德国电池和氢气：现代能源系统的关键组成部分比较

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作者：全国能源信息平台
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电池和氢气在未来清洁能源系统中的作用是什么？德国TEAM CONSULT公司的顾问Matthias Simolka审视了电池储能和氢气在当下扮演的角色，此外还有大型可再生能源综合项目和输电等各个方面的可能发展动态。

人们需要储存可再生能源发电以便随时使用及用于移动式应用。近年来，作为可再生能源发电的储存手段，电池和氢气技术已成为关注焦点。这两种技术都可以用于固定类应用和移动类应用。

但是在市场上，这些技术是否是竞争对手？一种技术是不是比另一种技术更有优势，从而会导致竞争力较弱的技术被取而代之？或者说，它们是互为补充的技术么？能源系统整合了越来越多的可再生能源，同时还维持着电网的稳定，这两种技术是其中的必需元素么？

在下文中，我们分析了德国的现状并展望了这两种技术的未来发展。

在讨论能源系统从化石能源向可再生能源的过渡时，人们常常会使用德语 "Energiewende "一词，甚至在国际场合中也是如此，这表明，德国在全球能源转型中发挥了先锋作用。

“Energiewende”的核心特征是能源供应的低碳化和向可再生能源的转变，迄今为止，这些情况主要出现在电力系统中。可再生能源带来的主要挑战是发电量的波动，这阻碍了稳定的、以需求为导向的能源供应。多年来，随着可再生能源的占比越来越高，电网中的负荷变化（上网梯度）也越来越大。



图1:三个不同年份中，每小时上网梯度频率vs每小时梯度(单位:GW)

图片来源:TEAM CONSULT–使用了ENTSOE透明度平台和TEAM CONSULT的分析数据

股市小心翼翼的关注着这两项技术。自2019年年中以来，有两个特别关注电动汽车的指数，一个针对电池，一个针对氢气技术。自那时以来，这两个指数都呈正向发展，其中氢指数的增长明显超出电池指数。



图2:股票市场上的电动交通指数比较，氢气vs电池vs纳斯达克

图片来源:TEAM CONSULT，数据整理自www.ariva.de

德国储能行业的现状如何？

TEAM CONSULT对德国储能协会BVES的分析显示，德国储能供应商的收入从2015年的40多亿欧元（合47.9亿美元）增长到2019年的约55亿欧元。家庭、工业和电网应用的电池板块收入超过了20亿欧元，在德国储能市场中占有相当大的份额。氢气技术制造商的2019年总收入约为1.2亿欧元，目前远远落后于电池板块。但是，由于德国氢产能的预期增长，他们的收入有望在未来几年大幅提升。

电池和氢气技术的工作原理

电池的工作原理与氢气技术（即燃料电池和电解器）的工作原理相似。电池和氢气技术都是把通过化学方法储存的能量转化为电能，反之亦然。关于氢气，我们主要关注的是用于生产绿色氢气的电力转化设施（电解器）和使用氢气生产电能的燃料电池。

平均而言，在电池充电使用的电力中，80%-90%可在放电过程中被回收。对于电解器和燃料电池组合来说，在用于制氢的电解器用电中，约40%-50%可作为电能被燃料电池回收。

固定式储能电池的应用和投资成本

不同技术适合的应用是由这些技术的特性决定的。电池技术具有快速响应能力和高充放电能力（最高可达100MW以上），因此，电池能够提供和吸收较大的功率梯度。长时间大量储能并不是电池的强项，这就是大型电池主要用于一次控制能源市场，也就是所谓的调频控制储备（FCR）市场的原因——这些电池需要在30秒内被激活，可运行15分钟。

它们代表的是对电网不平衡性的短期反应，而不是提供二次或三次能源控制功能。这些能源控制产品需要5分钟和15分钟才能达到满功率，可运行15分钟，最长1小时，它们代表的是对电网不平衡性的缓慢的、长期的反应。

德国的大型电池项目

一次控制能源市场价格下跌导致大型电池和其他控制能源的供应商面临着经济困境。除了提供一次控制能源外，固定式电池还有其他各种应用，这些措施包括用户的削峰填谷以降低并网所需容量。电池还被进一步用于将用户从电网取电的时间转移到电网非高峰时段，也就是“非典型电网利用方式”，德国以电网费用折扣的形式对其进行补偿。

此外，电池还被用作缓冲器以提升电动汽车充电站的功率，这极大加速了充电流程，而不需要为延伸当地电网付出成本。通常，人们通过不同应用的组合（所谓的“多用途应用”）来实现大型电池的盈利运行，由于现有应用的多样性，这种方式是可行的。

由于技术改进和规模生产经济效益，电池片价格有所下降，大型电池的资本支出几乎减少了一半，从2014年的135万欧元/MW下降到2018年和2019年的约70万欧元/MW。

目前，德国用于为公共电网供电的在运大型电池总装机容量为551MW。德国最大的电池由位于勃兰登堡的LEAG公司运行，装机容量为66MWh，功率为53MWh。这一电池被用于FCR市场和可再生能源整合中。德国大型电池市场规模最大的扩张出现在2018年，新增装机总量为181MW。初步数据显示，2020年，扩张产能将降至约81MW。

氢气技术的固定式应用

目前，在德国的在运项目和已公布项目中，固定式氢气技术的应用主要集中在燃料、原料以及注入现有天然气网络等方面。将热损耗用于其他工业流程、住宅供暖以及利用氢气发电是这些项目更为深入的、重复性的应用。

这些固定式项目将能源转化为不同形式，可长期储存在现有基础设施中。未来，这些技术可以用来生产氢气，之后用于实现工业流程和移动领域的低碳化发展。利用氢气发电/生热的燃料电池主要用于分散的、热电联产固定式应用的供热/供电（例如在工业领域），并会越来越多的取代备用供电系统中的柴油发电机。

德国的固定式氢气技术设施

截至2019年年底，德国大约有30MW的固定氢技术设备在运行。根据德国政府2020年6月公布的国家氢能战略，预计未来几年，装机容量将出现陡增；至2030年，达到5GW。

当前项目的资本支出为每兆瓦80-200万欧元（电解器容量），成本取决于电解器的技术类型；由于部署的机组数量较少，因而资本支出的范围仍然相当广泛。预计未来几年，随着装机容量的增加，资本支出将出现下降。



图3:迄今为止，德国的大型电池和氢气项目

图片来源:TEAM CONSULT

移动领域成为越来越重要的储能应用场景

在移动领域，电池的普及程度远远超过燃料电池。2019年年初，德国注册的电池驱动电动汽车共计超过83000辆。自2015年以来，这类汽车的数量增加了四倍多。登记在册的电池驱动卡车超过了17000辆。几乎所有注册的电动卡车的载重量都不到两吨，因此属于小型卡车范畴。

相比之下，截至2019年，德国注册的燃料电池电动汽车（FCEV）有507辆。虽然人们认为燃料电池技术本身已具备了量产条件，但燃料电池卡车目前还没有做好量产准备。预计燃料电池卡车和巴士将在未来几年进入市场。

在这一市场领域，燃料电池片具有巨大潜力，尤其是鉴于柴油卡车和燃料电池片卡车的总持有成本会在2030年趋于一致的预期。（来源：Roland Berger (2020)——巴登-符腾堡州燃料电池片产业潜力) 有资料显示，至2030年，欧洲将有45000辆燃料电池片卡车投入使用（资料来源：Deloitte & Ballard (2020)——推动交通的未来)

对于乘用车来说，电池电动车每百公里覆盖距离能耗从11kWh到23kWh不等，大型和重型（长距离）车辆的能耗往往高于小型和轻型车辆。通常情况下，FCEV百公里需要1.0kg-1.2kg氢气，换算成每百公里覆盖距离能耗为33kWh-41kWh。



图4:德国的电动汽车和FCEV。续航里程、能耗、加油时间和注册上路数量比较

图片:TEAM CONSULT，使用了联邦汽车运输局、VDE、ADAC、TEAM CONSULT的数据和分析

图标由thenounproject.com的创作者David、Nikita Kozin、Christian Baptist、Prasad Ghone、Adrian Coqeut制作

电动交通的基础设施情况如何？

根据联邦网络局的清单，截至2019年，德国约有26500个可公开使用的注册充电点。相比之下，可公开使用的氢气加油站共计87个。

与同样数量的FCEV所需的氢燃料站相比，电动汽车所需的充电站数量更多。其中的主要原因是，与FCEV相比，电动汽车的充电流程更长。

尽管如此，电动汽车的充电基础设施还是超过了FCEV的燃料基础设施，但是，差距比显示的绝对数要小。与电动汽车基础设施相比，目前内燃机车辆的汽油或柴油加油站有14000多个，其中360个加油站位于高速公路上，这对于重型运输尤为重要。

结论：是互补技术而非竞争对手

总之，每种技术都有其特定优势，必须根据各自应用的要求以及这些技术的特性逐一决定使用哪种技术。

在移动领域，目前电池储能系统仍然具有成本优势，而且使用更为普遍。氢气技术的效率明显低于电池效率。由于重载运输需要长距离行驶，从长远来看，燃料电池在这一领域可能会比电池更具优势。

在固定式应用方面，电池储能系统已经是一项成熟的、可以以较低成本参与市场竞争的技术。氢气技术还需要数年时间才能实现经济效益。然而，从长远来看，氢气技术在储能方面具有很大的潜力，可以为一些不同的领域供电，同时还可以利用现有基础设施。

因此，电池和氢气技术是互补技术，而不是竞争对手。在实现低碳化和高效能源系统的道路上，它们都是必需的。

长期以来，电池在各个领域得到了应用并在不断征服新领域。然而，在实际应用中，电池技术的局限性显而易见，例如，电池驱动车辆所需的充电时间长，固定式应用的储能容量有限等。这些因素或是电动汽车电池指数在资本市场上的表现不如电动汽车氢气指数的原因。

展望未来，氢气技术具备了解锁能源密集型应用领域的更大潜力，这些领域目前还没有脱碳解决方案。这种前景反映在氢指数的较好表现上，未来会告诉人们，氢气技术能在多大程度上满足这些期望。

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