新能源動力系統(tǒng)

電池和氫能技術(shù)突破是重要推力

過去幾年，能源領(lǐng)域出現(xiàn)的最重大的突破，是汽車動力系統(tǒng)從油電混合動力汽車向純電動車，乃至氫能燃料電池汽車的邁進(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力量是電池技術(shù)的突破。過去十年，動力電池比能量從100瓦時/千克提升到300瓦時/千克，成本從4元/瓦時以上降低到1元/瓦時以內(nèi)，這是革命性的飛躍。我國的動力電池產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)侨蜃钔暾模a(chǎn)品供應(yīng)全球市場。隨著動力電池技術(shù)的進(jìn)步，電動汽車的續(xù)航里程不斷提升，目前續(xù)航能力已普遍達(dá)到500千米以上，正向著1000千米邁進(jìn)。可以說，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(yù)期，并且持續(xù)進(jìn)步和發(fā)展的潛力仍然很大，鋰離子電池現(xiàn)在達(dá)到的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它所能達(dá)到的理論能量密度，至少還有30%~40%的空間可以挖掘。

另一個重要的推動力量是氫能。2020年，我國燃料電池車大約為8000~10000輛，預(yù)計2025年燃料電池車約為5~10萬輛，2030~2035年大約是80~100萬輛，因此，我國急需建設(shè)加氫站，在2025年，我國加氫站的數(shù)量將超過1000座，這是一個保守預(yù)測的數(shù)據(jù)，最近，中國石化宣布在“十四五”期間擬規(guī)劃布局1000座加氫站；在2030~2035年，我國的氫氣需求量約為200~400萬噸/年，加氫站數(shù)量將超過5000座。

同時，新能源汽車進(jìn)入家庭的速度大大加快，目前已經(jīng)接近市場占有率的10%。預(yù)計今年新能源汽車市場保有量將超過200萬輛，比去年提升近一倍，根據(jù)中國汽車工程學(xué)會《節(jié)能與新能源技術(shù)路線圖》最新預(yù)測：2030年，新能源汽車銷量將達(dá)到汽車總銷量的40%~50%；2035年將達(dá)到50%以上，保有量為1.6億輛。有些企業(yè)家的預(yù)測更加樂觀——考慮到自動駕駛技術(shù)的應(yīng)用將給客戶帶來更大的激情，一些企業(yè)家認(rèn)為2030年電動汽車市場占有率會達(dá)到90%。

新能源電力系統(tǒng)

“源網(wǎng)荷儲”互動調(diào)控

新能源動力系統(tǒng)與新能源電力系統(tǒng)非常相似。負(fù)荷、電源、儲能和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同互動，共同構(gòu)成新能源電力系統(tǒng)。在新能源電力系統(tǒng)中，光伏、風(fēng)電成本持續(xù)下降，預(yù)計2035年，風(fēng)光發(fā)電將占80%以上的裝機(jī)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，風(fēng)電成本可降至0.2元/千瓦時，占比快速升高的可再生能源發(fā)電給電力系統(tǒng)帶來了一系列挑戰(zhàn)。

首先是電網(wǎng)技術(shù)轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)，高比例可再生能源+高比例電力電子化的“雙高”特征給傳統(tǒng)電力系統(tǒng)帶來了顛覆性變化。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)具有“源隨荷動”的特征，新能源電力系統(tǒng)則具有“源網(wǎng)荷儲”互動調(diào)控的特征，這與新能源汽車車載直流微網(wǎng)動力系統(tǒng)類似。

另一個巨大挑戰(zhàn)是能量平衡，這包括日內(nèi)平衡和年內(nèi)平衡，也包括區(qū)域能量平衡。從日內(nèi)能量平衡來看，當(dāng)煤電發(fā)電總量占比降至40%~50%，全社會日內(nèi)負(fù)荷平移的總需求可達(dá)約1400億瓦時，峰值功率為300億瓦。從年內(nèi)能量平衡來看，按照2020年風(fēng)、光發(fā)電特性來推演，到2060年季節(jié)性能量不平衡更為顯著；3~5月風(fēng)光過剩，7~9月發(fā)電量不足，至少面臨約6500億千瓦時的季節(jié)能量轉(zhuǎn)移缺口。從區(qū)域能量平衡來看，2020年跨省電力流達(dá)到2.5億千瓦，能源-消費區(qū)域不均衡性強，可再生能源的分布將加劇這一特點，預(yù)計2035年達(dá)到5.5億千瓦，2050年達(dá)7.4億千瓦，這對電力系統(tǒng)的靈活性提出了很高的要求。低碳轉(zhuǎn)型的先行者德國在沒有太多儲能的情況下，依靠煤電機(jī)組已經(jīng)實現(xiàn)了高比例可再生能源，相當(dāng)于傳統(tǒng)和新型電力系統(tǒng)并存，但也遇到了一系列挑戰(zhàn)，電價幾乎上漲了一倍。因此，我國實現(xiàn)碳中和進(jìn)程中的重點是解決儲能的技術(shù)瓶頸。

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

儲能電池是分布式、小規(guī)模、短周期儲能的最佳選擇。目前全球電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達(dá)到1億千瓦時，未來最終可能會接近50~100億千瓦時。我國的電池廠商不斷宣稱2025年電池產(chǎn)業(yè)會進(jìn)入T瓦時代，也就是年產(chǎn)10億千瓦時，這會是一個具有百倍成長空間的巨大產(chǎn)業(yè)。如果2040年，3億輛中國乘用車全部都改為電動轎車，每輛車平均儲能容量65千瓦時，則車載儲能總?cè)萘考s200億千瓦時，與中國每天消費總電量基本相當(dāng)。考慮到基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況，2030~2035可能有10%~20%的車輛配備雙向充電樁接入V2G市場，調(diào)節(jié)潛力將超過22億千瓦。

氫能是可再生能源集中式、大規(guī)模、長周期存儲的最佳選擇。張家口氫能示范表明當(dāng)可再生能源發(fā)電成本低于0.15元/千瓦時，其能源利用全鏈條技術(shù)經(jīng)濟(jì)性將凸顯。首先，從能源利用充分性來看，大容量、長時間儲能模式對可再生電力的利用更充分；其次，從規(guī)模儲能經(jīng)濟(jì)性來看，固定式規(guī)模化儲氫比電池儲電的成本低至少一個數(shù)量級；第三，從與電池放電互補性來看，大容量、長周期靈活能源用于燃料電池、燃?xì)廨啓C(jī)，可與電池放電互補；第四，從制運儲方式來看，可以通過長管拖車、管道輸氫、摻氫、長途輸電-當(dāng)?shù)刂茪涞褥`活方式來實現(xiàn)。

如果2035年，我國的氫能可達(dá)到歐洲2030年的目標(biāo)，即綠氫1000萬噸，儲能會達(dá)到3300億千瓦時。電解水制氫成本為20元/千克（電價0.3元/千瓦時），如果這一成本可降低到10元/千克以內(nèi)，那么制氫成本完全取決于電價，電價將占?xì)渖a(chǎn)費用的80%左右，風(fēng)光發(fā)電成本的降低會使制氫儲能優(yōu)勢凸顯。

目前，電化學(xué)儲能度電成本仍高達(dá)0.6~0.9元/千瓦時，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(jī)量為鋰離子電池，鋰離子電池儲能中約67%為電池成本。

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

車用電池的成本相對專用的電化學(xué)儲能更有優(yōu)勢。車用電池?zé)o安裝費用，儲能的同時可以車用，甚至80%的時間都是儲能。以2025年的儲能預(yù)測成本來計算，2025年電動汽車總電量為18億千瓦時，三元儲能成本為0.55元/千瓦時，鐵鋰儲能成本0.25元/千瓦時，這一價格已經(jīng)與抽水蓄能相當(dāng)，電動汽車用于分布式儲能的成本大幅優(yōu)于專用電化學(xué)儲能。

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

從氫能儲運成本來看，對上千公里的運輸而言，特高壓輸電線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(fù)荷，可在谷段利用特高壓通道長途輸電，不進(jìn)入配電網(wǎng)，直接制氫。當(dāng)可再生能源發(fā)電為0.12元/千瓦時，過網(wǎng)費為8分時，通過特高壓上千公里輸電（輸氫）通道，在用戶側(cè)制氫（谷段約8小時/天）加氫（>3噸/）實現(xiàn)加氫槍出口價格在30~40元/千克，比柴油具有競爭力。

智慧新能源系統(tǒng)

形成車網(wǎng)互動的智慧生態(tài)

電網(wǎng)和負(fù)荷波動性的挑戰(zhàn)孕育出以電動車為主體的移動能源互聯(lián)網(wǎng)，單車數(shù)十至上百千瓦充電，對電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來了較大挑戰(zhàn)；碳中和背景下電網(wǎng)波動性增加，需要靈活電源參與能量互動。

新能源電力與新能源汽車的接口就是充電設(shè)施。截至2021年2月，全國充電基礎(chǔ)設(shè)施累計數(shù)量為175.8萬臺。車樁比已達(dá)2.8∶1，在有些區(qū)域已經(jīng)接近1∶1。二者的互動需要從無序充電到有序充電，再到車網(wǎng)互動，在未來，充電樁與車會一直連接，并非充電時才插入，這將形成一個龐大的能源互聯(lián)網(wǎng)。

未來車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有開發(fā)出來。對于私家乘用車，可以平時在家或者單位慢充（或車網(wǎng)互動），在高速公路長途跋涉時采用超快補電。2020年中電聯(lián)公布了大功率快充新標(biāo)準(zhǔn)——“超級充電”，預(yù)計2025年可以全面提供超充服務(wù)。

將來的能源互聯(lián)網(wǎng)里，慢充將占據(jù)80%的電量，快充占據(jù)15%~20%的電量，快充是補電，而非充滿。北京城管委2019年對8萬輛電動乘用車統(tǒng)計表明：自由充電樁慢充總電量占比已達(dá)75%，公共充電中，快充占比已達(dá)85%，符合發(fā)展預(yù)期。另外，對于快充，現(xiàn)在正在研發(fā)5分鐘充200公里的快充速度，對一輛續(xù)航里程為600公里的車，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(tǒng)中，快充與快換一體化，我們主張轎車快充，卡車快換，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充電，快充和快換形成互補，不僅更安全，同時也減少對電網(wǎng)的容量需求。

電動汽車與電力系統(tǒng)的互動，可以從單向有序充電到主動參與負(fù)荷調(diào)節(jié)，在配網(wǎng)容量不足時，主動控制充電功率，調(diào)整充電負(fù)荷，減少充電負(fù)荷峰值，提高波谷用電，負(fù)荷時域移動促進(jìn)源荷匹配。

雙向車網(wǎng)能源互動中，電動汽車可以作為高靈活性電源，提供削峰填谷、電網(wǎng)調(diào)頻、虛擬慣量等電網(wǎng)所需的輔助服務(wù)，并滿足新能源電力系統(tǒng)的可靠性要求。國家電網(wǎng)公司在北京人濟(jì)大廈設(shè)置的雙向充放電互動樁，是國內(nèi)首個納入調(diào)峰輔助服務(wù)結(jié)算的項目。谷充峰放模式下，車主每度電能賺將近0.4元。

電動汽車參與虛擬電廠。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多個家庭，降低20%多的電價，并計劃聚合5萬個家庭。國家電網(wǎng)在冀北實施虛擬電廠的示范項目已于2020年2月6日正式投入商業(yè)運營，4月底總收益為160.4萬元，日最高收益近9萬元。通過虛擬電廠聚合，電動汽車通過V2G樁參與電力市場交易，負(fù)荷聚能，共降成本。

電動汽車區(qū)塊鏈將成為未來移動能源互聯(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(jī)制的交易十分適合區(qū)塊鏈的應(yīng)用，區(qū)塊鏈去中心化、不可篡改、可追溯的特點，可以用于電動汽車充換電服務(wù)、V2G服務(wù)、電池管理和信息安全服務(wù)。

綜上，車網(wǎng)互動的新能源系統(tǒng)在發(fā)電側(cè)可以實現(xiàn)調(diào)峰調(diào)頻，提高電網(wǎng)的靈活性；在輸配電側(cè)可降低電網(wǎng)投資，提高電網(wǎng)利用率；在用戶側(cè)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(tǒng)靈活調(diào)節(jié)總體方案分為短周期、小規(guī)模和長周期、大規(guī)模兩種。短周期、小規(guī)模采用電動汽車儲能，加上集中式換電站，用于調(diào)頻、日內(nèi)調(diào)峰、應(yīng)急備用、緩解阻塞、提高電能質(zhì)量等；長周期、大規(guī)模使用氫能，制氫儲氫用于季節(jié)性調(diào)峰、多能互補等。

電動汽車入網(wǎng)特征包括單體容量小、總體數(shù)量多，時空靈活性高，響應(yīng)速度快，可預(yù)測性高，具有能量自消納能力。未來十年我國將形成車網(wǎng)互動的智慧新能源生態(tài)。其中黃金組合是分布式光伏+電池+電動汽車+物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈，即分布式光-儲-充一體化智慧能源系統(tǒng)；白銀組合是集中式風(fēng)電與光伏+氫能+燃料電池汽車+物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈，即集中式風(fēng)-光-氫一體化智慧能源系統(tǒng)。新能源革命的高潮正在到來，讓我們共同迎接這激動人心的時代強音，為碳中和愿景擘畫宏偉藍(lán)圖。

轉(zhuǎn)自：《中國電力企業(yè)管理》、汽車評價研究院