储能为核心的新能源革命技术路径探索

清華大學TsinghuaUniversity130储能为核心的新能源革命技术路径探索欧阳明高.edu清華大學车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEANDMOBILITYTSINGHUAUNIVERSITY储能为核心的新能源革命技术路径探索1.新能源革命储能瓶颈技术2.新能源动力系统技术研发3.新能源革命技术路径展望2能源转型历程与新能源革命每次能源革命都是先发明了新动力装置和交通工具，然后带动对能源资源的开发利用，并引发工业革命第一次能源革命：动力：蒸汽机，能源：煤炭，能源载体：煤，交通工具：火车第二次能源革命：动力：内燃机，能源：石油和天然气，能源载体：汽/柴油，交通工具：汽车第三次能源革命?动力：各种电池，能源：可再生能源，能源载体：电和氢，交通工具：电动车第四次工业革命：以可再生能源为基础的绿色化和以数字网络为基础的智能化新能源天然气石油煤炭木柴3第三次能源革命——新能源技术革命第三次能源革命新经济模式如何改变世界新能源革命的“五大支柱”一，向可再生能源转型(尤其是光伏与风电)；二，集中式转向分布式，建筑变为微型发电厂；三，用氢气、电池等技术存储间歇式能源；四，发展能源(电能)互联网技术；五，电动汽车成为用能、储能并回馈能源终端新能源的技术体系：全链条能源应包括生产-转化-输送-终端。新能源革命也应包括消费、供给、技术和体制四方面的革命。新能源的主要瓶颈：中国的光伏和风电技术与成本已经完全具备大规模推广条件，但是储能是瓶颈，需要靠电池、氢能、电动汽车等来解决。4新能源革命的主体——新能源动力系统与新能源电力系统新能源动力系统和新能源电力系统的共同技术难点都是储能技术：纯电动力系统的电池技术、燃料电池动力系统的储氢技术、电力系统的各种储能技术；新能源动力系统和新能源电力系统的共性核心技术也是储能技术：各种储能电池和电动汽车车网互动、变流器与电力电子、燃料电池与电解水制氢系统、氢能储运技术、氢载体氨用于交通动力和发电能源等；证明引体)信息控制动力控制及装单管理系统强实时(ACESDAB)可变发电可变负荷可变负荷可变发电新能源动力系统相似性新能源电力系统燃料电池API储能系统储能系统电机架造/3625栋蓝气APU电池及其热电管理系统碰撞条电多重装合安全系统BEVchargerstation新能源动力系统与交通电动化已经取得重大突破、用交通电动化促进能源电气化，以储能为抓手推动能源转型和新型电力系统发展，是面向碳中和的中国新能源革命重要技术路径5新能源革命的瓶颈：新型储能技术的主流模式Storagetime电池和氢能各有特点，两者互补性强，共同构成主流储能方式1)Electro-ThermalEnergyStoragepressedAirEnergyStorage3)AdiabaticpressedAirEnergyStorageSource:Valera-MedinaA.XiaoH.Owen-JonesM,etal.Ammoniaforpower[J].ProgressinEnergyandbustionScience,2018.69:63-102.6长规模可再生能源的氢储能方式发电侧某著名企业侧用户侧某著名企业谷电发电电解水储氢长途输运电解水储氢制氨化工用氢燃煤火电厂燃氢/氨逐步替代燃煤作用：平滑输出；调峰作用：调峰规模：中大规模规模：大规模能量的时间转移能量的时空转移7长规模可再生能源的氢储能方式氢/氨发电系统典型氢/氨发电技术氢发电应用案例可再生能源制氢合成氨，制备成常的液氨，成本低廉、化学性质稳定，再投入燃气轮机进行火力发电，实现了可再生能源长储、长距离运输，并助力火力脱碳日本绿氨合成发电项目JGC公司在2018年底于日本郡山示范工厂完建设了可再生能源制氢并合成氨，继而以合成氨为燃料发动47kW的微型燃气轮机日本零碳氨价值链构建时间线²202020252030实用供应链验证大规模供应链搭建零碳氨供给小型燃气轮机(-1MW)中型燃气轮机商品化商品化开发+商品化开发+商品化开发+商品化开发+商品化(-100MW)大型燃气轮机(100+MW)8动力电池大规模产业化与电化学储能电站随着全球电动化进入高速发展阶段，带动中国动力电池行业飞速发展，2023年规划产能大于1TWh，2025国内电池年需求/出货量预计1.2TWh；其中车用动力电池占主导2020中国储能总装机量比例电力/储能电池总装机量压缩空气储能12000.03%飞轮储能动力电池储能电池电动二轮车电池<0.01%1000883800上液流电池600587锂离子电池铅蓄电池抽水蓄能电化学储能0.7%88.8%89.3%9.2%10.2%超级电容4003910.2%261其它200熔融盐储热<0.1%8310711901.5%20182019202020212022202320242025年份9数据来源：中关村储能联盟数据来源：网络公开资料、SPIR、智研咨询、电动1家、起点锂电大数据基于车网互动的储能方式广义车网互动概念V1G：单向有序充电，仅改变汽车充电时间/速率(例如中午吸收多余太阳能，负载平衡)；V2G：包含反向功率流，具有多种尺度调节，可以是供潜力局域微网，也可以是供电大某著名企业；V2X：车与车之间供电，楼宇供电，负载紧急供电，家庭备用电源等；实现V2G的前提是电动车在停止运行时要通过双向充电桩与某著名企业联接，如果用换电模式，车载电池的储能功能难以发挥车网互动需要用户、企业、地方政府共同参与构建能源互联网平台，三方都有收益，还具有推动新能源发展的绿色效益。V2V(VehicletoVehicle)V2VV1GV2L(VehicletoLoad)负载紧急供电V2LV2HV2H(VehicletoHome)家庭备用电源V2XV2BV2GV2B(VehicletoBuilding)V2mG楼宇供电V1G

(单向有序充电)V2mG10V2G(VehicletoGrid)(Vehicletomicrogrid)配某著名企业局域微网供电基于车网互动的储能方式为何开展车网互动？——————“削峰填谷”，减小某著名企业功率需求随着电动汽车数量增加，智能有序充电和V2G逐渐表现出优越性无序充电的功率需求是有序充电的两倍以上，而V2G则可以反过来减小功率需求图：冬季需求高峰期电动汽车充电行为11来源：英国CENEX,mercialViabilityofV2G:ProjectSciurusWhitePaper电动汽车动力电池储能的能量潜力2040年，中国电动汽车保有量达到3亿辆，每辆车平均电量大于65千瓦时，则车载储能容量超过200亿千瓦时，与中国每天消费总电量基本相当。考虑出行需求，乘用车、重型卡车、物流车每日可参与某著名企业调度的平均电量分别为104亿千瓦时、4.3亿千瓦时、0.8亿千瓦时，日内可调度能量波动±10%。12中压配某著名企业⑤快充站V2G⑥换电站V2G④V2mG(DC):直流微网系统,集群后可参与V2G③V2mG(AC):配合小型火电机组和可再生能源单元②V2某省市楼宇和停车场互动，集群后可参与V2G车网互动的广泛应用场景低压配某著名企业①V2H：与家庭分布式光伏协同(农村地区典型场景)电化学储能：车网互动与储能电站对比固定式电站储能电动汽车储能成本低、风险低、技术难度提高01容量100%Nx%总量变量：桩网互动的车辆数量随机个体变量：EV参与某著名企业互动的能量随机02时间定?X·不同日期的同一时间段车辆能够参与某著名企业互动概率不同03空间壹N辆车可在不同地域与桩网互动，产生的收益不同，同时规模级的车辆空间变化会带来某著名企业传输变化04固定成本增零设备：低土地：无05安全风险高低电池数量少，事故概率低14消防与灭火难度低储能为核心的新能源革命技术路径探索1.新能源革命储能瓶颈技术2.新能源动力系统技术研发3.新能源革命技术路径展望15清华大学《新能源动力系统》科研团队电池储能-绿色氢能-智慧能源三位一体学术体系氢能研究院与创业企业群宜宾电池研究院与创业企业群氢燃料电池与电解绿氢系统动力电池与电化学储能系统1.PEMFC/PEMEC1.电池热失控与热蔓延《新能源动力系统团队》2.SOFC/SOEC2.智能电池与智能管理3.碱性电解与氢安全3.新体系与全固态电池电控动力与智慧能源系统1.分布式驱动系统与滑板底盘2.超级快充/快换耦合补电系统3.光-储-氢-充-放互动能源系统16南京电控动力创新中心与创业企业群————深圳电动汽车智慧能源创新中心与创业企业群氢储能与氢燃料电池系统研发与产业化建立了氢能燃料电池的技术体系动力系统第一步：研发燃料电池混合动力系统与控制，发动机外协(已完成)剥洋葱模式发动机第二步：研发燃料电池发动机，燃料电池电堆外协(已突破)电堆第三步：研发燃料电池电堆，燃料电池膜电极外协(已突破)第四步：研发燃料电池膜电极膜电极(已突破)燃料电池基础材料外协2005年2013年2015年2018年2020年17氢储能与电解水制氢技术研发面向近中远期应用，已全面开展三种电解水制氢研发与产业化(AEC\PEMEC\SOEC)培育出思伟特和海德氢能两个制氢装备公司CathodeAnodeH₂O固体氧化物电解(SOEC)清华SOEC实验平台TsinghuaSOEC

Platformn₂ElectrolyteCathodeAnode清华PEMEC实验平台质子交换膜电解H₂O(PEMEC)TsinghuaPEMEC

PlatformLIOO₂清华碱液制氢设备碱性电解(AEC)TsinghuaAlkaline

Hydrogen

ProductionEquipment18氢能与燃料电池系统研发与产业化清华培育出科某省市公司，中国氢能第一股————亿华通科技公司建立氢能与可再生能源研究院、河北氢能产业创新中心、正在筹建国家氢能产业创新中心亿华通东升总部发动机生产基地亿华通上海电堆生产基地2015年，控股上海神力科技，建立燃料电池电堆工厂；2017年，在建设万台级燃料电池发动机厂；2017年在加拿大成立海外研发中心；2019年，建立上海亿氢，布局膜电极厂；亿华通体系2019年，在建设国内首个万吨级风电制氢厂；氢能全链条布局2021年，建立思伟特公司，布局固体氧化物燃料电池和制氢装备2021年，建立海德氢能公司，布局大规模碱性电解制氢于氢储能装备2020年，与丰田某著名企业东风北汽某著名企业建立燃料电池发动机联合研发中心；2020年，与丰田联合设立华丰商用车燃料电池系统公司；192021年，联合建立北京某著名企业)氢能与燃料电池系统研发与产业化清华牵头承担科技部“科技冬奥”重点项目“氢能出行”关键技术研发和应用示范，目前已经运行500辆燃料电池汽车，和北京2022年运行1000辆场景①300km,抵离、跨赛区②60km,公众班车③30km，赛会注册人员班车④专车和约车序号序号加氢站加氢站11京辉张家口京辉张家口22中石油金龙中石油金龙33国电投延庆国电投延庆44中石油福田中石油福田55京辉大兴京辉大兴电化学储能与锂离子电池的安全事故近年来，储能电站、新能源汽车、电动自行车，锂离子电池安全事故时有发生。据国家监控平台数据电动汽车电池安全事故概率目前为万分之0.5，与传统车大体相当，无致命事故。电动自行车安全事故2021年共发生1.8万起，死亡57人，受伤157，说明技术水平和安全规范起决定作用电池储能电站电池容量一般在超过1万千瓦时，安全风险增加，技术难度加大，需要建立安全保障体系。储能电站火灾电动汽车火灾电动自行车火灾21电动安全事故的共性特征是电池热失控电池热失控：T_{3}T_{3}4800秒上升1千摄氏度49008003700T1：自生热起始；6005002400T2：热失控触发；T_{2}T_{2}3001200T_{1}T_{1}T3：热失控最高TOU0002468101210^{-2}10^{-1}10^{\circ}10^{\circ}10^{2}10^{2}10^{2}10^{4}10dT/dt/^{\circ}C\cdot\min^{-1}Time/s×10^{4}热失控诱因热失控发生热失控蔓延1000Testtime.800sSurface-Front器机电热8200400Cell1=Cell2E世代狐长蟹瘤90Cell3Hartace-miner200400600803100020014国200Cell4兰Cell5Surface-Sack38Cell68215020040060080213001200400Length11Time/s22清华大学电池安全实验室清华大学车辆学院电池安全实验室及其附属四川宜宾电池安全实验基地(投资超过2亿元)，专注于锂离子电池安全研究，对全球厂家和机构开展合作和提供服务，参与行业，国家和国际标准制定。23动力电池安全技术研发与产业化2011年以来，以电池安全为核心开展动力电池全技术链研发与产业化RWTHAACHEN

MSAMSUNGARASISUNIVERSITYwF孚能科技NISSANTUMAudiA123TechnischeUniversitatManchenSKSYSTEMSDAIKINArgonne

NATIONALLABORATORYCAuòi\nsysNREL长城逻车HUAWEI小白QuedTNRCBYDeDF卫生24LISHENCATL卫益新成功车网互动的关键技术基础Eroyptedvoltage,temperature状态标准政策支撑Soc,currentV2X场景下电动车一直插在桩上，会不会出问题?监测BattaryEmbeding系统信息流：通讯标准Privocy

ProjectionError

CalculationDetecterEncoderDecoder

Network安全BMSDateNetwork全程监控Montoringservice预警系住房电技术超级药电报口筑对安全技术双向现在的电动车会不会无法满足V2X需求?高压平台保控先进学习体技术互联整车系统能量流：互动标准安全长寿仪充管理外部编制冷解技术先进仪充电地技术车桩改造优化…智能电池V2X场景下电池频繁充电，目前电池性能是否能满足?电池安全电池升级设计25车网互动储能：V2H某省市郊V2H+光储充系统的软硬件与通讯技术开发26车载双向充电机桩端双向电源模块车网互动储能:V2B、V2mG以多层级硬件安全和软件监控技术为核心，构建面向园区的V2X智慧系统27车网互动储能：分布式能量管理平台能量管理平台功能效果：设备配置、系统监控、能量优化、互动展示统字科技零C云综合能源平台18:34:51零C云智慧能源平台能量流动图经济&环保统计1.51万1.22吨9.89吨数字化能源管理：可靠、安全、高效实时功率展示小红书202115产品特点用/发电量统计进一片近一周网系统智能展示完成原播W智能运维能量预测优化能量管理调度能源交易PEAMKW充放电电量总计9857kWh50046kWh应用场景近7日微某著名企业系统充放电统计AUMAMKW124976kWh10273kWh园区综合能源管理储充充电错完N光储充微网能量管理用能优化车网互动V2G调度全面优化，系统更节能34984kWh200149kWh虚拟电厂聚合交易有序充电车网互动储能：光-储-充-换一体化光-储-充-换一体化互补型智慧能源系统————电动汽车时代的”加油站“储能和快换系统基于换电电池储能放电29车网互动储能：光-储-充-换一体化全球首个集超充、重卡换电、光伏发电、智能微网一体的综合示范平台分钟换电般的体验Inadditiontothechargingstationitself31车网互动的四大平台：空间维度市场交平台给出不同层级的价格激励。日前计划本市远端发电外部地区发实时调度/负荷预测电/负荷影响城市级减小次日负荷波动、降低用电成本、降低市级控制中心聚合调度与虚拟电厂平台给出各场站的功率调度，并分层管理。电池衰减等综合效益总调控指导曲线区域间调度信号拆分区域电动汽车充电功电动汽车的充电需求聚合，率与能量需求边界分布式控制指令下发市级控制中心，结合远端发电和总体负荷，给区域虚拟电某省市远端发电下达指令。区域级区域级虚拟电厂激励价格机制设计各微网/场站集群的能量管功率指令、数据监测与预测平台进行特性分析，结合历史某省市场情况，给出能量管理和聚合的指导，并开展安全预警。理调度激励价格场站的各类数据监测场站级控制单元充电与状态预测决策实时场站级齐电智能电池安全预警优化需求32能量管理平台负责场站/楼宇级的本地能量控制。储能为核心的新能源革命技术路径探索1.新能源革命储能瓶颈技术2.新能源动力系统技术研发3.新能源革命技术路径展望33新能某省市场前景预测与展望2021—2030年:快速增长4000汽车总销量燃油车销量达峰电动车销量爆发传统车新能源乘用车新能源乘用车2030年左右新能源车销量占比约50%3000新能源货车新能源客车新能源汽车销量舞2000基于国家统计局和工信部装备中心数据，采用清华大学新能源动力系统团队预测模型测算出汽车年销量100001970198019902000201020202030204020502021年前数据来源：国家统计局，《中国汽车产业发展年报(2021)》年份34未来十年电动汽车智慧能源生态黄金组合：分布式光伏+电池+电动汽车+物联网+区块链1T：光伏进入太瓦时代(“2毛钱”电价时代)1T：电池进入太瓦时时代(“5毛钱“电池时代)1亿：电动汽车进入亿辆时代———光-储-充-放一体化智慧能源系统白银组合：集中式风电与光伏+氢能+燃料电池汽车+物联网+区块链1T：光伏进入太瓦时代1T：风能进入太瓦时代1百万：燃料电池汽车进入百万辆时代(1亿千瓦发电功率)———风-光-氢-电一体化智慧能源系统35基于成本竞争力的新型储能技术的未来发展路线图储能系统成本竞争性比较——未来技术发展车网互动分布式短时储能的潜力与前景1280-G.He,etal.,2020R1007常规电池储能容量需求预测(GWH)8000G.He,etal.,2020C50G.He,etal.,2020C8070006843BNEF,2019660V0G600580J.Li,etal.,2021Scenariol6000384J.Li,etal.,2021Scenario230075237J.Li,etal.,2021Scenario323020245000场研究44461374455X.Chen,etal.,2021vRE60%42.4斤4429.8X.Chen,etal.,2021vRE80%220202025(20%)2030(30%)392840004040400036803400ESA、能源局、天风证券20213371发改委、广发证券20202879300023012308工信部、东20212240219720202000清华能源经济所能源结构20%*2小时18401960200017001649.7清华能源经济所能源结构40%*2小时44121324V2G项目115811721000-新能源动力系统团队RE95-V0G806758854891991589390601560新能源动力系统团队RE95-V2Gdu138307445815200130年份(非化石能源发电比例)37未来中国电力系统的点线面特征382030年中国新型电力系统特征发电侧(线)64%的发电侧储能需求位于西北部地区，约1.4亿kW，保障风光基地可再生能源的可靠并网。◆西北风光基地向负荷区域输电需新建特高压输电线路0.8亿kW，向外输电特高压线路超过2亿kW。2.5典型光伏出力典型风电出力2光伏-风电-储能并网1.5Wk亿/率功10.500510152024时间/h

西北地区储能调节风光并网某著名企业侧(点)◆西北部地区与中东南部地区的某著名企业调峰需求比为4:5,分别为1亿kW、1.3亿kW。◆西北地区的调峰需求依赖于火电灵活性，火电灵活性改造压力(装机量占27%)高于其他地区。◆中东南部区域的调峰需求可通过抽水蓄能+火电灵活性实现。4风电光伏火电3地简单喜特殊特征410012S

t

10510152024时间/h

西北地区某著名企业灵活性需求用户侧(面)65%的用户侧储能需求位于中东南部地区,约1亿kW/3.2亿kWh,峰谷套利，降低配电系统的功率波动。用户侧储能形式主要表现为分布式储能，储能与分布式光伏组成微网系统调节电力需求。151012%29.4%52030年中东部负荷2030年中东部负荷分布式光伏2030年中东部负荷分布式