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電池和氫氣在未來清潔能源系統(tǒng)中的作用是什么？德國TEAM CONSULT公司的顧問Matthias Simolka審視了電池儲(chǔ)能和氫氣在當(dāng)下扮演的角色，此外還有大型可再生能源綜合項(xiàng)目和輸電等各個(gè)方面的可能發(fā)展動(dòng)態(tài)。                   

人們需要儲(chǔ)存可再生能源發(fā)電以便隨時(shí)使用及用于移動(dòng)式應(yīng)用。近年來，作為可再生能源發(fā)電的儲(chǔ)存手段，電池和氫氣技術(shù)已成為關(guān)注焦點(diǎn)。這兩種技術(shù)都可以用于固定類應(yīng)用和移動(dòng)類應(yīng)用。但是在市場上，這些技術(shù)是否是競爭對(duì)手？一種技術(shù)是不是比另一種技術(shù)更有優(yōu)勢，從而會(huì)導(dǎo)致競爭力較弱的技術(shù)被取而代之？或者說，它們是互為補(bǔ)充的技術(shù)么？能源系統(tǒng)整合了越來越多的可再生能源，同時(shí)還維持著電網(wǎng)的穩(wěn)定，這兩種技術(shù)是其中的必需元素么？

在下文中，我們分析了德國的現(xiàn)狀并展望了這兩種技術(shù)的未來發(fā)展。

在討論能源系統(tǒng)從化石能源向可再生能源的過渡時(shí)，人們常常會(huì)使用德語 "Energiewende "一詞，甚至在國際場合中也是如此，這表明，德國在全球能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮了先鋒作用。“Energiewende”的核心特征是能源供應(yīng)的低碳化和向可再生能源的轉(zhuǎn)變，迄今為止，這些情況主要出現(xiàn)在電力系統(tǒng)中?？稍偕茉磶淼闹饕魬?zhàn)是發(fā)電量的波動(dòng)，這阻礙了穩(wěn)定的、以需求為導(dǎo)向的能源供應(yīng)。多年來，隨著可再生能源的占比越來越高，電網(wǎng)中的負(fù)荷變化（上網(wǎng)梯度）也越來越大（見圖1）。


股市小心翼翼的關(guān)注著這兩項(xiàng)技術(shù)。自2019年年中以來，有兩個(gè)特別關(guān)注電動(dòng)汽車的指數(shù)，一個(gè)針對(duì)電池，一個(gè)針對(duì)氫氣技術(shù)。自那時(shí)以來，這兩個(gè)指數(shù)都呈正向發(fā)展，其中氫指數(shù)的增長明顯超出電池指數(shù)（見圖2）。

德國儲(chǔ)能行業(yè)的現(xiàn)狀如何？

TEAM CONSULT對(duì)德國儲(chǔ)能協(xié)會(huì)BVES的分析顯示，德國儲(chǔ)能供應(yīng)商的收入從2015年的40多億歐元（合47.9億美元）增長到2019年的約55億歐元。家庭、工業(yè)和電網(wǎng)應(yīng)用的電池板塊收入超過了20億歐元，在德國儲(chǔ)能市場中占有相當(dāng)大的份額。氫氣技術(shù)制造商的2019年總收入約為1.2億歐元，目前遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于電池板塊。但是，由于德國氫產(chǎn)能的預(yù)期增長，他們的收入有望在未來幾年大幅提升。

電池和氫氣技術(shù)的工作原理

電池的工作原理與氫氣技術(shù)（即燃料電池和電解器）的工作原理相似。電池和氫氣技術(shù)都是把通過化學(xué)方法儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化為電能，反之亦然。關(guān)于氫氣，我們主要關(guān)注的是用于生產(chǎn)綠色氫氣的電力轉(zhuǎn)化設(shè)施（電解器）和使用氫氣生產(chǎn)電能的燃料電池。

平均而言，在電池充電使用的電力中，80%-90%可在放電過程中被回收。對(duì)于電解器和燃料電池組合來說，在用于制氫的電解器用電中，約40%-50%可作為電能被燃料電池回收。

固定式儲(chǔ)能電池的應(yīng)用和投資成本

不同技術(shù)適合的應(yīng)用是由這些技術(shù)的特性決定的。電池技術(shù)具有快速響應(yīng)能力和高充放電能力（最高可達(dá)100MW以上），因此，電池能夠提供和吸收較大的功率梯度。長時(shí)間大量儲(chǔ)能并不是電池的強(qiáng)項(xiàng)，這就是大型電池主要用于一次控制能源市場，也就是所謂的調(diào)頻控制儲(chǔ)備（FCR）市場的原因——這些電池需要在30秒內(nèi)被激活，可運(yùn)行15分鐘。它們代表的是對(duì)電網(wǎng)不平衡性的短期反應(yīng)，而不是提供二次或三次能源控制功能。這些能源控制產(chǎn)品需要5分鐘和15分鐘才能達(dá)到滿功率，可運(yùn)行15分鐘，最長1小時(shí)，它們代表的是對(duì)電網(wǎng)不平衡性的緩慢的、長期的反應(yīng)。

德國的大型電池項(xiàng)目

一次控制能源市場價(jià)格下跌導(dǎo)致大型電池和其他控制能源的供應(yīng)商面臨著經(jīng)濟(jì)困境。除了提供一次控制能源外，固定式電池還有其他各種應(yīng)用，這些措施包括用戶的削峰填谷以降低并網(wǎng)所需容量。電池還被進(jìn)一步用于將用戶從電網(wǎng)取電的時(shí)間轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)非高峰時(shí)段，也就是“非典型電網(wǎng)利用方式”，德國以電網(wǎng)費(fèi)用折扣的形式對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。 此外，電池還被用作緩沖器以提升電動(dòng)汽車充電站的功率，這極大加速了充電流程，而不需要為延伸當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)付出成本。通常，人們通過不同應(yīng)用的組合（所謂的“多用途應(yīng)用”）來實(shí)現(xiàn)大型電池的盈利運(yùn)行，由于現(xiàn)有應(yīng)用的多樣性，這種方式是可行的。

由于技術(shù)改進(jìn)和規(guī)模生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，電池片價(jià)格有所下降，大型電池的資本支出幾乎減少了一半，從2014年的135萬歐元/MW下降到2018年和2019年的約70萬歐元/MW。

目前，德國用于為公共電網(wǎng)供電的在運(yùn)大型電池總裝機(jī)容量為551MW。德國最大的電池由位于勃蘭登堡的LEAG公司運(yùn)行，裝機(jī)容量為66MWh，功率為53MWh。這一電池被用于FCR市場和可再生能源整合中。德國大型電池市場規(guī)模最大的擴(kuò)張出現(xiàn)在2018年，新增裝機(jī)總量為181MW。初步數(shù)據(jù)顯示，2020年，擴(kuò)張產(chǎn)能將降至約81MW。



目前，在德國的在運(yùn)項(xiàng)目和已公布項(xiàng)目中，固定式氫氣技術(shù)的應(yīng)用主要集中在燃料、原料以及注入現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡(luò)等方面。將熱損耗用于其他工業(yè)流程、住宅供暖以及利用氫氣發(fā)電是這些項(xiàng)目更為深入的、重復(fù)性的應(yīng)用。

這些固定式項(xiàng)目將能源轉(zhuǎn)化為不同形式，可長期儲(chǔ)存在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施中。未來，這些技術(shù)可以用來生產(chǎn)氫氣，之后用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)流程和移動(dòng)領(lǐng)域的低碳化發(fā)展。利用氫氣發(fā)電/生熱的燃料電池主要用于分散的、熱電聯(lián)產(chǎn)固定式應(yīng)用的供熱/供電（例如在工業(yè)領(lǐng)域），并會(huì)越來越多的取代備用供電系統(tǒng)中的柴油發(fā)電機(jī)。

德國的固定式氫氣技術(shù)設(shè)施

截至2019年年底，德國大約有30MW的固定氫技術(shù)設(shè)備在運(yùn)行。根據(jù)德國政府2020年6月公布的國家氫能戰(zhàn)略，預(yù)計(jì)未來幾年，裝機(jī)容量將出現(xiàn)陡增；至2030年，達(dá)到5GW。

當(dāng)前項(xiàng)目的資本支出為每兆瓦80-200萬歐元（電解器容量），成本取決于電解器的技術(shù)類型；由于部署的機(jī)組數(shù)量較少，因而資本支出的范圍仍然相當(dāng)廣泛。預(yù)計(jì)未來幾年，隨著裝機(jī)容量的增加，資本支出將出現(xiàn)下降。

移動(dòng)領(lǐng)域成為越來越重要的儲(chǔ)能應(yīng)用場景

在移動(dòng)領(lǐng)域，電池的普及程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過燃料電池。2019年年初，德國注冊(cè)的電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車共計(jì)超過83000輛。自2015年以來，這類汽車的數(shù)量增加了四倍多。登記在冊(cè)的電池驅(qū)動(dòng)卡車超過了17000輛。幾乎所有注冊(cè)的電動(dòng)卡車的載重量都不到兩噸，因此屬于小型卡車范疇。

相比之下，截至2019年，德國注冊(cè)的燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）有507輛。雖然人們認(rèn)為燃料電池技術(shù)本身已具備了量產(chǎn)條件，但燃料電池卡車目前還沒有做好量產(chǎn)準(zhǔn)備。預(yù)計(jì)燃料電池卡車和巴士將在未來幾年進(jìn)入市場。在這一市場領(lǐng)域，燃料電池片具有巨大潛力，尤其是鑒于柴油卡車和燃料電池片卡車的總持有成本會(huì)在2030年趨于一致的預(yù)期。（來源：Roland Berger (2020)——巴登-符騰堡州燃料電池片產(chǎn)業(yè)潛力) 有資料顯示，至2030年，歐洲將有45000輛燃料電池片卡車投入使用（資料來源：Deloitte & Ballard (2020)——推動(dòng)交通的未來)

對(duì)于乘用車來說，電池電動(dòng)車每百公里覆蓋距離能耗從11kWh到23kWh不等，大型和重型（長距離）車輛的能耗往往高于小型和輕型車輛。通常情況下，F(xiàn)CEV百公里需要1.0kg-1.2kg氫氣，換算成每百公里覆蓋距離能耗為33kWh-41kWh。


電動(dòng)交通的基礎(chǔ)設(shè)施情況如何？

根據(jù)聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)局的清單，截至2019年，德國約有26500個(gè)可公開使用的注冊(cè)充電點(diǎn)。相比之下，可公開使用的氫氣加油站共計(jì)87個(gè)。

與同樣數(shù)量的FCEV所需的氫燃料站相比，電動(dòng)汽車所需的充電站數(shù)量更多。其中的主要原因是，與FCEV相比，電動(dòng)汽車的充電流程更長。盡管如此，電動(dòng)汽車的充電基礎(chǔ)設(shè)施還是超過了FCEV的燃料基礎(chǔ)設(shè)施，但是，差距比顯示的絕對(duì)數(shù)要小。與電動(dòng)汽車基礎(chǔ)設(shè)施相比，目前內(nèi)燃機(jī)車輛的汽油或柴油加油站有14000多個(gè)，其中360個(gè)加油站位于高速公路上，這對(duì)于重型運(yùn)輸尤為重要。

結(jié)論：是互補(bǔ)技術(shù)而非競爭對(duì)手

總之，每種技術(shù)都有其特定優(yōu)勢，必須根據(jù)各自應(yīng)用的要求以及這些技術(shù)的特性逐一決定使用哪種技術(shù)。

在移動(dòng)領(lǐng)域，目前電池儲(chǔ)能系統(tǒng)仍然具有成本優(yōu)勢，而且使用更為普遍。氫氣技術(shù)的效率明顯低于電池效率。由于重載運(yùn)輸需要長距離行駛，從長遠(yuǎn)來看，燃料電池在這一領(lǐng)域可能會(huì)比電池更具優(yōu)勢。

在固定式應(yīng)用方面，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)是一項(xiàng)成熟的、可以以較低成本參與市場競爭的技術(shù)。氫氣技術(shù)還需要數(shù)年時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。然而，從長遠(yuǎn)來看，氫氣技術(shù)在儲(chǔ)能方面具有很大的潛力，可以為一些不同的領(lǐng)域供電，同時(shí)還可以利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施。

因此，電池和氫氣技術(shù)是互補(bǔ)技術(shù)，而不是競爭對(duì)手。在實(shí)現(xiàn)低碳化和高效能源系統(tǒng)的道路上，它們都是必需的。

長期以來，電池在各個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用并在不斷征服新領(lǐng)域。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，電池技術(shù)的局限性顯而易見，例如，電池驅(qū)動(dòng)車輛所需的充電時(shí)間長，固定式應(yīng)用的儲(chǔ)能容量有限等。這些因素或是電動(dòng)汽車電池指數(shù)在資本市場上的表現(xiàn)不如電動(dòng)汽車氫氣指數(shù)的原因。展望未來，氫氣技術(shù)具備了解鎖能源密集型應(yīng)用領(lǐng)域的更大潛力，這些領(lǐng)域目前還沒有脫碳解決方案。這種前景反映在氫指數(shù)的較好表現(xiàn)上，未來會(huì)告訴人們，氫氣技術(shù)能在多大程度上滿足這些期望。

原標(biāo)題：德國電池和氫氣：現(xiàn)代能源系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分比較