储能技术离我们有多远

在低碳转型的过程中，可再生能源发展给人类提供了清洁可持续的能源来源，而电动汽车的崛起则为石油大规模替代提供了可能性，因此全球的能源供应方式将面临巨大的变化。但是，可再生能源和电动汽车大规模发展都面临同一个难题，这就是储能技术。

可再生能源具有间断性的特点，电网无法大规模消纳并网，而电动汽车也面临充电设施和电池安全的瓶颈，而储能技术是解决这些问题的关键。储能技术对电网的好处有三点：一是帮助增加可再生能源的渗透率，促进分布式（微电网）发电的发展；二是提升电网的稳定性和实现充分的调峰，减少高峰负荷及对应的电网投资和电源投资；三是通过电价设计，促进电力市场自由化。更重要的是，电池储能是分布式（微电网）发展中具有至关重要的瓶颈地。

储能技术对电动汽车发展的重要性比较直观。电动汽车的充电、巡航里程和安全问题都涉及电池。比如说，由于电池引发的安全事故减弱了消费者的信心，影响了电动汽车的发展。对于中国来说，电动汽车的发展除了石油替代，还可以解决城市汽车尾气和噪声污染。利用用电峰谷，电动汽车夜间充电还可以使用夜间过剩和便宜的电力。

特斯拉推出的针对家庭用户的储能设备Powerwall和针对电网级的设备Powerpack，其中Powerwall的价格已低至每千瓦时350美元。Powerpack虽然还没有给出具体的技术参数，但有媒体报道其成本仅为每千瓦时250美元，这意味着储能技术在经济上开始具有吸引力了。

厦门大学能源经济与能源政策协同创新中心最近进行了一项研究，利用特斯拉的Powerwall和Powerpack，针对中国目前的峰谷电价政策，建立优化套利模型，对各省的储能投资收益及外部影响进行分析，量化分析各种影响因素改变后对储能投资收益水平的影响。其基本思路是从电网角度出发，使储能系统充分发挥调峰的作用，再确定储能技术的经济性和投资收益。

中国的输配电主要由国家电网和南方电网投资和实施运营，而电价由发改委根据电网公司的成本结合地区发展情况来制定。由于资源禀赋、地理条件和经济发展水平不同，各省的电价有较大差异。目前许多电力输入省份都实行峰谷电价政策，即差别峰谷电价，鼓励消费者在非高峰时段增加电力消费，在高峰时节约用电，还有利于均衡供应电力。

研究通过对不同地区储能投资的经济性评价，发现部分地区储能投资已经能实现收益，在不需要补贴的情况下，投资储能可以获利，收益的水平除了受到电价差的影响外，也与峰谷时间段的划分有关。如果从电网角度出发，考虑如何定价能够使储能系统充分发挥调峰作用，那么储能技术的经济性可以大大提高。研究结果还说明，当储能投资达到最优的规模后，电网的负荷将更加均衡，电厂也可以以更加稳定高效的模式运行，因此从投资潜力上看，将有着很大的发展空间。

显然，目前的研究还很粗浅，由于种种限制，还无法充分考虑影响电池经济性的各种因素。比如说：第一，由于电能存储和转换的过程中会带来一定的损耗，但其占总耗电量的比例并不大，考虑到由于电源端及电网运行效率提升的作用，所以储能大规模发展后对碳排放的影响还需要进一步的分析。第二，储能可以减少电网投资和电源投资的外部性，这些外部性如何合理定量地评价，如何与储能的成本进行对比，将是很有意义的问题。但是比较确定的是，如果充分考虑环境外部性，储能技术的经济性将可能大幅度增加。

对于电网而言，发展电池储能技术或者可以从根本上解决可再生能源发电的不稳定性，大规模扩大可再生能源发电的份额，切实提高上并网率和系统稳定性。对于政府而言，制定更有针对性和有差别性的差别电价政策，不但有助于推动电池储能技术的盈利能力，还可以在更大程度上优化电力资源配置，提高电力系统的总体发电效率。

研究还有很大的局限性，没有就储能技术发展对提高可再生能源渗透率，以及对分布式和微电网发展的影响进行评估。可以说，研究还难以证明目前储能技术的有效性，而仅仅是想简单地看看储能技术究竟离我们有多远。但这种探索性的研究是重要的，因为一旦储能技术突破，世界的能源市场可能会发生巨大变化，这种变化将使得我们的能源消费更加清洁，电网和发电厂能够更加高效地运行，可再生能源的使用比重也能得以大幅度提高。由于这种改变才刚刚开始，没有能够直接感受到这些变化的影响，因此也很容易将其忽视。

电池储能是可再生能源大规模发展的关键

中国不但有着世界最大的用电需求，也是世界上最大的可再生能源发电国，因此中国对全球可再生能源发展举足轻重。可再生能源发电发展最大的问题是可再生能源发电的间歇性与不可预测性。一方面，可再生能源的发电集中时间段与用电时间段存在着不一致性。风电发电高峰一般集中在晚上，太阳能发电的高峰集中在白天。而工业用电的用电曲线较为平缓，居民用电则呈现白天、晚上两个高峰。另外，随着季节、天气的变化，可再生能源发电与用电曲线都会有相应的变化。中国大部分地区春季风力发电输出最大；光伏发电夏天输出最高，而且发电随天气原因剧烈变化而具有不可预测性。

这些对于电网来说，都是麻烦。传统的解决方案主要集中在两个方案：一是利用较为灵活的发电设施与之配合，形成稳定的总输出，应用较为广泛的是天然气发电与可再生能源发电相结合。二是将可再生能源发电的能量进行储存，储能传统方法是转换为热能等形式，如储热、热水系统与可再生能源发电系统的结合。而不涉及能量转换的电力储能方法，以往的应用中，主要表现为抽水蓄能电站。

以上两个方案都不能从根本上解决可再生发电到达一定规模比例后，难以维持电网稳定性的问题。第一个方法存在两个主要限制：一是应用不够广泛，较多应用于分布式系统；二是涉及到燃料价格因素，成本不可控。第二个方法的主要局限在于，抽水蓄能电站工作时，其能量来源从根本上来说，同样是来源于化石能源。因此，抽水蓄能虽然有利于减少电网的波动性，但对节能减排并没有本质上的好处。另外，抽水蓄能电站的应用受到选址、成本与利益分配等多方面限制因素影响。

因此，如果更为长远来看这个问题，电池储能可能是解决可再生能源发电不稳定性的最有效经济方案。电池储能的好处在于，可大可小，容易与各种规模的可再生能源发电相结合；充电放电快速，直接电与电转化，转换效率高。其限制的最大因素在于经济性，以及与成本相关联的充放电效率、安全性、寿命。传统上都认为电池储能的成本高难以商业运营。

这个状况正在迅速改变，近期电池技术的突破，使得电动汽车等大规模电池应用已经较为普遍，而直接与电力系统结合的电池储能的尝试也已经开始。特斯拉的PowerWall和Powerpack，单体峰值电量为3kW，可储存10kWh电量，充放电能效92%，可以通过简单拼接进一步扩大至1000倍。特斯拉希望借此改变人类的用电模式，掀起能源革命，推动可再生能源的普及。现在看来，特斯拉不是在吹牛。