包邮双碳目标下“多能融合”技术图解--储能氢能与智能电网

第1章　绪论 / 1第2章　储能篇 / 4 2.1 储能概述 4 2.1.1 储能技术分类 4 2.1.2 储能应用场景 6 2.2 全球储能发展现状 8 2.2.1 美国储能发展情况 12 2.2.2 欧洲储能发展情况 14 2.3 中国储能发展现状 17 2.3.1 中国储能发展情况 17 2.3.2 储能政策 26 2.3.3 储能产业 35 2.4 典型储能技术 43 2.4.1 机械储能 43 2.4.2 电磁储能 67 2.4.3 电化学储能 72 2.4.4 热储能 100 2.4.5 化学储能 105 2.5 储能专利及文献分析 109 2.5.1 专利态势分析 109 2.5.2 文献态势分析 112 2.6 储能技术发展展望 115 2.6.1 储能面临的挑战及发展方向 115 2.6.2 储能技术发展路线图 117 2.7 “碳达峰、碳中和”目标下储能领域对策建议 119 2.7.1 升级优化新型储能技术，研发储备变革性储能技术 119 2.7.2 推进新型储能应用示范，促进优秀科技成果转化落地 119 2.7.3 完善储能市场机制建设，创新储能发展商业模式 120 2.7.4 建立健全储能标准体系，强化储能项目管理 120第3章　氢能篇 / 121 3.1 氢能概述 121 3.1.1 氢能技术分类 121 3.1.2 氢能应用场景 124 3.2 国际氢能发展现状 125 3.2.1 全球氢能生产概况 125 3.2.2 全球氢能消费概况 129 3.2.3 主要国家和地区氢能产业现状及推进方向 137 3.2.4 进出口贸易 153 3.3 我国氢能发展现状 154 3.3.1 政策导向 154 3.3.2 我国氢能产业现状 166 3.4 氢能领域关键技术清单 174 3.4.1 制氢 174 3.4.2 储氢 189 3.4.3 输氢 199 3.4.4 用氢 202 3.5 氢能技术专利及文献分析 206 3.5.1 专利态势分析 206 3.5.2 文献态势分析 222 3.6 氢能技术发展展望 235 3.6.1 概述 235 3.6.2 我国氢能发展面临的挑战 235 3.6.3 未来发展趋势 236 3.6.4 氢能技术发展路线图 240 3.7 “碳达峰、碳中和”目标下氢能领域对策建议 245 3.7.1 强化氢能政策体系的统筹规划和规范引导 245 3.7.2 加强区域产业政策协同效应 245 3.7.3 加强氢能产业链布局及关键环节技术创新 245第4章　智能电网篇 / 247 4.1 智能电网概述 247 4.1.1 智能电网定义 247 4.1.2 智能电网特征 249 4.1.3 智能电网标准体系 250 4.1.4 智能电网相关政策文件 252 4.2 世界智能电网发展概况 254 4.2.1 发展简史 254 4.2.2 各国智能电网发展和模型 257 4.2.3 未来数据预测 262 4.3 中国智能电网发展概况 263 4.3.1 中国智能电网发展历史 263 4.3.2 智能电网基础数据 265 4.3.3 智能电网的模型与架构 297 4.4 智能电网关键技术清单 305 4.4.1 电源侧 306 4.4.2 电网侧 315 4.4.3 负荷侧 332 4.4.4 储能侧 337 4.5 智能电网专利及文献分析 337 4.5.1 专利态势分析 337 4.5.2 文献态势分析 345 4.6 智能电网技术发展展望 351 4.6.1 智能电网发展趋势 351 4.6.2 智能电网技术发展路线图 352 4.7 “ 碳达峰、碳中和”目标下智能电网行业对策建议 355 4.7.1 保障国家能源安全和社会发展 355 4.7.2 升级构建新型电力系统 355 4.7.3 推动大规模高比例新能源的持续开发利用 355 4.7.4 构建灵活开放的统一电力市场体系 356第5章　总结 / 357参考文献 / 360附录 / 372图表 图1-1 2020 年我国分部门二氧化碳排放占比 1 图1-2 储能、氢能与智能电网在“多能融合”体系中的定位 2 图2-1 储能技术分类 5 图2-2 储能应用场景示意图 7 图2-3 我国主流储能技术的应用特点及成熟度 8 图2-4 2016—2022 年全球储能市场累计装机规模及增速 9 图2-5 全球储能技术分布占比（截至2022 年底） 9 图2-6 全球新型储能装机量前10 名的国家 10 图2-7 2016—2022 年全球抽水蓄能市场累计装机规模及增速 11 图2-8 2022 年全球抽水蓄能装机前10 名的国家 11 图2-9 2015—2022 年全球电化学储能累计装机规模及增速 12 图2-10 美国2017—2022 年新型储能新增装机规模 13 图2-11 2022 年美国新增储能装机类型占比 14 图2-12 2022 年欧洲各国表前储能新增装机占比 15 图2-13 英国2011—2022 年新增储能装机规模 16 图2-14 德国户用储能发展情况 17 图2-15 2022 年中国储能市场技术分布占比 18 图2-16 河北丰宁抽水蓄能电站 19 图2-17 2016—2022 年我国抽水蓄能项目累计装机规模及增速 19 图2-18 我国各省份抽水蓄能装机及规划情况 20 图2-19 我国各场景新型储能新增装机量 22 图2-20 我国各场景新型储能新增装机占比 22 图2-21 2022 年我国新增新型储能应用场景分布 23 图2-22 我国已投运新型储能项目累计装机排名前10的省份 24 图2-23 2015—2022 年我国电化学储能项目累计装机规模及增速 24 图2-24 2017—2022 年我国锂电池储能项目累计装机规模及增速 25 图2-25 2017—2022 年我国储能电池出货量和增速 25 图2-26 抽水蓄能产业链 36 图2-27 电化学储能产业链 37 图2-28 2022 年我国锂离子电池产量构成 37 图2-29 2018—2022 年锂电池出货量统计 38 图2-30 2020 年我国主要省（市）锂离子电池市场占比 39 图2-31 锂离子电池组成结构及常用材料 40 图2-32 2021 年我国锂电池正极材料出货结构 41 图2-33 2017—2022 年我国负极材料出货量 41 图2-34 2017—2022 年我国隔膜材料出货量 42 图2-35 2017—2022 年我国电解液出货量 42 图2-36 抽水蓄能电站示意图 43 图2-37 我国及世界抽水蓄能发展史 44 图2-38 四川春厂坝抽水蓄能电站 47 图2-39 日本冲绳海水抽水蓄能电站 48 图2-40 压缩空气储能工作原理示意图 49 图2-41 先进压缩空气储能示意图 50 图2-42 国际首套百兆瓦先进压缩空气储能国家示范项目 51 图2-43 绝热压缩空气储能系统原理 51 图2-44 蓄热式压缩空气储能系统示意图 52 图2-45 等温压缩空气储能原理图 53 图2-46 液态压缩空气储能系统 54 图2-47 一种超临界压缩空气储能系统 55 图2-48 中国首个“新型二氧化碳储能验证项目” 56 图2-49 水下压缩空气储能示意图 57 图2-50 太阳能补热型压缩空气储能系统示意图 58 图2-51 飞轮储能装置结构示意图 59 图2-52 EV 公司塔式搬砖储能技术示意图 62 图2-53 海洋泵浦储能系统示意图 64 图2-54 活塞式储能示意图 64 图2-55 轨道机车储能示意图 65 图2-56 爱丁堡利斯港250kW 矿井储能示范项目 67 图2-57 超级电容器原理图 68 图2-58 超导磁储能示意图 70 图2-59 超导磁悬浮飞轮储能系统示意图 71 图2-60 铅蓄电池充放电示意图 72 图2-61 铅炭电池的发展与构成 74 图2-62 锂离子电池充放电示意图 76 图2-63 锂电池储能集装箱结构示意图 77 图2-64 不同锂离子电池技术性能对比 78 图2-65 锂电池回收拆解流程示意图 83 图2-66 锂硫电池工作原理 86 图2-67 钠硫电池结构示意图 89 图2-68 钠- 金属氯化物电池充电反应原理图 90 图2-69 钠离子电池工作原理 91 图2-70 钠离子电池与锂离子电池成本对比 92 图2-71 大连液流电池储能调峰电站 95 图2-72 全钒液流电池结构示意图 96 图2-73 锌溴液流电池充放电示意图 97 图2-74 铁铬液流电池原理示意图 99 图2-75 新疆哈密50MW 熔盐塔式光热发电站 101 图2-76 光热/ 光伏+ 熔盐储热电站示意图 102 图2-77 相变储热原理示意图 103 图2-78 常见相变储热材料熔化热性质 104 图2-79 典型的热化学反应储热方法及材料 104 图2-80 二氧化碳加氢制甲醇工艺流程（“液态阳光”） 107 图2-81 储能全球专利申请趋势 109 图2-82 储能领域专利技术策源地 110 图2-83 近20 年中国、日本、美国、德国储能专利申请趋势 111 图2-84 全球储能领域专利申请人前10 位 111 图2-85 储能领域研发热点及专利申请量占比 112 图2-86 2022 年世界储能技术SCI 论文发表数分布 113 图2-87 2022 年全球储能领域SCI 论文发表量位于前10 的机构 113 图2-88 我国储能领域SCI 发文量及在全球发文总量中的占比 114 图2-89 2022 年我国储能技术SCI 论文发表量分布 114 图2-90 2022 年我国储能领域SCI 论文发表量位于前10 的机构 115 图2-91 新型储能技术面临的问题及发展方向 116 图2-92 储能技术发展路线图 118 图3-1 氢能技术环节 122 图3-2 氢的颜色 123 图3-3 低碳氢、清洁氢与可再生氢的标准 124 图3-4 2022 年全球氢能生产情况 126 图3-5 全球低碳氢生产项目统计 127 图3-6 全球低碳氢规划产能 128 图3-7 全球电解水制氢规划产能 128 图3-8 全球低碳氢生产项目目前进度 129 图3-9 全球分部门的氢气消费量 130 图3-10 2022 年全球氢气消费地区分布 130 图3-11 全球低碳氢生产项目终端用途统计 131 图3-12 全球炼厂氢气消费地区分布 132 图3-13 全球炼厂低碳氢规划产能 133 图3-14 2022 年全球合成氨、甲醇和钢铁行业氢能消费地区分布 133 图3-15 全球合成氨低碳氢规划产能 134 图3-16 全球合成甲醇低碳氢规划产能 134 图3-17 全球钢铁行业低碳氢规划产能 135 图3-18 全球氢燃料电池车及加氢站数量 136 图3-19 全球交通部门氢气消费量 136 图3-20 2022 年全球交通部门氢气消费地区分布 137 图3-21 2000 年以来部分国家和地区氢能战略与计划 138 图3-22 美国能源部H2@Scale 计划将氢能作为能量载体的愿景 140 图3-23 美国《氢能计划发展规划（2020—2030 年）》关键技术选项 140 图3-24 美国氢能攻关计划目标（“三个一”） 141 图3-25 美国《国家清洁氢能战略和路线图（草案）》 141 图3-26 HESC 项目供应链示意图 154 图3-27 我国氢气生产与消费- 氢流图（2022 年） 166 图3-28 我国氢气产量组成情况 167 图3-29 我国氢气供应结构预测 168 图3-30 我国可再生氢成本预测 169 图3-31 我国氢气需求组成情况 170 图3-32 2015—2022 年我国燃料电池汽车数量 171 图3-33 2015—2022 年我国加氢站数量 172 图3-34 煤气化结合碳捕集技术制氢工艺流程 175 图3-35 SMR 结合碳捕集技术制氢工艺流程 176 图3-36 ATR 结合碳捕集技术制氢工艺流程 176 图3-37 不同类型电解槽对比 177 图3-38 Monolith 甲烷等离子体裂解工艺示意图 182 图3-39 太阳能光解水制氢示意图 182 图3-40 天然氢生成、消耗及开采示意图 183 图3-41 生物质制氢方法示意图 184 图3-42 核能制氢原理示意图（热化学循环和高温蒸汽电解） 185 图3-43 相变迁移驱动的海水直接电解制氢原理示意图 186 图3-44 我国制氢技术成本对比 188 图3-45 我国制氢技术温室气体排放对比 189 图3-46 大型液氢球型储罐 191 图3-47 液氢运输船 192 图3-48 罐式集装箱 193 图3-49 有机液体储氢示意图（以甲苯为例） 194 图3-50 氨/ 甲醇储运有关上下游产业示意图 195 图3-51 地质储氢示意图 197 图3-52 储氢技术路线对比 199 图3-53 氢气长管拖车 200 图3-54 液氢运输船 201 图3-55 输氢技术路线对比 202 图3-56 氢能在行业脱碳路径中的角色 203 图3-57 氢燃料电池技术体系 204 图3-58 氢内燃机喷射系统示意图 205 图3-59 氢燃气轮机示意图 205 图3-60 氢能全球专利申请趋势 207 图3-61 氢能领域专利技术策源地 209 图3-62 氢能领域专利技术来源分布趋势 209 图3-63 氢能领域全球前10 位领先专利申请人 210 图3-64 氢能领域全球活跃专利申请人（2016—2020 年） 211 图3-65 氢能领域全球专利技术构成 213 图3-66 中国氢能专利申请趋势 214 图3-67 按申请人国别统计的中国氢能领域专利技术策源地前10 名 216 图3-68 中国氢能专利技术来源省份前10 名 216 图3-69 中国氢能领域领先专利申请人前10 名 217 图3-70 中国氢能领域前两名领先申请人专利申请时间趋势 218 图3-71 氢能领域全球活跃专利申请人（2016—2020 年） 220 图3-72 中国氢能领域专利技术构成 221 图3-73 中国制氢领域专利技术构成 221 图3-74 中国储氢领域专利技术构成 222 图3-75 中国运氢及加氢领域专利技术构成 222 图3-76 氢能领域文献发表情况（1990—2022 年） 223 图3-77 制氢领域文献发表数量前10 的国家 224 图3-78 储运氢领域文献发表数量前10 的国家 224 图3-79 用氢领域文献发表数量前10 的国家 225 图3-80 制氢领域文献发表数量前10 的研究机构 225 图3-81 储运氢领域文献发表数量前10 的研究机构 226 图3-82 用氢领域文献发表数量前10 的研究机构 226 图3-83 制氢领域文献发表数量前10 的期刊 227 图3-84 储运氢领域文献发表数量前10 的期刊 227 图3-85 用氢领域文献发表数量前10 的期刊 228 图3-86 制氢领域高被引及热点论文关键词共现网络可视化图 229 图3-87 储运氢领域高被引及热点论文关键词共现网络可视化图 230 图3-88 用氢领域高被引及热点论文关键词共现网络可视化图 231 图3-89 国内氢能领域文献发表时间趋势（1990—2022 年） 232 图3-90 国内氢能领域文献发表数量前10 的研究机构 233 图3-91 国内氢能领域文献发表数量前10 的期刊 233 图3-92 国内氢能领域文献主要主题词分布 234 图3-93 国内氢能领域文献研究层次分布 234 图3-94 IEA 各情景下全球能源和气候模型*终能源消费总量 237 图3-95 IEA 各情景下全球能源和气候模型低碳清洁氢生产路径 237 图3-96 IEA 全球能源和气候模型氢能生产结构预测 238 图3-97 2050 年氢能在全球能源总需求中占比的预测 239 图3-98 碳中和情景下中国氢气需求量预测 239 图3-99 制氢、储氢、运氢技术就绪水平 241 图3-100 氢能终端应用技术就绪水平 242 图3-101 我国氢能产业发展目标 243 图3-102 我国氢能技术发展路线图 244 图4-1 中国智能电网技术标准体系 252 图4-2 世界电网发展简史 255 图4-3 世界电网的三代演变 256 图4-4 全球及主要地区电力消费数据 256 图4-5 全球发电结构 257 图4-6 2016—2021 年美国和欧洲电网投资额 258 图4-7 NIST 智能电网概念模型 259 图4-8 欧洲智能电网概念模型 261 图4-9 日本智能电网概念图 261 图4-10 McKinsey 公司对2050 年全球发电情况的预测 262 图4-11 IAEA 对能源消费量及用电量的预测 263 图4-12 中国智能电网发展历程 264 图4-13 中国智能电网的发展阶段 265 图4-14 全国电力装机结构 266 图4-15 全国发电结构 267 图4-16 全国发电设备利用小时数 268 图4-17 全国供电标准煤耗 269 图4-18 全国单位发电量和单位火电发电量二氧化碳排放 270 图4-19 全国线路损失率 271 图4-20 全国电源和电网基本投资 271 图4-21 直流特高压和交流特高压架构 273 图4-22 国家电网特高压累计线路长度 273 图4-23 国家电网特高压累计输送电量 274 图4-24 国家电网特高压累计变电（换流）容量 274 图4-25 全社会用电量 281 图4-26 智能电表结构示意图 282 图4-27 国家电网智能电表招标数量 282 图4-28 全国电动汽车充电桩保有量 283 图4-29 全国电力市场交易电量 284 图4-30 各省级电网燃煤基准电价 286 图4-31 2020 年中国电力流向图 289 图4-32 2020 年辽宁电力流向图 290 图4-33 2020 年辽宁、江苏、山东及广东终端电力消费结构图 291 图4-34 2020年辽宁、江苏、山东及广东行业电力消费结构与增加值结构 292 图4-35 2022 年全球及部分地区电力消费数据树状块图 293 图4-36 中国科学院报告对2020—2060 年中国发电结构的预测 293 图4-37 中国科学院报告对2020—2060 年中国电力装机结构的预测 294 图4-38 中国工程院报告对2020—2060 年中国发电结构的预测 294 图4-39 中国工程院报告对2020—2060 年中国电力装机结构的预测 295 图4-40 智能电网产业链 297 图4-41 智能电网架构 298 图4-42 燃煤发电厂外观 299 图4-43 风力发电场景 299 图4-44 输电铁塔及线缆 300 图4-45 智能配电柜 301 图4-46 电动汽车充电场景 301 图4-47 储能系统集装箱 302 图4-48 电力调度驾驶舱 304 图4-49 群集嵌套层次关系 304 图4-50 智能电网关键技术架构 306 图4-51 青海塔拉滩光伏发电站 310 图4-52 国内首台13.6 兆瓦海上风电机组 312 图4-53 结合气象预报数据的多模型组合预测方案架构 315 图4-54 准东—华东（皖南）±1100 千伏特高压直流输电铁塔 317 图4-55 张北可再生能源柔性直流电网结构示意图 319 图4-56 国内首条35 千伏公里级高温超导电缆终端 320 图4-57 智能变电站系统结构示意图 321 图4-58 剧村变电站智慧充电区 322 图4-59 微电网场景 325 图4-60 华中源网荷储电动汽车调度画面 327 图4-61 乌兰察布新一代电网友好绿色电站示范项目驾驶舱 331 图4-62 未来高级量测场景示意图 333 图4-63 智能电网领域专利申请趋势 338 图4-64 智能电网领域专利技术策源地 339 图4-65 智能电网领域全球领先专利申请人前10 位 339 图4-66 智能电网领域全球专利技术构成（技术一级） 341 图4-67 国内新型电力系统领域专利申请趋势 342 图4-68 国内新型电力系统领域专利技术策源地 342 图4-69 国内新型电力系统领域领先专利申请人前8 位 343 图4-70 国内新型电力系统领域专利技术构成（技术一级） 344 图4-71 智能电网领域发文量随时间变化趋势 345 图4-72 智能电网领域发文量国家前20 名 346 图4-73 智能电网领域国家间合作网络图 346 图4-74 智能电网领域研究方向前10 名 347 图4-75 智能电网领域高被引论文关键词共现网络可视化图 348 图4-76 中文知网智能电网领域发文量随时间变化趋势 349 图4-77 中文知网智能电网领域发文主要主题分布 349 图4-78 中文知网智能电网领域发文机构分布 350 图4-79 中文知网新型电力系统领域发文量随时间变化趋势 350 图4-80 中文知网新型电力系统领域发文主要主题分布 351 图4-81 中文知网新型电力系统领域发文机构分布 351 图4-82 智能电网远景展望 353 图4-83 智能电网相关技术发展路线图 353 表2-1　典型储能技术及其技术参数 6 表2-2　2021 年至今我国开工的部分抽水蓄能项目 21 表2-3　我国储能政策发展历程 26 表2-4　《 关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中储能相关描述 27 表2-5　《2030 年前碳达峰行动方案》中储能相关描述 27 表2-6　各省（区、市）“十四五”风光及储能装机规划 30 表2-7　各省（区、市）新能源配储装机要求 31 表2-8　 2020 年度新增备案本科“储能科学与工程”专业高校名单 35 表2-9　三种储能锂电池参数与特点对比 77 表2-10　锂离子电池正极材料技术指标 79 表2-11　锂离子电池负极材料技术指标 80 表2-12　磷酸铁锂、三元锂电池回收相关特性对比 82 表2-13　典型钠离子电池正极材料体系的结构及特点 92 表2-14　典型金属- 空气电池的性能比较 94 表2-15　储热技术一览表 100 表2-16　储热技术特点及性能对比 105 表2-17　氢、甲醇、氨作为储能载体的性能参数对比 108 表3-1　美国氢能政策历程 139 表3-2　 美国《国家清洁氢能战略和路线图（草案）》关键项目目标（2022—2036 年） 142 表3-3　 美国《国家清洁氢能战略和路线图（草案）》近中长期行动时间表 143 表3-4　全球盐穴储氢运行项目 145 表3-5　“Fit for 55”一揽子计划中氢能相关政策条目 146 表3-6　欧洲氢能战略的三个阶段 147 表3-7　日本氢能基本战略情景简表 150 表3-8　 日本《2050 碳中和绿色增长战略》中的发展目标和重点任务 151 表3-9　 日本《第六版能源基本计划》与上一版本对2030 年能源结构展望的对比 152 表3-10　2020 年以来我国氢能产业政策汇总 155 表3-11　《 关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》涉及氢能的内容 160 表3-12　《2030 年前碳达峰行动方案》涉及氢能的内容 160 表3-13　《 氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》提及的目标 162 表3-14　我国各省份氢能源产业发展目标 164 表3-15　电解水制氢技术对比 179 表3-16　工业副产氢回收与纯化技术对比 181 表3-17　高压储氢容器类型对比 190 表3-18　有机储氢材料性能对比 193 表3-19　典型固态储氢材料及其性能 195 表3-20　全球地下储氢项目概况 197 表3-21　氢能技术就绪水平 240 表4-1　世界相关机构对智能电网的定义 248 表4-2　传统电网与智能电网的特征对比 249 表4-3　智能电网技术标准体系 251 表4-4　中国智能电网领域相关政策文件 254 表4-5　NIST 智能电网概念模型7 个域的特性 259 表4-6　全国在建、在运特高压工程 275 表4-7　各省级电网煤电容量电价（2024—2025 年） 285 表4-8　辽宁电网销售电价表 288 表4-9　辽宁电网输配电价表 288 表4-10　 DICP-RCLCS 对2020—2060 年中国发电结构的预测 295 表4-11　 DICP-RCLCS 对2020—2060 年中国电力装机结构的预测 296 表4-12　智能电网一级、二级聚类主题对照表 340 表4-13　新型电力系统一级、二级聚类主题对照表 343 附表　2022 年我国储能产业国家政策 372