儲能技術與產業現狀及發展趨勢

可再生能源發展水平，也決定了能源互聯網建設的成敗。隨著各國對儲能技術研發和應用重視程度逐漸提高，相關核心配套技術取得長足進展。壓縮空氣儲能技術、液流電池、鋰硫電池等技術已經走向產業化或接近產業化；氫燃料電池作為燃料電池主流方向，應用規模逐漸擴大；儲熱技術發展迅速，市場重視程度有待提高。在可再生能源產業、電動汽車產業和能源互聯網產業快速發展的推動下，儲能產業有望呈爆發性增長態勢；隨著可再生能源電力儲存成本持續降低，儲能系統應用規模和技術成本會進入一個良性循環發展新階段；電動汽車電池技術有望迎來重大突破，市場前景廣闊。

近年來，氣候變化問題日益突出，已從單純的環境保護問題上升為人類生存與發展問題。導致氣候、環境惡化的主因是化石能源消費的碳排放，推進能源消費結構向低碳化和清潔化方向轉型已成全球重要共識。規模開發可再生能源是實現能源轉型的關鍵。為此，173個國家制定了可再生能源發展目標，146個國家出台了支持政策。近兩年來儘管受到全球化石燃料價格大跌的不利影響，但可再生能源產業投資並未受此干擾，2015年還創下新高。

能源轉型和全球能源互聯網的關鍵在於規模開發可再生能源，且全球可再生能源資源十分豐富，特別是太陽能、風能。權威資料顯示，如能獲得太陽輻射到地球能量的六千分之一或風能能量的五百分之一，就可滿足目前全球經濟所需的能量。

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儲能技術在能源轉型、能源互聯網中的地位和作用

儘管可再生能源發展潛力巨大，但其不穩定性制約了大規模發展，並由此導致了棄風、棄光風潮。儲能是有效調節可再生能源發電引起的電網電壓、頻率及相位變化，促可再生能源大規模發電、併入常規電網的必要條件。

全球能源互聯網實質是「智能電網+特高壓電網+清潔能源」。智能電網是基礎，特高壓電網是關鍵，清潔能源是根本，而大規模儲能系統是智能電網建設的關鍵一環。從某種程度上說，儲能技術應用程度既決定了可再生能源發展水平，也決定了能源互聯網的成敗。西方國家在10年前就已經開始重視儲能技術研發和產業化。美國政府以其國防部先進研究計劃署（DARPA）為範本，成立先進能源研究計劃署（AdvancedResearchProjectsAgency-Energy，簡稱ARPA-E），集結全美最好的科學家、工程師和企業家對可再生能源技術進行研究，而儲能技術是其重中之重。德國能源轉型令世界矚目，德國可再生能源占電力來源的比例從2000年的6%增長到2015年的30%，這一比例在部分時段甚至會達到70%～90%。該國能源轉型頗為重視儲能技術，政府除了資助相關技術研發外，每年設立5000萬歐元補助金，專門幫助居民購買儲能系統，德國光伏發電量有1/3來自居民。

我國儲能產業剛剛起步，國家相關部門近期公布了一系列支持儲能產業的文件。國家發改委和能源局2016年3月下發《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》，在該文件15項重點任務之一的「先進儲能技術創新」中明確指出：研究面向可再生能源併網、分散式及微電網、電動汽車應用的儲能技術，掌握儲能技術各環節的關鍵核心技術，完成示範驗證，整體技術達到國際領先水平，引領儲能技術與產業發展。

國際石油公司已經開始布局儲能領域，比如，道達爾公司高價收購電池製造商SAFT，埃克森美孚與FuelCellEnergy公司合作研發燃料電池技術，挪威國家石油公司將投資海上風電場及相關的儲能技術。

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儲能技術應用概況及進展

儲能技術包括物理儲能、電化學儲能、電池儲能三大類，以及發電及輔助服務、可再生能源併網、用戶側、電力輸配、電動汽車五大類應用領域（圖1）。

截至2015年底，全球累計運行儲能項目（不含抽水蓄能、壓縮空氣和儲熱）327個，裝機規模從2005年50MW增長到2015年950MW，規劃和在建項目180個（圖2）。

從各項技術應用分布情況來看，鋰離子電池在各個領域都獲得了應用，鈉硫電池在電力輸配、可再生能源併網中應用比例最大，飛輪儲能在輔助服務（調頻）中具有一定應用優勢，液流電池主要應用於可再生能源領域（可再生能源併網、分散式微網），鉛蓄電池在分散式微網中應用佔比較大。儲能技術目前應用情況如下。

2.1 壓縮空氣儲能技術向產業化邁進

壓縮空氣儲能技術作為目前除抽水蓄能外，容量最大、技術最成熟的儲能技術備受業界關注，國際上接近等溫壓縮空氣儲能技術已取得突破，小型空氣壓縮車處於小規模試用階段。中科院工程熱物理研究所已成功研製出國內首台具有自主知識產權的1.5MW級超臨界壓縮空氣儲能系統，比傳統壓縮空氣儲能系統效率高10%以上，為我國電網級的儲能應用開闢了發展空間。

2.2 液流電池技術取得重大進展

全釩液流電池在關鍵材料、電堆、電池系統設計與集成上都取得了重大進展，產業鏈逐步完善，整體產業已經進入市場化初期階段，在日本、加拿大、美國、澳大利亞等國家已逐步開始取代鉛酸電池。且液流電池技術已經從全釩、鋅溴體系擴展到成本更低、能量密度更高的有機體系和水溶性體系，研究首次證明了碘化鋰—硫（碳）半固液兩相複合新型液流電池的可行性，可大大提高電池容量、安全性和使用壽命。哈佛大學BrianHuskinson研發出一種基於有機分子——苯醌的無金屬液流電池，且已經完成了對醌基電池100次的充放電循環，成本可下降到27美元/（kW·h），幾乎是釩電池的1/3，顯示出良好的經濟與商業前景。液流電池概念車已問世，時速最高可達300km/h以上，續航里程超過800km。

2.3 鋰離子電池依然是當前儲能領域研究熱門

電動汽車成為帶動鋰離子電池技術研發的重要因素。當前，對於鋰電池，正極材料磷酸鐵鋰和鎳鈷錳三元材料是研究重點，負極材料納米硅和石墨烯是研究熱點，正負極材料類型越來越多，應用範圍越來越廣。鋰離子電池作為當前電動汽車的主流電池，能量密度尚有待提高。目前電動汽車電池能量密度最高約為170W·h/kg，續航里程最多可達400km。家用鋰電池儲能系統已經商業化。

2.4 鋰硫電池是目前最接近產業化的高能量密度電池

鋰硫電池理論上能量密度超過2700W·h/kg，實際能量密度能達到400～600W·h/kg。目前國外達到商用水平的鋰硫電池能量密度已達到300W·h/kg。我國已經研製出能量密度高於600W·h/kg的鋰硫二次電池，處於國際先進水平。鋰—空氣電池、鋁空氣電池、鎂電池等高能量密度電池成為當前攻關重點。

2.5 氫燃料電池應用規模逐漸擴大

氫燃料電池依然是燃料電池發展主流方向，相關技術已基本達到產業化要求，且小規模應用於火車、乘用車、自行車、叉車、小型直升機等交通工具。乘用車續航里程達到500～700km，100km能耗僅相當於3.3L汽油。目前部分國家利用化石燃料改質制氫成本跟汽油大致相當。可再生能源制氫、生物制氫和常溫常壓陸路輸氫成為研究重點。

2.6 儲熱市場受重視程度逐漸提高

目前，儲熱技術發展迅速，部分熱儲能技術已經非常成熟，特別是顯熱儲能，但市場規模依然不大，主要是由於熱儲能成本高，社會對熱儲能缺乏足夠重視。據估算，儲熱系統可為全球節約30%～40%能源。業界正在研究利用儲熱電池吸收車內熱量或捕存太陽熱能，將熱能轉換為電能，為車廂供熱製冷，降低電動汽車電池成本，預計能提高汽車續航40%以上。

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儲能產業及技術展望

3.1 太陽能、風能發電裝機容量快速增長，發電成本繼續下降

統計過去20年太陽能、風能裝機容量，太陽能裝機容量每兩年翻一番，風能裝機容量每4年翻一番，全球太陽能裝機容量從2005年的5.1GW增長到2015年的227GW，風能裝機容量從2005年的59GW增長到2015年的433GW。預計2025年、2030年太陽能裝機容量將分別達到1500GW、2400GW，同期風能裝機容量將分別達到1200GW、2000GW（圖3、圖4）。儲能技術作為支撐可再生能源併網的關鍵技術，市場潛力巨大。

晶體硅光伏電池價格持續降低，價格從1977年的76美元大幅下降至2015年的0.3美元。過去5年太陽能、風能發電成本下降了50%～60%。當前太陽能光伏發電、陸上風電在部分國家已具有競爭力。按照目前的發展趨勢，預計到2025年風電、光伏發電將在很多國家成為最便宜的發電方式。

3.2 家庭儲能將呈快速增長趨勢

近5年來，家庭儲能在德國、美國、澳大利亞、日本等國家獲得快速發展，據HIS、REN最新發布的數據顯示，全球家庭光伏發電電池儲能裝機容量2020年有望達到1000MW，2020年後，儲能系統將成為電力生產運營的必備部分，而工業、商業，尤其是居民家庭儲能的增長速度會明顯高過電網儲能，2025年儲能技術應用有望進入大規模發展期。

3.3 電池技術未來

10年有望取得重大突破目前，電動汽車電池的能量密度範圍為80～180W·h/kg，從當前電池的研發進展及產業投資、相關扶持政策來看，未來10年電池技術有望取得重大突破，能量密度有望達到300～350W·h/kg，從而使得電動汽車續航里程達到600～800km（圖5）。

3.4 電動汽車市場前景廣闊

電動汽車電池成本目前占整車成本的1/3～1/2，過去5年鋰電池組成本已下降了55%，至2020年有望再下降40%。隨著電動汽車電池能量密度提高帶來的續航里程增加，加之成本不斷下降，全球電動汽車銷量有望呈指數上升（圖6）。

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結論

當前在全球倡導大力發展清潔能源的時代背景下，開發能量密度更高、循環壽命更長、系統成本更低、安全性能更好的儲能技術已經成為各國研究支持計劃的一個重要方向。在可再生能源產業、電動汽車產業和能源互聯網產業快速發展的推動下，儲能產業有望呈爆發性增長態勢。可再生能源電力儲存成本將持續降低，儲能系統性能和技術成本會進入一個良性循環發展新階段。目前的電池儲能成本、能量密度距離人們的期望值還有一定距離，從當前的研究成果來看，電池技術有望迎來重大突破，市場前景廣闊。儲能技術突破疊加全球能源轉型加速，將會給全球油氣行業帶來巨大壓力。

文章來源：中國石油集團經濟技術研究院《儲能技術與產業現狀及發展趨勢》

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