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浙江大学刘亚芳教授：新型储能的产业化与转型关键作用
新华社客户端·能源向“新”力推出重磅系列对话节目《储能新纪元》。首期节目以“新型储能产业发展的必要性与前景展望”为主题，对话浙江大学兼职教授、国家能源局科技司原副司长刘亚芳。此次对话围绕新型储能技术的产业化、发展方向以及其在能源转型中的关键作用进行了深入探讨，成为行业内外关注的焦点。自2021年国家发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》以来，中国能源转型步伐加快。风能、太阳能等可再生能源的迅猛发展为储能技术带来了巨大需求。据刘亚芳教授介绍，2024年1至10月，中国风光发电新增装机规模已达2.28亿千瓦，彰显了新能源的强劲增长势头。然而，随着风光发电装机量的不断攀升，如何平衡电力生产与消费，尤其是解决可再生能源的波动性与不可调度性问题，成为亟待解决的挑战。刘亚芳指出，随着“双碳”战略的深入推进，新型储能技术已成为推动风光发电高效接入电网、提升电力系统灵活性和稳定性的关键。储能系统不仅能平衡供需，还能优化电力系统效率，降低能源消耗，推动能源生产和消费模式的转型升级。刘亚芳教授进一步强调，随着风光发电装机规模的快速扩张，传统储能技术已难以满足长时储能需求，因此，复合型与耦合型储能技术正在积极探索和应用。例如，氢氨醇储能与煤电灵活性改造等技术，正逐步成为解决大规模储能需求的重要补充。刘亚芳表示，这些复合型储能系统不仅能够扬长避短，提升电网的安全性和稳定性，还将在推动新型电力系统建设方面发挥重要作用。自2021年发改委发布1051号文以来，新型储能产业迎来了强有力的政策支持。各级政府纷纷出台相关政策，推动新型储能技术的产业化和市场化发展。国家发展改革委将新型储能纳入绿色低碳先进技术示范和转型产业指导目录，支持新型储能参与电力辅助服务市场；工信部则制定了推动新型储能制造业高质量发展的相关政策。截至2024年9月底，全国储能装机规模已突破1.1亿千瓦，其中新型储能的贡献率超过51%。这一成绩标志着新型储能技术在国家政策的推动下，取得了显著突破，产业化进程不断加速。对于新型储能产业的未来，刘亚芳教授指出，创新是新型储能产业的核心竞争力，推动科技创新、产业创新、发展方式创新和体制机制创新，将为新型储能产业的可持续发展提供坚实保障。中国作为全球新能源和储能技术的重要市场，将通过创新驱动，加速储能技术的突破与应用，推动产业升级。刘亚芳强调，未来的新型储能将不仅仅局限于单一技术，而是逐步向复合型、智能化、系统化方向发展。储能技术与其他新能源技术的深度耦合，将推动新型电力系统的全面升级，形成强大的产业协同效应，为经济结构的优化与升级提供新动力。在全球能源转型的大潮中，新型储能技术无疑将在中国的“双碳”目标实现过程中，扮演至关重要的角色，随着政策支持的不断加码、技术创新的持续推进以及产业协同的不断加强，中国的新型储能产业将在未来几年迎来更加光明的发展前景。正如刘亚芳教授所讲：“新型储能不仅是能源绿色低碳转型的催化剂，更是推动经济高质量发展的强大动力。”长时储能应时发展，钒液流电池成为主流加力提速开展应用长时储能系统是可实现跨天、跨月，乃至跨季节充放电循环的储能系统，以满足电力系统的长期稳定。可再生能源发电具有间歇性的特点，主要发电时段和高峰用电时段错位，存在供需落差。随着新能源发电的渗透率持续上升，平衡电力系统的负荷要求也不断增加。可再生能源发电渗透率越高，所需储能时长越长。相较于短时储能，长时储能系统可更好地实现电力平移，将可再生能源发电系统的电力转移到电力需求高峰时段，起到平衡电力系统、规模化储存电力的作用。现有长时储能技术路线中，钒液流电池为目前最成熟、应用范围最广的长时储能技术，中国在钒液流电池领域走在前列，拥有资源、技术和产业链自主可控的领先优势，正在得到加力提速。液流电池具有安全性、长时等突出优势，全钒液流电池已成主要路线正逐步走向商业化成熟液流储能应用场景最广、发展潜力最大，一直被认为是具有前途的长时储能技术。磷酸铁锂电池储能主要应用于2h-4h左右的短时储能，而且由于锂本身是一种活跃金属，锂电池天然存在易燃隐患的本征安全问题。液流电池不燃烧、不爆炸，本征安全优势突出。其储能时长大于8h，使用寿命超过20-25年，循环次数超过15000次，更适合未来大量使用新能源的电网，也被视为最适合长时储能的电池技术之一。并且随着储能时长的增加，液流电池的投资成本边际递减。因此，作为新型储能路径代表，液流电池因其本征安全、技术成熟与长时储能等优势，正加速进入储能领域。中科院院士、南方科技大学碳中和能源研究院院长赵天寿指出，发展长时储能必须有可以流动的能量载体，以及相应的能量转换装置。流体电池最大的特征是时长、规模、容量扩容非常灵活，同时选址也比较简便。抽水蓄能非常受地域限制，特别是受气侯的影响不可控；压缩空气储能的效率和抽水蓄能相比略低，选址方面也有一定的困难，要有储气的空间；锂离子电池有非常多的优势，能量密度高、能量转化效率高，选址灵活，但最大的问题就是能量载体活性材料不可以流动，这样就使容量和功率强关联在一起，如提高时长，就会受到成本、安全、性能等其他方面的限制。作为流体电池的一种，新型液流电池本征安全、时长灵活、循环寿命长、回收残值高，是应用场景最广、发展潜力最大的一项长时储能技术。（二）全钒液流电池以其本征安全、超8h长时储能的优越性，开始与锂电池的“并跑”竞赛液流电池路线主要包括全钒液流电池、锌铁液流电池、铁铬液流电池、锌溴液流电池等20余种。其中，全钒液流电池具有能量效率高、循环寿命长的优势，是目前商业化程度最高和技术成熟度最强的液流电池技术。其中5MW/10MWh项目已安全稳定运行8年以上，200MW/800MWh项目也已进入调试阶段，产品在MW级、百MW级示范项目中长时间稳定运行，技术得到充分验证，因此是目前最有放量潜力的技术路线。相比铁铬液流电池、全铁液流电池、锌基液流电池，钒液流电池具有以下突出优势：一是其功率和容量可独立设计，尤其适合大规模、大容量储能。钒液流电池的电池系统和电解液是分开的，想要增加储能时间，只需增加电解液，电池的均匀性好，储能容量大，从1000sKWh到100sMWh；输出功率也大，从10sKW到100sMW。二是能量效率高、充放电性能好、循环寿命长。其衰减或可通过电化学的方法来恢复，整个系统的充放电循环次数高达15000次以上，电池的寿命可达20年以上。三是启动和响应速度快。充放电切换只需0.02秒，并且其系统是在常温封闭环境下运行，电解液可以半永久使用，性价比高。四是本征安全性高。钒液流电池电解液是水溶液，不会着火和爆炸，是一种本征安全的大规模储能技术。五是经济性较高。钒液流电池在使用过程中，钒仅仅是价态变化，可循环使用节约资源。除电力储能领域外，钒液流电池至少在三个方面也高度契合工商业储能的需求：一是基于长时、长循环等特性，可以更好帮助客户实现峰谷价差套利；二是基于本质安全的优势，液流电池储能可以让工商业客户免于安全后顾之忧；第三是基于长时大容量等优势，液流电池储能可以应对极端环境，比如风光波动性极大地区或者天气状况恶劣地区等。在众多工商业用户场景中，数据中心的核心考量就是安全，数据中心或将成为液流电池布局工商业储能赛道的最佳选择。目前多家液流电池储能技术公司已将数据中心作为其布局工商业储能的切入口。安全性高、易扩容是最大优点。液流电池的电解液与电堆是相分离的，由于全钒液流电池电解质离子存在于水溶液中，不会发生热失控、过热、燃烧和爆炸。同时钒电池支持频繁充放电，每天可实现充放电数百次，液态的电解液使得过充过放也不会造成爆炸和电池容量下降。钒电池的电堆作为发生反应的场所与存放电解液的储罐分开，从根本上克服了传统电池的自放电现象。其储能功率只取决于电堆大小，储能容量只取决于电解液储量和浓度，设计灵活。当功率一定时要增加储能容量，只需要增大电解液储罐容积或提高电解液体积或浓度即可，而不需改变电堆大小。同时，可通过增大电堆功率和增加电堆数量来提高功率，通过增加电解液来提高储电量，便于实现电池规模的扩展，可用于建造KW级到100MW级储能电站，适应性很强。钒电池全生命周期成本已出现优于锂电池之势。有专家指出，目前钒液流电池价格更高，但主要是跟锂电池1h、2h储能对比得出的。但随着储能时间越长，钒液流电池的成本就越低。据有关测算，按全生命周期计算，钒电池全生命周期成本在0.3-0.4元/Wh，已经低于锂电池的成本（0.5 元/Wh 左右）。同时在电池寿命到期后钒电解质溶液可以回收再次利用，电解质溶液的成本占储能系统总成本的40%，储能系统报废后残值较高。当前钒电池仍处于产业化的初期，通过技术进步进一步提升电解液等材料、电堆及系统集成性能和规模化应用以后，成本仍有进一步降低空间。能量转换效率虽较锂电池低，但其不与电极材料发生反应保持了超长使用寿命。锂电的优势就是能量转化效率高，但其弱点是第一年可能衰减6%，此后逐年衰减2%-3%，所以锂电寿命一般是5-8年的时间；而钒电池寿命周期可达20-25年，超过锂电池若干倍。钒电池的正、负极活性物质分别存在于正、负极电解液中，充放电时无其他电池常有的物相变化，可深度放电而不损伤电池；在充放电过程中作为活性物质的钒离子仅在电解液中发生价态变化，不与电极材料发生反应，不会产生其他物质，经长时间使用后仍然会保持较好的活性。在长时储能方面是极佳用武之地。钒液流电池具备高安全稳定性、循环寿命长、扩容性强、可回收环保等优势，其在长时储能领域应用空间巨大。美国能源情报咨询公司Guidehouse Insights于2022年二季度发布的《Vanadium Redox Flow Batteries ：Identifyting Market Opportunities and Enablers》报告显示，2022-2031年钒电池年装机量有望保持41%的年复合增长率，预计2031年全球钒电池年装机量将达到32.8GWh；其中，2031年亚太地区（主要为中国）年装机量将达到约14.5GWh，北美地区达到5.8GWh，西欧地区达到9.3GWh。
