2021年10月10日,央视财经频道(CCTV2)发布了一个消息,称德国将在明年关停境内最后3座核电站,全面弃核。计划2038年前关闭全部火电站,2050年前将放弃使用天然气。
德国在几年前就提出了雄心勃勃的北海风电计划和撒哈拉太阳能计划,如果上述两个计划成功了,德国将不再依赖化石能源,转而全面使用清洁能源。其实,太阳能电池板仅仅在使用时不排放任何温室气体和污染,但是生产太阳能电池板的过程需要耗费能源,并产生污染。
本文不打算对这个问题进行展开。我们知道,太阳能和风能是具有间歇性的,也就是说,有风有太阳的时候风机和太阳能电站才能产生能源。而一旦日落风停,能源也就没了。因此,我们必须配上储能设施。有很多人总说:现在我们的电池技术发展很快,用电池储能就行了。本文就想简单计算一下,用电池储能够不够用。
我们以中国为例来进行分析吧。中国是世界上最大的动力电池生产国,2016-2021年的动力电池产量见下图。
既然做简单分析,我们采用如下假设: 1. 电池寿命为20年,且容量不会衰减; 2. 电池的产量按照2016-2019年的增长速度,始终保持线性增长; 上述两个假设对于电池来说是非常有利的强假设。事实上,电池的寿命一般不会超过20年,且使用过程中很容易衰减。而电池的产量也受到各种因素的限制,很难始终保持初期的良好发展势头。不过,我们姑且这样假设,为电池的生产和使用创造最良好的条件。
接下来看电力市场对于电池的需求。我国2020年全国全社会用电量为75110亿千瓦时,平均每天用电大约205亿千瓦时。如果把单位转换为GWh,那就是20500GWh。假设为了用电安全,电池需要储存1天的电能。我们姑且不考虑由于季节的变化导致的用电需求的变化。因此,电池需要能够储存20500GWh的电能。
以下做几个简单的案例分析。
案例1. 假设全国用电量不再增加,且所有的动力电池全部都用在储能上
到2050年,动力电池能够满足47%的储能需求。
到2080年,动力电池刚好能够满足100%的储能需求。
案例2. 在案例1的基础上,电力占比有所提高
目前,我国电力只占能源需求的25%。在未来,由于碳中和的要求,原来化石能源需求被电力替代。我们谨慎假设电力需求占能源需求的75%,且能源需求始终保持不变,为2020年的能源需求。此时,电池需要储存61500GWh的能量。
到2050年,动力电池只能满足约16%的储能需求。
即使是100年之后,到2120年,动力电池也只能满足57%的储能需求。
案例3. 在案例2的基础上,考虑极端气候的影响
上述的案例计算均假设电池能够储存1天的用电量。然而,偶尔出现的极端天气下人们可能更需要用电。比如长时间的阴雨,此时太阳能发电就失去了作用。假设为了抵御极端天气,动力电池需要满足一周的需求。
到2050年,动力电池只能满足约2%的储能需求。
到2120年,动力电池只能满足约8%的储能需求。
上述的简单分析就可以看出,动力电池用于储存间歇式能源的策略是无法满足社会需求的。在案例3中,2050年动力电池能够满足的需求约2%,聊胜于无。可以说几乎起不到什么作用。更重要的是,在上述的案例分析中我们甚至都没有考虑用电的增长。要知道,2020年美国人均用电量是中国的近6倍!如果我们考虑到未来中国人民生活水平提高带来的用电需求的增长,动力电池能够满足的储能需求将会变得更加微不足道。
综上,德国人也许有德国人自己的算盘。但是对于中国来说,完全依靠间歇式能源加动力电池储能的方法来满足能源需求,在没有出现技术革命的情况下,我认为在技术上是不可行的。