作者：華鵬偉/林劼/華夏/張志強
核心觀點：
行業(yè)發(fā)展：新能源并網(wǎng)提速，長時儲能建設(shè)大勢所趨。政策鼓勵和技術(shù)進(jìn)步趨勢下，可再生能源的滲透率不斷提升，而新能源滲透率快速提升，疊加其出力的不穩(wěn)定性，推升儲能市場需求， 電力系統(tǒng)的儲能應(yīng)用存在多種時間尺度需求，長時儲能（一般指4h以上）成為儲能發(fā)展的重要方向，在電力系統(tǒng)中具備多種優(yōu)勢；整體來看，長時儲能具備提升新能源消納能力、替代傳統(tǒng)發(fā)電方式的潛力，可以為電網(wǎng)提供充足的靈活性資源，可有效降低電網(wǎng)運行成 本，具備更強的峰谷套利和市場盈利潛力。
1、長時儲能需求迫在眉睫
1.1、可再生能源滲透率提升催生多時間尺度儲能需求
政策鼓勵和技術(shù)進(jìn)步的趨勢下，可再生能源的滲透率不斷提升：在雙碳目標(biāo)的指引下，在技術(shù)不斷推動成本下降的趨勢下，可再生能源的滲透率不斷提升。國家能源局的數(shù)據(jù)顯示， 2021年，國內(nèi)新增光伏裝機(jī)54.88GW，累計光伏裝機(jī)超305GW；2021年，國內(nèi)新增風(fēng)電裝機(jī)47.5GW，累計風(fēng)電裝機(jī) 約330GW。其中，風(fēng)電和光伏新增裝機(jī)規(guī)模首次超過1億千瓦，新能源發(fā)電裝機(jī)預(yù)計將保持較快增長。
1.2、長時儲能具備多種優(yōu)勢
長時儲能具備提升新能源消納能力、替代傳統(tǒng)發(fā)電方式的潛力：目前我國新增投運的電化學(xué)儲能項目中，在新能源發(fā)電側(cè)的裝機(jī)規(guī)模最大，2020年已超過580MW，其中主要以4小時以內(nèi)的短時儲能 為主。由于風(fēng)電、光伏發(fā)電的高出力時刻與用戶需求高峰時段并不嚴(yán)格對應(yīng)，而短時儲能不具備數(shù)小時乃至數(shù)天的發(fā)電消納能力，影響 電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。目前，“可再生能源+長時儲能”成為消納可再生能源、替代傳統(tǒng)火電廠的重要解決方案之一，例如：伯克希爾哈撒韋能源集團(tuán)投資的 公用事業(yè)公司NV Energy從Primergy收購了兩個光伏加儲能項目，分別為250MW光伏電站+200MW的4小時儲能電站以及一個350MW 光伏電站+280MW的4小時儲能電站，用于取代一座即將退役的522MW燃煤電廠為居民繼續(xù)供電。
2、長時儲能應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1、長時儲能的定義標(biāo)準(zhǔn)選擇
長時儲能目前正處于發(fā)展初期，針對儲能持續(xù)時長定義尚未統(tǒng)一： 2021年，美國桑迪亞國家實驗室發(fā)布的《長時儲能簡報》認(rèn)為長時儲能是持續(xù)放電時間不低于4小時的儲能技術(shù)，而美 國能源部在支持長時儲能的相關(guān)報告中將其定義為額定功率下至少連續(xù)運行（放電）10小時的儲能系統(tǒng)。 此外，也有學(xué)者和業(yè)界機(jī)構(gòu)將其定義為可實現(xiàn)跨天、跨月，乃至跨季節(jié)充放電循環(huán)的儲能系統(tǒng)。
2.2、海外：長時儲能市場火熱，未來前景可期
以美國為代表的多國政府已經(jīng)開始加碼對長時儲能的政策支持，全球長時儲能市場火熱：美國能源部從2018年起就不斷地投入資金，支持長時儲能的技術(shù)研發(fā)，其目標(biāo)是在2030年把儲能成本降低到5美分/度電以內(nèi)；加州作 為長時儲能最活躍地區(qū)之一，在2020年就發(fā)出了標(biāo)書采購50MW/4GWh的8小時長時儲能系統(tǒng)，在2022年到2023年預(yù)算中計劃提供3.8 億美元進(jìn)一步支持長時儲能部署。英國政府也為24個不同技術(shù)類型的長時儲能技術(shù)提供了6800萬英鎊的競爭性融資資金支持，并于2021年初啟動了總投資1億美元的長時 儲能示范競賽；歐洲投資銀行管理的歐盟創(chuàng)新基金項目發(fā)展援助(PDA)從15個被定義為大規(guī)模清潔能源項目中選擇了重力儲能和熱儲兩 個長時儲能項目進(jìn)行支持，每個項目投資超過750萬歐元。
2.3、國內(nèi)：政策支持下確立長期發(fā)展趨勢
“十四五”期間，我國在長時儲能領(lǐng)域加大政策支持力度：在針對新能源消納和系統(tǒng)調(diào)峰問題，我國將推動大容量、中長時 間尺度儲能技術(shù)示范，同時部署了全釩液流電池、鐵鉻液流電池、壓縮空氣儲能、熔鹽儲熱、氫儲能等多種類別長時儲能技術(shù)的研發(fā)攻 關(guān)。國家科技部發(fā)布的《“十四五”國家的重點研發(fā)計劃》提出為代表各種長時間儲能多種儲能技術(shù)提供了研發(fā)的資金支持，重點包括 超長時間尺度儲能技術(shù)3項：100MW級先進(jìn)壓縮空氣儲能技術(shù)、新一代液流電池儲能技術(shù)、寬液體溫域高溫熔鹽儲熱技術(shù)；中長時間尺 度儲能技術(shù)4項：低成本長壽命錳基儲能鋰離子電池、有機(jī)儲能電池、水系金屬離子儲能電池、百兆瓦時級鈉離子電池儲能技術(shù)。
3、長時儲能技術(shù)一覽
3.1、抽水蓄能：技術(shù)成熟，政策加碼
抽水蓄能是目前最成熟且裝機(jī)規(guī)模最大的長時儲能技術(shù)，通過上下水庫的落差實現(xiàn)勢能和電能的相互轉(zhuǎn)換：主要優(yōu)點體現(xiàn)在儲能容量大、技術(shù)成熟、運行效率高、運行壽命長、維護(hù)費用低等方面，但其對地理資源條件要求高 、建設(shè)周期相對較長。抽水蓄能電站儲能一般時長為4-10小時，單機(jī)容量在30-40萬千瓦，充分滿足長時儲能需求。例如，裝機(jī)容量世界第一的河北豐寧抽水蓄能電站，其總裝機(jī)達(dá)360萬千瓦，12臺機(jī)組滿發(fā)利用小時數(shù)為10.8小時。
3.2、壓縮空氣儲能：規(guī)模化提速，脈沖式發(fā)展
壓縮空氣儲能主要通過空氣的內(nèi)能與電能之間相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)儲能： 主要優(yōu)點體現(xiàn)在儲能容量大、儲能周期長、系統(tǒng)效率高、運行壽命長、投資相對較小等方面。 我國于2005才開始研究壓縮空氣儲能，歷經(jīng)十余年建設(shè)規(guī)模已實現(xiàn)從千瓦級到百兆瓦級的重大跨越，在國家發(fā)展改革委、國家能源局印 發(fā)的《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》中將百兆瓦級壓縮空氣儲能技術(shù)作為“十四五”新型儲能核心技術(shù)裝備攻關(guān)重點方向之一。
3.3、熔鹽儲能：配套多元化展開，商業(yè)化方興未艾
熔鹽儲能通過加熱熔鹽實現(xiàn)對熱能的存儲，在供電時利用高溫熔鹽換熱產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽推動汽輪機(jī)組發(fā)電：熔融鹽是無機(jī)鹽的熔融態(tài)液體，在高溫下熔化后形成離子溶體，一般具有儲熱密度大、放熱工況穩(wěn)定、價格低等優(yōu)點。在實際應(yīng)用中一 般采用槽式、塔式、線性菲涅爾式和碟式四種方式聚光并加熱工質(zhì)，實現(xiàn)光能到熱能的轉(zhuǎn)化。熔鹽熱儲的儲熱功率可以達(dá)到百兆瓦級別 ，并實現(xiàn)單日十小時以上的儲熱能力，使用壽命可達(dá)30年以上。中廣核德令哈光熱儲一體化項目位于青海省海西州德令哈市光伏(光熱)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，項目總裝機(jī)容量200萬千瓦，其中光伏160萬千瓦、光 熱熔鹽儲能40萬千瓦，儲能配比率25%、儲能時長6小時。在新疆哈密建成的50 MW 熔鹽塔式光熱發(fā)電，采用熔鹽儲熱可實現(xiàn)12小時 連續(xù)發(fā)電，充分具備長時儲能應(yīng)用潛力。
3.4、全釩液流電池：安全可靠，自主可控
全釩液流電池主要通過釩離子價態(tài)的變化實現(xiàn)電能儲存和釋放：其電解液為水溶液故安全性更高、可擴(kuò)展性強，反應(yīng)過程只涉及釩離子價態(tài)的變化，電解液可以循環(huán)再生，循環(huán)次數(shù)高可達(dá)15000次以 上，壽命可長達(dá)20年，同時我國釩儲量及產(chǎn)量均位居世界第一，發(fā)展釩電池所需資源自主可控。 其缺點主要體現(xiàn)在初裝成本較高、能量密度和轉(zhuǎn)換效率低于鋰電池，可以通過提高電池的功率密度、提升關(guān)鍵材料的有效使用面積、降 低材料成本等方式解決電堆成本問題。
3.5、重力儲能：積極探索
按照重力儲能實施地點的不同可將其分為建筑儲能、海洋儲能、山地儲能、礦井儲能等：儲能塔結(jié)構(gòu)由Energy Vault公司提出，主要通過起重機(jī)將混凝土塊堆疊成塔型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)儲能和釋能；海下儲能由德國研究人員提出，利 用海水靜壓差通過水泵-水輪機(jī)實現(xiàn)，實現(xiàn)對海洋空間的有效利用。活塞水泵由Gravity Power等公司提出，利用活塞的重力勢能在密封通道內(nèi)形成水壓實現(xiàn)儲能，適合城市中小功率儲能。利用山體落差的斜坡機(jī)車和斜坡纜車儲能主要通過纜繩吊起/吊落重物實現(xiàn)，相對塔式儲能結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。地下豎井儲能主要通過重復(fù)吊起和放下鉆機(jī)實現(xiàn)充放電，可以更有效利用廢棄礦井資源。
3.6、氫儲能：遠(yuǎn)景方案，未來可期
儲氫方面，車載儲氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對成熟，大容量儲氫產(chǎn)業(yè)方興未艾：現(xiàn)有儲氫技術(shù)中，高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)較為成熟，液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫仍處于示范應(yīng)用階段。京城股份、亞普股份、中材科技、國富氫能 等公司均在儲氫瓶方面均有布局，相關(guān)技術(shù)已用于氫能源汽車產(chǎn)業(yè)。由于高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)中儲氫密度低，針對氫能發(fā)電場景下的大規(guī)模儲氫需求同時存在一定的安全問題，預(yù)計隨著液氫、固氫存儲技術(shù) 突破，大容量發(fā)電用儲氫能力有望進(jìn)一步發(fā)展。
