从储能和电力系统的关系看储能技术的发展趋势

作为能源体系的重要组成部分、能源互联网的主要环节之一，储能和储能技术的发展近年来获得了学术界和产业界的极大重视。以锂离子电池技术为代表的储能技术取得了足进步并获得了相当广泛的应用，成为新能源汽车产业蓬勃发展的核心因素。
 
同时，储能技术是纷繁复杂，涉及众多学科交叉融合的一大类技术体系，具有诸多技术指标，见下图。那么，储能技术的发展方向应该如何呢？我们不妨立足电力系统已经成为社会生活的关键组成部分，储能发挥的作用相当程度上和网电类似这一事实，以实际需求为导向，从储能和电力系统的关系出发通过不同的应用情景看储能技术的发展趋势。
 
 
 
图 储能技术的评价指标体系
 
简单而言，考虑到电力系统和储能在满足用能侧需求方面的相似性，储能技术的应用情景可以分为强联系情景（用能侧可以完全使用网电，储能系统随时能和电力系统进行能量交换且能量交换的时间远小于储能系统供能时间）、中联系情景（用能侧不能直接使用网电或使用受限，储能系统和电力系统进行能量交换的时间和储能系统供能的时间基本可比）和弱联系情景（用能侧不能直接使用网电，储能系统和电力系统进行能量交换的时间相当程度上大于储能系统供能时间，甚至很难使用网电充能）三种。见下图。
 
 
 
强联系情景下储能技术的发展趋势
 
对于强联系情景，网电本身就是储能应用的强大替代品。立足于峰谷差套利、可再生能源消纳等应用方式的储能技术，不论抽水蓄能、压缩空气储能、蓄电池或液流电池等，其核心痛点在于考虑能量循环效率，循环寿命与日历寿命等各种因素后，储能技术的度电储能成本（可以理解为储能系统向用能侧放出一度电的综合成本）是否可以廉价到低于峰谷价差，并取得投资收益的程度。所以，应用于强联系应用情景的储能技术，其发展趋势主要是在保证安全性的前提下降低度电储能成本——抽水蓄能技术因此而诞生、发展、成熟并成为目前装机容量最大的储能技术，见下图；压缩空气储能技术，铅酸/铅炭电池技术，液流电池技术，钠硫电池技术和锂离子电池技术，对标供热价格的储热技术等，都将遵循这条发展路径。
 
 
 
特殊需要说明的是，上述假设要求网电是理想化的。事实上，当储能系统为不够理想的电力系统提供补充时，应用的收益可能更高。如美国CAISO电力市场中储能参加调频等辅助服务可以获取可观收益，见下图；储能设施替代建设成本较高，用于满足调峰调频爬坡等需求的燃煤/燃气电站也可以实现更低的社会总成本等。在为电力系统提供补充时，储能技术的发展趋势则是提高满足特定需求的性能，或降低满足特定需求所付出的成本——具备相当程度灵活性的铅酸/铅炭电池技术，锂离子电池技术乃至超级电容技术等，将力争以此分得电力系统范围内的可观利润。
 
 
中联系情景下储能技术的发展趋势
 
“剪不断，理还乱”可以认为是中联系情景下储能技术处境的真实写照。无论近年来大红大紫的新能源汽车，还是更新了一代又一代SoC性能屡创新高的智能手机，里程焦虑和续航时间的需求在相当程度上都持续存在。显而易见，在保证安全性条件下储能技术成本的降低和能量密度的提升是核心需求。如三元锂电池对磷酸铁锂电池市场份额的逐步取代，甚至补贴体系的设计也通过补贴系数手段为能量密度大开绿灯；燃料电池汽车依靠储氢加氢的物理优势在技术、产业成熟度和配套设施都不够完善的情况下大打性能牌；当前旗舰乃至主流智能手机的电池容量已经从几年前的2000mAh普遍达到3000mAh乃至更高，为此厂商们甚至纷纷取消了可更换电池设计以求更好地利用智能机内部有限的空间等。此外，快充概念的提出和实践也为中联系情景下储能技术的发展开辟了一条新路，董小姐押宝的银隆钛酸锂电池和oppo r9够响亮的“充电五分钟，通话两小时”广告语无疑给快充技术风风光光地占了两次台。不过储能技术指标体系本身就是个“不可能三角”乃至“不可能多边形”，通常情况下快充能力会影响能量密度，也会在充电功率需求总量较大的时候对电网产生相当程度的冲击。可见，中联系场景下的储能技术发展较为多样化，安全性、成本、能量类性能和功率类性能甚至温度特性都有进步改善的需求。锂离子电池技术，燃料电池技术将在中联系场景这个竞技场上扬长避短，继续角逐，这个竞技场也分外欢迎综合性能成本出众的新技术的到来。
 
弱联系情景下储能技术的发展趋势
 
如果万元级别无人机的续航能力可以从单次飞行25分钟提升到1小时并不带来任何其他负面影响，那么我相信多数消费者并不会排斥多付出哪怕两千元储能电池成本；如果航母、核潜艇上的储能电池能量密度翻倍，如果关键地区通信设施备用电源能撑住十天半个月，如果航天器用储能电池可以应对更严酷的环境考验并发挥更佳的性能……弱联系情景下储能技术和使用条件相匹配的绝对性能本身和安全性并列技术发展的第一考虑因素，成本甚至退居次要地位。以高能量密度为卖点的锂硫电池，金属空气电池自概念提出以来已经经过了几十年的研发，虽仍没有成规模的商业化进展，但研究和应用的探索一直没有止步，如创业公司SolidEnergy为高空无人机提供的半年以上续航锂空气电池等，见下图。如果说高效太阳能电池是光伏领域的至高皇冠，那么可以在能量密度上和化石燃料一争高低的储能技术则是储能领域的璀璨明珠。
 
 
 
总结
 
上述强、中、弱联系的分类并不是绝对的，储能应用所处的范围也可以拓展。如新能源汽车的度电储能成本足够低，则可以通过参与电力市场的辅助服务获取收益；如机械可充金属空气电池（通过更换金属负极“充电”的一次电池）的综合性能和成本符合应用需求，则可以同时颠覆无人机和新能源汽车的市场格局等。
 
从需求出发，回归需求。这也是不同类型的储能技术在不同情景下找到自己合适定位和发展趋势的最终判据。
 
原文来源：清华能源互联网研究院