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刘坚:电动汽车储能与光伏发电协同前景展望

作者:中国储能网新闻中心  来源:中国储能网  发布时间:2018-6-6 14:26:27

中国储能网讯:5月19日至21日,“第八届中国国际储能大会”在深圳隆重召开, 来自中国、美国、德国、英国、加拿大、西班牙、日本、韩国、澳大利亚等国和地区1500余位政府机构、科研院所、行业组织、电力公司、新能源项目单位、系统集成商等代表出席本次大会。

国家发改委能源研究所研究员刘坚在“储能电站专场(下)”发表了题为“电动汽车储能与光伏发电协同前景展望”的精彩演讲。

演讲内容如下:

刘坚:各位下午好!非常感谢储能大会邀请我来参加这次峰会,我来自国家发改委能源研究所,主要是从事储能、可再生能源、电动汽车方面的研究,我们的研究更加偏向于政策和市场的层面。

本来这个会议邀请的时候是把我安排在光储充的环节,但是今天实际的安排还是把我放在储能电站的领域,大家之前听到的和后续听到得更多是关于储能技术本身未来发展的情况,包括政策方面的一些变化或技术上的趋势,我这边更多侧重于纯电动汽车与电力系统或者是可再生能源之间的协同。电动汽车可以与可再生能源形成协同之后,它也可以成为一种储能的资源,从而实现电力的更加优化的过程。

今天我也给大家介绍一下我们最近研究的一些新的进展,因为我不能参加最后的讨论环节,如果大家在我讲完之后有任何问题也可以随时提出来,我们可以进行交流。

(见PPT)这张图是对比我国的新能源汽车和可再生能源在用户侧、电源侧发展的情况。刚才的宣传片里面也已经提到,这两者其实是影响电力系统的一个非常重要的产业趋势,在用户侧越来越多的电动汽车接入电网,而且它的充电负荷是不规律的,在发电侧有越来越多的波动性的可再生能源,它是很难预测、很难调节的,这一头一尾在影响着电力系统的运行方式,也就催生了大量的储能需求。中国的新能源和电动汽车的发展速度是非常快的,左边这张图是我国的电动汽车的发展态势,截止到去年中国已经占到全球电动汽车销量的一半以上,增速非常巨大,也引领了全球交通电动化的趋势。我们对后续也做了一个预测,左边这个是高增速预测下的电动车保有量的变化,预计到2050年,电动汽车在乘用车领域基本上可以替代燃油汽车,总数量规模可以达到4亿辆。右边是新能源发电的情况,中国现在也是全球最大得风电和太阳能发电的增速市场,现在的市场规模累计的装机量大约可以占到全球总的风能、太阳能发电装机的1/3,同样也是全球最大规模的。

我国的电动汽车和可再生能源发展比较快,但是各自在发展过程中都遇到了很多的问题,一直到现在电动汽车都还有这样的争议,就是电动汽车在发展过程中是不是存在问题,因为中国的电能结构更多是煤电,新能源发电虽然发展很快,但是传统能源发电还是占主体的,在这个时候使用电动汽车,是不是真正的节能环保也是一个有争议的问题,另外就是有弃风、弃光的问题,如此高的增速对能源系统也带来了明显的挑战。

基于这样的背景,我们就提出这样一个想法,是不是我们可以通过电动汽车和可再生能源之间的协同,实现两者的互动,解决它们各自在发展过程中出现的问题。使用电动汽车,对新能源来讲,可以提升它的消纳规模,因为电源结构中有更多的清洁能源,电动汽车充进去的电有更多的是清洁能源,也是帮助电动汽车本身节能减排,也提升它的社会接受度。

电动汽车与可再生能源之间的协同方式可以分为很多种,我们这里主要列了4种方式,首先是有序充电,这是虚拟的充电方式,我们简单地改变电动汽车的充电时间,就可以一定程度上跟可再生能源发电形成一种互动,帮助更多的新能源的消纳。后面三类包括电池的更换,V2G和退役电池的储能,都是实实在在的储能方式,通过这种储能方式就可以大幅提升整个电力系统里面储能的规模,帮助新能源的消纳。

如果我们利用好电动汽车这部分储能的资源,它的潜在的发展前景其实是非常理想的。这里是根据刚才我们所做的电动汽车数量增速预测的结果分析出未来电动汽车储能的潜力,2030年达到1亿辆电动汽车保有量的情况下,它的理论的储能规模大约是500GWH。对比目前全国已经探明的抽水蓄能的资源量,是1.5亿千瓦的规模,电动汽车基本上可以提供4倍的抽水需能的资源量的储能规模,所以它这种作用是目前我们可以看到的潜在的储能资源里面最大的一个种类。我们也对比了可再生能源发展的趋势,看看这个潜在的数量到底有多大,比如说我们有一个可再生能源预测的前景之一,2030年风电和太阳能光电的总装机量大概是1.5亿千瓦,平均到每一天可再生能源发电量,大概可以满足两天可再生能源的电量的存储。如果我们充分利用好这种电动车储能的资源,未来并网之后日内调峰是可以得到满足的。

如果我们能够有效地影响电动汽车的并网方式,特别是影响它的充电行为,实际上整个电力系统的峰谷差就会得到很明显的平抑的作用。但是我们这里反映的只是一种电动汽车V2G的应用场景。其实电动车类似于储能,它可以实现各个不同层面的应用,除了峰谷差调节,它可以帮助可再生能源并网,可以帮助我们提升系统备用的规模等等,各种不同层面的应用都有相当大的应用空间。比如说这个图中最左边的部分,电动汽车V2G更多的是在凌晨0点到5点之间来充电,提升电网低谷负荷的负荷水平,这部分负荷在这张图中反映出来的就是一个填谷的作用,随着新能源,特别是风电在夜间不断地产生,这部分电量也可以消纳新能源产生的电量,所以它的应用的价值是多个层面的。

电动汽车与可再生能源之间的协同可以分为不同的方式,或者说存在直接影响、间接影响两种方式,首先来看间接影响,其实这种影响已经在发生,就是电动汽车的市场正在驱动锂电池成本的快速下降。这张图是我们做的一个学习曲线的预测结果,这里对比了电动汽车动力电池,也包括传统的铅酸电池、钒液流电池等等,也包括抽水蓄能等等的技术种类。实现的部分是我们基于已有数据做的学习曲线的结果,虽然说目前来讲电动汽车动力电池的成本相对来说还是比较贵的,特别是对于抽水需能来讲,它的成本是更高的。但是我们通过梳理前几年的累计产量和当年的电池成本的数据可以发现,动力电池由于它的产能增速非常快,它的技术成熟也是非常迅速,所以它的成本下降速度相比于其它几类技术来讲是更快的,特别是我们预测到未来有非常大的电动汽车的需求量,所以能够保证这样一个电动汽车动力电池成本下降的趋势,仍然是按照我们刚才所说的1亿辆电动汽车的保有量来讲,到2030年如果实现累计保有量1亿辆的规模,电动汽车届时的生产成本,也就是按照瓦时生产的成本,比我们计算的抽水蓄能的成本是相当的,但是问题在于抽水蓄能到1.5亿千瓦以后就存在资源的限制,可能后续它的成本下降潜力是非常有限的,特别是目前抽水蓄能的成本已经不是按照这张图里显示的情况,这张图按照学习曲线的分析方法,更适合电化学储能,对抽水蓄能来讲,它的成本下降并不是可以通过它的产量或者产能规模的变化来体现的,因为现在很多抽水蓄能的资源开发难度已经越来越高,实际的成本已经呈上升的趋势,所以从长远来讲,我们认为由电动汽车所催生的动力电池成本的下降速度可能是要更快,而且是更具竞争力的,当然这是电动汽车的发展间接影响到储能行业,间接影响到可再生能源并网的作用。

(见PPT)其实电动汽车本身也可以作为直接的储能的方式,提升整个电力系统的灵活运行能力。比如说我们这里对比了四种方式,最左边是作为参考的固定电池的储能方式,右边三类是电池更换、V2G和退役电池的储能,总体的结论是,电动汽车与可再生能源的协同,它的成本是低于固定电池储能的,但是主要的影响因素就在于市场规模足够大,能够将动力电池成本下降得足够快,导致现在电动汽车的储能成本相对于其它的固定式储能更低。

刚才做的是硬件的储能成本的分析,在我们做调研的时候发现,用户对电动汽车储能的接受度是要打一个问号的,比如说我们这张图是基于我们的调查得出的不同车型用户对于V2G或者说电动汽车储能的认可度。我们这里主要是针对两种并网方式,一种是电动汽车参与的需求响应,也就是改变它们的充电时间,一种虚拟充能的方式。另外一种是V2G,通过电动汽车放电来实现储能的方式,问用户对这两种方式的接受程度,可以看到每种车型用户的接受度都有比较大的差异,总体来讲都不高,哪怕是对于私家车来讲,他对需求响应的接受度在50%左右,但是对V2G来讲,所有的车主都有比较大的接受难度。而且这跟它的成本也存在一定的相关性,也就是说当我们的电池成本越贵,到目前我们这个电池成本可能还是比较贵的,在这种情况下,用户对V2G的接受程度可能会进一步降低。比如说我们这张图里电池的成本如果几乎是0的话,私家车用户对V2G的接受度可以达到20%。但是实际上我们的电池成本还是比较贵的,以目前的成本,平均转化成本大约是8毛钱,根据我们的问卷结果,认可V2G方式的用户不到5%。根据这个分析,从硬件的角度来讲,对用户来讲它的成本是有限的,收益更大,但是对用户的直观的认识来讲,能接受这种方案的用户是非常少的。

我们进一步分析,为什么很多用户对V2G没有很好的接受度的原因,我们大致梳理可能存在两方面的原因,一方面是因为充电费用可能提升,我们知道电池是一个比较重的设备,我做了储能之后,在车上又增加了一块电池,导致车辆的电耗提升,全生命周期充电的成本就会提升,对用户来讲直接增加负担,而且对于能量密度相对比较低的电池技术,这种问题会更严重,它的充电成本提升速度会更快。另一方面,同样是由于电池的成本是比较贵的,我们每增加这么一块电池,我们期望它能够给我们带来一个比较直接的续航能力的提升,但是由于我们增加这块电池,导致我们的车辆的续航可能也会受到影响,而且这个影响会随着电池容量越来越大,重量越来越重之后,对续航的影响会越来越大,也就是说实际的续航能力与理论续航提升的速度偏离的差距会越来越大,所以导致目前我们在已有已经相对比较重的电池上增加一块储能电池的可能性或者用户的接受度,就会越来越困难。可能是进一步导致电动汽车用户对V2G这种储能方式的接受度降低。

刚才我们所说的更多的还是电动汽车与电网互动的情况分析,另一个层面就是氢能,这是非常理想的与新能源或者说与电力系统做协同的方式,一方面来讲,氢能与电力系统运行是解耦的方式,它的灵活度比电池储能更高。另一方面相比于锂电池储能,氢能将功率单元和它的储能单元分离,所以我们在做一些大容量储能的时候,其实我们只要增加储能单元的投资就可以。左边这张图里我们分析了不同的电量的情况下储能系统成本变化的情况。简单来说,我们在能量需求相对来说比较低,功率需求相对比较高的情况下,我们对锂电池的需求更高一些,因为它的市场竞争力更高。但是随着能量的需求越来越大之后,燃料电池+氢的储能方式,相比之下它的经济性会更加凸显。但是同样存在一个问题,如果我们只是在电力系统做储能的这种应用,氢能存在一个效率存在的问题,因为多了一层氢能的转换。只有当电力成本非常低的时候,再实现一个放电的过程,它才是经济的方式。在发电成本相对来说比较高的时候,目前新能源发电规模还是比较小的时候,我们认为最好还是实现多能的互补,也就是电力与热力,乃至于油气之间的互补,这样才能弥补氢能转换效率损失比较高的问题。

还有一点是市场环境,这方面说的已经很多了,我们需要一个比较灵活的电力市场来衔接我们的波动性的可再生能源发电和电动汽车用户的行为,这方面的核心观点认为,未来的集成运营商可以作为非常重要的角色,它的并网效率相对来说是更高的,这些集成运营商也能更好地帮助退役的动力电池应用在一些其它的二次储能利用的场景里面。

目前潜在的集成运营商有很多的备选方案,比如说电动汽车充电运营商,或者说一些新生的售电服务商,他们可能都是非常好的集成运营商的主体,因为他们相对来说获得电动汽车这种资源的售电商,在未来的市场售价方面具有更强的竞价能力。

最后说一下结论,首先我们认为电动汽车与可再生能源具有巨大的协同发展潜力,根据刚才的分析,大约1亿辆电动汽车理论的储能能力可以实现我们日内大规模高比例的可再生能源的并网,这样的作用可以说是非常明显的。第二,目前电动汽车产业已经成为储能成本下降的一个关键的驱动力,储能成本下降之后,可再生能源系统并网的成本就会明显的降低,从而提升新能源并网的规模。第三,电动汽车也可以通过有序充电、V2G、电池更换的方式来实现与可再生能源的直接互动,但是这种方式实现是存在一定成本的,但是对比它所带来的效益,我们认为还是有很大的经济性,问题就是要更好地教育用户,引导电动汽车用户的并网行为或者充电行为,来发挥这部分的潜在的储能的潜力。氢能方面,我们认为氢能是灵活性最高的储能方式之一,特别相对于锂电池来讲,它可以实现电网运行的解耦,它非常适合大容量、长周期的储能方式。目前氢能在中国发展的基础是比较薄弱的,而且在电力系统的运行中存在效率存在的问题,所以首先需要构建多能互补的体系,才能提升氢能储能的效率。最后一点,我们认为市场和商业模式是影响协同效果的一个非常重要的因素,特别是一些商业模式的创新,新的继承商、充电服务商的引入,能够更好地帮助我们的客户,形成上游可再生能源的互动。

这就是我今天要给大家介绍的内容,谢谢大家。

(本文根据现场录音整理,未经本人审核)

关键字:储能电站 第八届中国国际储能大会

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