新能源動(dòng)力系統

電池和氫能技術(shù)突破是重要推力

過(guò)去幾年，能源領(lǐng)域出現的最重大的突破，是汽車(chē)動(dòng)力系統從油電混合動(dòng)力汽車(chē)向純電動(dòng)車(chē)，乃至氫能燃料電池汽車(chē)的邁進(jìn)，中國新能源產(chǎn)業(yè)從此進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。

這其中最重要的推動(dòng)力量是電池技術(shù)的突破。過(guò)去十年，動(dòng)力電池比能量從100瓦時(shí)/千克提升到300瓦時(shí)/千克，成本從4元/瓦時(shí)以上降低到1元/瓦時(shí)以?xún)?，這是革命性的飛躍。我國的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈是全球最完整的，產(chǎn)品供應全球市場(chǎng)。隨著(zhù)動(dòng)力電池技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)汽車(chē)的續航里程不斷提升，目前續航能力已普遍達到500千米以上，正向著(zhù)1000千米邁進(jìn)?？梢哉f(shuō)，不管是磷酸鐵鋰電池還是三元鋰電池，電池技術(shù)的發(fā)展已大大超出了人們的預期，并且持續進(jìn)步和發(fā)展的潛力仍然很大，鋰離子電池現在達到的能量密度遠遠低于它所能達到的理論能量密度，至少還有30%~40%的空間可以挖掘。

另一個(gè)重要的推動(dòng)力量是氫能。2020年，我國燃料電池車(chē)大約為8000~10000輛，預計2025年燃料電池車(chē)約為5~10萬(wàn)輛，2030~2035年大約是80~100萬(wàn)輛，因此，我國急需建設加氫站，在2025年，我國加氫站的數量將超過(guò)1000座，這是一個(gè)保守預測的數據，最近，中國石化宣布在“十四五”期間擬規劃布局1000座加氫站；在2030~2035年，我國的氫氣需求量約為200~400萬(wàn)噸/年，加氫站數量將超過(guò)5000座。

同時(shí)，新能源汽車(chē)進(jìn)入家庭的速度大大加快，目前已經(jīng)接近市場(chǎng)占有率的10%。預計今年新能源汽車(chē)市場(chǎng)保有量將超過(guò)200萬(wàn)輛，比去年提升近一倍，根據中國汽車(chē)工程學(xué)會(huì )《節能與新能源技術(shù)路線(xiàn)圖》最新預測：2030年，新能源汽車(chē)銷(xiāo)量將達到汽車(chē)總銷(xiāo)量的40%~50%；2035年將達到50%以上，保有量為1.6億輛。有些企業(yè)家的預測更加樂(lè )觀(guān)——考慮到自動(dòng)駕駛技術(shù)的應用將給客戶(hù)帶來(lái)更大的激情，一些企業(yè)家認為2030年電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)占有率會(huì )達到90%。

新能源電力系統

“源網(wǎng)荷儲”互動(dòng)調控

新能源動(dòng)力系統與新能源電力系統非常相似。負荷、電源、儲能和網(wǎng)絡(luò )協(xié)同互動(dòng)，共同構成新能源電力系統。在新能源電力系統中，光伏、風(fēng)電成本持續下降，預計2035年，風(fēng)光發(fā)電將占80%以上的裝機容量和40%以上的發(fā)電量，光伏發(fā)電成本可降至0.1元/千瓦時(shí)，風(fēng)電成本可降至0.2元/千瓦時(shí)，占比快速升高的可再生能源發(fā)電給電力系統帶來(lái)了一系列挑戰。

首先是電網(wǎng)技術(shù)轉型的挑戰，高比例可再生能源+高比例電力電子化的“雙高”特征給傳統電力系統帶來(lái)了顛覆性變化。傳統的電力系統具有“源隨荷動(dòng)”的特征，新能源電力系統則具有“源網(wǎng)荷儲”互動(dòng)調控的特征，這與新能源汽車(chē)車(chē)載直流微網(wǎng)動(dòng)力系統類(lèi)似。

另一個(gè)巨大挑戰是能量平衡，這包括日內平衡和年內平衡，也包括區域能量平衡。從日內能量平衡來(lái)看，當煤電發(fā)電總量占比降至40%~50%，全社會(huì )日內負荷平移的總需求可達約1400億瓦時(shí)，峰值功率為300億瓦。從年內能量平衡來(lái)看，按照2020年風(fēng)、光發(fā)電特性來(lái)推演，到2060年季節性能量不平衡更為顯著(zhù)；3~5月風(fēng)光過(guò)剩，7~9月發(fā)電量不足，至少面臨約6500億千瓦時(shí)的季節能量轉移缺口。從區域能量平衡來(lái)看，2020年跨省電力流達到2.5億千瓦，能源-消費區域不均衡性強，可再生能源的分布將加劇這一特點(diǎn)，預計2035年達到5.5億千瓦，2050年達7.4億千瓦，這對電力系統的靈活性提出了很高的要求。低碳轉型的先行者德國在沒(méi)有太多儲能的情況下，依靠煤電機組已經(jīng)實(shí)現了高比例可再生能源，相當于傳統和新型電力系統并存，但也遇到了一系列挑戰，電價(jià)幾乎上漲了一倍。因此，我國實(shí)現碳中和進(jìn)程中的重點(diǎn)是解決儲能的技術(shù)瓶頸。

在多種技術(shù)路線(xiàn)之中，儲能電池和氫能將成為未來(lái)主流的儲能技術(shù)。儲能電池和氫能各有特點(diǎn)，兩者互補性強。

儲能電池是分布式、小規模、短周期儲能的最佳選擇。目前全球電池產(chǎn)業(yè)規模已達到1億千瓦時(shí)，未來(lái)最終可能會(huì )接近50~100億千瓦時(shí)。我國的電池廠(chǎng)商不斷宣稱(chēng)2025年電池產(chǎn)業(yè)會(huì )進(jìn)入T瓦時(shí)代，也就是年產(chǎn)10億千瓦時(shí)，這會(huì )是一個(gè)具有百倍成長(cháng)空間的巨大產(chǎn)業(yè)。如果2040年，3億輛中國乘用車(chē)全部都改為電動(dòng)轎車(chē)，每輛車(chē)平均儲能容量65千瓦時(shí)，則車(chē)載儲能總容量約200億千瓦時(shí)，與中國每天消費總電量基本相當?？紤]到基礎設施建設情況，2030~2035可能有10%~20%的車(chē)輛配備雙向充電樁接入V2G市場(chǎng)，調節潛力將超過(guò)22億千瓦。

氫能是可再生能源集中式、大規模、長(cháng)周期存儲的最佳選擇。張家口氫能示范表明當可再生能源發(fā)電成本低于0.15元/千瓦時(shí)，其能源利用全鏈條技術(shù)經(jīng)濟性將凸顯。首先，從能源利用充分性來(lái)看，大容量、長(cháng)時(shí)間儲能模式對可再生電力的利用更充分；其次，從規模儲能經(jīng)濟性來(lái)看，固定式規?；瘍浔入姵貎﹄姷某杀镜椭辽僖粋€(gè)數量級；第三，從與電池放電互補性來(lái)看，大容量、長(cháng)周期靈活能源用于燃料電池、燃氣輪機，可與電池放電互補；第四，從制運儲方式來(lái)看，可以通過(guò)長(cháng)管拖車(chē)、管道輸氫、摻氫、長(cháng)途輸電-當地制氫等靈活方式來(lái)實(shí)現。

如果2035年，我國的氫能可達到歐洲2030年的目標，即綠氫1000萬(wàn)噸，儲能會(huì )達到3300億千瓦時(shí)。電解水制氫成本為20元/千克（電價(jià)0.3元/千瓦時(shí)），如果這一成本可降低到10元/千克以?xún)?，那么制氫成本完全取決于電價(jià)，電價(jià)將占氫生產(chǎn)費用的80%左右，風(fēng)光發(fā)電成本的降低會(huì )使制氫儲能優(yōu)勢凸顯。

目前，電化學(xué)儲能度電成本仍高達0.6~0.9元/千瓦時(shí)，距離抽水蓄能的成本還有一定的差距，中國電化學(xué)儲能85%的裝機量為鋰離子電池，鋰離子電池儲能中約67%為電池成本。

為什么動(dòng)力電池會(huì )成為主流？因為車(chē)用電池是競爭性的消費品，規模極大，具備成本持續降低的條件。在最近的10年里，鋰離子電池系統成本下降了85%，2020年電池系統成本降至0.6~0.9元/瓦時(shí)。預計到2025年，三元電池成本降至0.6元/瓦時(shí)，磷酸鐵鋰成本降至0.4元/瓦時(shí)，三元電池循環(huán)壽命將超過(guò)1500次，磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命將在5000~10000次，但實(shí)際上，一輛私人轎車(chē)的電池循環(huán)壽命達到一千次就已足夠，這大幅降低了單次儲能成本。

車(chē)用電池的成本相對專(zhuān)用的電化學(xué)儲能更有優(yōu)勢。車(chē)用電池無(wú)安裝費用，儲能的同時(shí)可以車(chē)用，甚至80%的時(shí)間都是儲能。以2025年的儲能預測成本來(lái)計算，2025年電動(dòng)汽車(chē)總電量為18億千瓦時(shí)，三元儲能成本為0.55元/千瓦時(shí)，鐵鋰儲能成本0.25元/千瓦時(shí)，這一價(jià)格已經(jīng)與抽水蓄能相當，電動(dòng)汽車(chē)用于分布式儲能的成本大幅優(yōu)于專(zhuān)用電化學(xué)儲能。

從制氫成本來(lái)看，未來(lái)電解水制氫的成本將主要取決于材料成本及電價(jià)，風(fēng)光發(fā)電成本快速下降帶來(lái)氫氣成本快速下降，最終氫氣成本可能會(huì )降到1美元/千克，電解水制氫會(huì )形成一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)。目前來(lái)看，堿性制氫在中國的優(yōu)勢是成本極低的同時(shí)技術(shù)潛力很大，改進(jìn)的空間極大。

從氫能儲運成本來(lái)看，對上千公里的運輸而言，特高壓輸電線(xiàn)路是我國綠氫輸送的優(yōu)勢通道。綠氫已經(jīng)被電網(wǎng)視為靈活負荷，可在谷段利用特高壓通道長(cháng)途輸電，不進(jìn)入配電網(wǎng)，直接制氫。當可再生能源發(fā)電為0.12元/千瓦時(shí)，過(guò)網(wǎng)費為8分時(shí)，通過(guò)特高壓上千公里輸電（輸氫）通道，在用戶(hù)側制氫（谷段約8小時(shí)/天）加氫（>3噸/）實(shí)現加氫槍出口價(jià)格在30~40元/千克，比柴油具有競爭力。

智慧新能源系統

形成車(chē)網(wǎng)互動(dòng)的智慧生態(tài)

電網(wǎng)和負荷波動(dòng)性的挑戰孕育出以電動(dòng)車(chē)為主體的移動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)，單車(chē)數十至上百千瓦充電，對電網(wǎng)穩定性帶來(lái)了較大挑戰；碳中和背景下電網(wǎng)波動(dòng)性增加，需要靈活電源參與能量互動(dòng)。

新能源電力與新能源汽車(chē)的接口就是充電設施。截至2021年2月，全國充電基礎設施累計數量為175.8萬(wàn)臺。車(chē)樁比已達2.8∶1，在有些區域已經(jīng)接近1∶1。二者的互動(dòng)需要從無(wú)序充電到有序充電，再到車(chē)網(wǎng)互動(dòng)，在未來(lái)，充電樁與車(chē)會(huì )一直連接，并非充電時(shí)才插入，這將形成一個(gè)龐大的能源互聯(lián)網(wǎng)。

未來(lái)車(chē)載交流充電器將逐步取消，交流充電樁將由具有V2G功能的直流慢充取代，慢充的充電樁還有很大的潛力沒(méi)有開(kāi)發(fā)出來(lái)。對于私家乘用車(chē)，可以平時(shí)在家或者單位慢充（或車(chē)網(wǎng)互動(dòng)），在高速公路長(cháng)途跋涉時(shí)采用超快補電。2020年中電聯(lián)公布了大功率快充新標準——“超級充電”，預計2025年可以全面提供超充服務(wù)。

將來(lái)的能源互聯(lián)網(wǎng)里，慢充將占據80%的電量，快充占據15%~20%的電量，快充是補電，而非充滿(mǎn)。北京城管委2019年對8萬(wàn)輛電動(dòng)乘用車(chē)統計表明：自由充電樁慢充總電量占比已達75%，公共充電中，快充占比已達85%，符合發(fā)展預期。另外，對于快充，現在正在研發(fā)5分鐘充200公里的快充速度，對一輛續航里程為600公里的車(chē)，目前是可以做到安全地快速充電。

光儲氫充換多能互補微網(wǎng)系統中，快充與快換一體化，我們主張轎車(chē)快充，卡車(chē)快換，因為換電站有很多備用電池，我們不是直接快充從網(wǎng)上取電，而是快充快換的備用電池給快充的車(chē)充電，快充和快換形成互補，不僅更安全，同時(shí)也減少對電網(wǎng)的容量需求。

電動(dòng)汽車(chē)與電力系統的互動(dòng)，可以從單向有序充電到主動(dòng)參與負荷調節，在配網(wǎng)容量不足時(shí)，主動(dòng)控制充電功率，調整充電負荷，減少充電負荷峰值，提高波谷用電，負荷時(shí)域移動(dòng)促進(jìn)源荷匹配。

雙向車(chē)網(wǎng)能源互動(dòng)中，電動(dòng)汽車(chē)可以作為高靈活性電源，提供削峰填谷、電網(wǎng)調頻、虛擬慣量等電網(wǎng)所需的輔助服務(wù)，并滿(mǎn)足新能源電力系統的可靠性要求。國家電網(wǎng)公司在北京人濟大廈設置的雙向充放電互動(dòng)樁，是國內首個(gè)納入調峰輔助服務(wù)結算的項目。谷充峰放模式下，車(chē)主每度電能賺將近0.4元。

電動(dòng)汽車(chē)參與虛擬電廠(chǎng)。在國外，澳大利亞VPP項目中特斯拉與電商聯(lián)合推廣Power Plant，已經(jīng)聚合1000多個(gè)家庭，降低20%多的電價(jià)，并計劃聚合5萬(wàn)個(gè)家庭。國家電網(wǎng)在冀北實(shí)施虛擬電廠(chǎng)的示范項目已于2020年2月6日正式投入商業(yè)運營(yíng)，4月底總收益為160.4萬(wàn)元，日最高收益近9萬(wàn)元。通過(guò)虛擬電廠(chǎng)聚合，電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)V2G樁參與電力市場(chǎng)交易，負荷聚能，共降成本。

電動(dòng)汽車(chē)區塊鏈將成為未來(lái)移動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)的核心支撐技術(shù)。能源互聯(lián)網(wǎng)小范圍、高頻率、大信息量、多共識機制的交易十分適合區塊鏈的應用，區塊鏈去中心化、不可篡改、可追溯的特點(diǎn)，可以用于電動(dòng)汽車(chē)充換電服務(wù)、V2G服務(wù)、電池管理和信息安全服務(wù)。

綜上，車(chē)網(wǎng)互動(dòng)的新能源系統在發(fā)電側可以實(shí)現調峰調頻，提高電網(wǎng)的靈活性；在輸配電側可降低電網(wǎng)投資，提高電網(wǎng)利用率；在用戶(hù)側可減少電費，促進(jìn)分布式資源消納，提高可靠性。新能源電力系統靈活調節總體方案分為短周期、小規模和長(cháng)周期、大規模兩種。短周期、小規模采用電動(dòng)汽車(chē)儲能，加上集中式換電站，用于調頻、日內調峰、應急備用、緩解阻塞、提高電能質(zhì)量等；長(cháng)周期、大規模使用氫能，制氫儲氫用于季節性調峰、多能互補等。

電動(dòng)汽車(chē)入網(wǎng)特征包括單體容量小、總體數量多，時(shí)空靈活性高，響應速度快，可預測性高，具有能量自消納能力。未來(lái)十年我國將形成車(chē)網(wǎng)互動(dòng)的智慧新能源生態(tài)。其中黃金組合是分布式光伏+電池+電動(dòng)汽車(chē)+物聯(lián)網(wǎng)+區塊鏈，即分布式光-儲-充一體化智慧能源系統；白銀組合是集中式風(fēng)電與光伏+氫能+燃料電池汽車(chē)+物聯(lián)網(wǎng)+區塊鏈，即集中式風(fēng)-光-氫一體化智慧能源系統。新能源革命的高潮正在到來(lái)，讓我們共同迎接這激動(dòng)人心的時(shí)代強音，為碳中和愿景擘畫(huà)宏偉藍圖。

轉自：《中國電力企業(yè)管理》、汽車(chē)評價(jià)研究院