第一章 可再生能源發(fā)展需要大規(guī)模儲(chǔ)能支撐
光伏和風(fēng)電每度電的成本一直在降低，可再生能源的裝機(jī)量也一天比一天多。
2010 - 2020年期間，公用事業(yè)光伏平均每度電成本(LCOE)降了85%，集中式光伏的這個(gè)成本降了68%，陸上風(fēng)電的LCOE降了56%，海上風(fēng)電的LOCE降了48%，光伏和風(fēng)電技術(shù)發(fā)電的成本已經(jīng)跟化石燃料發(fā)電成本一樣了，甚至更低。2011 - 2021年的時(shí)候，全球可再生能源新增裝機(jī)容量增加了130%還多，可是不可再生能源只增加了24%。
從2014年起，像光伏、陸上風(fēng)電這類可再生能源，它們的新增裝機(jī)量就已經(jīng)開始比非可再生能源多了。2021年的時(shí)候，可再生能源(不算抽蓄的情況)累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到了3064GW，發(fā)電量大概有8000TWh。要是想達(dá)成全球升溫1.5°C的目標(biāo)，到2030年，可再生能源的裝機(jī)容量和2020年相比還得增加兩倍多呢。
在可再生能源發(fā)展成為剛需的情況下，儲(chǔ)能是很有發(fā)展前景的。
從2011年開始，全球能源結(jié)構(gòu)迅速朝著低碳方向發(fā)展，可再生能源裝機(jī)的發(fā)展速度也加快了。特別是像風(fēng)電、光伏這種間歇性的可再生能源，在近幾年成了全球新增裝機(jī)的主力軍。2021年的時(shí)候，全球可再生能源總裝機(jī)量(不算抽蓄)達(dá)到了3064GW，這當(dāng)中風(fēng)電是825GW，光伏是849GW。過去的10年里，全球可再生能源裝機(jī)容量年化增速一直保持在8 - 10%左右。
全球可再生能源發(fā)電量和裝機(jī)容量的預(yù)測(cè)(由兩種機(jī)構(gòu)作出的預(yù)測(cè))
我們對(duì)國(guó)內(nèi)權(quán)威能源研究機(jī)構(gòu)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究中心，還有國(guó)際可再生能源署的研究預(yù)測(cè)做了比較。這兩家機(jī)構(gòu)呢，在全球發(fā)電量的預(yù)測(cè)上有15%的差距，不過對(duì)于全球可再生能源容量占比和發(fā)電量占比，看法比較接近。我們能參考這兩家機(jī)構(gòu)關(guān)于風(fēng)電、光伏這類間歇性電源消納占比的看法，來預(yù)測(cè)儲(chǔ)能市場(chǎng)發(fā)展的依據(jù)。這兩家機(jī)構(gòu)都覺得，在2030 - 2035年的時(shí)候，全球風(fēng)電光伏消納占比會(huì)超過40%，到2050年能超過60%。
新能源滲透率越高，能源系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能的需求就越強(qiáng)烈。
高比例的清潔能源系統(tǒng)得有足夠的調(diào)節(jié)能力，這樣才能同時(shí)應(yīng)對(duì)消費(fèi)側(cè)和供應(yīng)側(cè)的隨機(jī)變化。通常會(huì)把用電負(fù)荷減去風(fēng)電、光電出力之后得到的值定義為凈負(fù)荷，能源系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)能力的需求是由凈負(fù)荷的波動(dòng)特性決定的。凈負(fù)荷的波動(dòng)和用電負(fù)荷、新能源出力特性關(guān)系很密切，而且會(huì)隨著新能源滲透率的提高而變大。
拿華北某省夏季典型日來說分析一下。要是新能源滲透率是零的話，用電負(fù)荷是28.54GW，這也就是凈負(fù)荷了，它有著早、晚兩個(gè)高峰，夜間低谷這樣的波動(dòng)特點(diǎn)。當(dāng)新能源滲透率到20%的時(shí)候，凈負(fù)荷的平均值就下降了，白天光伏發(fā)電讓凈負(fù)荷白天的高峰明顯變小了。新能源滲透率要是增加到50%呢，風(fēng)電和光電的出力對(duì)凈負(fù)荷的影響就更大了，中午光伏出力最大的時(shí)候，凈負(fù)荷能降到零以下，就有了“鴨形曲線”的特點(diǎn)。等新能源滲透率增加到80%時(shí)，凈負(fù)荷在一天里大部分時(shí)間都小于零，波動(dòng)得更明顯了。
總體來講，新能源滲透率一提高，凈負(fù)荷的最大值和平均值就不斷降低，標(biāo)準(zhǔn)差和最大變化速率則不斷上升，能源系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能的需求也變得越來越迫切了。
電化學(xué)儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景最廣，這是由技術(shù)特性決定的。
按照技術(shù)類型來劃分，以電能釋放的儲(chǔ)能方式大體上能分成機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能以及電化學(xué)儲(chǔ)能。各種儲(chǔ)能技術(shù)都有各自的內(nèi)在特性，像是功率密度和能量密度就不一樣，電化學(xué)儲(chǔ)能的能量密度和功率密度都比較高，這就使得它在技術(shù)上有很廣泛的適用性。鋰離子電池呢，它的功率密度和能量密度都很高。
第二章：2025年新型儲(chǔ)能市場(chǎng)展望
中國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)的水平提高得很快，好多儲(chǔ)能技術(shù)的水平在世界上都是領(lǐng)先的。
在“十二五”和“十三五”這兩個(gè)階段，國(guó)家和產(chǎn)業(yè)一直不斷投入，中國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)的水平提高得特別快。壓縮空氣儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱儲(chǔ)能、鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池以及鈉離子電池，這些已經(jīng)達(dá)到或者快接近世界先進(jìn)水平了;抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容器和新的儲(chǔ)能技術(shù)跟世界先進(jìn)水平比還有些差距，不過總體上這個(gè)差距在一點(diǎn)點(diǎn)變小。
2021年，中國(guó)的機(jī)構(gòu)和學(xué)者發(fā)表了11949篇儲(chǔ)能SCI論文，數(shù)量在世界上排第一，而且把排第二的美國(guó)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地甩在了后面，中國(guó)已經(jīng)是全球在儲(chǔ)能技術(shù)基礎(chǔ)研究方面最活躍的國(guó)家了。在關(guān)鍵技術(shù)和集成示范上，中國(guó)也都取得了重要的成果，中國(guó)已經(jīng)成為世界上儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)和示范的主要核心國(guó)家之一。
儲(chǔ)能能加速應(yīng)用是電池成本下降推動(dòng)的。
電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)大多是由電池組、電池管理系統(tǒng)(BMS)、儲(chǔ)能變流器(PCS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)還有其他電氣設(shè)備組成的。電池是整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)里的核心部分，它的成本能占到儲(chǔ)能系統(tǒng)總成本的50%，所以電池是儲(chǔ)能降低成本的關(guān)鍵。
我國(guó)磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能電站的建設(shè)成本在全球處于領(lǐng)先地位。
2021年的時(shí)候，我國(guó)磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能的中標(biāo)價(jià)已經(jīng)降到了1.2 - 1.7元/Wh。BNEF算過，2022年全球電化學(xué)儲(chǔ)能EPC成本大概是261美元/kWh(差不多1.66元/Wh)，預(yù)計(jì)到2025年能降到203美元/kWh(大概1.29元/Wh)。(報(bào)告來源：未來智庫)
分布式光儲(chǔ)：以“特斯拉戶用光伏”為例
2021年的時(shí)候，特斯拉儲(chǔ)能這塊新增的裝機(jī)量達(dá)到了3.9GWh，跟上年比增加了32%，在全球新型儲(chǔ)能市場(chǎng)里占的份額大概是16%。從2017年到2021年，特斯拉儲(chǔ)能新增裝機(jī)量每年平均下來的復(fù)合增長(zhǎng)率特別高，達(dá)到了82.74%。現(xiàn)在特斯拉主要有三款儲(chǔ)能產(chǎn)品，就是Powerwall、Powerpack還有Megapack。Powerwall呢，是2015年5月推出來的家用儲(chǔ)能電池;Powerpack和Megapack是商業(yè)用的能源產(chǎn)品，Powerpack在2017年推出，Megapack在2019年推出，是給商業(yè)機(jī)構(gòu)和公共事業(yè)機(jī)構(gòu)用的。2021年特斯拉儲(chǔ)能裝機(jī)量增長(zhǎng)的動(dòng)力，主要就是Megapack帶來的。
特斯拉正在提升Megapack工廠的產(chǎn)能。因?yàn)槭袌?chǎng)需求一直比產(chǎn)能高，所以特斯拉儲(chǔ)能裝機(jī)量的增長(zhǎng)還是被電池產(chǎn)能給限制住了。特斯拉的高管在業(yè)績(jī)交流會(huì)上說，Megapack在全球儲(chǔ)能市場(chǎng)現(xiàn)在是供不應(yīng)求的情況。2021年，每年能生產(chǎn)40GW的Megapack工廠已經(jīng)在美國(guó)加州開始動(dòng)工建設(shè)了，等建好了，特斯拉的產(chǎn)能會(huì)從現(xiàn)在的3GWh增加到40GWh。
發(fā)展的現(xiàn)狀是：全球抽水蓄能裝機(jī)量最多，電化學(xué)儲(chǔ)能排在后面，和它差距不大。
到2021年年底的時(shí)候，全球已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)的電力儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到了209.4GW，跟去年相比增長(zhǎng)了9%。在這當(dāng)中，抽水蓄能累計(jì)裝機(jī)的占比頭一回低于90%，和去年同期相比下降了4.1個(gè)百分點(diǎn);新型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模排在后面，有25.4GW，跟去年同期比增長(zhǎng)了67.7%，在新型儲(chǔ)能里，鋰離子電池占著絕對(duì)主導(dǎo)的地位，市場(chǎng)份額在90%以上。
到2021年底的時(shí)候，中國(guó)已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)的電力儲(chǔ)能項(xiàng)目，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模有46.1GW，這個(gè)規(guī)模占全球市場(chǎng)總規(guī)模的22%，在世界上排第二，跟去年相比增長(zhǎng)了30%。在這些項(xiàng)目里，抽水蓄能的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模是最大的，有39.8GW，同比增長(zhǎng)25%，它的占比和去年同期比又下降了，降了3個(gè)百分點(diǎn);新型儲(chǔ)能的增長(zhǎng)速度最快，同比增長(zhǎng)75%，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到5.7GW。
2021年的時(shí)候，中國(guó)新增加的儲(chǔ)能項(xiàng)目數(shù)量頭一回超過了10GW，有10.5GW呢。在這些項(xiàng)目里，抽水蓄能新增加了8GW，跟之前相比增長(zhǎng)了437%;新型儲(chǔ)能新增加的容量規(guī)模也第一次超過了2GW，達(dá)到了2.4GW(4.9GWh)，同比增長(zhǎng)了54%。
第三章：鈉離子電池原理及發(fā)展趨勢(shì)
鈉離子電池的工作原理跟鋰電池是一樣的。
鈉離子電池存在很久了，它和鋰離子電池原理一樣。20世紀(jì)80年代的時(shí)候，ARMAND團(tuán)隊(duì)最早提出鈉離子電池，到了90年代，經(jīng)過產(chǎn)業(yè)化推廣，鈉離子電池有了技術(shù)方面的應(yīng)用。鈉離子電池說到底呢，就是在充放電的時(shí)候，靠鈉離子在正負(fù)極之間嵌入和脫出完成電荷轉(zhuǎn)移;鋰離子電池則是通過鋰離子在正負(fù)極間移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移，二者工作原理其實(shí)是一樣的。
從材料體系方面來說，除了隔膜之外，別的材料組分都有顯著的變化，正極和負(fù)極材料的變化尤其明顯。
鈉離子電池有個(gè)優(yōu)勢(shì)，那就是資源豐富。
鈉資源挺豐富的：在地殼里，鈉元素的豐度達(dá)到2.3%，在所有元素里能排到第六位呢，這可比鋰元素的0.0017%高多了。陳立泉院士說，現(xiàn)在全球已經(jīng)探明的、能拿來開采的鋰資源儲(chǔ)量，也就夠14.8億輛電動(dòng)汽車用的。隨著全球電動(dòng)化的進(jìn)程加快，鋰資源短缺的壓力就更明顯了。
鈉資源分布更平均：美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2019年的報(bào)告指出，南美洲的阿根廷、智利、玻利維亞這三個(gè)國(guó)家，鋰資源儲(chǔ)量在全球占比達(dá)52.10%，而中國(guó)鋰資源儲(chǔ)量只占7.26%，分布特別不平均。中國(guó)六成以上的鋰原料都得靠進(jìn)口，對(duì)外依賴程度很高。鈉元素以鹽的形式在陸地和海洋里到處都有，獲取起來很方便。
鈉離子電池有優(yōu)勢(shì)：低溫時(shí)性能好，倍率性能也不錯(cuò)。
倍率性能很棒：鈉離子的溶劑化能比鋰離子低，界面上離子擴(kuò)散能力比較強(qiáng)，而且鈉離子的斯托克斯半徑小。在電解液濃度相同的時(shí)候，鈉鹽電解液的離子電導(dǎo)率要比鋰鹽電解液更高，快充性能也更好。寧德時(shí)代的數(shù)據(jù)顯示，鈉離子電池能在15分鐘里充電到80%;中科海鈉也表示他們的電池12分鐘就能充到90%，這充電速度可比正常狀態(tài)下鋰離子電池30分鐘充80%的速度快多了。
低溫性能好：鈉離子的離子電導(dǎo)率高，對(duì)電解液濃度要求低，低溫下電解液粘度比鋰離子電池的低，電池整體性能更好。鈉離子電池正常工作溫度在-40℃到80℃，有些產(chǎn)品在-20℃時(shí)容量保持率能達(dá)到88%，這可比磷酸鐵鋰60 - 70%左右的容量保持率強(qiáng)多了。
鈉離子電池存在不足，循環(huán)壽命和能量密度還有改進(jìn)的余地。
循環(huán)壽命這塊兒呢，鈉離子電池目前整體的循環(huán)壽命大概是2000次上下，這跟磷酸鐵鋰電池比起來，表現(xiàn)要稍微差一些。特別是和部分用在儲(chǔ)能領(lǐng)域、循環(huán)壽命超過5000次的磷酸鐵鋰電池相比，鈉離子電池還是有一定差距的。
能量密度方面：鈉創(chuàng)新能源的鈉離子電芯能量密度能超過130Wh/kg，立方新能源電芯能量密度是140Wh/kg，中科海鈉的產(chǎn)品能量密度達(dá)145Wh/kg，這些都還有繼續(xù)優(yōu)化的空間;寧德時(shí)代最新的第二代鈉電池，設(shè)計(jì)的能量密度可以達(dá)到200Wh/kg。
評(píng)論