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下一代电化学储能技术国际发展态势分析

发布时间:2022-07-18 13:30:04 来源:ROR体育官网app下载 作者:ror体育





  单位:1. 中国科学院武汉文献情报中心;2. 科技大数据湖北省重点实验室;3. 中国;科学院大学经济与管理学院

  引用: 汤匀,岳芳,郭楷模等.下一代电化学储能技术国际发展态势分析[J].储能科学与技术,2022,11(01):89-97.

  摘 要 全球碳中和大背景下,国际能源格局从化石能源绝对主导朝着低碳多能融合发生转变,储能技术作为推动可再生能源从替代能源走向主体能源的关键技术越来越受到业界高度关注。对比分析了美国、欧盟、日本等主要国家和地区的电化学储能技术战略布局、项目部署和重点示范项目情况。随着我国承诺2030碳达峰、2060碳中和目标,我国政府对电化学储能技术的开发日益重视,先后出台一系列支持政策,启动重大研发项目开展技术研究,并部署了一批电化学储能示范工程。然而,我国虽然在电化学储能制造技术上努力追赶欧、美、日、韩等先进技术国家,但对储能电池机理研究、技术突破以及关键材料制造上距离技术发达国家仍有一定差距,多种类型电化学储能技术的示范应用才刚刚起步。因此,需进一步从顶层设计、技术研发、产业布局和基础设施建设等多方面采取措施,加快实现下一代新型电化学储能技术的大范围应用,促进能源高效利用、多能融合互补,构建“清洁低碳、安全高效”的现代能源格局。

  关键词 电化学储能技术;下一代电池技术;国际发展态势;战略规划;项目研发;碳中和

  随着全球各主要国家陆续宣布实现碳中和目标时间节点,太阳能、风能等可再生清洁能源实现全面发展。但这类可调度可再生能源受地理环境影响较大,在时空上具有间歇性和分布不均的特点,如果将其直接并网运行,对电网将会产生较大冲击。而储能系统作为能量存储和转化设备,成为了能源革命的关键支撑技术。储能技术分为物理储能、化学储能等大类。其中,物理储能主要包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能以及储冷储热等,化学储能则主要包含电池储能等。不同储能方式各有特点,因此适用于不同的场景。抽水蓄能、压缩空气储能和电池储能较适用于电网的削峰填谷、系统调频,超导磁储能和超级电容器则适用于改善电能质量、稳定输出,储热技术则可解决综合能源系统中的热需求和供给的不平衡,平抑需求侧的热负荷波动。而电化学储能技术相较于物理储能技术来说,受地理环境影响较小,电能存储和释放更直接,对电力调度调控更具灵活性,因此,受到新兴市场和科研领域的广泛关注。

  电化学储能技术的发展历程(图1)最早起于1800年的伏打(Volta)电池和1836年的丹尼尔(Daniell)电池(也称为锌铜电池)。随后,铅/酸电池(1882年)、镍/氢电池(1970年)和锂电池(1990年)不断涌现,实现商业化应用。但随着电气化、电网等大型应用的发展,现已商业化的锂离子电池一般采用有机电解液作为电解质,该电池存在漏液和易燃易爆问题,且在高温、大电流工作时锂金属负极在循环过程中易生成锂枝晶造成电池短路,当其用于大容量存储时具有较大的安全隐患。此外,为解决电动汽车中退役的电池组回收利用问题,提出锂离子电池梯次利用方案,即将报废的车用锂离子电池降级使用,继续发挥余热,但该方案具有较高的隐形成本以及再次降级应用时与新储能场景不适配的问题。因此,目前商业化的锂离子已不能完全满足现阶段能量存储所要求的性能、成本和其他扩展目标。针对移动式储能和中大型储能应用领域,研发“下一代电池”技术以提高电池安全性、增加电池能量密度,并进一步降低制造成本以及对环境友好显得尤为重要。根据欧盟2020年12月最新颁布的电池技术分类(表1),电化学储能技术正逐步从锂离子电池(第4代以前)朝向下一代电池技术(第4代之后)发展,主要包括:固态锂电池、钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池、全固态电池、多价离子电池和金属-空气电池等技术领域,并有望于2025年以后实现市场化应用。

  随着电力系统灵活性需求增强,分布式能源逐渐增多,电化学储能技术日益得到重视,世界各主要国家纷纷出台举措以推进储能技术研发,不断改进锂离子电池性能,并探索开发新型储能电池。

  美国是全球储能产业发展较早的国家,也是目前拥有储能项目最多的国家,并拥有全球近半数的示范项目。在2021年3月美国储能协会(ESA)和伍德麦肯兹(Wood Mackenzie)发布的《美国储能监测》报告显示,2020年美国新增储能规模达到1464 MW,较2019年增长179%,其中,电网侧储能在美国发展迅速,2020年第四季度部署的651 MW储能系统中,电网侧储能贡献了529 MW。住宅储能占第四季度总储能的14%,为90.1 MW,剩余31.9 MW为非住宅用户储能。

  美国极为重视对储能技术的开发,较早出台了储能技术的研发规划和战略部署路线年专门成立了新一代电池的研发组织“储能联合研究中心(JCESR)”。2016年7月,奥巴马政府宣布发起了“电池500”计划,用五年时间打造高能量密度和高循环寿命的高性能电池。2020年1月,DOE宣布投入1.58亿美元启动“储能大挑战”计划,并在2020年12月,DOE正式发布了美国首个综合性储能战略《储能大挑战路线图》,提出将在储能技术开发、储能制造和供应链、储能技术转化、政策与评估、劳动力开发五大重点领域开展行动,实现到2030年美国国内的储能技术及设备的开发制造能力将能够满足美国市场所有需求,无需依靠国外来源,并在全球储能领域建立领导地位。2021年6月发布的《国家锂电蓝图2021—2030》,设定了到2030年的行动目标以构建美国本土的锂电池制造价值链。

  美国能源部通过电力传输与能源可靠性办公室的“储能计划”持续对储能技术进行研发,2018年12月,美国能源部宣布未来五年内为JCESR第二期投入1.2亿美元,以推进电池科学和技术研究开发。到2019年,DOE在“储能计划”下共开展了16个项目,涉及铅酸电池、锂离子电池、钠离子电池、全钒液流电池、飞轮储能、等温压缩空气储能、储能数据库构建等技术。

  此外,DOE通过其下属的先进能源研究计划署(ARPA-E)对储能技术给予支持,2009—2019年共在13个研发计划下开展了95个储能相关的项目,包括:示范了一种用于液流电池的新型隔膜;在用Mg2+代替Li+的电池科学基础方面取得了实质性进展;开发了计算工具,利用该工具筛选出了超过24000种潜在的电解质和电极化合物,用于新的电池概念和化学品。2018—2022年,JCESR将在五个方向重点研究[10],包括:液体溶剂化科学、固体溶剂化科学、流动性氧化还原科学、动态界面的电荷转移、材料复杂性科学(表2)

  表2 2018—2022年美国能源部储能联合研究中心支持的电化学储能相关重点研究方向

  欧盟极为重视对电池储能技术的研发,将其视为实现工业、交通、建筑等行业电气化,促进向“碳中和”社会发展的重要因素,希望通过开发高性能电池抢占未来电气化社会竞争制高点,争夺全球电池研发和生产的主导权。

  2010年,欧盟成立欧洲能源研究联盟(EERA),确定电化学储能、化学储能、储热、机械储能、超导磁储能和储能技术经济六个重点技术领域。2017年11月,欧盟发布了“战略能源技术规划”(SET-Plan)电池实施计划,提出电池研究创新的重点领域:电池材料/化学/设计和回收、制造技术、电池应用和集成。同年,欧洲储能协会(EASE)和EERA联合发布新版《欧洲储能技术发展路线年通过推动组建欧洲电池联盟(EBA)、欧洲技术与创新平台“电池欧洲”(Batteries Europe)和“电池2030+”联合研究计划,推进不同技术成熟度的研究和开发工作,这些相互衔接互补的机制构建起欧洲电池研究与创新生态系统(图2)。

  图2 欧洲电池研究与创新生态系统-欧洲电池联盟、电池欧洲技术与创新平台和电池2030+之间的衔接互补

  2017年,欧盟成立“欧洲电池联盟”,旨在欧洲打造出具有全球竞争力的电池价值链。2018年发布《电池战略行动计划》,宣布将设立一个规模为10亿欧元的新型电池技术旗舰研究计划。基于此计划,2019年2月,欧盟宣布创建欧洲电池技术与创新平台“电池欧洲”,以确定电池研究优先领域、制定长期愿景、阐述战略研究议程与发展路线+”计划工作组发布的电池研发路线年欧盟电池技术研发重点将围绕材料开发、相界面研究、先进传感器、自修复功能四个主要领域,开发智能、安全、可持续且具有成本竞争力的超高性能电池。2020年7月,“电池欧洲”发布《欧洲电池行业短期研发创新优先事项》报告,针对欧洲电池创新价值链提出了短期(2021—2023年)的七大优先创新研发事项。同年12月,“电池欧洲”发布了其第一个《电池战略研究议程》,明确了到2030年从电池应用、电池制造与材料、原材料循环经济、欧洲电池竞争优势四方面关键行动,旨在推进电池价值链相关研究和创新行动的实施。

  2018年6月欧盟在“地平线”计划基础上制定了“地平线欧洲”框架计划,明确支持“可再生能源存储技术和有竞争力的电池产业链”,为其投入150亿欧元的研发经费。同年7月更新了“地平线)计划中能源和交通运输的项目资助计划,即新增一个主题名为“建立一个低碳、弹性的未来气候:下一代电池”跨领域研究活动,旨在整合“地平线)分散资助的与下一代电池有关的研究创新工作,推动欧盟国家电池技术创新突破,开发更具价格竞争力、更高性能和更长寿命的电池技术。新增资助计划将在2019年提供1.14亿欧元用于支持7个主题的电池研究课题,主要包括:高性能、高安全性的车用固态电池技术;非车用电池技术;氧化还原液流电池仿真建模研究;适用于固定式储能的先进氧化还原液流电池;先进锂离子电池的研究与创新;锂离子电池材料及输运过程建模;锂离子电池生产试点网络。2020年,预计欧盟将再投入7000万欧元用于电池相关研究项目。

  欧盟委员会预测,到2025年欧洲电池市场规模将达到2500亿欧元,此外,欧盟委员于2019年12月和2021年1月分别发布两项与电池相关的“欧洲共同利益重要项目”(IPCEI)。2019年宣布由比利时、芬兰、法国、德国、意大利、波兰和瑞典七国到2031年前共同投入32亿欧元公共资金,并将撬动50亿欧元的私人投资,用于开发高度创新和可持续的锂离子电池技术(液态电解质和固态电池),以实现整个电池价值链的创新。2021年1月,欧盟委员会宣布除最初欧盟电池IPCEI项目的7个欧盟成员国之外,奥地利、克罗地亚、希腊、斯洛伐克和西班牙也一起参与一项近120亿欧元的新项目。将在电池制造的四个核心阶段(原材料开采、电池芯设计、电池组系统和回收供应链)投资创建新的解决方案,整个项目将持续到2028年。迄今为止,欧盟委员会已拨出60亿欧元用于提高欧洲电池制造能力。此外,欧洲计划设立22个大型电池工厂,到2025年,欧洲电池产能将从2020年的49 GW·h提高到460 GW·h,增幅近10倍,满足年产800万辆电动汽车的需求,其中一半产能位于德国。到2030年欧洲将建立6座总年产能达到240 GW·h的超级电池厂,其中位于瑞典专注于生产高端电池的谢莱夫特奥(Skellefte)工厂有望在2023年投入商用,年产能将扩张至40 GW·h。

  由于日本国土面积小、需求量占比大,以及地貌特征等因素,相比大规模太阳能发电站,屋顶光伏产业和分布式电站的发展火热。与此同时,日本采用激励措施鼓励住宅采用储能系统,以缓解大量涌入的分布式太阳能带来的电网管理挑战,这也让电池储能系统的需求不断增加。

  2012年7月,日本经济产业省公布了《蓄电池战略》,提出在2020年左右将钠硫、镍氢等大型蓄电池的电力成本降至与抽水蓄能发电成本相当,实现全球蓄电池市场占有率50%的目标。2013年8月,日本新能源与工业技术开发组织(NEDO)制定了《充电电池技术发展路线年固定式电池、车用电池及电池材料的研发目标和路线月,日本经济产业省发布了面向2050年技术前沿的《能源环境技术创新战略》,明确将电化学储能技术纳入五大技术创新领域并提出重点开发领域包括固态锂电池、锂硫电池、锌-空气电池、新型金属-空气电池和其他新型电池(如氟化物电池、钠电池、多价离子电池、新概念氧化还原电池等)。重点研发低成本、安全可靠的快速充放电先进蓄电池技术,使其能量密度达到现有锂离子电池的7倍,同时成本降至1/10,使得小型电动汽车续航里程达到700 km以。2020年12月,日本经济产业省发布了《绿色增长战略》,明确提出开发性能更优异但成本更低廉的新型电池技术。

  日本NEDO持续设立国家层面研发项目,支持储能技术开发。2019财年对于储能领域,正重点进行全固态锂离子电池和超越锂离子电池的新型电池研发。2000—2019年,NEDO共开展了10个储能相关项目。其中,2018年7月,NEDO通过了“创新性蓄电池-固态电池”开发项目,联合23家企业、15家日本国立研究机构,计划未来5年内联合研发电动车全固态电池。该项目分两个阶段,第一期(2016—2020年)研发内容是新概念电池基础技术开发以促进商业化,将开发超越锂离子电池的新型电池。2021年正在开展研究项目是:新型高效电池技术开发第二期项目(项目周期2018—2022年,总经费100亿日元),将攻克全固态电池商业化应用的技术瓶颈,为在2030年左右实现规模化量产奠定技术基础。

  我国储能产业起步较晚,但发展迅速,多项政策指导并促进了电化学储能技术发展。2010年《可再生能源法修正案》中首次提到要发展储能技术,奠定了储能技术在推进我国能源革命中的重要地位。2015年3月《中共中央国务院关于进一步深化电力体制改革的若干意见》中,明确提出在确保安全的前提下,积极发展融合先进储能技术。并在次年《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中提出的能源发展八大重大工程中重点提出要加快推进大规模储能等技术研发应用。为解决储能部署中面临的技术瓶颈,同年发布的《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》明确提出了储能发展目标:到2020年,突破化学储电的各种新材料制备、储能系统集成和能量管理等核心关键技术。到2050年,积极探索新材料、新方法,实现具有优势的先进储能技术储备,并在高储能密度低保温成本热化学储热技术、新概念电化学储能技术(液体电池、镁基电池等)、基于超导磁和电化学的多功能全新混合储能技术等实现重大突破。为进一步推进储能技术灵活应用,2020年8月,国家发改委、国家能源局在《关于开展“风光水火储一体化”“源网荷储一体化”的指导意见(征求意见稿)》中提出储能快速灵活调节能力须在综合能源发展项目中体现。2021年随着我国提出碳达峰、碳中和“3060目标”,为构建清洁低碳、安全高效能源体,国家发展改革委、国家能源局发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见(征求意见稿)》,提出将发展新型储能作为提升能源电力系统调节能力、综合效率和安全保障能力,支撑新型电力系统建设的重要举措,最终实现碳达峰碳中和目标。

  “十三五”以来,我国政府愈加重视电化学储能技术的相关研发,部署了一系列重大研究项目。《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》明确提出了电池储能发展目标:到2020年,示范推广100 MW级全钒液流电池储能系统、10 MW级钠硫电池储能系统和100 MW级锂离子电池储能系统等一批趋于成熟的储能技术。此外,一系列国家重点研发计划(2017年、2018年、2021年)均提出推动液流电池、锂离子电池、铅酸电池、金属空气电池、固态电池等新兴技术项目研发部署。2021年“储能与智能电网技术”重点专项明确提出,重点围绕中长时间尺度储能技术在内的六大技术方向进行研究,包括启动吉瓦时级锂离子电池储能系统技术、兆瓦时级本质安全固态锂离子储能电池技术、金属硫基储能电池等重大研究项目。同年,“新能源汽车”重点专项中也提出将重点研发全固态金属锂电池技术、高安全、全气候动力电池系统技术等技术领域。相较于美国、欧盟和日本电化学储能研发支持,中国新型高能电化学储能技术竞争态势布局对比如表3所示。

  为推进储能项目由研发示范向商业化初期过渡,实现商业化初期向规模化发展的转变,2020年国家发改委、能源局公布了首批科技创新(储能)试点示范项目,主要对可再生能源发电侧、用户侧、电网侧、配合常规火电参与辅助服务等4个应用领域共8个项目开展示范,项目名单见表4所示。

  根据中国能源研究会储能专委会/中关村储能产业技术联盟(CNESA)于2021年4月发布的《储能产业研究白皮书2021》数据,截至2020年底,中国已投运电化学储能示范项目累计装机规模位列全国储能总装机规模第二,达到3269.2 MW,较往年同比增长91.2%。其中,锂离子电池累计装机规模最大,达到2902.4 MW。从我国电化学储能主要提供商装机规模来看,2020年,中国新增投运的电化学储能项目装机规模排名前十位的公司依次为:宁德时代、力神、海基新能源、亿纬动力、上海电气国轩新能源、南都电源、赣锋电池、比亚迪、中航锂电和国轩高科。

  近年来,我国虽然在电化学储能制造技术上努力追赶欧、美、日、韩等先进技术国家,但对储能电池机理研究,如理解充放电和物质转移/传输的物理化学过程;技术突破,如开发高安全性、长寿命、低成本的锂离子电池、钠离子电池及其他新型高能化学电源体系,集成系统、改进封装设计以及应用新材料等方面仍面临诸多挑战,在离子传导膜、电解液、双极板等关键材料制造上距离技术发达国家有一定差距,多种类型电化学储能技术的示范应用才刚刚起步。通过对电化学储能技术相关国际政策规划的解读,对该领域发展提出以下建议:

  (1)明确顶层设计,提出下一代新型电化学储能技术的中长期发展路径。国家战略层面上,通过综合考虑“双碳”目标背景下,我国能源格局发展方向以及相关基础设部署规划,加快出台推进下一代新型电化学储能技术的顶层设计方案。在中长期能源转型过程中,明确新型电化学储能技术阶段性发展目标、设立重点专项、鼓励创建新型储能研发创新平台,支持产业转化应用,构建新型电化学储能技术的长期稳定发展环境。

  (2)加大技术研发,促进新型电化学储能技术的项目示范。技术研发层面上,进一步提升锂离子电池性能及安全性,降低系统成本,促进市场规模化生产。加快全固态锂电池技术的研发应用,不断推进以钠离子电池、金属-空气电池、多价离子电池等为代表的下一代新型电池技术研发,开展电池制备关键材料、单元和集成管理等全系统的技术攻关。探索新型电化学储能技术应用场景,不断推进下一代新型电化学储能技术大规模示范部署。

  (3)注重产业转化,建立有利于新型电化学储能技术的市场机制。产业运营层面上,应尽快明确电化学储能独立市场运营体身份,从电力系统辅助服务角色中剥离,赋予电化学储能技术应用更大的灵活性,作为独立市场主体从产业全系统多角度实现电力高效利用,激发市场竞争活力。加快建立新型电化学储能市场机制,充分体现储能技术对电力系统之外其他终端应用的商业价值。

  (4)完善配套基础设施建设,推进新型电化学储能设备智慧化运行。基础设施建设层面上,面对终端应用的日趋多元化,新型电化学储能基础设施应加快推进标准化、易拆解以及通用性的连接方式,实现储能设施灵活高效并网运行。此外,结合我国“新基建”涵盖领域和多种数字化技术推陈出新,建立新型电化学储能云平台,利用大数据、云计算、移动互联网、物联网、人工智能、区块链等数字化技术,加强发电侧和终端应用同储能设施的灵活互控,实现储能设施混合配置、协调优化、高效操控的智慧化运行。

  第一作者:汤匀(1990—),女,博士,助理研究员,研究方向为能源战略情报研究,E-mail:b.ac.cn

  通讯作者:陈伟,研究员,研究方向为能源战略情报研究,E-mail:.cn。

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