油气行业迎来储能技术攻关储备“黄金期”

  [中国石油新闻中心2022-08-30]
  在“3060”目标下，油气企业在推进传统主业的同时，加快形成绿色发展增长极。在油区大力发展新能源电力业务是油气公司绿色低碳转型的必经之路。储能技术作为新能源电力稳定并网、构建新型电力系统、建设智慧油气田的关键支撑技术，在油气行业具有广泛的应用场景。
  储能将在能源系统扮演重要角色
  当前，全球能源向低碳、零碳方向推进，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，是我国实现碳达峰碳中和，落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略的有力保障。
  我国油气公司在“三北”地区油区面积大，具有丰富的太阳能、风能资源。在油区内加快部署集中式与分布式风能、太阳能发电，推动油气田终端电气化并实现绿电供能，是实现清洁替代的重要途径。然而，新能源发电“靠天吃饭”，具有间歇性、随机性、波动性、季节性特征，大规模接入将对电网安全稳定运行带来巨大挑战。储能可有效平抑新能源电力波动，促进电源和负荷之间的平衡，减少弃风、弃光，是新能源发电的关键支撑技术。我国大力推动风光配储，截至2022年8月，已有9个省市能源局对风光发电配套储能提出了明确要求，配比为5%—30%。
  储能除可实现能量存储外，还具有能量转换、调度、供给、保障等多种功能，在油气行业绿色发展的进程中具有广泛的应用场景。集中式储能电站将成为能源核心中枢，可与风电、光伏发电、地热发电、电解水制氢、燃料电池发电等新能源业务紧密结合，发挥桥梁作用；分布式、移动式风光储一体化技术可为野外勘探、油气田监测、钻完井、压裂、井下工具等装备供能，替代燃油、燃气发电，降低碳排放；长时储热、储电、储氢技术将在未来综合能源体系中起到调峰、调度等作用，为能源稳定、安全供应提供有力支撑。
  多种储能技术协同发展优势互补
  储能行业技术方向繁多，呈现出螺旋式上升发展态势。每种储能技术适用于不同的应用场景，特定场景须选择最适合的技术路线。与抽水蓄能相比，新型储能技术凭借响应快、配置灵活、建设周期短等优势，与新能源开发消纳匹配性好，成为增长最快、最具潜力的储能方式。我国新型储能行业整体处于由研发示范向商业化初期过渡的阶段，国家发改委、能源局印发的《“十四五”新型储能发展实施方案》中，明确提出要推动多元化储能技术开发，包括钠离子电池、新型锂离子电池、铅炭电池、液流电池、压缩空气、氢（氨）储能、热（冷）储能等。同时将上述多项前沿技术列入示范，并鼓励利用废弃矿坑储能等试点示范，鼓励推动多时间尺度新型储能技术试点示范。对于正在向新能源领域加速转型的油气公司而言，油气行业目前正处于特色储能技术攻关储备的“黄金期”。
  目前，锂离子电池几乎占据了风光发电配套储能的垄断地位。近五年来，在消费数码行业、新能源汽车行业的推动下，锂离子电池能量密度提高了1倍以上、循环寿命提高了2至3倍、应用成本下降超过60%，成为成本最低的储能手段。据专家预计，通过进一步提升电池循环寿命、能量效率等技术参数，到“十四五”末，储能的度电成本有望降至0.1—0.2元。然而，锂离子电池仍面临安全性问题，尤其是储能电站规模达到100兆瓦级后，亟须进一步通过电池材料体系的优化，智能监测与控制、标准体系完善等渠道提高其安全性。
  目前来看，对于油气田矿区部署大规模储能配套大型风光电站而言，锂离子电池仍是相对成熟的储能技术，短期内将发挥重要作用。但长期来看，受限于锂金属矿产资源限制、安全性瓶颈等制约因素，锂离子电池很难满足油气行业储能爆发式增长的需要。对于油气装备电气化储能配套而言，锂离子电池以其高质量能量密度、高体积能量密度，将长期作为分布式储能的最优选择。油气公司具有电池隔膜、碳材料等关键材料制备原料与技术优势，同时在气田水中有卤水锂资源优势，可为锂电行业提供高附加值原材料。
  液流电池通过电解液内离子的价态变化实现电能存储和释放，相对于锂离子电池而言，属于本质安全的储电技术，具有功率和容量可独立设计、安全性高、寿命长、规模大等优点，但其能量密度低、成本高，更适用于油气田大中型4—10个小时的储能场景。我国全钒液流电池研究总体处于国际领先水平，正在开展100兆瓦级电化学储能国家示范，铁铬液流、锌溴液流等电池技术处于小规模示范应用阶段，系统成本、稳定性成为制约其推广应用的关键因素。油气公司装备制造企业、炼化企业在液流电池装备开发、管路设计、流体控制、膜材料研发与生产等环节具有相关技术积累，可以通过自主研发攻关液流电池技术，推动液流电池商业化进程。
  压缩空气储能以压缩空气的方式储存能量，包括补燃式和非补燃式，具有容量大、寿命长、安全性高等优点，可以应用于削峰填谷、平衡负荷、频率调制、分布式储能和发电备用等，是极具发展潜力的长时大规模储能技术。现阶段压缩空气储能仍面临地上储罐成本高、地下空间分布受地域限制、系统效率低等问题。发展传统压缩空气储能，需依赖储气洞穴、天然气等化石燃料，对于电力、盐矿行业相关企业来说存在发展瓶颈，而油气公司拥有丰富的地下空间资源，成熟的储气库设计与建设技术，成熟的钻完井工程技术以及完善的气体压缩机、燃气发电机装备开发技术，发展压缩空气储能具有得天独厚的优势。
  热储能以储热材料为媒介，将太阳能光热、地热、工业余热、低品位废热等热能储存起来，可用于清洁供热、火电调峰、清洁能源消纳等领域。主要储热方式包括显热储热、潜热储热（相变储热）、热化学反应储热三种，其中显热储热较为成熟。高性能廉价的蓄热材料开发，储热体系的灵活、高效、合理化设计及开发是热储能领域的主要研究方向。油气行业在地热开发、稠油开采、管道伴热、炼油化工等领域有较大的热储能需求，同时具备装备开发与实践能力，因此具有发展热储能的显著优势。
  氢储能作为一种化学储能技术，具有电—氢、氢—电转换的灵活性，既涵盖大规模长时储电，也包括储氢及其衍生物（如氨、甲醇）。氢储能具有能量密度高、运维成本低、过程无污染、长时间存储等诸多优点，适用于大规模储能和长周期能量调节。未来，氢能将与电能耦合互补，共同成为我国终端能源体系的重要消费主体。但目前氢储能在系统成本、关键材料和核心部件可靠性、电氢耦合运行控制、燃料电池发电等多个环节仍存在可靠性和耐久性与国外产品差距大等问题，亟待进一步研究突破。油气公司在制氢、储氢、运氢、用氢等领域具有关键材料、核心工艺、装备系统等各方面的长期经验与技术积累，具备发展氢储能的核心优势。
  国际石油公司加快推进储能布局
  近年来，储能“风口”已吸引众多石油公司的目光，不少国际油气巨头看准时机加大收并购力度，积极通过合作合资来扩大应用覆盖、扩展海外业务，加紧全球储能市场布局。例如，壳牌2019年收购了制造锂离子电池的德国储能公司Sonnen，支撑其风光发电业务；2021年收购了美国大型地面太阳能电站和储能开发商Savion公司。bp在2018年和特斯拉能源业务部门合作完成美国风电场储能项目，同时其合资企业Lightsource?BP已成为全球大型太阳能与储能项目开发和管理的领导者。道达尔能源也在谋划电力储能领域，2017年收购了电池开发制造商Saft公司；2019年与中国天能集团成立合资公司强化锂电池的生产和销售；2020年启动法国最大锂离子电池储能项目；2022年收购美国第五大可再生能源公司Clearway?Energy?Group?50%的股份，在美国可再生能源和储能市场确立了重要地位。雪佛龙投资了液态有机氢载体公司Hydrogenious和废物制氢公司Raven?SR?Inc，并将收购三菱电力在犹他州的绿色氢气中心ACES?Delta?LLC公司。
  在“双碳”目标和全球能源转型背景下，我国石油公司应当充分利用自身资源优势与技术基础条件，适当借鉴国际石油公司转型实践经验，加快储能产业布局。应根据应用场景分类、储能技术类型的适用性、技术需求的紧迫性等关键因素，梳理储能技术发展路径，兼顾多种新型储能技术路线，突破技术瓶颈，解决实际问题，开发具有自主知识产权的储能装备。主要建议如下：对适用于清洁替代的成熟锂离子电池、先进钠离子电池等技术，建议采用收并购或合资开发模式，快速获得产品并推广应用；对独占发展优势的储能技术，如基于化工原料的锂电材料开发、压缩空气储能、热储能、氢储能等，加强自主研发攻关，形成特色储能装备，尽快完成示范应用；超前开发并储备高安全、低成本、环境友好的大规模长时储能技术，承担起未来可再生能源时代的能源安全保障责任。
  除技术优选与发展规划外，石油公司应加强油气行业储能技术与产品的标准制定、运行监管等体制机制建设。目前，电力储能技术标准体系已初步建立，但针对油气田使用储能装备安全方面的技术标准亟须建立。可借鉴芯片行业通过专门的“封测”企业保证芯片生产质量安全的经验，设立专门的储能安全检测认证部门，执行基于安全标准的认证机制，提高油气田行业储能装备准入门槛和产品质量。
  我国石油企业进入储能市场仍需寻找好突破口，在立足自身优势开展研发的同时，借助外部优质资源，开发适用于油气行业的特色储能技术与装备，建立健全使用规范、行业标准、监管体系，重视安全性与可持续发展，充分利用油区光伏、风电、地热等可再生能源，加快储能配套新能源产业布局，完成油田生产用能的清洁替代，推动低碳转型发展，助力国家实现“双碳”目标。（王晓琦熊俐慧中国石油勘探开发研究院）