中國儲能網(wǎng)訊：8月24-26日，由深圳市發(fā)展和改革委員會指導，中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會與南方科技大學碳中和能源研究院聯(lián)合主辦，100余家機構共同支持的碳中和能源高峰論壇暨第三屆中國國際新型儲能技術及工程應用大會與新型儲能技術青年科學家論壇在深圳召開。此次大會主題是“開拓新質生產(chǎn)力，推動儲能產(chǎn)業(yè)高質量發(fā)展”。
大會主辦方邀請6位院士及100位行業(yè)專家分別從新型儲能系統(tǒng)集成解決方案、長時儲能技術及應用、虛擬電廠、工商業(yè)儲能專場、新型儲能電池、新型儲能與電力市場、智能微電網(wǎng)、儲能標準宣貫、新型儲能技術青年科學家論壇等12個專場進行充分討論交流。
來自行業(yè)主管機構、國內(nèi)外駐華機構、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機構等不同領域的500余家產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，1012位嘉賓參加了本屆大會，其中21家企業(yè)展示了儲能產(chǎn)品解決方案，在線觀眾超過4萬余人觀看了開幕盛況。
本次大會由中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會和中國儲能網(wǎng)、中國儲能網(wǎng)聯(lián)合承辦，中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會專家委員會提供學術支持！
8月24日下午，中國電力顧問工程集團華北電力設計院重力儲能公司副總工程師史沁鵬受邀在“長時儲能技術及應用專場”分享主題報告，報告題目《重力儲能技術發(fā)展與工程應用》。
史沁鵬：各位同仁，我今天我交流的題目是《重力儲能技術發(fā)展與工程實踐》。雖然我把工程實踐準備了，但是可能時間關系不一定能展開說。主要是想跟大家介紹一下重力儲能技術作為一個比較新型的技術，現(xiàn)在已經(jīng)不是在理論上或者只是在技術研究層面上，它其實已經(jīng)在工程實踐方面有落地的可能性了。主要包括背景、概述、工程實踐和總結。
背景方面，大家都知道儲能的整個背景是在“3060”雙碳戰(zhàn)略目標要求下的以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，當然這個新型電力系統(tǒng)現(xiàn)在以新能源為主體不談了，但是要完成這個雙碳戰(zhàn)略目標，以風光為代表的新能源的重要性還是很強。但是由于風光三性或者四性的固有特性，在以其為主體的新型電力系統(tǒng)中無法滿足電量和容量平衡的電能基本要求，從能源的安全角度看，本身不能獨立成為能源，必須和具有時間和空間轉移特性實現(xiàn)電量轉移和功率支撐功能的儲能來組合。
這里重申這一點主要是強調(diào)儲能在新型電力系統(tǒng)中的作用不只是平滑波動這種容量的平衡，在電量平衡方面也要發(fā)揮作用，這也是長時儲能的價值。所以去年院士的科協(xié)大會上把尋找“適用于新型電力系統(tǒng)的長周期儲能”作為9個重大工程技術難題之一
市場規(guī)模方面，從我們分析來講的話，新能源電量占比超過20%以后儲能將會成為一種剛需。所謂的電量占比超20%，實際上是總電量占比超20%。這種情況下也就意味著，在某個月或者是日或者是小時的這種滲透率的時候，新能源的滲透率要達到60%以上。我們后面有一個分析就能看到，如果新能源的電量或者滲透率占比超過60%以后，這個電能的輸出就不符合電力系統(tǒng)的要求了。
從左下角這個表里面也能看到，到目前為止，或者到去年，去年新能源的裝機已經(jīng)10億了。到今年7月份，剛剛發(fā)布的數(shù)據(jù)已經(jīng)12億了。按照這個規(guī)模去預測的話，到30年底，保守估計應該在16億到18億左右的裝機規(guī)模，整個電量占比就會超過20%。所以在這種情況下，儲能到2030年的時候，就已經(jīng)不是像現(xiàn)在今天討論的，它只是作為一種可能性，而成為一種必然的剛需。
從右下角不同儲能形式的定位和發(fā)展趨勢來看，在2030年的時候，整個3到4億千瓦的新能源裝機理念，除了2035您中長期規(guī)劃的1.2億千瓦的抽蓄儲能之外，新型儲能最起碼要占到1到2億的水平。按照這個比例來說的話，其實包括抽蓄在內(nèi)的長時儲能最起碼要占到一半以上的規(guī)模。而從電量和整個投資的角度來看，應該占比更大。而且更關鍵的，到2035年的時候，比較好的抽蓄選址，也就是比較具有經(jīng)濟性的這個抽蓄選址可能就不那么多了。這種情況下要在這十年里面找到可類比抽蓄的長時儲存形式。因為大家都知道，現(xiàn)在抽蓄還是最主要的儲能形式。
長時儲能的定義，現(xiàn)在沒有明確的定義。從這個供給角度來講的話，一般認為超過4個小時就算是長時儲能了。但是從需求的角度來講的話，我覺得長時儲能最起碼要能跟光伏一起，實現(xiàn)日內(nèi)的平衡。按照這個要求，應該至少要達到8到10個小時的規(guī)模。
另外，從右圖這里也能看到，它還要實現(xiàn)能夠跨日、跨周甚至跨月的這么一個充電循環(huán)的尺度。
除此之外，作為新型電力系統(tǒng)的一個必要元素，可能具有構網(wǎng)能力也是對長時儲能比較高的一個要求。
需求邏輯，首先我們認為，在新型電力系統(tǒng)中，現(xiàn)有的以化石能源為基本負荷和調(diào)節(jié)電源的局面將不可持續(xù)。因為去年的煤電容量電價，大家對這個結論有點懷疑。我個人認為容量電價這個政策是對現(xiàn)有的電力系統(tǒng)結構和儲能的技術發(fā)展現(xiàn)狀的認可。也就是說整體上這個政策對儲能的必要性是一個削弱的作用。但是整體來看，只要是在雙碳約束的背景下，火電加上脫碳的指標，不管這個脫碳的手段是這個CCUS，還是摻燒氨，度電成本都要增加到6毛到8毛以上。但是從新能源的角度來講，現(xiàn)在在一類地區(qū)，比如內(nèi)蒙的風和青海的光，新能源本身的度電成本也要到一毛多，加上儲能的成本大概五毛錢左右，也是6毛錢到8毛錢的水平。所以整體來看，火電+脫碳和新能源+儲能兩者相比的話，新能源+儲能的整體綜合造價已經(jīng)具有可比性了。另外，從調(diào)節(jié)電源來看，新能源+儲能比火電的調(diào)節(jié)性能會更好。
雖然這一點隨著這個國際形勢有可能有變化，比如特朗普如果上臺之后，雙碳是不是還能這么堅決的推下去，這個其實有一點疑問。但是整體來看，在雙碳的約束條件下，我們認為隨著波動性電源比例的逐步擴大。綜合考慮氣電、輸電和電網(wǎng)靈活性各種因素，和新能源要去配套的儲能，必須要實現(xiàn)調(diào)節(jié)時長，從日內(nèi)變?yōu)槿臻g周月的調(diào)節(jié)。所以通過提供相關的這種支撐，儲能就從目前調(diào)節(jié)的角色就轉變?yōu)楹惋L光共同作用來承擔基本負荷，長時儲能就成為新型電力系統(tǒng)的一個基本的組成，這是一個基本的判斷。
第二個情況，就是在下面這個圖里面看到的，在連續(xù)長時間低出力和極端天氣的條件下，需要儲能來實現(xiàn)跨日跨周的調(diào)節(jié)。
第三個場景，就是在目前新能源大基地+外送電力通道的這種電力系統(tǒng)結構中。最下面右下角這個表，是我們對內(nèi)蒙一個項目做的測算。在這種電網(wǎng)結構中，其實14%個小時的儲能會比22%兩個小時的儲能，在提升可再生能源的這種電量輸送占比、通道的應用水平和降低電網(wǎng)投資方面更有優(yōu)勢。
內(nèi)蒙最新的實際上細則已經(jīng)確定，獨立儲能時長都要求超過4個小時。剛才也說了，為什么只是4個小時，不是6個小時？其實可能更需要的是6個小時、8個小時，但是它只是只規(guī)定4個小時，一方面說明這個趨勢，另外一方面也是考慮了目前的儲能的技術發(fā)展的水平。
整個長期儲能的技術包括了機械儲能、電化學儲能。機械儲能就包括壓縮空氣、抽水蓄能、重力儲能、電化學儲能就包括鋰、鈉、碳、液流以及氫電耦合。整體來說各種儲能技術都有自己的優(yōu)勢，也都有自己的一些局限。比如抽蓄的劣勢就是在選址以及建設周期上。壓縮空氣的劣勢一方面是效率目前只能到70%；另外一方面它的造價選址存在巡優(yōu)的空間。
以鋰電為代表的電化學電池，最主要的就是在做規(guī)?；?，電力系統(tǒng)所需要的規(guī)模化時候的安全性以及長時的經(jīng)濟性會差一些。所以我們整體上認為，在安全性、經(jīng)濟性和建設條件等方面，目前還沒有能滿足所有場景需要的儲能技術。
以后儲能技術的發(fā)展方向，一方面是現(xiàn)有儲能技術的技術進步，另外一方面就是還需要一個其他的儲能形式。
這是前年關于重力儲能的一個研討會，會上包括兩院院士在內(nèi)的專家，對重力儲能進行了一個研究后，認為重力儲能是一個值得研究的方向。
從國家政策角度來講的話，包括去年的藍皮書和產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整目錄，都已經(jīng)把重力儲能納入了試驗。另外在一些地方政策上，也都已經(jīng)計入了重力儲能。而且重力儲能作為一種新型技術，我們在做項目推薦的時候，某些地方把儲能作為一種產(chǎn)業(yè)來引入，而不是作為一個項目。所以這也是一個比較好的地方。
重力儲能技術本身比較簡單，它實際上就是咱們初中物理所學的牛頓運動學定律它的整體。因為抽水蓄能本身也是一種重力儲能，所以我今天談的這個重力儲能和抽蓄，它的能量轉換路徑和基本原理都是完全一樣的。時間關系就不展開了。
剛才說它們兩個的基本原理是一樣的，從損耗的角度來講，把它的各種損耗，包括摩擦電機損耗、動能損耗、庫輪損耗、電流損耗這些損耗都考慮在里面之后就會發(fā)現(xiàn)，其實重力儲能比抽水蓄能很明顯的一個優(yōu)勢，就是它能很明確地控制它所運行的重物速度。也就是說抽搐在水流過了水泵水輪機之后，速度是沒辦法控制的。所以必然會有一部分水流的動能損失掉了。但是重力儲能在這方面的損失會做的比較好。所以整體來看的話，重力儲能會比抽水蓄能效率有一個比較好的提升，這個是從基本的原理上來討論的。
整個行業(yè)發(fā)展階段，目前各種技術路線都有一定的驗證。但是從我們研究下來發(fā)現(xiàn)，千瓦級的項目和兆瓦級的項目是完全不一樣的，恨不得可以說完全就是兩個行業(yè)。所以從這方面來看的話，我們整體判斷，目前全球范圍內(nèi)應該沒有能達到完全示范效果的這種工程項目。所以從這方面來看的話，天銀做的這個100兆瓦時項目和我們公司在張家口做的300兆瓦時項目，應該在全球范圍內(nèi)對重力儲能行業(yè)都是一個比較大的促進。
它的分類，按照落差時間路徑，包括了往地下打落差和在地面平地上建新的落差。再一個就是利用現(xiàn)有的山坡或者山體落差。
除此之外，從儲能介質方面，除了固體之外，還有比如重力壓縮空氣和火災水泵這種利用液體的重力儲能。
不同技術路線對比的話，我們認為基于山地的重力儲能，它的優(yōu)勢在于它的投資比較低，結構也比較穩(wěn)定，而且重物選擇的范圍是比較大的，從散料到大塊都可以。但是它的限制就是它的理論效率比較低，大概我們測算下來只有70%。另外它的選址可能也受到一定限制，這是一個最大的問題。構筑物的選址是非常靈活，基本上沒有任何的限制。而且因為它的高度比較有限，所以它的預期效率會高。但是它的問題也在于它的落差有限，就導致重力儲能所利用的核心資源很低，所以導致單位投資水平和度電成本比較高，而且同容量的情況下占地也比較大。再一個，十幾萬噸到三十多萬噸的重物，在100米的高空要運行40年，如果萬一發(fā)生安全事故的時候，這個影響會非常大。所以這是兩種情況。
基于豎井，包括廢棄礦井和新建豎井，廢棄礦井的優(yōu)勢還是成本比較低。另外一個可以對廢棄資源進行二次利用，但是它的問題也是選址會受到限制。綜合來看，新建數(shù)據(jù)在同規(guī)模容量的情況，投資和效率都是比較好的，選址也比較靈活，運行環(huán)境也比較安全穩(wěn)定。所以這也是它的優(yōu)勢，這也是我們選擇這個豎井方式做示范項目的一個原因。當然它的問題在于它的建設周期會比坡式的長，另外，它的技術和設備的這個難度會比較高比較大一些。
右邊這個表是不同技術路線所需要考慮的一些因素，就不再展開了。（見PPT）
整體上我們認為規(guī)模化重力儲能電站一個最大的技術難點，就是重力儲能的低能量密度。因為它的能量密度大概一個千瓦時要到十噸百噸級的能量密度。另外它是離散化的物理場景，和電力系統(tǒng)的大容量以及連續(xù)性的需求，這是一個很明顯的矛盾。
再一個的話，機械系統(tǒng)運行本身是不確定性的，而且它是分鐘級的一個時間尺度，和電力系統(tǒng)要求的確定性以及毫秒級的時間尺度，這也是一個根本性的矛盾。所以為了解決這些矛盾，要針對不同的應用場景，從0到1去建立并聚焦這種對象，建立效率、投資水平等關鍵指標的巡游模型，從而優(yōu)化系統(tǒng)結構、工藝程和損耗等指標。另外，目前沒有相關的這個產(chǎn)業(yè)鏈，所以要落實和工程化落地的相關解決方案以及供應鏈。
最后，現(xiàn)在沒有成型的設備，也沒有成型的工程。所以為了降低這種研發(fā)的風險，所以要創(chuàng)新一些新的設計手段。在你沒有工程的時候，要進行仿真的分析，進行虛擬調(diào)試，從而優(yōu)化我們的技術方案，降低研發(fā)周期和研發(fā)成本。
未來的發(fā)展方向，我們認為首先是進行工程化商業(yè)化的運行示范。其次是要針對新型電力系統(tǒng)對長時儲能的高轉換效率，高經(jīng)濟性和構網(wǎng)要求，在大單機容量、大能量通道密度、超大落差構建路徑和超大型配套裝備，以及系統(tǒng)集成方面進行一些研究。
跟其他儲能形式的對比，因為不同的儲存類型和技術路線、投資水平、壽命時長、效率等各方面差異都比較大。對于長時儲能來說，電量是它的價值所在，所以全生命周期度電成本是它的最關鍵指標。前我們測算下來的重力儲能的LCOE大概在0.4元錢左右。當然這個也是有一定的邊界，比如要考慮到45年的運行壽命，一天兩次的循環(huán)調(diào)用。但是整體上來看，它作為示范項目的時候，就已經(jīng)比較有競爭力了。
從調(diào)節(jié)性能來講，重力儲能可以實現(xiàn)每分鐘級的調(diào)節(jié)速率和啟停時間的調(diào)節(jié)。另外和其他的儲能調(diào)節(jié)電源來做對比就能看到，它在這方面應該只比這個電化學儲能要差，比其他所有的電源形式調(diào)節(jié)性能都要好。
所以綜合重力儲能在安全性、經(jīng)濟性、建設可行性，以及電網(wǎng)和環(huán)境友好性這些方面來看，它的綜合性能還是比較好的。比如和抽水蓄能相比，它的選址約束比較小，建設周期比較短。另外在沙戈荒大基地的這種場景下，和抽水蓄能的經(jīng)濟性方面的差異也會縮小。和其他新型儲能相比的話，它的運行壽命和它的轉化效率，包括它具有構網(wǎng)特性，因為它是以同步電機為基礎的物理儲能，也是一個比較優(yōu)勢的地方。
華北院的工程實踐方面，首先請允許我介紹一下華北院。華北院是能建的一個核心企業(yè)，我們擁有雙綜甲以及總承包一級的資質。另外我們在儲能方面的優(yōu)勢，我們是種類最多、場景最齊全和工程技術最先進。種類最多，目前所有能想到的儲能形式，包括氫我們都在做。場景最齊全，包括最早的電網(wǎng)側和發(fā)電側，都是我們公司做的。工程技術最先進方面，現(xiàn)在大家認為儲能沒有工程技術，但是是因為現(xiàn)在是粗放的發(fā)展時期，所以大家不太講究工程技術。但從儲能的安全性和經(jīng)濟性來講的話，工程技術是一個比較重要的方面。
重力儲能方面，我們組建了國內(nèi)首個重力儲能的專職團隊，我們是一個大概將近20人的團隊。包括我們這個團隊里面也包括了外部的，包括兩院院士、全國勘察設計大師等在內(nèi)的專家團隊。我們在技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)鏈方面都做了一些工作。目前已經(jīng)形成了包括重力儲能工藝包和運行及能量管控系統(tǒng)在內(nèi)的創(chuàng)新工程方案。我們在新建豎井、廢棄礦井、山地、構筑物等技術路線方面，均實現(xiàn)了工程技術產(chǎn)業(yè)鏈構建和項目儲備方面的一些布局，可以支持相關的項目落地。
豎井式方面，全球第一個提出了單機容量最大大概能到16兆瓦，單模塊容量最大大概在60兆瓦左右。然后系統(tǒng)效率大概78%，全國產(chǎn)自主可控產(chǎn)業(yè)鏈的這么一個基于新建豎井的模塊化工程方案，形成了十余項的基礎和工程技術。整體上的造價，目前短期內(nèi)應該很難低于1萬塊錢每千瓦，如果算到千瓦時的話，大概在2000左右。
整體上的技術方案經(jīng)過專家評審，認為相關技術已經(jīng)達到國際的先進水平。依托我們的技術方案的張家口赤城項 目，也入選了去年的國家能源局新型儲能試點示范項目。除此之外在這個項目建設前，我們也跟華北電力大學共建了一個物理場景的動模式仿真實驗平臺，實現(xiàn)了產(chǎn)學研一體化。就像剛才提到的，千瓦級的項目和兆瓦級的儲能項目，它的差異非常大。所以為了在一個動模實驗平臺上面能模擬出實際工程的場景，這個動模實驗平臺的復雜程度也還是比較高的。
這是我們對重力儲能技術的分析，包括不同技術路線，我們對它的基礎性技術、緊迫性技術和前沿性技術都進行了一定的分析。時間關系就不再展開了。
重力儲能工程實踐，最主要是在效率投資、系統(tǒng)運行這些方面核心指標的優(yōu)化。另外一個就是它的產(chǎn)業(yè)鏈塑造構建。
然后在效率指標方面，我們對它的損耗進行了模型構建之后，我們測算下來，系統(tǒng)綜合效率大概在77到82。
規(guī)模化產(chǎn)業(yè)鏈的問題，包括了落差、重物輸送、重物運行及能量管控，以及電站集成方案等等。
落差構建方面，主要說一下豎井式重力儲能，豎井式重力儲能，它的落差構建要建設一條豎井，至少在目前來看，它不決定重力儲能項目的可行性。但是它是決定這個重力儲能項目本身優(yōu)劣的一個因素。因為它目前影響整個項目投資造價大概在1億元左右的水平。
機電轉換設備，包括輪機電機以及調(diào)速設備。
上下倉方面，經(jīng)濟合理的上下倉包括影響了土地空間利用和地下的工程量，同時它也影響實際電轉換系統(tǒng)、重物輸送系統(tǒng)的研究方向。而重物輸送系統(tǒng)，要根據(jù)重物儲能項目總體的要求來確定它運行的節(jié)拍。另外根據(jù)節(jié)拍來確定輸送系統(tǒng)的設備能力和數(shù)量。
組合式重物塊的特點，首先就是它的數(shù)量很大，剛才也說十幾萬到幾十萬噸。另外它的參數(shù)直接影響機組運行和安全。所以它要根據(jù)重物投資及殘值回收價值、重物塊的材質和尺寸、結構強度和規(guī)格等各方面的因素，來尋優(yōu)確定組合式重物塊以及它配套的這些附屬設施。
除了這些之外，還要以提高能量轉換路徑、能量轉換效率、降低成本、增強電網(wǎng)適應性等為目標，來建立重力儲能電站的多目標尋優(yōu)的模型。在此基礎上再去對機電協(xié)調(diào)、多變流器并網(wǎng)運行和多電機調(diào)配功率進行優(yōu)化，來實現(xiàn)電站的集成。
這是我們針對重力儲能需求自主開發(fā)的一個重力儲能仿真平臺，通過這個平臺，不光能實現(xiàn)方案展示的作用，還可以實現(xiàn)工藝優(yōu)化設計、策略驗證，包括模擬調(diào)試的一些功能，從而減少這設計開發(fā)的成本，提高工程效率和可靠性。
這是廠區(qū)的一個總平面，這個不再提了。
下一個階段的研究計劃，是希望單機容量能實現(xiàn)20兆瓦級，系統(tǒng)效率能大于80%，單位造價低于1500每千瓦時。同時在響應電力系統(tǒng)需求的這種構網(wǎng)特性上面能實現(xiàn)進一步的優(yōu)化。
這是斜坡式的一個方案，斜坡式的方案目前做到最大的單機容量，我們目前做下來可能只有大概五個兆瓦級左右，當然它的單位投資成本會低一些，大概不到8000的這么一個水平。但是因為它的效率會比較低，只有70出頭。整體看下來，它的經(jīng)濟性和豎井式是類似的。它的應用場景的話，基本上在15到60度左右的坡度都是可以的。這是我們一些項目布局的情況。
總結下來，我們認為在當前新型電力系統(tǒng)建設的背景下，重力儲能作為一種長時大容量過網(wǎng)特性的儲能形式，因地制宜的建設，可以為這種新型儲能的發(fā)展開辟新的方向。尤其適合為沙戈荒大基地可再生能源的大規(guī)模消納提供支撐。而我們院通過前期的一些系統(tǒng)優(yōu)化和工程化應用，也形成了一些解決方案。我們也希望與各位同行一起來共同促進這種產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和行業(yè)的進步。
謝謝大家！
