德国储能发展现状及对中国的借鉴意义
能源转型对于减少碳排放至关重要。2020年上半年，德国可再生能源占该国净发电量的比例已超过55%。因此，为解决和平衡可再生能源占比不断提高情 况下带来的电力波动性、间歇性这一问题，我们亟需创新的解决方案和商业 模式。近年来，德国储能市场十分活跃，尤其是在支持电力市场辅助服务和 家庭应用方面更是如此。
该研究报告聚焦于储能这一重要主题。报告描述了储能在德国所发挥的作用 以及支持其发展的政策框架，并提供了不同储能应用的具体案例。
1 执行摘要
过去几年，在可再生能源和储能技术成本降低的双重推 动下，储能行业发展相当迅速，尤其是得益于迅猛发展 的电动汽车电池技术。
储能是促进能源系统实现气候中性转型的重要驱动因 素，同时储能还可以与其他能够提升高比例可再生能源 电力系统灵活性的技术相结合，例如电网扩容、需求响 应和能源效率技术。
抽水蓄能系统和热储能系统与集中式太阳能电站相结 合，已显示出通过大容量储能提供灵活性的能力。通过 提供网络服务和优化输配电网，电池储能系统以及尚未 得到广泛应用的储能技术如压缩空气储能越来越多地显示出在提升灵活性方面所作出的贡献。电池储能不仅在 大规模应用中意义重大，在电表后端需求侧这一小规模 应用领域的作用同样不容忽视，其市场也在不断扩大。 储能系统在德国越来越普及，一方面是由于德国电价较 高；另一方面，光伏与储电相结合降低了自发自用的发 电成本，因此独立用户对储能相关的解决方案很感兴 趣。但是，这一发展趋势必须是有利于电网优化的，否 则就必然要求电网的大规模扩容。
在本报告第四章中，我们将选择15个储能系统的应用案 例（其中大部分是德国案例）进行详细分析。表1展示 了入选案例分属的类别：
本报告详细地探讨了三个商业案例：大规模储能对电网 频率调整的贡献、利用储能系统优化光伏电力自发自 用、储能参与电力现货市场。
储能在能源系统转型方面发挥着重要作用。然而，大规模储能容量并不一定是成功实现能源转型的先决条件。 在德国，良好的输电线路和与邻国的良好互联保证了足 够的容量用以平衡大部分间歇性可再生能源。虽然与未 来情景下的发电和输电相比，储能的能源总量很小，但 是储能可以缓解电网扩容的压力，使转型过程更加平稳和高效。在电网扩容面临公众接受度问题的地区，情况 尤其如此。在比德国小，且与邻国之间的互联线路不够 理想的国家，例如，岛国或处于外围的国家如葡萄牙， 储能的价值会进一步凸显。对于领土面积大的国家来 说，情况也是如此。在这些国家中，由于可再生电力必 须远距离输送，因此输电网络的成本更高。
当前，针对灵活性利用的监管框架非常复杂多样。相关 规定并非始终一致，而且分散在各种法律法规当中。因 此，监管框架和电网使用费用机制的改进必不可少，从 而鼓励灵活性利用，以便电网受益。
但是储能系统的价格仍然高于其他灵活性方案。因此， 降低成本是提高储能系统经济效益的最重要前提。除了 研发以外，标准化对于提高储能系统经济效益也非常重 要。标准化是批量生产的先决条件，并有助于加快技术 知识传播和创新。除了经济效益外，安全性在电池等储 能系统中也发挥着重要作用。标准化可以为产品安全性 提高做出重要贡献。标准化还涉及其他方面（例如安 装、验收、并网、处置），这些方面也与储能技术的发 展有关。从国际上来看，标准化可以避免在贸易中出现 技术壁垒，从而降低市场准入门槛。
2 简介：德国储能发展
在中国，可再生能源的快速发展增加了传统电厂和整个 电力系统对灵活性的需求。弃风弃光仍一直是中国面临 的一个挑战，虽然近年弃风弃光问题有所改善，但是中 国电力部门仍需更多的灵活性。2016年中国全年弃风率 高达17%[1][2]，甘肃等省份全年弃风率甚至高达40%。 在采取了一系列措施后，到2019年，年弃风率和弃光率 分别降至4%和2%。当前，提高电力灵活性的措施主要是 针对火电厂。但在消费侧和输电侧，在引入平衡电力市 场试点和计划引入针对需求响应措施的经济激励措施方 面，灵活性潜力也变得越来越重要。尤其重要的是，设 计针对灵活性的经济激励机制，即通过电力市场和交 易所、平衡电力市场或通过网络运营商的干预（例如再 调度、网络阻塞/并网管理），来改善灵活性的相应机 制。
储能系统在中国也发挥着重要作用。截至2018年底，中 国的抽水蓄能电站已达约30吉瓦，电化学储能（电池储 能）达到1吉瓦。中国政府计划推进电池储能设施扩大 规模，以进一步推动可再生能源并网。然而，除了初始 投资高或资本成本高以及技术难度大（生命周期、安全 要求）以外，价格、市场以及针对储能利用的支持机制 方面在未来发展中仍然面临挑战。
2.1 电力部门的灵活性需求不断增长
可再生能源在能源系统中的占比提高使每小时发电模式 发生变化。如果发电依靠风能和太阳辐射，则会导致 发电过程中的波动性增加，而波动必须加以平衡。灵活 性的定义如下：“电力系统旨在确保发电和用电在时间 和空间上时刻保持平衡。电力系统的灵活性代表了电力 系统能够在多大程度上根据需求调整发电和用电，从而 以具有成本效益的方式保持系统稳定。灵活性是指电力 系统在面临供需急剧波动的情况下，保持持续供电的能 力。”[3]
通常情况下，可再生能源的比例不断提高，每小时发电 量变化会增加。但是，波动幅度和对灵活性的需求取决 于可再生能源类型以及不同可再生能源技术的组合。光 伏电站非常适合太阳能辐射充足的地区，并且光伏并网 具有日波动和季节性波动特征。风电并网量与风速呈高 度相关关系，在各种可再生能源类型当中，风电每小时 并网曲线是最不规律的。因此，风电场和光伏电站的并 网量很难预测，所以电力系统中发电计划在很大程度上 取决于并网量预测，而并网量预测应尽可能做到精确无 误。但是，即使预测水平有所提高，仍然需要灵活性技 术，以便快速增加或减少发电量或用电需求。然而，也 有一些非波动性可再生能源。在世界范围内，水电是一 种非常普遍的可再生能源，发电出力几乎恒定。不过， 在一些夏季气候干燥的国家，水电的季节性波动比风电 大（葡萄牙风电相当稳定，但水电在夏季波动很大）。 生物质能可控性很好，如今在欧洲和北美得到广泛使 用，地热和太阳能热电厂与储能相结合也可以保证电力 供应恒定，不同技术的组合使用会决定最终的发电模 式，并决定在平衡波动时采用何种技术或概念。图1示了2020年7月德国每小时的发电量，从中可以清楚地 看到陆上风电和光伏的波动性。在德国的能源结构中， 可再生能源占比达到43%（图2）；到2030年，预计这一 比例将超过65％，到2050年，电力系统基本全部使用可 Figure 1 再生能源。