袁晓冬:储能要发展，需要更加开放的态度和技术

 

8月25-26日首届全国用户侧储能细分市场开发与应用高层研讨会在江苏无锡太湖饭店召开。会议由江苏省电机工程学会、国网江苏省电力公司电力科学研究院、全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合主办。会议吸引了国内近400位学术、行业专家及企业高层代表参会。国网江苏省电力公司电力科学研究院电网技术中心副主任袁晓冬在本次会议上,就“和储能相关的那些第一性原理”发表演讲。

 

 

演讲全文如下：

 

袁晓冬：今天我演讲的题目是《和储能相关的那些第一性原理》。我们先看一下到底什么是第一性原理。

 

要解释这个事情我想先从一个故事来讲大家会更容易理解，就是飞行的故事。我们人类在一开始很早的时候看到鸟能够自由飞翔，人类就产生了要去探索飞行这样的目标，但是最早我们看到鸟都是通过翅膀扑扇的方式在飞，所以我们当时做了很多这样的模型去尝试飞行。但是我们也知道这个模型最后是没有任何结果，而这一类人最早我们就被定义为鸟飞派。根据鸟怎么飞然后去研究人怎么飞，这是在这一块尝试的失败。后来我们把这个事情又往前推，我们看到鸟之所以能飞行的一个原因是因为空气动力学，翅膀在扑扇的过程当中提供了两个力，一个是利用了空气的浮力，利用了鸟在振动的时候产生的推力，人要飞行的话把这两个力分开解决就行了，浮力是最重要的。由于掌握了空气动力学之后，我们再往后的研究大家知道，后来我们发明了飞机，我们所有的飞行后面都是基于飞机来的。而飞机的翅膀和鸟的翅膀是不一样的，但是飞机也能飞，这就是我们把原理往前推了之后得到的结果，跟我一开始像鸟飞派这样的研究结果是不一样的。再往后看人类要想飞得更高、探索更广阔的天地，我们发现空气动力学也不一定够，因为可能在大气之上没有空气。再往前归因，我们发现这个要归到万有引力上，再往后我们研究了火箭，这完全是靠克服万有引力完成的飞行。所谓的第一性原理本身就是用演绎的方法去把事情往前推，然求找到问题最开始的元起点，然后从这个元起点开始再往后做相应的研究，通过这个研究得到相应的结论，这个结论从数学上来讲应该是更完备空间选型。这就是第一性原理本身的应用。

 

第一性原理从人类所有知识领域应用已经是非常广泛和普遍的，只是大家平时局限在电力系统、储能行业对这个东西理解没有那么深，其实许多人类取得的成果精华，都是从这些第一性原理开始的。

 

因为储能最终目标是用在电力系统当中，所以我今天第一个要探讨一下电力系统当中第一性原理是什么。我想在座各位应该对这个结果80%的人都能猜到，电力系统的第一性原理就是平衡。

 

我们看一下电力系统的平衡到底是怎么回事，我们电力系统始终处在发电和用电平衡的状态当中，在这张图上我们看到，中间这个电如果是交流系统的话会是50赫兹，如果是推广到更广可能是直流系统的话，没有频率的事情，所以我把频率的点拿掉了。我们看电力系统的平衡把这个问题拆开来看的话，其实是一个在时间维度上相对来说几件事情的平衡，这里面包括了瞬时平衡、短时平衡和时段平衡。瞬时平衡如果最简单来看无非是两个，一个是电压的平衡、一个是频率的平衡，然后转到电力系统问题的话可能包括频率稳定、电压稳定和电能质量，在毫秒级和秒级实现瞬时平衡，所有的事情其实都是归在瞬时平衡当中。第二类是短时平衡，从秒级到分钟级再往上，这个级别平衡在电力系统当中比较容易理解，像我们的旋转备用，如果是系统发生短时间的缺额之后历史能调出来的这部分内容就是短时平衡。还有时段平衡，我这边列的不是非常平衡但基本上应该是小时级再往上到天、周或者到月的平衡叫时段平衡，这是时间层面上。

 

另外还有空间平衡维度。实际上还有一个角度比如说居民家庭层面的平衡、楼宇层面平衡、微电层面的平衡到大电网层面的平衡。我们所谓储能任何一个应用其实都是在原来电力系统的时空任何一个平衡点上，一旦加进了储能应用我就是把这个平衡点变成了一个平衡的区域，因为储能有时间和空间的调节能力，其实我这个模型最后就认为所有的储能应用都是在我原来的二维空间上任何一个焦点去找。我们做任何一件事情都会有一个代价，我们看一下如果从平衡的角度来讲，这几条结论应该是能够成立的，一个是储能在电网中应用都是基于时空平衡需求。第二个就是储能参与以后，原来电力系统平衡的问题变成由点平衡的问题转成面平衡的问题，这个面我到底是选储能的方案还是电力系统其他解决的方案完全取决于在这个点上，每个点都有一个代价，我在能够构成的面上对应整个代价整合是高还是低，如果更低的话这个就是推广前景应用。

 

这个应用也是有一些使用场景的，比如说环保家庭，这是特斯拉提出的新能源加储能整体解决方案。我们看一下在这个解决方案里面，其实是考虑到了Home级别的平衡，从空间上来讲的话是千瓦级的平衡。如果从时间上来讲家庭要用储能和分布式能源做一个平衡的话，可能考虑从秒级一直到天甚至到周的平衡，因为这个考虑是认为电动车和储能这些设备都可以在家里面提供能源，所以这种模型其实就是在我们的时空平衡上的结果。

 

我们看另外一个，江苏这两年正在大力开展的三大重点工程援助和互动，其实我们也比较容易理解是在小时间尺度上追求有效平衡，平衡是在空间上是广域空间。比如说江苏省或者苏南要实现平衡，这个问题电网实现代价是比较高的，所以我们也是创新举措利用了可控负荷，里面包含了一部分的可控储能，用更低的代价实现了电网原来比较难实现的事情。

 

在电力系统的第一性原理总结来看，储能应用模式和价值本质上就是取决于是否能够以更经济的方式促进电力系统平衡。电力系统再往外延看一下其实也是属于物理学当中的分支，抛开爱因斯坦的物理学之外，经典的物理学也有第一性原理。依从这个再推一下储能应用上还有没有什么大家可以发现的其他东西。经典物理学第一性原理其实是原子论，就是牛顿的体系，所有的东西都可分割然后可以通过经典物理模型做推导、叠加。特斯拉的马斯克对这个理论研究得是非常透彻的，他现在做的事情都是通过这个理论支撑的。特斯拉还做了对储能价格的评估和最终把储能价格做下来的事情，其实也充分利用了第一性原理。不知道在座各位有没有很了解特斯拉现在能把储能价格做到多少。国内看了很多调研报告和数据，我们认为储能价格还是偏高，我们来看一下现在他们把储能价格做到多少。他们的问题这么分析，他认为储能无非从原子论角度来讲拆开来就是碳、镍、铝、钢以及分离的高分子，如果在伦敦交易所购买的话只需要82美元，这里面的差无非是技术壁垒和人类工作当中造成额外附加成本导致价格偏高。最新公布的成本做到了125美元每千瓦时，这个价格远低于大家平时分析的储能价格，而且这是前不久刚刚公布的数字，所以我们相信其实储能在成本上往下走空间还是非常大的，至少已经有人走到了前面。

 

我们看一下基于现在讲到的经典物理学原子论的第一性原理，我们怎么样理解跟我们储能最相关的，也就是大家讨论得最多的光加储的模式未来有没有推广前景。

 

这个模式最近美国的洛矶山研究所也是做了相应的研究报告，里面的结论也不是特别清晰，分了两条线推出了两个可能的走向，我只是通过第一性原理分析一下。我们可以看到光伏和储能这两样东西如果加在一起，现在有哪些问题我们还是猜不透的。一个是大家会觉得光伏总量够不够支撑能源需求，另外是光伏转化效率太低，有没有可能提升。另外还是觉得虽然降了这么多但还是贵，因为光本身我们知道是零边际成本的能源，如果组件和建设成本足够低的话，那这个能源是有更大的竞争性可以替代传统的能源，这里便不便宜非常关键。还有就是储能，大规模出储能有没有可能性，这里面也提了两个相反，一个是C2G的潜力到底有多大还有我们看一下有哪些储能是能够进一步发展的。

 

首先我们看一下光资源总量，其实有些数字大家不知道有没有关注过，整个太阳照到地面上单位面积的光能量是1366瓦每平方米，这个量是什么概念？大家可能没数。我们再来看一下，江苏电网现在是全国负荷密度最大、电网规模最大的省级电网，江苏是10.72万平方公里，2017年我们的最高负荷是1.02亿千瓦。如果按这个值来算落到江苏地面上的量密度需求大概每平方米是小于一瓦的。太阳光照下来的能量是1366瓦，这里面有一个巨大差距。当然这是一个推问，因为有大量面积我们是不能用的，但是不是真的不能用也值得商榷。还有就是麦当劳如果开店店铺单位面积能量需求是80瓦每平方米，如果我们想麦当劳顶层铺光伏，按现在光层转化效率是20%来看，可能铺两三层就能够满足整个能量需求，这是可以平衡的。还有就是太阳能转化效率现在在20%，这个点上相对是极限值，这个点没有可能突破。

 

我们再来看一下在光伏领域比较新的技术。这是2017年麻省理工大学全球十大突破技术之一，就是对太阳能光伏转化效率提升的技术。我们知道原来光伏发电原理是通过光生伏特效应，但是在整个太阳能量照到光伏板上的所有能量中来看，以硅为例能系是1.1个伏特，还有一部分能量是紫外。因为能量太高一下子能把电打上两个价位。原来所有光伏现在利用的部分是黄蓝光和一部分红外线的光，这部分能量理论极限是32%。现在新的光伏技术在原来光伏之上加了一个纳米管吸收器具，再加一层热辐射器，把太阳能光线吸收进来，里面做一个频谱调制，全部调成能吸收的光。下面那张图是调制的结果，能把光谱调到光伏完全吸收的角度。最下面那层还是原来的光伏板，光伏板上加了一层纳米板之后，效率至少能够提升一倍。这样的技术实验室预估是在2030年能过大规模的推广应用，成熟度和研究的效果非常好。如果这样，麦当劳如果是三层现在可以建到六层，这样光的能量能被利用的可能性就会更大。

 

再看一下光伏成本，这个是BT2017年对光伏成本预测，也是预计到2030年的时候光伏成本将会降到3美分每千瓦时，还要进一步降低。现在其实有更多技术在光伏、光伏板成本上做探索。我们再推算一下V2G的潜力，大家都知道自己的电动车里面有一个电池。我们现在统计下来车子90%的时间是闲置的，所以有90%的时间是可以跟电网做互动，这是一个前提。第二个我们来看一下整个电动车的电池寿命，因为大家会担心电池跟电网做交互会不会影响车子使用寿命，这个问题其实我觉得也不需要去担心。我们可以看一下现在的锂电池车子按续航历程是400公里，现在能买到可能还有更高的。电池循环寿命如果按2030年算4400我觉得是不为该的，因为现在还有一些技术推到14000甚至15400再往上，4400现在能看到也有部分技术出来。我的电池至少有3500次的循环寿命是闲置的，如果有3500次循环寿命是闲置的话，这部分的储能如果不跟电网做互动大家会不会觉得太可惜了？

 

我在2030年的时候电动车会有多少辆？根据中国汽车工程协会节能和新能源汽车发展路线图预计，中国在2030年的时候电动车会八千万辆，我们按80度电一个来算，现在特斯拉车是做85度，再算95%的限制率，有五十七亿度的电是可以拿出来的。2030年日均上网电量大概是在240亿度，储能比例如果和电能比例达到57和240，相当于一比四的比例，在这个比例下面任何一个有能力做微网的企业都有可能把这个事情做到平衡。

 

还有就是其他储能，我们看看还有哪些储能没有算在里面。当然用户侧的储能墙是一类，还有就是移动基站，我们国内有一千万个基站，里面有4.8亿度的电是闲置的，基站每年的使用次数非常低，只用到2-3次，而且3-5年要换一次电池。这样的资源用起来能很大补充储能有效能量，所以我们可以看到整个新能源加储能的应用模式会有很多的可能性。

 

这是江苏扬州宝应县的一个光伏领跑者项目，可以看到这个地区其实已经完全能够实现整个能量的平衡。它的储能本地负荷大概在400兆瓦，而光伏是在2000兆瓦，本地的年电量需求大概是在1000GWh，而光伏发的电量按江苏四类地区能量算是2000GWh的电量。这个平衡就更容易做了，而且还有更多的电量和富余可以支持周边地区的能量平衡。

 

再总结一下我们在整个经典物理学里面从原子论来推得出的结果。未来实现100%可再生能源供电，需要与之配套的储能资源并不匮乏，但是现在缺少什么？我想把这个问题进一步再往外推到科学角度。科学的第一性原理是什么？我想大家可能会觉得这个问题很奇怪。这个问题不是我先提出来的，更早一些时候我在爱因斯坦传上看过一个故事，爱因斯坦很早就回答了这个问题。当时有一个年轻的科学家去拜访爱因斯，年轻人就问爱因斯坦科学最本质的原理是什么？爱因斯坦回答年轻人，你说的这是一个很好的问题，但是我没有考虑过，你能容我想一想吗？爱因斯坦就坐在他的小摇椅上点了一根烟，然后他就闭上眼睛在那想。过了十分钟，爱因斯坦突然眼睛一睁，跟年轻人说我知道这个答案了，科学最本质的问题是取决于我们整个宇宙、我们社会，就是我们研究的对象，我们认为它是一个善良的还是邪恶的。那个年轻人听了之后就觉得很诧异，“爱因斯坦先生，您说的难道不是一个伦理学的问题吗？”爱因斯坦回答：“我说的是一个科学问题。因为如果我们所有的科学家认为我们这个世界是非常善良的，那我们所有科学家的研究都会去做一些促进世界连接的工作，就会去做一些交互的工具、就会做一些促进连接工具、就会做一些促进我们更高提升效率的工具。而如果所有科学家认为我们世界不是开放的，那所有科学家都会去研究研究，比如说我去研究墙壁、我去研究武器。整个世界就会变成另外一个样子。”年轻人听到这个答案之后也是若有所思，回去以后他就成了第一代研究互联网的几个科学家之一，这是当时在《爱因斯坦传》上面我觉得是比较打动我的一个故事。可以看到科学的第一性原理我们认为就是开放，科学本身是要促进更加开放和融合，这样的话整个所有技术推进才能走向下一步。

 

我们看一下江苏是怎么做这个布局的。这是输电侧、电网侧和用户侧的一部分元素，我们在用户侧储能这块开展了两个实践，一个是储能的互动平台，第二个是储能云。我们先看储能集成互动平台，它其实是基础一于大型工业储能用户端的大型储能，我们把这些储能电站通过储能的集群SCADA系统全部汇集起来跟电网做互动，把它作为电网调度的一部分，这就是项目的思路。整个示范工程在江苏接入不同地区配网侧、用户侧不同的储能系统大概布局10个点左右，整个容量不低于80兆瓦，让这些储能集中起来跟电网做交互和互动。这是SCADA展开的结构，里面牵扯到了营销系统和原来做互动的系统，在这里面做了一些集成。在这里面储能参与调峰模式主要是几类，一个是毫秒级的响应。主要是调度实施控制指令实现一些应急控制，包括频率电压调节。第二个是运行优化。这是秒级优化，主要是做超短需求侧和稳态需求的控制指令，开展新能源接入和电能优化的工作。还有是分钟级、小时级移峰的事情，主要是基于需求响应进行削峰。最后一块是在构想当中，这是我们对整个大型用户性储能的构思和布局。

 

在这里，我们的实时监控和预测系统对支持AGC类应用、平滑出力类应用、消峰填谷类应用和跟踪计划类应用都有基本的控制策略。这个控制策略不是很复杂，重点是把用户侧储能全部汇集起来，把它的价值提升，让它跟电网做嫁接。在开放程度上，我觉得技术上江苏公司已经往前走了一步，但是相应还有一些配套的政策、价格我们如果做小的示范可以去做，但是大的话，还是要有更高层面比如像储能学会的推动，国家层面去出相应政策，这些事情才能做得更好。

 

第二个应用是今年开始布局的储能云应用。储能云整个构思是把分布式储能通过即插即用方式，包括了居民侧的储能墙、V2G还有一些更小型工商业里面的储能，通过即插即用装置通过公网传输之后进入储能云平台，后端通过手机端和简单的控制系统对整个更小的云储能资源进行相应控制。我们会在苏州做100户居民的示范，这100户示范预计是在今年年内要去完成。这里核心的部分就是通过即插即用方式把用户储能收上来。收上来干吗？因为这些储能资源更小，跟前面大一点的储能还不一样，不会做集中性控制，但是我们会用到分布式控制的理念。首先终端和终端之间会有点对点的通讯，另外还有本地协调控制的策略，局部储能云资源之间产生相应互动，这是一个去中心化整体地设计。在这里面如何协同合作达到整体经济效益上的最优同时满足整体的安全因素，这是研究的难点。整个核心算法也就是分布式的优化算法，我们参考了原来在主动配电网里面分布式自律调节的控制算法，包括敏捷性、可靠性、即插即用和信息安全。这是我们的关键设备，可以看到中间灰色那一块是设备的核心部分，可以跟储能变流器连接，另外上端跟储能云系统连接，相当于是在原来储能接并网过程当中额外加进了这样的即插即用装置，让整个储能变得能够被系统识别，未来他们之间能够产生更多互动的可能性。大家也知道，这个东装在家里如果做一个很复杂的装置肯定不现实，所以我们做装置的时候目标还是让它集成化嵌到原来的目标当中去，或者做一个家里面小的路由器级别的东西，让用户不讨厌能够进入到家庭，这是难点。包括认证加密、就地能量管理和模式设定，这是即插即用的功能。左边是内部结构框图，右边这个结构是单独做一个小的模块出来跟储能连接。现在我们在苏州示范的大概都是一些比较小的三千瓦和七千瓦两种搭配，在云平台实现以后是这样的结构，前端是数据、后端是应用、中间是云，这是我们平台现在的一些设计界面、这是APP端的页面，在智能控制终端就是手机端可以实现人工控制，还有智能控制就是自动去优选控制。

 

最后对我的介绍做一个总结。第一个第一性原理可以看到平衡，首先是选择储能应用的基础，第二个原理我们可以看到通过原子论的模型把所有事情重新算一遍，然后发现光伏加储能的模式是可以满足电力的需求。第三个我们看到用户侧储能需要更加开放的态度和更加开放的技术来赋能。现在技术方面我们正在探索，我们也是希望能够通过大家的努力在其他方面做到更加开放，实现未来用户侧储能的效益更好提升。