超長時儲能：未來新型能源體系的關鍵拼圖

張瑾軒 劉鐘淇

2021年，美國得克薩斯州遭遇百年一遇的極寒天氣，電力系統幾近崩潰，近500萬人陷入無電可用的困境。這場災難暴露了高比例新能源系統在極端天氣下的脆弱性。

在中國西北的風光資源富集區，另一類矛盾同樣尖銳。全國新能源消納監測預警中心數據顯示，2025年一季度青海、甘肅、新疆等省的風光發電利用率在90%左右，新能源電站仍存在“曬太陽”、“吹風”的現象。

此類事件指向同一癥結：隨著全球能源綠色轉型加速，高比例新能源并網對電力系統的靈活性提出了前所未有的挑戰。

儲能的爆發式增長與鋰電池的盛宴

全球儲能市場正經歷前所未有的爆發式增長。從存量儲能項目來看，當前應用最廣泛的儲能技術是抽水蓄能和鋰離子電池儲能。中國等亞洲國家是抽蓄建設的主陣地，而隨著符合建設條件的站址資源逐漸減少，世界范圍內抽蓄發展已進入相對平穩的階段。與抽水蓄能相比，以鋰離子電池為代表的新型儲能建設周期短、選址靈活，是現階段儲能發展的主力。彭博新能源財經(BNEF)數據顯示，2024年全球新增儲能裝機容量達69GW/169GWh，同比增速達76%，其中電化學儲能占比超過90%。中國儲能市場發展更為迅速，截至2024年底全國已建成投運新型儲能項目累計裝機規模達73.8GW/168GWh，約為“十三五”末的20倍，較2023年底增長超過130%。2024年新型儲能的平均儲能時長達2.3小時，較2023年提升0.2小時。

值得注意的是，當前絕大多數鋰電池項目的儲能時長仍在2~4小時區間。造成這一現象的原因主要有三方面。一是系統需求。目前對儲能項目的需求仍以日內調節為主，主要用于解決太陽能的晝夜間歇性。如美國NREL的一項研究顯示4小時儲能可以較好覆蓋早晚高峰，已能解決大多數日內調節問題。對于新能源長期波動，仍然主要依靠火電等傳統調節資源。二是系統成本。當前處于爆發期的儲能技術主要為鋰離子電池。基于鋰離子電池自身的技術原理，其功率和儲電量基本呈線性相關，綜合考慮單位造價、循環壽命等，鋰離子電池的儲能時長控制在4小時內經濟性較好。三是政策驅動。如中國多省規定鼓勵新能源項目配置10%-20%、2-4小時的儲能系統，美國《通脹削減法案》(IRA)為儲能項目提供30%的投資稅收抵免等。這類激勵政策對儲能的連續放電時長要求基本都不高于4小時。

未來新型能源體系究竟需要什么樣的儲能

電力系統在不同時間尺度對靈活調節資源均有相應的需求和應用場景。瞬時尺度(秒級-分鐘級)主要包括提高電能質量、一次調頻、無功支撐等，短時尺度(連續放電8小時以內)主要包括于二次調頻、日內削峰填谷、提供系統備用等，長時尺度(連續放電8-20小時)乃至超長時尺度(連續放電20小時以上)則主要包括周、月內乃至季節性的平衡調節等。傳統電力系統中，不同時間尺度的調節能力主要由火電、水電等可控電源提供，本質上也是通過儲煤、儲油、儲氣、水庫蓄水等儲能形式實現能量的跨時間調配。然而隨著新型能源體系和新型電力系統的構建，風光新能源發電比例不斷增高，對系統靈活調節能力需求增大。另一方面，從中遠期來看，未來碳達峰后，火電將不可避免地面臨逐步減退，僅靠火電為主的傳統調節電源，越來越難以滿足系統需求。這也是新型儲能逐漸在電力系統走向前臺的最主要原因。

電力系統對儲能的需求與新能源滲透率密切相關。隨著新能源滲透率的提高，系統不僅需要儲能提供功率支持，還要求儲能的時長不斷增加。研究表明，新能源滲透率在20%以內時，系統調節資源的供需矛盾主要體現新能源的波動幅度加大，如上午時段光伏出力的快速增加，傳統電源調節速度跟不上，這時候就需要增加配置新型儲能，提供短時的快速功率調節能力。而隨著新能源的快速發展，截至2024年底，我國已有15個省區的新能源裝機在整個電源結構中占比超過火電，逐漸成為主體電源，此時極熱無風、極寒無光、長時無風或陰雨等特殊天氣將對系統產生越來越大的影響。

以華東區域為例，根據當地35個氣象測站1980年-2020年40年的歷史監測數據統計，梅雨季節新能源持續低出力天氣事件(連續24小時風速低于平均水平的10%且輻照度低于平均水平的20%)達500次以上，其中99次持續時間達到三天以上。這種情況下，系統對于儲能的需求就不僅體現在功率調節能力上，還需要儲能具備長時間連續放電能力，也就是說，需要長時或超長時的儲能。

未來的新型能源體系將前所未有地需求可連續放電20小時以上的超長時儲能。在火電等傳統調節電源減退的背景下，為有效應對新能源持續低出力天氣事件的影響，在大多數情況下，需要儲能具備可連續放電20小時或頂峰供電5天以上的能力(以每天頂峰供電4小時計)。另一方面，為平抑高比例風電光伏帶來的季節性波動，也需要超長時儲能解決跨季節的電力電量平衡問題。

經測算，在保持系統合理經濟性的前提下，當新能源滲透率超過30% 以后，僅配置短時儲能(4-6小時)難以繼續滿足系統需求，需要逐漸引入長時儲能為系統提供能量調節能力。

隨著新能源滲透率的進一步提高，如果僅配置短時儲能，系統棄風、棄光率將大幅提高。若遭遇連續陰雨無風天氣過程，短時儲能資源迅速耗盡，各類可調節電源全部滿發后仍無法滿足用電需求，需要長時、超長時儲能(20小時以上)提高應對極端天氣、保障電力可靠供應的能力。通過協同調度發揮各類儲能的技術比較優勢，確保不同類型儲能在最需要的關鍵時刻被有效利用，能夠顯著提升電力系統的可靠性、經濟性和靈活性。

超長時儲能的技術圖譜與關鍵瓶頸

那么什么樣的儲能技術路線可以滿足未來超長時(長時)儲能的需求?液流電池、壓縮空氣儲能等曾被寄予厚望，但無論從放電時長還是造價看，這些技術往往難以勝任超長時儲能。能實現超長時、長時能量存儲一般要求儲能的功率和電量可解耦，隨著儲能時長的提升其單位能量成本呈下降趨勢。如鋰離子電池的特性決定了增加儲能時長需等比例擴展電芯規模，故鋰離子電池儲能系統的成本隨時長增加幾乎線性增長，作為長時儲能的經濟性較差。而全釩液流電池，其容量與電解液相關，電池的功率則由電堆決定，功率和容量相互獨立，是長時儲能的可選技術，但受限于能量密度低、循環效率也相對不高，作為長時儲能其經濟性較差。

氫儲能系統由電制氫、儲氫容器、氫發電設備等聯合構成，其功率由電制氫和氫發電設備決定，容量與儲氫容器規模相關，隨著儲能時長的增加氫儲能系統能量成本顯著下降。在當前技術水平下，氫儲能與壓縮空氣、抽水蓄能等儲能手段相比，在放電時長方面優勢明顯且不受特定的地理條件的限制，是未來發展前景最好的長時或超長時儲能技術之一。但其短板同樣突出：電-氫-電全流程的能量轉化效率僅在30%左右，遠低于抽水蓄能、鋰離子電池等儲能技術;儲氫罐、氫燃料電池等關鍵設備成本仍較高，推高了氫儲能的系統成本;氫儲能標準體系尚不完善，缺乏相應的政策支持，電力市場尚未建立針對長時儲能的補償機制，由于長時儲能系統年利用率低，回收投資難，抑制了社會資本投入。以可連續放電20小時的氫儲能系統為例，其能量成本大約只有鋰電池一半，但功率成本是鋰電池的2~3倍。考慮到長時儲能利用率遠低于短時儲能，氫儲能電量電價可達2元/kWh以上，是鋰電池儲能的6~7倍。氫儲能距離大規模應用仍需跨越技術與市場機制的雙重鴻溝。

除氫儲能外，合成零碳燃氣(如綠色甲烷)、儲熱、大容量混合式抽蓄也是長時或超長時儲能的可選技術路線。甲烷等合成零碳燃氣相比氫氣更易于存儲，但合成過程能耗高，全周期能量轉化效率往往也更低。儲熱部署靈活，更適合熱能的跨季節存儲，可用于工業供熱、民用供暖等場景。大容量混合式抽蓄技術成熟，能量轉化效率高，但其開發建設周期長，也更受地理環境限制。

未來的超長時(長時)儲能也需要用戶側的廣泛參與，充分發掘電動汽車、溫控負荷、工業負荷等負荷側的調節潛力。電動汽車通過有序充電、車網互動(V2G)可參與削峰填谷，提高電網的穩定性和可靠性。冶金、化工等生產高載能產品的產業可靈活調節生產節奏，產品借助成熟的工業倉儲、物流體系進行存儲，同樣有望解決新能源季節性的大幅波動給電力系統帶來的長周期靈活調節資源稀缺問題，實現廣義上的超長時儲能。

推動超長時儲能發展的建議

一是開展技術攻關，降低儲能系統的成本。如優化制氫電解槽制造工藝，進一步降低成本、提高制氫效率;研發低成本、高可靠的高壓氣態和低溫液態儲氫設備，研究新型有機液體儲氫技術;發展重型純氫燃氣輪機的設計制造技術，降低氫燃料電池關鍵零部件的成本、提高氫燃料電池發電效率;優化甲烷化工藝，充分利用反應熱、降低能耗;開發新型高性能相變材料，開發儲熱智能化控制系統等。

二是創新氫能應用模式，推動電氫協同發展。需要完善頂層設計，統籌規劃電氫協同生產配置網絡布局和電力、化工、交通等領域用能發展規劃。同時強化政策支持，給予綠氫生產補貼，完善全國碳市場建設，促進氫能產業規模化發展。從而充分發揮電與氫各自的獨特優勢，實現“1+1>2”。

三是創新儲能體系調度、應用模式，發揮超長時儲能長周期能量存儲功能。建立中長期風光出力概率預測模型，根據預測結果動態配置各類儲能規模，優化短時、長時、超長時儲能調用策略，讓短時儲能“輕裝上陣”、長時儲能“精準發力”、超長時儲能“兜底維穩”。同時，著眼于廣義的超長時儲能，推動化工、冶金等高載能產業與新能源發電的聯動，激活負荷側潛在的靈活調節潛力。

四是完善頂層設計和儲能市場機制，為超長時儲能提供政策支持。建立超長時儲能能量補償機制，如對于儲能時長超過20小時的超長時儲能項目按能量給予補償和輸配電價優惠，綜合儲能時長和容量折算新能源項目的配儲比例，支持超長時、長時儲能試點項目參與電力現貨市場等。此外，還應完善氫儲能相關標準體系，強化對這一領域的技術創新支持，鼓勵開展氫儲能全鏈條示范。

超長時儲能的發展注定是一場馬拉松。短期看，技術成熟度低、經濟性不足仍是主要障礙;但長期看，能源革命逐漸進入深水區，超長時儲能已不是單純的技術選項，而是新型電力系統存續發展的生命線，隨著技術成熟和市場機制的健全，其經濟優勢也將逐漸顯現。這場關乎能源安全的攻堅戰，需要政策制定者、技術研發者與市場參與者共同落子。(作者單位：全球能源互聯網經濟技術研究院)