储能的核心是实现能量在时间和空间上的移动，本质上是让能量更加可控。我们 把各种发电方式的本质归一化，可以发现：火电、核电、生物质发电天然就有相 应的介质进行能量的存储，并且介质适宜进行贮存和运输，即本身就配置了储能 功能。而对于水力发电、风力发电、光热发电、光伏发电而言，发电借助的来源 是瞬时的、不可贮存和转运的。相应地，如果我们想让这些能源更加可控，必须 人为的添加储能装置。可以理解为，储能装置的添加，会使得水力、风力、光伏、 光热成为更理想的发电形式。


01


长时储能：碳中和时代的必然呼唤


长时储能（long-duration energy storage)，一般指 4 小时以上的储能技术。长 时储能系统是可实现跨天、跨月，乃至跨季节充放电循环的储能系统，以满足电 力系统的长期稳定。可再生能源发电渗透率越高，所需储能时长越长。可再生能 源发电具有间歇性的特点，主要发电时段和高峰用电时段错位，存在供需落差。随渗透率上升，平衡电力系统的负荷要求增加。相较于短时储能，长时储能系统 可更好地实现电力平移，将可再生能源发电系统的电力转移到电力需求高峰时 段，起到平衡电力系统、规模化储存电力的作用。





储能设备削峰填谷功能凸显，以 4h 为代表的长时储能设备具有发展必要性。根 据 CAISO 数据，绘制 2021 年加州夏季单日电池储能设备的充放电曲线。由图 可见，储能设备在白天以高功率储存电能，在晚间用电高峰高功率放电，高峰放 电持续时间超 4h。根据 Strategen 的《Long Duration Energy Storage for California's Clean, Reliable Grid》研究报告，未来到 2045 年，太阳能将成为 加州最主要的可再生能源，占比达 75%。为平衡太阳能发电，需要在白天存储 8 到 12 个小时的电能，晚间存储调度量也将增加，最多时需连续放电 12 小时， 长时储能发展不可或缺。


美国加州由于较高的可再生能源发电比例，是最早大量部署持续放电时间 4 小 时储能系统的地区之一。从 2019 年开始，加州地区就已经开始陆续部署 4 小时 的储能系统。根据 Strategen 预测，加州到 2030 年将部署 2-11GW 的长时储能 设备，到 2045 年将实现 45-55GW 的长时储能配置。


无论如何定义，在过去一年中，长时储能的关注度提升是确切的事实，因为这种技术有望解决气候治理过程中面临的两个问题：


痛点一是新能源出力不稳。


在全球气候治理的大背景下，新能源快速发展将是持续的方向。然而，新能源存在天生的弱点——出力不稳，波动性强。而解决上述问题的方案之一，就是为新能源配备储能。而长时储能可凭借长周期、大容量特性，容纳更多新能源，实现对新能源发电波动的调节，减少波动，保证电网安全。


痛点二是项目经济性不高。


如何增加新能源项目的利润，让其具备“造血”功能，是业界一直希望解决的问题。美国电力研究院（EPRI）最近进行的一项研究显示，以根据加州独立系统运营商（CAISO）在2019年的日前综合能源价格，持续放电时间为4小时的电池储能系统所获得的利润，仅是持续放电时间20小时的长时储能系统的76％。也就是说，长时储能的收益会更高。


02


长时储能是新型储能系统关键核心技术


在2021年，美国能源部发布了支持长时储能的相关报告，把长时储能定义为至少连续运行（放电）时间为10小时，使用寿命在15至20年。2021年11月，在苏格兰格拉斯哥举行的联合国气候变化峰会上，来自包括英国石油公司、西门子能源公司、Highview Power公司、Form Energy公司等25家能源和科技公司的高管成立了长时储能理事会。该理事会旨在就长时储能技术对企业、政府和公用事业公司进行宣传和教育，并制定激励政策支持大规模部署长时储能系统。


由该长时储能理事会与麦肯锡公司近日合作编写的调查报告指出，长时储能系统的部署可能在未来几年加快进行，尤其是在各国继续扩大可再生能源部署的情况下。一旦可再生能源发电量达到电力系统60%至70%的市场份额，长时储能系统将会成为“成本最低的灵活性解决方案”。


张华民介绍说，截至2021年10月底，我国可再生能源发电累计装机容量达到10.02亿千瓦，突破10亿千瓦大关，比2015年底实现翻番，占全国发电总装机容量的比重达到43.5%。要在2030年实现碳达峰目标，预计到2030年，可再生能源发电总装机容量将达到60%以上，会超越火电成为绝对的主力电源。


届时，遇到无风天气或连续的阴雨天气时，由于火电厂的装机容量大幅度减少，要保证新型电力系统的安全、稳定供电，就需要长时储能电站提供电网负荷需要的电力。


因此，长时储能是建设“新能源+储能”的新型储能系统，实现“双碳”目标的关键核心技术，必须引起高度重视。我国在加速布局可再生能源发电装机容量的同时，应该同步部署长时储能系统，以适应建立“新能源+储能”新型电力系统的需要。





03


我国储能长时储能与先进国家存在差距


科技部布署的“十四五”储能重大专项中提出，要研究开发“4小时储能技术”，张华民说：只是着眼于锂离子电池储能技术，加上锂离子电池的安全性等问题，远远满足不了实现“双碳”目标的需要。


内蒙古自治区的《实施意见》，从建设“新能源+储能”的新型储能系统的实际需要出发，与时俱进在全国率先提出“储能时长4小时以上；配建比例2022年后根据情况适时调整。”的规定，尽管储能市场离“国际长时储能理事会”和发达国家的长时储能要求还有一定差距，但明确指出配建比例2022年后根据情况适时调整，将会引导我国储能技术发展的方向。


我国的电化学储能装机容量90%为锂离子电池技术，但目前的锂离子电池储能技术难以满足“新能源+储能”的新型储能系统对长时储能的需求。因此，继续部署和支持高安全性、使用寿命大于15年、环境友好的长时技术的研究开发和工程应用。


2030年后，在我国新型电力系统中，可再生能源的比例将会大幅度提高，火力发电的比例将会大幅度降低，电网调峰的作用将由火电调峰电站移交给储能电站，长时段阴雨天时，太阳能电池的发电量将大幅度降低，要保证电力系统的安全、稳定供电，需要大功率、长时储能系统发挥作用。


为深挖大规模长时储能项目的经济性，张华民认为：在电网中增加储能系统，无论是电网侧、电源侧还是用户侧，都需要增加投入，就和当年做环保一样，需要增加成本。首先，储能设备制造商应该加大研发投入，开发出高安全性、生命周期中性价比高、环境友好（包括电池报废后的无害化处理）的储能装备，降低设备成本。


另一方面，既然储能是国家实现“双碳”目标的重大需求，国家就应该像发展新能源汽车、太阳能电池等产业一样，制定出可有效执行的价格补偿机制和相应的长时储能产业政策，例如抽水储能的两部电价政策，推进长时储能产业的健康发展，让储能技术为建立新型电力系统，实现“双碳”目标保驾护航。


另外，国家应重点支持综合能量转换效率应对标抽水储能，综合能量转换效率应大于70%，使用寿命大于15年，考虑长时储能系统的成本时，必须包括电池报废后的无害化处理成本。


04


长时储能的推进节奏：循序渐进、星辰大海


对于长时储能而言，最重要的是为电力系统的灵活性调节提供支撑。概括而言， 电力系统中，灵活性资源的需求方主要是风力、光伏发电设施；电力系统的灵活 性主要来自于两个方面，一方面是原有发电机组的灵活发电，另一方面就是储能 设施的配置。我们在分析推进节奏时，将灵活性提供方简化为三部分：存量机组；成熟的储能方式——抽水蓄能；新型储能技术。通过这种方式，可大致勾勒出随 着风光发电量占比的逐步提升，储能的推进节奏。具体可分为三个阶段：


阶段 1：风光发电量 10%左右的水平（对应中国 2021 年前后所处的阶段）：新 型长时储能技术发展的战略窗口期 在此阶段，存量的发电机组（煤电、气电）可以进行改造，提供更多的灵活性资 源支持；传统的储能方式抽水蓄能由于建设周期较长（6-8 年），需尽快规划上 马；新型储能项目成本仍然过高，但是如果仍存在灵活性缺口，需要新型储能项 目尽快补上。


阶段 2：风光发电量 20%左右的水平（对应中国约 2025 年前后所处的阶段）：新型长时储能技术产业化降本的决战期 在此阶段，存量的发电机组改造基本完成，无法提供更多的增量灵活性；抽水蓄 能项目逐渐落成，与存量机组一同成为灵活性调节主力；而此时，对于新型储能 的需求量也进一步提升。阶段 3：风光发电量 30%左右的水平（对应中国约 2030 年的阶段，对应美国加 州约 2020 年所处的阶段）：成本最优的长时储能技术装机量快速增长期 在此阶段，存量机组无改进空间且逐步淘汰；抽水蓄能受限于地理资源约束无法 继续上量；只能依靠新型长时储能技术提供增量的灵活性资源。





分地域来看：节奏上先欧美，后国内：以美国加州、德国、澳大利亚南部为代表的欧美地区，当前风光发电量占比已经 很高，对于长时储能的需求也愈发迫切。考虑到当前各类新型储能的经济性，他 们更多的选择配置锂电储能系统。以宁德时代、阳光电源为代表的中国锂电储能 行业，正在全球范围内开疆拓土，占领份额。


具体到中国：预计从 2020 年到 2025 年，我国风光发电量占比将从 9.5%提升到 16.4%。根据《“十四五”可再生能源发展规划》的目标：2025 年可再生能源年发电量 达到 3.3 万亿千瓦时，“十四五”期间可再生能源发电量增量在全社会用电量增 量中的占比超过 50%，全国可再生能源电力总量消纳责任权重达到 33%左右；“十四五”期间，风电和太阳能发电量实现翻倍，到 2025 年可再生能源电力非 水电消纳责任权重达到 18%左右。我们假设：（1）火电年利用小时数从 2020 年的 4290 小时下降到 4000 小时；（2）2025 年燃气、其他火电、生物质发电占比与 2020 年保持一致；（3）水电利用小时数不变；（4）风电年均新增 50GW，利用小时数提升至 1700 小时；（5）光伏年均新增 90GW，利用小时数提升至 1050 小时。


在此假设情况下，可以满足《“十四五”可再生能源发展规划》中的目标。根据 此假设情景计算，从 2020 年到 2025 年，我国风光发电量占比将从 9.5%提升到 16.4%。


在“十四五”期间，火电改造与抽水蓄能是灵活性增量的主力，这为新型储能加 速发展提供了战略窗口期。在当前情况下，一方面中国存在着一批可以进行改造 来增加灵活性的机组；一方面中国存在着一部分抽水蓄能资源储备。根据潘尔生 等《火电灵活性改造的现状、关键问题与发展前景》，不同机组特征、改造目标、 燃料特性等条件都将带来改造投资的巨大差别，通常投资按 30~90 元/千瓦计算， 是最便宜的灵活性调节资源。其次为抽水蓄能，之后为以锂电为代表的新型储能。





据郭剑波院士《中国高比例新能源带来的平衡挑战》分析，我国“十四五”期间 将完成存量煤电机组灵活性改造 2 亿干瓦，增加系统调节能力 3000~4000 万千 瓦，新增煤电机组中具备灵活调节能力的达 1.5 亿干瓦；到 2025 年，新型储能 装机容量达到 3000 万干瓦以上；抽水蓄能规模 2025 年达到 6200 万千瓦以上， 2030 年达到 1.2 亿干瓦左右。新型储能将会在 2025 年以后，逐渐成为灵活性 调节的主力。


来源：中国电力报，嘿嘿能源heypower，能源评论