欧阳明高详解储能全景图：储能成本、原材料、新技术、安全…
日前，央视《中国经济大讲堂》播出了中国科学院院士欧阳明高教授演讲的《减碳在行动：储存“风光”，路在何方？》。欧阳明高院士从储能对新能源革命的意义、原材料资源情况、成本、新技术、新模式等方面详细解读了储能产业，他还指出：储能是新能源革命的瓶颈。
锂离电子电池的发明，使电动汽车发生了突飞猛进的变化，带动了可再生能源的大发展，但当前新能源还当不了“三好生”。所谓“三好生”，就是既要供应安全，又要价格便宜，还要绿色环保，这就是经济学上的“不可能三角”，经济可行、绿色低碳、安全可靠，很难同时满足。比如煤炭，安全可靠且经济可行， 但是它绿色低碳不太好；新能源则恰恰相反 ，绿色低碳 ，但是其他两个又不完全满足，这是目前我们遇到的一个困境。以风电和光伏为主体的新型电力系统，通常说风电、光伏价格已经比煤电价格低， 这是指发电价格，实际上我们真正要用的时候，还会遇到一系列的问题。比如说风电、光伏，它是靠天吃饭，一会儿多，一会儿少，不可能24小时发，每天供需不平衡，整年也是不平衡的，区域是不平衡的。电网有一个原理：就是时时要平衡，它才能稳定。所谓稳定性问题，比如说负荷变大，发电的电功率不够，一般交流电的频率是50Hz，如果出现这个问题，交流电频率会下降。我们在发电侧，比方说燃气轮机、蒸汽轮机，锅炉的运行可能就不正常了；比方说变电站，它的变压器就有可能也运行不正常了，它会发热等。这样一来，我们电网就会要断电了，会引起电网的波动，频率的波动带来电网稳定性的丧失，这会导致停电的事故。美国的得州大停电同样也是因为频率下降过于厉害，湖南省在2020年冬季也遇到这个问题。那个时候，正好冬天比较冷，电力负荷达到历史新高，受到汛期光照极寒天气的影响，风电、光伏发出来的电达不到预期。它的出力变小，而火电机组又装机不足，所以导致无法满负荷运作。好在我们中国各省区有国家电网系统，全国协同一致，及时抑制这个问题，没导致大停电。电网的稳定性，须附加调频、调压、调峰等，这需要付出成本；还有电网由于波峰波谷特别大，我们按波峰最大功率来设计电网的话，成本也要增加；因为不平衡，我们就要给配套一些东西来补偿它；所以这三部分成本，我们就叫上消纳成本。风电、光伏发电的成本平价上网，但并不等于平价利用，因为消纳成本会导致电价上升，如果加上这个成本，那么可再生能源比煤发电还是要高的。德国是可再生能源发电比例率先超过50%的国家，按道理风电、光伏发电应该比较便宜。但德国原有的火电厂、煤电厂、燃气轮机组都并没有拆除。因为这些机组作为灵活性调节正好是来做补偿风电、光伏的波动和随机性，以及用来调频调峰，这些成本加上来之后，实际上总电价是上升了。新能源革命的主要的瓶颈是什么呢？中国新能源的主要瓶颈不是风电、光伏，风电光伏技术很成熟，光伏效率在不断提高，成本在不断降低。光伏的原材料是硅，硅不存在资源的问题。新能源革命的瓶颈是储能， 我这里说的储能是广义的储能。针对可再生能源的随机性和波动性，将富余的可再生能源存储起来。当可再生能源不足的时候，把这种能量通过时空变换，再把它补回去，这就叫储能技术。我国光伏的产能极大，想增加产能也非常简单，但大规模推广必须要配储能。全世界认同的新能源革命有五大支柱：第一，可再生能源转型，尤其是光伏风电；第二，集中式转向分布式，让每一栋建筑都变成发电厂、微型发电厂；第三，用氢气电池来储存间歇性能源；第四，发展能源互联网技术；第五，电动汽车作为用能、储能回馈能源的终端。我们可以储能为抓手推动能源转型和新型电力系统发展。这是我们面向碳中和，中国新能源革命的一个重要的技术路径。随着电动汽车的普及，电池产业规模越来越大。预计2025年，中国的电池产能会达到年产30亿千瓦时，而储能所需不到3亿千瓦时，储能所需要的电池大概是电动汽车的1/10。从整个需求来看，到2025年电动车所需电池量是10亿千瓦时。我国总产能规模目前占全球70%，是全球最大规模的，且我们的质量也是位居前列的。随着规模的上升，车用动力电池的成本也将不断下降，寿命也会不断提升。比如说现在储能电池循环寿命大概是5000-8000次，五年之后，我相信循环寿命超过1万次是非常容易的，未来循环寿命到15000次也是完全有可能做得到。所以随着寿命的上升，单次储能成本当然也会下降 。最近碳酸锂价格猛涨，涨了十倍， 从过去的4万多涨到了40多万。这实际上是由于近期产能大规模上升，导致的近期波动，并不代表长期的趋势。从资源角度来看，我们资源是足够的，而且我们新发现的资源还在不断提升。2020年对比2015年，我们可采资源的探明储量提升了4倍，还会继续提升。按目前的资源，我们可以做多少电池呢？可以做2270亿千瓦时的电池，如果做电动车，一辆车100度电，可以做22亿辆，这是足够的。总体来看，资源是有保障的。当然供应的安全、偶尔的波动也是我们需要关注的问题，这是国家将来的材料安全必须采取措施的地方。锂离子电池是一个非常好的储能装置，用途广，性能优异，但它有一个问题，会出现热安全安全事故。电池热安全事故的一个共性特征，我们叫电池热失控。电池需要在一个正常的温度范围内才能进行正常的充放电，一般来讲这个温度范围是零下二三十度到零上三五十度，超过这个一般来说就有风险。一般来说，接近100摄氏度的时候就会开始有一些非正常的副反应。国家监控平台是对电动汽车安全全监控的，从这几年的数据来看，发生事故的概率大概是万分之0.5。其实这个跟传统车——燃油车烧车事故是大体相当的。相反，我们电动车实际上是比较简单的，反倒是死亡的人数比较多。统计表明，2021年发生了1.8万起的事故，死亡了57人，伤了157人 。这个问题形成了一个社会关注的热点问题，是政府重点抓的一件事情。从技术角度说明了技术水平、安全规范是起决定作用的。至于集中式储能电站，一般都在1万度电以上，我们对储能电站要有更好的技术水平，更完善的技术保障体系才能防止它的事故发生。一是针对在使用过程中的各种诱因，比如过充，电池中间有一些颗粒，会造成内短路，热管理系统不好，过热了，比方说夏天一般烧车的事故会增加。对于这样一些问题，我们要通过主动监控预警的方式来发现它，这就叫主动安全技术。二是本质安全也就是电池本身的安全性要好，要从电池的正负极材料的选择、电解液的选择、隔膜的选择以及整个设计制造过程来保证它。三是一旦本质安全出了点问题，由于各种诱因没扛住，就像人一样感染了，那怎么办呢？最好不要让它传染，电池系统是由很多个电池组成的，最好不能让它蔓延，阻断蔓延是最后一招，保证就算有诱因、就算是有一个电池发生问题，但整个系统没问题，这要靠隔热散热、消防来解决。这就是被动安全技术。一般时候是电网给车充电，现在我们也可以用车给电网充电，把车变成电网的充电宝。也就是说，车既可以充电又可以往回放电，这就叫车网互动。比如说大家都是在下班六点来充电，电网是受不了的，但如果我们后半夜充电，反倒是把后半夜的波谷填了，波峰没有了，这就叫削峰填谷。这个还不是车网互动，只是有序充电，也就是我们用一个后台来调度大家充电，我们叫广义的车网互动，从有序充电到车网互动，有序叫V1G单向的，车网互动是叫V2G双向的。还可以扩展车跟车充电，车跟房子、车跟建筑、车跟微网都可以互动，不一定非要只是跟大电网互动，灵活性就非常大。用户是有收益的，而且可以创造很多就业机会。这么多车，聚合起来有很多人会办这个公司。而且政府也可以参与建立后台，国家电网也会参与调动，大家都有收益。电动汽车储能跟固定式储能电站相比有什么特点呢？第一成本低，电动车本来就是买来的，已经是买了出了钱的；第二风险低，因为电动车不会有特别大的事故，因为电池比较少，当然技术难度有提高。大家会疑问：“我这个车又开车又储能，那个电池就废了对吧”？实际上，我们现在的电池寿命是富余的。如果每次满电跑500公里的电动车，你要是1000次（满充满放）循环的寿命，你能开50万公里。2000次的循环寿命那就是100万公里。一般来讲，私家车一年也就开1万多公里，十年也就是一二十万公里，所以我们电池的寿命是富余的。另外90%的时间车都是停着的，所以在90%这个时间是可以用来进行车网互动赚取收益的。我们一辆车的力量是很小的，如果把所有的车合起来就大了。预计到2040年，中国大概会有三亿辆电动车，如果每辆车平均是65度电，那3亿辆车是200亿度电，我们车上可以装200亿度电。200亿度电是什么概念？我们今天全国每天的用电量就是200亿度，也就是说我们车上电池能装的电够我们全国用一天。当然了，我们并不能把所有这些电都拿出来，但至少一半是可以的，也就是100亿度。另外，从调节功率来看，如果每个充电桩15个千瓦，那么最后就会有30亿千瓦。30亿千瓦什么概念？我们2040年的非化石能源装机的一半，大概也就是30亿千瓦，这个也是足够大的。关键是我们怎么把它能够聚合起来？我们现在的国家标准、规范都有，电动汽车接入电网，参与能量互动，已经具备良好的电网硬件基础和设计方法。那么成本多少？其实成本并不高，只是把充电桩由单向变成双向就可以了，所以其他都是软件升级。在2030年之前，我们预测储能电站还是一个主体，在总量上一定会比车网互动要多，因为车网互动我们还需要一个发展的时期。那么到2030年之后，首先是电动车的数量会极大增加，另外新基建也会发展起来。所以由于成本低、安全性好、量大，在储能中，尤其是用户侧储能中占有很大的比例，未来逐步的会在总量上超过储能电站。随着今后的发展，我们还有不断的电池技术的创新，比如说现在寄予厚望的固态电池。从固态电池目前的研发看，有三种技术路线：氧化物、硫化物和聚合物。硫化物是车用全固态电池的主要选择。因为硫化物是在中间离子导电率最好的一种电解质，现在还有很多的技术难题需要克服，我们预计到2030年全固态电池占整个电池的量不会超过1%；在2030-2060年，现有的锂离子电池仍然会继续发展。
目前储能电站的电池，比方说磷酸铁锂电池本身就是一种非常好的低成本、安全、长寿命的电池，所以我们对它也寄予了很大的希望，磷酸铁锂电池是完全中国自主的、不要镍不要钴，是最佳选择之一。我们现在基本上都是纯电路轿车，燃料电池轿车会不会来取代它呢？我个人的观点纯电动轿车还会是轿车的主体，燃料电池轿车要想取代是有难度的，关键是使用成本和方便性。因为纯电路轿车已经能满足轿车所有的需求，成本很低、直接用电。你用氢，如果用可再生能源制氢，能源利用效率只有25%，但是用电是75%，这两者就差别非常大。这种差别就会导致成本的增加，另外加氢的方便性跟充电比的话，大家可能觉得现在充电不是很方便，我相信今后充电会越来越方便，比大家加油还方便。至于寿命、续航，这已经都不是问题。当然，燃料电池在轿车上不一定是最好的选择，并不等于其他方面也不行，将来远洋货轮，它一定是用氢的，飞机也是会用氢燃料，另外还有重型卡车，还有很多无人机也都是它好的应用方面。所以我们看氢能以前都局限在交通，事实上，氢能是一个更大的概念，不仅仅是交通，氢能交通只是氢能的先导，燃料电池轿车只是氢能交通的先驱，所以我们一定要搞清楚，这是一个氢能战略，是一个大战略。氢储能也是一种非常重要的长周期大规模储能方式，这里的关键我们前面说了还是成本，氢经济性不是很好。电是直接就储了，氢还要电电解水制成氢，效率大打折扣。但是我们要记住，氢能讲究的或者说可再生能源讲究的是全链条经济性，包括制备、储运、运输、加充、使用全链条。发电生产成本低，但储电成本是高的，比如说1公斤氢可以储33度电，就算电池储1度电500块钱，储33度电就得15000块钱了。而储1公斤氢，如果在地上储，那1000块钱都不要，所以它储能的成本只是储电的1/10不到。电池不能长期储能，因为它有自放电，也不能大规模储能，因为储能电池的成本太高，所以在电池不适合的这些地方，氢能就有它的优势。储能有高频的、有低频的，有小功率、有大功率，有短周期、有长周期，不同的应用场景，需要不同的储能方式，电池和氢能正好互补，形成一种主流的储能方式。其他的各种储能方式，会与之配合互补，形成一个储能生态。我们有各种各样的氢能的储运技术，比如说西部过来的长距离几千公里，一是靠管道，另外也可以用特高压先输电，输完电到东部再制成氢，也是可以的。现在特高压输电1000公里每度电只要几分钱，很便宜，贵的是配电网，特高压长途输电是比较便宜的，所以在特高压下到配电网的时候，在那个地方制氢，其实是有竞争性的。当然，我们还有其他的方式，比如说我们把它变成液氨。液氨是什么？我想大家都明白，我们很多县里面都有化肥厂，它就是用氨水做，味道不太好闻，但是氨水的整个基础设施、制作方法都是成熟的，它最大的优点是储氢密度极高 。高达什么程度呢？丰田的燃料电池轿车用700个大气压的氢瓶。100公斤的瓶子储5公斤氢，如果把它变成液氨，100公斤可储17.8公斤氢。所以液氨有绝对的储氢密度优势，而且运输便利、产业技术好，使用方式灵活。最后把液氨用于发电来完成从电到氢，再从氢回到电，把多余的电存起来，电少的时候，我们再放回去，这就叫储能。那么怎么放回去呢？可以用各种方式发电发回去，也可以把它制成氨水到煤电厂，但我们说碳中和并不一定是要把火电厂消灭，是要把碳减下来。比如现在很多火电厂都是热电联供的，关键问题是燃料是煤，可以把碳捕捉下来，也可以把煤变成氨或者氢，就不会碳排放了。所以这也是一种将来火电厂改造的方式 。在未来中国的电力和储能市场，会出现新的业态，那就是人人都是能源的消费者，同时也是能源的生产者。比方说用电动汽车储能，充电的时候要花钱，放电的时候可以赚钱，花钱的时候我用低价的电，卖电时是高价，这样来赚出收益，这就是未来的能源生态圈。那么，这怎样运营？各式各家的，这是一个运营的模式，就是自上而下，电网公司会有调度来进行指令下达，下达之后，有很多聚合商会响应这个指令来进行聚合，那么我们物业的综合体就取电售电，最后到我们各个车主，它是分层的网络。怎么聚合？相当于开一个炒电股市，或者说炒电的期货，就是每一个车主都是散户，可以开户，而聚合商来撮合这个供需 。你就入市交易，就跟卖股票一样，逢低买、逢高卖，我买是充电，我卖是放电，这实际上跟我们炒股是一样的。要方便实施，就需要建立集能源互联网的全国虚拟电厂，把它聚合起来相当于是一个聚沙成塔的过程。该什么情况卖、什么情况买，不需要你天天来干这个事，你只需要把这些想法规则告诉它，会自动的进行，不需要你做太多的事情。所以分布式的电力交易会完全市场化进行实时交易。在这种情况下，预计会形成万亿级的车网互动的智慧能源的市场规模。我做一个储能市场发展的综合建议：首先，要明确主流储能技术的战略地位，这是实现碳中和的关键之一；第二，要明确储能在新能源中的角色定位；第三，要加强储能相关的关键技术研发；第四，建设车网互动V2X的基础设施；最后，要健全多层次统一电力市场体系。我想我们最终的愿景就是迎接第三次能源革命和第四次工业革命，就是绿色化和智能化。
