2020年9月中國提出全社會實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的目標,制定了2030年風光新能源和非化石能源占比新目標,發(fā)布了1+N政策體系,提出構(gòu)建新能源占主體的新型電力系統(tǒng),為中國能源電力清潔轉(zhuǎn)型指明了發(fā)展方向和遵循路徑。截至2022年,中國風電、光伏裝機分別達3.65億kW、3.93億kW,兩者占全國發(fā)電總裝機容量的29.6%。“雙碳”目標下,以風光為代表的新能源未來將繼續(xù)保持較高增速,逐步成為主力電源。風光新能源發(fā)電具有隨機性、波動性、間歇性等特點,系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力已成為影響風光集中式與分布式大發(fā)展、構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。 本%文$內(nèi)-容-來-自;中_國_碳|排 放_交-易^網(wǎng)^t an pa i fang . c om
《中國電力》2023年第8期刊發(fā)了任大偉等人撰寫的《支撐雙碳目標的新型儲能發(fā)展?jié)摿奥窂窖芯俊芬晃?。文章將中國電力系統(tǒng)宏觀轉(zhuǎn)型路徑分析、微觀源網(wǎng)荷儲靈活性資源協(xié)同規(guī)劃分析、不同類型新型儲能技術(shù)發(fā)展定位和水平以及中國電力系統(tǒng)煤電基數(shù)大且全國區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的系統(tǒng)特征相結(jié)合,以中國實現(xiàn)雙碳目標的新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型路徑情景為基礎(chǔ)邊界,充分考慮煤電發(fā)展過程存在的不確定,提出3種支撐雙碳目標實現(xiàn)的新型儲能研究方案,采用基于8 760 h時序生產(chǎn)模擬的電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲擴展優(yōu)化模型,充分刻畫七大區(qū)域電網(wǎng)的資源稟賦、負荷特征以及區(qū)域電網(wǎng)之間的互聯(lián)格局和規(guī)模,全面考慮系統(tǒng)中可調(diào)節(jié)電源、新能源、互聯(lián)電網(wǎng)、負荷需求響應(yīng)及各類型儲能等靈活性資源的技術(shù)經(jīng)濟特性,量化分析全國七大區(qū)域電網(wǎng)對各類型儲能的需求潛力,并分碳達峰、快速減排、碳中和3個階段從新型儲能的發(fā)展任務(wù)、技術(shù)經(jīng)濟水平以及各種新型儲能技術(shù)的發(fā)展規(guī)模等維度提出新型儲能的發(fā)展路徑,為中國新型儲能發(fā)展規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展提供決策參考。
構(gòu)建新型電力系統(tǒng)對于實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標至關(guān)重要。系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力已成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。新型儲能具有多種優(yōu)勢,且技術(shù)經(jīng)濟性正在快速進步,必將成為提升系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力的重要支撐。未來支撐實現(xiàn)雙碳目標的新型電力系統(tǒng)需要多少新型儲能、什么樣的新型儲能以及如何發(fā)展新型儲能是需要重點研究的課題。將中國電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型路徑、靈活性資源協(xié)同規(guī)劃、儲能技術(shù)發(fā)展及中國電力系統(tǒng)的特征相結(jié)合,以轉(zhuǎn)型路徑情景為基礎(chǔ)邊界,充分考慮煤電發(fā)展過程存在的不確定,提出3種新型儲能研究方案;采用基于時序生產(chǎn)模擬的電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲擴展優(yōu)化模型,充分刻畫七大區(qū)域電網(wǎng)的電源、負荷及電網(wǎng)互聯(lián)等系統(tǒng)特性,全面考慮系統(tǒng)靈活性資源的技術(shù)經(jīng)濟特性,量化分析全國七大區(qū)域電網(wǎng)對各類型儲能的需求潛力;從碳達峰、快速減排、碳中和3個階段,針對新型儲能的發(fā)展任務(wù)、技術(shù)經(jīng)濟水平及發(fā)展規(guī)模等維度提出新型儲能的發(fā)展路徑,為中國新型儲能發(fā)展規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展提供決策參考。 本+文+內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放(交—易^網(wǎng)-tan pai fang . com
01、模型方法及流程
1.1 模型方法
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本文建立了基于時序、計及多種靈活性資源出力約束,且考慮多種時間尺度不確定性的快速生產(chǎn)運行模擬模型,以系統(tǒng)總成本最低為目標,兼顧投資決策和生產(chǎn)運行約束,可統(tǒng)籌優(yōu)化系統(tǒng)目標年的源-網(wǎng)-儲的容量規(guī)模,為源-網(wǎng)-儲的中長期規(guī)劃提供量化支撐。
模型主要包含優(yōu)化目標、投資決策約束及生產(chǎn)運行約束3個方面,說明如下。 禸*嫆唻@洎:狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm
1)優(yōu)化目標為系統(tǒng)總成本最低,包括投資成本和運行成本。電源、電網(wǎng)及儲能的投資成本為單位投資成本與容量的乘積,其中容量為優(yōu)化變量。系統(tǒng)的總運行成本包括火電的發(fā)電成本、失負荷成本,火電出力與失負荷量為優(yōu)化變量,即 本`文@內(nèi)-容-來-自;中^國_碳0排0放^交-易=網(wǎng) ta n pa i fa ng . co m
式中:分別為電源、電網(wǎng)、儲能的年化投資成本和系統(tǒng)的年運行成本。
2)投資決策約束主要包括系統(tǒng)供電充裕度、新能源發(fā)電量占比以及新能源電源、互聯(lián)電網(wǎng)及新型儲能的最大可規(guī)劃容量等。系統(tǒng)供電充裕度方面,要求失負荷量小于負荷總量的較小比例,或者不允許失負荷,約束為
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式中:Nt、Nd分別為時段數(shù)和負荷數(shù);di,t、圖片分別為時刻t負荷i及其失負荷的大??; β 為供電充裕度。
新能源發(fā)電量占比可反映新型電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的進程,一般要求一定比例的系統(tǒng)用電負荷由新能源發(fā)電來滿足,約束為
式中:ri,t為時刻t新能源i的發(fā)電出力;Nr為新能源設(shè)備數(shù)量; α 為新能源發(fā)電的滲透率,與能源轉(zhuǎn)型進程密切相關(guān)。
3)生產(chǎn)運行主要考慮可調(diào)節(jié)性電源和新能源出力、互聯(lián)電網(wǎng)輸送功率、儲能充放電功率以及系統(tǒng)電力供需平衡等運行特性,其中儲能充放電約束為 本+文+內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放(交—易^網(wǎng)-tan pai fang . com
式中:分別為時刻t儲能的放電和充電功率;Capsto 為儲能的待建功率,為優(yōu)化決策變量; Esto,t 為時刻t儲能的荷電或電量狀態(tài); ηsto 為儲能充放電效率; Hsto 為儲能持續(xù)充放電時間,一般要求儲能充放電過程滿足儲能設(shè)備的能量平衡。 本+文內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) ta np ai fan g.com
不同類型儲能充放電效率、持續(xù)充放電時長、成本各不同,不再區(qū)分不同類型儲能跨時間尺度平衡的特點,允許不同類型儲能基于時序曲線決定充放電,從經(jīng)濟性最優(yōu)的角度開展統(tǒng)籌優(yōu)化。 本+文內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) ta np ai fan g.com
1.2 計算流程 夲呅內(nèi)傛萊源亍:ф啯碳*排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńpāīfāńɡ.cōm
儲能需求優(yōu)化計算流程如圖1所示。首先,根據(jù)已有研究基礎(chǔ)確定各類輸入?yún)?shù),包括各類可調(diào)節(jié)電源出力特性、成本及規(guī)模,新能源出力曲線、成本及規(guī)模,電網(wǎng)輸電特性、成本及規(guī)模,儲能調(diào)節(jié)特性和成本,新能源滲透率以及供電充裕度等技術(shù)經(jīng)濟指標,具體參數(shù)詳見2.2節(jié)基礎(chǔ)邊界。其次,以確保用電可靠性為前提,結(jié)合各類電力、電量平衡約束,以綜合度電成本最低為優(yōu)化目標,采用混合整數(shù)線性規(guī)劃進行建模,優(yōu)化系統(tǒng)8 760逐小時的運行過程;最終,得出滿足平衡要求的最優(yōu)儲能裝機、新能源裝機優(yōu)化結(jié)果,計算相應(yīng)的新能源利用率和系統(tǒng)綜合度電成本等參數(shù)。
圖1 儲能需求優(yōu)化計算流程
Fig.1 Optimization calculation process of energy storage demand
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儲能需求是對其功率、持續(xù)放電時間、成本等因素的復雜組合,因此,對功能區(qū)別較大的短時儲能(提供功率調(diào)節(jié)能力)和長期儲能(提供能量調(diào)節(jié)能力)分別建模。求解過程充分考慮了來自于可調(diào)節(jié)電源、電網(wǎng)互聯(lián)和負荷錯峰等方面的靈活性,計算結(jié)果是系統(tǒng)對各類型儲能的需求,包括短時儲能(抽蓄和鋰離子電池儲能)和長期儲能(氫儲能),抽蓄以外的儲能需求即為新型儲能需求。 本+文`內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
02、儲能需求潛力 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m
2.1 電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型路徑 內(nèi).容.來.自:中`國`碳#排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai f an g.com
構(gòu)建新型電力系統(tǒng)能夠有力推動電力生產(chǎn)在2050年前實現(xiàn)近零排放,之后為實現(xiàn)碳中和提供負排放。電力將是減排力度最大、脫碳速度最快的領(lǐng)域,減排量占能源活動40%以上。
碳達峰階段(2030年前),推動構(gòu)建新型電力系統(tǒng),轉(zhuǎn)變煤電定位,加快風光新能源發(fā)電建設(shè),電力生產(chǎn)碳排放明顯下降。2030年新能源發(fā)電量占比約30%,電力生產(chǎn)碳排放降至45億t。
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快速減排階段(2030—2050年),在確保供應(yīng)安全的前提下,推動煤電有序退出,優(yōu)化氣電功能布局,通過碳捕集利用與封存(CCS)、生物質(zhì)碳捕集與封存碳捕集量約15億t CO2,2050年前電力生產(chǎn)實現(xiàn)近零排放,2050年新能源發(fā)電量占比約60%。
全面中和階段(2050—2060年),2060年電力生產(chǎn)90%以上由清潔電源供應(yīng),65%由新能源電源供應(yīng),碳捕集量約10億t CO2,進入電力供應(yīng)負排放時代,為全社會2060年前碳中和提供負排放空間。 本`文內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fan g.com
2.2 基礎(chǔ)邊界 夲呅內(nèi)傛萊源亍:ф啯碳*排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńpāīfāńɡ.cōm
2.2.1 負荷水平及特性 內(nèi)/容/來/自:中-國/碳-排*放^交%易#網(wǎng)-tan p a i fang . com
根據(jù)中國碳中和之路研究,預計2030、2050、2060年中國全社會用電量分別達到11.4萬億、16萬億、17萬億kW·h;最大負荷分別達到18.2億、26億、27.4億kW。在負荷特性方面,考慮優(yōu)惠電價政策或市場機制的引導作用,部分負荷將向用電成本更低的時段轉(zhuǎn)移,起到一定移峰填谷的效果,負荷最大利用小時數(shù)將逐年有所提高。 本`文@內(nèi)/容/來/自:中-國^碳-排-放^*交*易^網(wǎng)-tan pai fang. com
2.2.2 電源裝機
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根據(jù)中國碳中和之路研究,預計2030 年、2050 年、2060 年中國電源總裝機(不含抽蓄)將分別達到39億、76 億和78億kW。清潔能源發(fā)電(不含煤電和氣電)裝機比重持續(xù)上升,2030 年達到24.6 億kW,占比約63%。2030—2050 年,清潔能源裝機每年須增長2億kW,達到65.1億kW,占比約85%。2050—2060 年,每年需增長0.5 億kW,達到69.7億kW,實現(xiàn)約90%的電源裝機由清潔能源承擔,具體如圖2所示。 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com
圖2 中國不同階段電源裝機
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Fig.2 Power generation capacity of China at different stages 本`文-內(nèi).容.來.自:中`國^碳`排*放*交^易^網(wǎng) ta np ai fan g.com
由于煤電發(fā)展受多種因素影響,研究中以前述轉(zhuǎn)型路徑情景作為基準方案,分別構(gòu)建高煤電、低煤電方案的發(fā)展情景。 本+文內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) ta np ai fan g.com
基準方案:延續(xù)現(xiàn)有的煤電發(fā)展政策,從主體電源向調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)變,將主要發(fā)揮輔助服務(wù)、保障靈活性和可靠性等作用。2030年前,裝機容量達峰12.7億kW后,到2050年逐步降至7.2億kW左右,到2060年,進一步降至5億kW,約2億~3億kW煤電機組關(guān)停后作為戰(zhàn)略備用保留。 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m
高煤電方案:考慮碳捕集及封存技術(shù)快速進步和大規(guī)模應(yīng)用,煤電+CCS可以實現(xiàn)較好的減排效果,2030年前煤電裝機峰值達到13億kW,2050年、2060年裝機分別降至9億、7億kW。2060年約2億~3億kW煤電機組關(guān)停后作為戰(zhàn)略備用保留。 內(nèi)/容/來/自:中-國/碳-排*放^交%易#網(wǎng)-tan p a i fang . com
低煤電方案:按照煤電低峰值達峰,最終煤電不再納入日常電力電量平衡,約2億~3億kW煤電機組關(guān)停后作為戰(zhàn)略備用保留,2030年前煤電裝機峰值為11.4億kW,2050年、2060年裝機分別降至2.3億kW、0。
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風電、光伏的小時級時序發(fā)電出力特性數(shù)據(jù)來自全球清潔能源資源開發(fā)與評估平臺(GREAN),根據(jù)電源基地規(guī)劃方案,每個區(qū)域選取5~10個具有代表性的新能源發(fā)電特性曲線。考慮極熱無風、極寒無光等氣候條件在一年中出現(xiàn)的平均時長,分析計算中2060年允許系統(tǒng)失去一定比例的負荷,最大允許失負荷量約占全年用電負荷的5‰,且失負荷設(shè)置一定成本門檻,約2元/(kW·h),失負荷通常由作為應(yīng)急和戰(zhàn)略備用的2億~3億kW煤電來保障。儲能的需求與系統(tǒng)調(diào)節(jié)電源的規(guī)模、結(jié)構(gòu)和分布關(guān)系密切,為充分考慮構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的儲能需求,在分析計算過程中,2060年作為應(yīng)急和戰(zhàn)略備用的2億~3億kW煤電未納入平衡計算。 本*文@內(nèi)-容-來-自;中_國_碳^排-放*交-易^網(wǎng) t an pa i fa ng . c om
2.2.3 互聯(lián)電網(wǎng) 本+文+內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
全國按照電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分為華北、華東、華中、東北、西北、西南和南方7個分區(qū),研究中著眼于宏觀分析儲能需求,考慮到計算效率要求,暫不計及各區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)對靈活性資源發(fā)揮調(diào)節(jié)作用的約束,僅考慮各區(qū)域之間的電網(wǎng)互聯(lián)約束。預計2030、2050及2060年中國7大區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模將分別達到345 GW、610 GW、618 GW。 本`文-內(nèi).容.來.自:中`國^碳`排*放*交^易^網(wǎng) ta np ai fan g.com
2.2.4 新型儲能
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考慮短時功率型儲能和長期能量型儲能在電力系統(tǒng)中的不同作用,分別對2種儲能進行建模和優(yōu)化計算。短時儲能主要考慮抽水蓄能和鋰離子電池(新型短時儲能),兩者分開建模,抽蓄持續(xù)放電時間按照6~8 h考慮,充放電效率75%,鋰離子電池持續(xù)放電時間按照4 h考慮,充放電效率85%,結(jié)合專項規(guī)劃,分析中不再對抽蓄規(guī)模進行優(yōu)化;新型長期儲能參照包含電解槽、儲氫罐和氫發(fā)電設(shè)備的氫儲能系統(tǒng)為例,持續(xù)放電時間一般可達100 h,“電-氫-電”的充放電效率為50%。結(jié)合大規(guī)模儲能技術(shù)發(fā)展研究,以下給出不同類型儲能的投資成本變化趨勢,如圖3所示。 本+文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
圖3 各類儲能不同階段的投資成本 內(nèi).容.來.自:中`國*碳-排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fa ng.com
Fig.3 Investment cost of various types of energy storage at different stages
2.3 儲能需求分析 本+文+內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放(交—易^網(wǎng)-tan pai fang . com
本節(jié)采用上文提到的基于8 760 h時序生產(chǎn)模擬的電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲擴展優(yōu)化模型開展全國分區(qū)域儲能需求的量化研究。以“雙碳”目標下電力轉(zhuǎn)型路徑情景為邊界條件,綜合考慮可調(diào)節(jié)裝機變化等不確定因素,提出3個支撐“雙碳”目標實現(xiàn)的儲能研究方案,分別為基準方案、高煤電方案、低煤電方案,從源網(wǎng)荷儲統(tǒng)籌優(yōu)化的角度,按照2030、2050、2060年3個水平年分別優(yōu)化計算實現(xiàn)“雙碳”目標過程中的全國儲能(含抽蓄)需求總量。 本/文-內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
2.3.1 基準方案
2030、2050和2060年,儲能(含抽蓄)裝機需求分別約為2.6億、9.5億和12.5億kW。抽水蓄能的開發(fā)受站址資源約束較大,未來開發(fā)的潛力存在一定的天花板,預計2030、2050、2060年開發(fā)規(guī)模分別為1.7億、3.0億和3.5億kW。綜上,到2030、2050、2060年,預計新型儲能的需求分別為0.9億、6.5億、9億kW,其中新型長期儲能需求分別為0、0.6億和1億kW。
基準方案下不同區(qū)域各個階段的儲能總需求、短時儲能需求、長期儲能需求以及2060年西北區(qū)域最大負荷周電力平衡結(jié)果如圖4~7所示。分區(qū)域來看,華北區(qū)域新能源裝機總量較高,出力波動明顯,與用電負荷需求不匹配,呈現(xiàn)強烈的反調(diào)峰特性,對儲能的需求較高。華東區(qū)域用電負荷較大,對用戶側(cè)靈活性調(diào)節(jié)資源的需求較大。華中區(qū)域水電等可調(diào)節(jié)電源占比較高,對新型儲能的需求相對較小。東北區(qū)域熱電聯(lián)產(chǎn)機組占比較高,靈活性調(diào)節(jié)能力相對有限,對儲能的需求較大。西北區(qū)域風光新能源裝機占比高,在煤電裝機逐漸降低、水電基本開發(fā)完畢、核電開發(fā)受站址限制等條件下,對儲能的需求較大。西南區(qū)域水電裝機占比高,調(diào)節(jié)能力較為充足,對新型儲能的需求不大。南方區(qū)域用電負荷大,外受電比例高,區(qū)外來電的特性對電網(wǎng)的靈活性影響明顯,如果充分發(fā)揮云南等地的水電調(diào)節(jié)能力,可以顯著降低煤電需求。 本`文內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fan g.com
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圖4 不同區(qū)域各個階段的儲能總需求
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Fig.4 Total energy storage demand of each stage in different regions
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圖5 不同區(qū)域各個階段的新型短時儲能需求
Fig.5 New short-term energy storage demand of each stage in different regions
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圖6 不同區(qū)域各個階段的新型長期儲能需求 禸嫆@唻洎:狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm
Fig.6 New long-term energy storage demand of each stage in different regions 內(nèi).容.來.自:中`國*碳-排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fa ng.com
圖7 2060年西北區(qū)域最大負荷周電力平衡結(jié)果 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńpāīfāńɡ.cōm
Fig.7 Maximum load weekly power balance results of Northwest China region in 2060 內(nèi)/容/來/自:中-國/碳-排*放^交%易#網(wǎng)-tan p a i fang . com
2.3.2 高煤電方案 本`文-內(nèi).容.來.自:中`國^碳`排*放*交^易^網(wǎng) ta np ai fan g.com
高煤電方案下,2030、2050和2060年,煤電裝機分別為13億、9億和7億kW,儲能(含抽蓄)裝機需求明顯減少,分別約為2億、7.7億和10.4億kW。由于煤電裝機的增加,對新能源裝機容量的需求相應(yīng)減少,2030、2050和2060年風光裝機相應(yīng)為18億、52億、55.1億kW??鄢樾畎l(fā)展規(guī)模后,新型儲能的需求分別為0.3億、4.7億、6.9億kW,其中新型長期儲能為0。 本`文-內(nèi).容.來.自:中`國^碳`排*放*交^易^網(wǎng) ta np ai fan g.com
2.3.3 低煤電方案 本+文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
低煤電方案下,2030、2050和2060年,煤電裝機分別為11.4億kW、2.3億kW和0,儲能(含抽蓄)裝機需求明顯增加,分別約為3.6億、15.5億和19億kW。其中,新型長期儲能(持續(xù)放電時間100 h以上)分別為0、1億、2.1億kW。在快速減排和碳中和階段,由于具有季節(jié)性調(diào)節(jié)能力的煤電快速減少,大容量的長期儲能對于電力系統(tǒng)必不可少。由于煤電裝機的減少,需增加新能源裝機容量滿足電量需求,2030、2050和2060年風光裝機相應(yīng)為18億、54.7億、60.5億kW??鄢樾詈?,新型儲能的需求分別為1.9億、12.5億、15.5億kW。
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2.3.4 方案對比 本/文-內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
可調(diào)節(jié)電源裝機的規(guī)模對儲能需求的總量和結(jié)構(gòu)影響顯著。對比3種方案,其他可調(diào)節(jié)電源條件相同的情況下,煤電裝機規(guī)模越大,系統(tǒng)對于儲能的需求越小。3種方案橫向?qū)Ρ葋砜?,?060年為例,低煤電、基準方案、高煤電方案的火電裝機分別為0、5億、7億kW,儲能需求分別為19億、12.5億、10.4億kW。 夲呅內(nèi)傛萊源亍:ф啯碳*排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńpāīfāńɡ.cōm
3種方案下,電力系統(tǒng)經(jīng)濟性水平存在差異。低煤電方案煤電裝機最小,但需要增加新能源裝機以補充煤電退出留下的電量缺口,并且新裝大量的儲能滿足系統(tǒng)靈活性需求;高煤電方案對儲能需求小,但煤電發(fā)電量大,每年煤耗成本和碳捕集及封存的成本相應(yīng)較高。綜合來看,基準方案是將設(shè)備投資成本、運行成本等多種經(jīng)濟性因素統(tǒng)籌考慮的優(yōu)化結(jié)果。
03、儲能發(fā)展路徑
基于以上不同類型儲能需求規(guī)模優(yōu)化分析結(jié)果,結(jié)合各類儲能技術(shù)的發(fā)展研判,從階段目標、技術(shù)水平、發(fā)展規(guī)模等維度研判給出在實現(xiàn)“雙碳”目標的過程中儲能發(fā)展路徑,如表1所示,眾多儲能技術(shù)將構(gòu)成一個與現(xiàn)代能源體系發(fā)展相適應(yīng)的綜合儲能系統(tǒng)。以下分析中,將短時儲能進一步細分為抽蓄和飛輪、壓縮空氣儲能、鋰(鈉)離子電池、液流電池、電動汽車等新型短時儲能,長期儲能主要包括氫儲能,也是新型長期儲能。 本/文-內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
表1 儲能不同維度發(fā)展路徑 本+文+內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放(交—易^網(wǎng)-tan pai fang . com
Table 1 Development paths of energy storage in different dimensions
3.1 碳達峰階段(2030年前)
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新能源占比相對較低,充分發(fā)揮常規(guī)電源調(diào)節(jié)能力,優(yōu)先建設(shè)開發(fā)抽水蓄能,可基本滿足系統(tǒng)需求。應(yīng)充分利用這一窗口期,積極探索新型儲能技術(shù)在各場景下的工程應(yīng)用,為后續(xù)快速減排階段的需求奠定基礎(chǔ)。 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńpāīfāńɡ.cōm
從技術(shù)發(fā)展上看,鋰離子電池儲能逐漸過渡為高安全大容量技術(shù)路線,循環(huán)壽命達到6000次以上,鈉離子電池技術(shù)基本成熟,循環(huán)壽命達到4 000次以上,鋰(鈉)離子電池成本不斷下降至800~1000元/(kW·h),安全性水平大幅提升,進入商業(yè)化應(yīng)用階段;地下洞穴式壓縮空氣儲能的成本降至8000~9000元/kW,其他新型儲能技術(shù)經(jīng)濟性指標不斷改善,在系統(tǒng)調(diào)頻、新能源送出等應(yīng)用場景初步展現(xiàn)出應(yīng)用價值。
從建設(shè)規(guī)模來看,到2030年,鋰(鈉)電池儲能達到約0.5億~0.8億kW(2億~2.4億kW·h),電動汽車基本實現(xiàn)有序充電并逐漸開展V2G,雙向調(diào)節(jié)功率達到約1000萬kW;其他新型儲能示范工程總規(guī)模超過1000萬kW左右。
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3.2 快速減排階段(2030—2050年)
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隨著新能源占比不斷提高,需要在電源側(cè)大規(guī)模配置儲能平抑新能源發(fā)電的隨機性和波動性,初期快速提高短時儲能的裝機規(guī)模,后期逐漸增加長期儲能;在用戶側(cè),電動汽車參與V2G或換電模式的滲透率快速提高,電-氫跨能源品種的耦合不斷增強,非專用的低邊際成本儲能逐漸成為用戶側(cè)儲能的主體。
從技術(shù)發(fā)展上看,鋰(鈉)電池成為短時儲能的重要手段,循環(huán)壽命達到8 000次以上,成本下降至500~700元/(kW·h);地穴式壓縮空氣儲能充分開發(fā),成本有望降至5 000~7 000元/ kW;其他儲能技術(shù)趨于成熟,在特定場景下發(fā)揮特有優(yōu)勢或多種儲能技術(shù)組合應(yīng)用。氫儲能以制氫-儲輸氫-氫發(fā)電環(huán)節(jié)相對獨立配置為特點,電制氫系統(tǒng)成本下降至2 000元/ kW以下;儲氫設(shè)備結(jié)合應(yīng)用場景,高壓氣氫、液氫或氫化合物等多種形式并存;氫發(fā)電設(shè)備以氫燃機(或燃氣機摻氫)為主,成本降至3 000元/kW,發(fā)揮電源支撐的重要作用,氫燃料電池為輔,成本降至2 000元/kW左右,主要用于分布式應(yīng)用場景。
從建設(shè)規(guī)模來看,到2050年,鋰(鈉)電池儲能電站約2.5億~3.0億kW(12億~15億kW·h),電動汽車參與V2G的規(guī)模約2.5億~3.0億kW,氫儲能約0.5億~1億kW;其他新型儲能總規(guī)模在數(shù)千萬kW左右。
3.3 碳中和階段(2060年前)
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新能源成為供能主體后,需要更大規(guī)模的儲能作為靈活性資源的基礎(chǔ)。各種技術(shù)類型的儲能在不同應(yīng)用場景下發(fā)揮重要作用,共同構(gòu)成綜合儲能系統(tǒng)。 本*文@內(nèi)-容-來-自;中_國_碳^排-放*交-易^網(wǎng) t an pa i fa ng . c om
從技術(shù)發(fā)展上看,金屬空氣電池等新型電化學儲能有望實現(xiàn)廣泛應(yīng)用,循環(huán)壽命達到10000次以上,成本下降至500~700元/(kW·h);電、氫、熱等不同能源品種緊密耦合,實現(xiàn)協(xié)同發(fā)展,在整個能源系統(tǒng)中形成“廣義儲能”。
從建設(shè)規(guī)模來看,到2060年,電化學電池儲能電站約3.5億~4億kW(16億~21億kW·h),電動汽車參與V2G的規(guī)模約3.5億~4億kW,氫儲能約1億~1.5億kW;其他新型儲能總規(guī)模在1億kW以內(nèi)。
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04、結(jié)論與建議 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńpāīfāńɡ.cōm
本文以雙碳目標下電力轉(zhuǎn)型路徑情景為基礎(chǔ)邊界和方案,綜合考慮煤電裝機的不確定性,提出3個支撐雙碳目標實現(xiàn)的儲能研究方案,采用基于8 760 h時序生產(chǎn)模擬的電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲擴展優(yōu)化模型開展全國儲能需求量化研究,并從不同階段的發(fā)展任務(wù)、技術(shù)水平、建設(shè)規(guī)模等維度提出發(fā)展路徑。主要結(jié)論和建議如下。 禸*嫆唻@洎:狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm
1)基準方案下的儲能需求是統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性的最優(yōu)結(jié)果。預計2030、2050和2060年,中國新型儲能(不含抽蓄)需求分別為0.9億、6.5億、9億kW,其中長期儲能需求分別為0、0.6億和1億kW。分區(qū)域來看,西南區(qū)域?qū)π滦蛢δ苄枨笞钚。蝗A東、南方、華中3個區(qū)域僅對短時儲能需求較大;西北、華北、東北3個區(qū)域?qū)π滦投虝r儲能和新型長期儲能都有需求。
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2)綜合基準、低煤電、高煤電3種方案分析,考慮到煤電退出路徑和新型儲能技術(shù)經(jīng)濟性進步的不確定性,預計2030年、2050年、2060年新型儲能需求為0.5億~1.5億、5億~8億、8億~10億kW。 內(nèi)/容/來/自:中-國/碳-排*放^交%易#網(wǎng)-tan p a i fang . com
3)2030年前碳達峰階段,應(yīng)充分利用這一窗口期,積極探索新型儲能技術(shù)在各場景下的工程應(yīng)用,為后續(xù)快速減排階段的需求奠定基礎(chǔ)。 本+文+內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放(交—易^網(wǎng)-tan pai fang . com
4)2030—2050年快速減排階段,需要在電源側(cè)快速提高短時儲能,逐漸增加長期儲能;在用戶側(cè),電動汽車參與V2G比例快速提高,電-氫跨能源品種的耦合不斷增強,非專用的低邊際成本儲能逐漸成為用戶側(cè)儲能的主體。
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5)2060年前碳中和階段,各種技術(shù)類型的儲能在不同應(yīng)用場景下發(fā)揮重要作用,共同構(gòu)成綜合儲能系統(tǒng)。
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