是将固体重物通过物理升降牵引发电设施，实现储电放电。储能载体可以是石头、沙子或其他密度较大且容易就地取材的物体，建造地点可以是天然的山体、矿井，也可以是自建塔架、地下洞穴等。重力储能存储和释放能量的多少，与落差高度、坡度、重物质量等有关。 重力储能主要有重力储能塔、地下竖井重力储能、山地重力储能、活塞水泵等。百兆瓦时级重力储能塔示范项目已经投运，但成本较高。 四、液流电池 液流电池是一种正、负极活性物质均为液体的电化学电池，其液态活性物质既为电极活性材料，又为电解质溶液，分别储存在独立的储液罐中，通过外接管路和流体泵使电解质溶液流入电池堆内进行反应。 根据电极活性物质的不同，液流电池可以分为全钒液流电池、锌溴液流电池、铁铬液流电池等技术。百兆瓦级全钒液流电池示范项目已经投运，但成本较高，一些机构正在开发锌溴液流电池、铁铬液流电池等新型液流电池技术。 五、储热 储热技术是将太阳能光热、地热、工业余热、低品位废热等储存起来，在需要的时候释放，以解决由于时间、空间或强度的热能供给与需求间不匹配所带来的问题。在电力领域，主要指电到电的储热技术。 根据储热的原理，可以将储热技术分成显热、潜热和热化学三种形式，目前较为成熟的是热水、熔融盐、耐火砖等储热技术。储热技术已经广泛应用于火电灵活性改造、光热发电、风光+储热、用户侧供热（或蒸汽）、跨季储热、深冷储冷等领域。 六、氢储能 氢储能是一种化学储能，可以实现大规模、长周期、跨地域储能，主要包括制氢、氢储运和氢利用三个环节。本文氢储能主要是指可再生能源生产的清洁氢，在可再生能源大发时通过电解水制氢促进可再生能源消纳，并在电网需要时向电网供电。 电解水制氢技术是在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气，技术路线有碱性电解槽（AE）、质子交换膜电解槽（PEM）和固体氧化物电解槽（SOE）等。氢储运的技术路线有气态储氢、液态储氢、固态储氢、氨（醇）储氢和地下储氢等。在电力领域，氢能主要通过氢燃气轮机、氢内燃机和氢燃料电池发电。 第三章 长时储能成本下降潜力较大 一、各类技术性能对比 各类长时储能技术性能特点各异。效率方面，抽水蓄能和重力储能效率较高，而熔盐储热和氢储能效率较低。寿命方面，抽水蓄能、压缩空气储能、重力储能等物理储能寿命较长。安全性方面，除氢能外，大部分长时储能安全性较高。环境适应性方面（综合考虑建设选址要求和运行环境要求），抽水蓄能和压缩空气储能环境适应性一般。响应速度方面，液流电池具有明显优势。 二、各类技术全生命周期成本预测 基于现阶段及未来储能技术投资成本及性能参数调研，对不同储能技术全生命周期度电成本进行分析。当储能时长为8小时，目前盐穴压缩空气储能和抽水蓄能度电成本较低。预计未来新型长时储能随着技术不断成熟以及规模化应用，度电成本逐渐降低，预计2035年压缩空气储能、抽水蓄能、液流电池、熔盐储热等多个长时储能技术年利用次数为250次时全生命周期度电成本降至0.3-0.5元/kW·h。 第四章 长时储能将在新型电力系统中发挥重要作用 一、长时储能在新型电力系统中的应用 长时储能对于实现“碳达峰碳中和”目标至关重要，未来长时储能有望在电源侧、电网侧、用户侧、源网荷储一体化、新能源大基地等应用领域发挥重要作用。其中电源侧可以提升火电灵活性以及运行效率，减少新能源弃电；电网侧可以减少或延缓输配电网升级投资，同时为大电网提供调峰、黑启动、惯量响应、备用等服务；用户侧可以减少用户电费，改善电能质量，减少紧急停电和电压不稳造成的经济损失，构建局域微电网的场景下，长时储能可以助力局域电网实现削峰填谷、减少分布式能源弃电和提升供电可靠性；源网荷储一体化场景下，可以通过能量时移减少供需错配以及维持局域电网稳定；新能源大基地场景下，可以通过能量时移减少弃风弃光电量，同