【專題 | 「儲(chǔ)能」儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈_中國儲(chǔ)能行業(yè)市場發(fā)展現(xiàn)狀與前景】

　　摘要：新一輪能源革命帶來了能源結(jié)構(gòu)的深刻調(diào)整，加快開發(fā)利用可再生能源，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展，是我國實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。近年來,我國可再生能源取得飛躍式發(fā)展,光伏、風(fēng)電、水電裝機(jī)均穩(wěn)居世界第一,儲(chǔ)能技術(shù)在可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的關(guān)鍵作用也越發(fā)凸顯，鈉電池儲(chǔ)能技術(shù)迎來了快速發(fā)展的契機(jī)。

　　儲(chǔ)能方式主要分為機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能四種。作為儲(chǔ)能技術(shù)未來的主要發(fā)展方向,電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有儲(chǔ)能效率高、建設(shè)周期短、運(yùn)營成本低、環(huán)境友好、應(yīng)用靈活等諸多優(yōu)勢(shì)。儲(chǔ)能電池是整個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中最核心的環(huán)節(jié)，因此，選擇合適的儲(chǔ)能電池非常重要。為了滿足大規(guī)模儲(chǔ)能的需求，理想的儲(chǔ)能電池除具備優(yōu)異的電化學(xué)性能外，還需要兼顧經(jīng)濟(jì)性、安全性與環(huán)保性等多方面。儲(chǔ)能電池的類型非常多，包括鋰電池、鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池等。

圖1  儲(chǔ)能方式分類

　　從應(yīng)用層面看，無論是技術(shù)成熟度還是商業(yè)化程度，鋰電池排在第一位。目前，全球電網(wǎng)級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用最多的是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池(如表1)。鋰離子電池具有高能量密度、高功率密度和高工作電壓，是現(xiàn)今最主要的儲(chǔ)能設(shè)備之一，但鋰資源的稀缺使其難以同時(shí)支撐新能源汽車和大規(guī)模儲(chǔ)能兩大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，性能同樣優(yōu)異且資源豐富、價(jià)格低廉的鈉電池有望發(fā)展成為新型儲(chǔ)能體系的主力。

表1  全球電網(wǎng)級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

　　我國儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，對(duì)電池技術(shù)提出新要求

　　近年來，我國新能源發(fā)電行業(yè)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。2017年，全國風(fēng)電新增裝機(jī)15.03GW，累計(jì)裝機(jī)達(dá)到164GW;光伏發(fā)電新增裝機(jī)53.06GW，累計(jì)裝機(jī)達(dá)到130億千瓦。新能源已經(jīng)成為第三大主力電源，預(yù)計(jì)在2030年會(huì)超過水電成為第二大主力電源。隨著新能源的發(fā)展和利用，由于太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電具有隨機(jī)性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，大規(guī)模接入電網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來安全隱患，市場對(duì)電能儲(chǔ)存的需求越來越大，刺激了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。根據(jù)《儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2018》，截至2017年底，中國已投運(yùn)的儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)28.9W，同比增長19%。其中，電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目的累計(jì)裝機(jī)達(dá)到389.8MW，同比增長45%;新增裝機(jī)規(guī)模為121MW，同比增長16%，鋰離子電池裝機(jī)占比最大，達(dá)到了71%。未來新增規(guī)劃、在建中的電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目的裝機(jī)規(guī)模為 705.3MW，預(yù)計(jì)短期內(nèi)中國電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模還將保持高速增長。

圖2   2016-2017儲(chǔ)能電池裝機(jī)量(單位：MWh)

　　“十三五”規(guī)劃綱要、《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》、《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016-2030年)》等多項(xiàng)政策規(guī)劃都將儲(chǔ)能作為重點(diǎn)研究和發(fā)展領(lǐng)域之一。為了進(jìn)一步加快儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，今年10月，多部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確到2025年，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)要實(shí)現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展，形成較為完整的產(chǎn)業(yè)體系，成為能源領(lǐng)域經(jīng)濟(jì)新增長點(diǎn)。

　　市場和政策的雙重利好下，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)將在全國迅速鋪開，必將推動(dòng)儲(chǔ)能電池需求的爆發(fā)，容量型儲(chǔ)能、功率型儲(chǔ)能、能量型儲(chǔ)能是電池技術(shù)的主要發(fā)展方向。

　　高安全、長壽命、低成本的鈉電池為儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)提供了新選擇

　　各種儲(chǔ)能電池在比能量、循環(huán)壽命、安全性、成本等各方面各有不足:鉛酸電池的使用壽命較短、能量效率較低，液流電池的能量密度較低、運(yùn)維復(fù)雜，鋰離子電池回收成本高、安全隱患大，鈉硫電池對(duì)工作溫度要求較高，還沒有哪一種儲(chǔ)能電池在各方面性能上處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。綜合所有技術(shù)指標(biāo)來看，高安全、長壽命、低成本的鈉電池最具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

表2   各種儲(chǔ)能電池的性能比較

　　鈉電池是一種以鈉或鈉的化合物作為電極的電化學(xué)裝置，如Na/S電池、Na/NiCl2電池及鈉離子電池等。鈉電池的響應(yīng)速率在次秒級(jí)，具有較高的儲(chǔ)能容量和能量效率，能量密度與鋰離子電池相當(dāng)，循環(huán)壽命可達(dá)4000余次，非常適合大規(guī)模儲(chǔ)能的要求。

　　(1)鈉硫電池

　　鈉硫電池是一種負(fù)極為Na、正極為S、電解質(zhì)為β-Al2O3陶瓷組成的二次電池。大容量管式鈉硫電池最早由日本NGK公司應(yīng)用于儲(chǔ)能電站并進(jìn)行商業(yè)化推廣，目前全球已經(jīng)有超過250余座鈉硫電池儲(chǔ)能電站在投運(yùn)當(dāng)中。NaS電池具有儲(chǔ)能密度大、充電快速、壽命長、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)較容易等優(yōu)點(diǎn)，可發(fā)揮變電站負(fù)荷調(diào)控(削峰填谷)、平抑可再生能源等間歇式能源入網(wǎng)的沖擊、作為后備電源應(yīng)急的功用，能從根本上解決電力不穩(wěn)定的問題，提高電能質(zhì)量，應(yīng)用范圍涵蓋電網(wǎng)系統(tǒng)、高耗能企業(yè)、分布式電站、電信通訊基站等領(lǐng)域，是一種理想的儲(chǔ)能電池。

　　(2)鈉鹽電池

　　鈉鹽電池的正極是NiCl2 、負(fù)極是液態(tài)Na、電解質(zhì)為β-Al2O3陶瓷。20世紀(jì)80年代，鈉鹽電池首次研發(fā)成功，2012年通用電氣的新型鈉鹽電池技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟并進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。目前，鈉鹽電池技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在全球25個(gè)國家，建成了太陽能、風(fēng)電組合、峰值管理、通訊基站等儲(chǔ)能項(xiàng)目。作為新型儲(chǔ)能技術(shù)，鈉鹽電池技術(shù)具備循環(huán)壽命長、比能量高、成本節(jié)約、環(huán)境友好等特性，是一種適用于新能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電及微電網(wǎng)的新型儲(chǔ)能技術(shù)。

　　(3)鈉離子電池

　　從功率提供能力、能量效率、安裝成本、額定功率放電能力、安裝場地要求、維護(hù)要求等多因素綜合考慮，鈉電池的總體特性最適合大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用，但鈉硫和鈉鹽電池的正、負(fù)極材料腐蝕性強(qiáng)，對(duì)工作溫度要求苛刻，存在安全隱患問題。鈉離子電池則沒有這些問題，正極由鈉離子嵌入化合物組成，電解質(zhì)采用中性的鹽水溶液，材料常規(guī)無腐蝕性且能在常溫下工作，安全性能大幅提高。目前，鈉離子的成本和性能仍有很大的進(jìn)步空間，隨著材料選擇和制作工藝的不斷優(yōu)化提升，未來有希望成為儲(chǔ)能電池的首選。

　　搶灘儲(chǔ)能市場，各方紛紛布局鈉電池技術(shù)

　　鈉電池的成本問題一直制約其大規(guī)模發(fā)展和應(yīng)用。隨著儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)、企業(yè)也不斷研發(fā)鈉電池儲(chǔ)能新技術(shù)，欲在產(chǎn)業(yè)爆發(fā)前占領(lǐng)制高點(diǎn)。

　　2017年1月，超威集團(tuán)與美國通用電氣公司成立合資公司，專注于鈉鹽電池的生產(chǎn)研發(fā)，以解決當(dāng)前存在的因儲(chǔ)能能力不足導(dǎo)致的棄風(fēng)、棄光問題。超威第一代鈉鹽電池產(chǎn)品主要運(yùn)用在電網(wǎng)儲(chǔ)能、通訊基站及動(dòng)力電源領(lǐng)域，已有20多個(gè)國家和地區(qū)的客戶表達(dá)了需求。

　　2018年4月，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院發(fā)布了高性能鈉硫儲(chǔ)能電池項(xiàng)目的研究成果。該院的Na-β-Al2O3陶瓷隔膜制備技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平，目前處于組裝商業(yè)化(工業(yè)化)鈉硫電池中試階段，最終將實(shí)現(xiàn)鈉硫電池及其電池組的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化。

　　結(jié)語

　　儲(chǔ)能市場的發(fā)展，對(duì)提高可再生能源發(fā)電的兼容量和利用效率，解決我國能源安全、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)具有重要意義。儲(chǔ)能電池是現(xiàn)在儲(chǔ)能市場的最大瓶頸，一旦電池技術(shù)取得突破，億萬藍(lán)海將一觸即發(fā)。鈉離子電池在儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)中具有較大潛力，但開發(fā)應(yīng)用尚不夠完善，在未來的研究中需要在電池材料、性能、安全和成本方面都有進(jìn)一步的提高，成功開發(fā)出性能優(yōu)異的鈉離子電池。