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呂皖寧 Tesla
近日，最新IPCC全球氣候變化報告出爐，再度向全世界發(fā)出警報。儲能作為“雙碳”背景下構(gòu)建零碳電網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，終于迎來爆發(fā)性的發(fā)展機遇。大多數(shù)人印象中的儲能，主要是放電時長較短（<10hr) 的抽水蓄能或以鋰電池為主的電化學儲能系統(tǒng)，占全球儲能總裝機93% 。隨著電力結(jié)構(gòu)不斷革新，長時儲能（long-duration energy storage) 這一概念逐漸受到關(guān)注，它是否會是下一個顛覆性儲能技術(shù)方向？我們且從定義、應用、商業(yè)化進程等多個角度一探究竟。
長時儲能是什么？
迄今為止，長時儲能的時長尚無明確定義，美國能源部將其歸類在額定功率下連續(xù)放電10小時或以上。不過脫離了使用場景僅關(guān)注于充放電時長，是沒有太大意義的。業(yè)界比較認可的說法是可實現(xiàn)跨天、跨月，乃至跨季節(jié)充放電循環(huán)的儲能系統(tǒng)。
在最為熱鬧的電化學儲能賽道，長時儲能明星公司Form Energy近日發(fā)布鐵-空氣電池，與世界上最大的鋼鐵制造商ArcelorMittal達成戰(zhàn)略合作，第一個項目將于2023年在明尼蘇達州投入運行。斯坦福大學崔毅教授也在2020年成立了EnergyVenue，主打航天領(lǐng)域應用廣泛的金屬氫電池，計劃與香港中華煤氣公司開展試驗項目 。液流電池也是一個長時儲能商業(yè)技術(shù)路徑，Zinc8, Primus, Invinity等歐美電池創(chuàng)業(yè)公司主攻鋅液流電池。住友電工、融科、普能等亞洲能源企業(yè)，則以釩液流電池為主要技術(shù)，目前已經(jīng)開始和主流鋰電池廠商在4-8小時的儲能項目上角逐。
當然，長時儲能涵蓋了電化學以外的各類儲能方式。機械儲能領(lǐng)域中，除了最為經(jīng)濟高效的傳統(tǒng)抽水蓄能外，還涌現(xiàn)了一批專注于壓縮空氣、重力儲能等新興儲能新技術(shù)，并在未來兩三年上線百兆瓦級別的示范項目，如Hydrostor，Highview，Energy Vault等。此外，熱儲能（例如熔鹽儲能公司Malta)，化學儲能（氫、氨）等技術(shù)也逐漸進入人們的視野。
長時儲能仍處于百家爭鳴的中早期研發(fā)示范階段，孰勝孰劣尚未揭曉。目前看來，電化學儲能由于動力電池產(chǎn)業(yè)推動，不受地理環(huán)境的制約，處于比較有利的競爭地位。
為什么需要長時儲能？
首先為了實現(xiàn)碳中和目標，火電廠將逐步退出歷史舞臺，預計將占發(fā)電總量為10%甚至會更少。當這類穩(wěn)定的基礎(chǔ)負載發(fā)電資源日益減少，長時儲能+大型風光項目將大概率替換化石能源成為基礎(chǔ)負載發(fā)電廠，對零碳電力系統(tǒng)中后期建設(shè)的影響深遠。
其次，隨著光能風能不斷深入，其發(fā)電的間歇性對電網(wǎng)負面影響將愈發(fā)嚴重，部分水電站也面臨著生態(tài)系統(tǒng)破壞后越來越長的枯水期，無法保證出力。而要解決這個問題，光靠建造更多輸電網(wǎng)絡(luò)遠遠不夠。長時儲能可憑借長周期、大容量特性，在更長時間維度上調(diào)節(jié)新能源發(fā)電波動，在清潔能源過剩時避免電網(wǎng)擁堵，負荷高峰時增加清潔能源消納。
頻繁的自然災害（如得州嚴寒、加州山火、鄭州暴雨等）不僅會造成大規(guī)模停電影響日常生活，還會加速輸配電設(shè)備老化，增加電網(wǎng)運營成本。其他外部不可抗因素如天然氣管道運輸阻塞、煤炭供應短缺等能源資源多日乃至季節(jié)性的供應緊張，也會導致電價水漲船高。長時儲能的另一大應用就是能夠在極端天氣下保障電力供應，降低社會用電成本。
來源：Guerra, Nature.
長時儲能距商業(yè)化有多遠？
雖然長期需求可觀，長時儲能這筆經(jīng)濟賬仍不好算。
長時儲能如果單單沿用短時儲能的盈利模式，經(jīng)濟效益有限。長時儲能與短時儲能相比最大優(yōu)勢系就是其容量邊際成本 (Marginal Cost per kWh)，功率和容量可以相對獨立擴展，避免了未使用功率產(chǎn)生的附加成本，具有不同應用場景之間切換疊加的高度靈活性。而目前大部分電力輔助服務市場、峰谷電價套利空間，對2-4小時短時儲能系統(tǒng)基本足夠。因此，長時儲能要想突破短時儲能的商業(yè)壁壘，必須要解決短時儲能技術(shù)當前所無法解決的痛點，展示其在更長時間維度的經(jīng)濟價值。
來源：ARPA-E's DAYS 2020
想要直觀精準地測算出長時儲能在更長時間維度上的經(jīng)濟價值并不容易?，F(xiàn)有的電網(wǎng)定容規(guī)劃模型（capacity expansion planning）是上世紀傳統(tǒng)電網(wǎng)運營模式下的產(chǎn)物，只會從全年抽取幾段有代表性的時間段做電網(wǎng)仿真模擬分析，再計算各類能源配比下系統(tǒng)可靠性，缺乏對極端天氣、靈活性的考量，自然無法體現(xiàn)出長時儲能的長期價值。
以加州公共事業(yè)委員會（CPUC) 慣用的長期新能源擴容規(guī)劃模型RESOLVE為例，該模型采樣了37個典型日逐一進行電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬，每個單日樣本沒有任何時間連續(xù)性，儲能機組充放電只能在24小時內(nèi)完成，這制約了長時儲能在多天情境下靈活響應，也無法準確量化極端氣候?qū)﹄娋W(wǎng)的影響——而恰恰是這些小概率的“黑天鵝”事件直接推動了重大項目的投資決定。其次，RESOLVE模型只支持鋰電子儲能、液流儲能和抽水儲能三種儲能系統(tǒng)設(shè)計，沒有充分考慮到其他新型能源，導致成本估算偏高。為解決這個問題，越來越多的公司和研究機構(gòu)推出了自己的模型，如Form Energy的Formware、Vibrant Energy的WIS:dom，Energy Exemplar 的 Plexos、麻省理工-普林斯頓的開源軟件GenX等。
除了不甚明朗的經(jīng)濟效益，長時儲能的成本也是其商業(yè)化進程中的攔路虎。
近期麻省理工大學的研究團隊在Nature Energy上深入探討了長時儲能的成本和其他技術(shù)特性對零碳電網(wǎng)整體發(fā)電成本的影響。研究表明，長時儲能的價格至少要達到 $50/kWh才會被更廣泛地應用；如要大幅降低整體發(fā)電成本 (>10%)，成本必須落在$1/kWh - $10/kWh這個區(qū)間。除了長時儲能本身的充放電效率和造價，還有眾多可以提供穩(wěn)定電力服務的能源組合（核能、化石能源+碳捕捉與封存技術(shù)、氫能等）可以與之競爭，這些技術(shù)未來發(fā)展和成本，也會左右長時儲能在電網(wǎng)中可以占有多大的位置。與其他硬科技一樣，長時儲能從研發(fā)、示范、落地到規(guī)?；?，一路上必將面臨產(chǎn)能、供應鏈、建設(shè)、運營等多方面挑戰(zhàn)，必須嚴格控制每一環(huán)的風險，才能實現(xiàn)既定的成本目標。
長時儲能還面臨著巨大的融資挑戰(zhàn)。要獲得項目融資，必須向投資人證明儲能資產(chǎn)的性能和可靠性。目前通用的做法是進行第三方審核 (Third-party Engineering report)，出具長期保修協(xié)議 (O&M)、容量保證協(xié)議(Capacity Maintenance)。然而，長時儲能技術(shù)尚未擁有大規(guī)模實際運營數(shù)據(jù)支撐，難以提供全方面保證。就算企業(yè)拍胸脯做了保證，投資方仍會心存疑慮：長達30年的項目周期，公司一旦倒閉，誰來接盤？LightSail Energy, Nikola 等多個曾經(jīng)炙手可熱的新能源初創(chuàng)公司因技術(shù)欺詐而跌落神壇，增加了投資者對未知技術(shù)的疑慮，也必然加大了長時儲能的落地難度。
以美國為首的多國政府已經(jīng)開始加碼對長時儲能技術(shù)的扶持，作為全球新能源政策風向標的加州，近期公布了高達50GW的長時儲能擴容計劃，以實現(xiàn)2060碳中和目標。加州八家社區(qū)聯(lián)合電力管理機構(gòu)早在2020年底就發(fā)出了標書采購500MW/4GWh明確超過8小時的儲能系統(tǒng)。美國能源部已開始提供低息貸款，力爭在未來10年將長時儲能的成本降低90%。比爾蓋茨所帶領(lǐng)的Breakthrough Energy Venture也豪擲15億美金與能源部以公私合作的投資模式加速長時儲能的商業(yè)化進程。
穿越產(chǎn)品死亡之谷
來源：Bridging the Battery "Valley of Death" - by Intercalation Station
長時儲能在中國：現(xiàn)狀與啟示
國內(nèi)儲能業(yè)在多年耕耘摸索下終于迎來增長機遇。短時儲能的經(jīng)濟性在分時電價、電力市場等利好政策下剛剛有所轉(zhuǎn)機。實現(xiàn)“雙碳”目標的號角剛剛吹響，構(gòu)建深度低碳電網(wǎng)（2030-2050）還需時日。此時大談長時儲能，是否有些“好高騖遠“呢？
在筆者看來，當前正是加大長時儲能投入力度的時機。目前火電占全國總發(fā)電量的68%，2030年火電發(fā)電占比需下降近20%，新增電量全部由清潔能源滿足，加之火電廠的退役和固碳改造，極端天氣加劇，意味著未來三五年內(nèi)必將面臨區(qū)域性電網(wǎng)供應的持續(xù)性波動。長時儲能在五年內(nèi)商業(yè)化，將對中國2030碳達峰有著重要意義。
來源：碳達峰碳中和技術(shù)路徑及實踐探討-舒印彪
如何合理測算長時儲能的經(jīng)濟效益，也是中國同樣面臨的挑戰(zhàn)。目前電科院等電力研究機構(gòu)都有著自己的生產(chǎn)模擬軟件。這些電力規(guī)劃分析的結(jié)果，將會直接左右長時儲能在中國的規(guī)?；俣?。我們已面臨一個跨區(qū)域、多種發(fā)電類型、市場與計劃雙軌并行、分布式集中式混合的復雜電力系統(tǒng)，因此，必須加速電力規(guī)劃方面的升級改造，在模型中考慮更多持續(xù)性極端天氣，給儲能設(shè)定合理的經(jīng)濟技術(shù)參數(shù)。對海量電網(wǎng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量嚴格把控，進行全年8760小時持續(xù)模擬，并以模型數(shù)據(jù)開源、學術(shù)產(chǎn)業(yè)結(jié)合等方式集思廣益，甄選出最經(jīng)濟可靠的電源儲能配置方案。
此外，還需要穩(wěn)步推進對長時儲能技術(shù)的市場機制和政策扶持。國內(nèi)長時儲能技術(shù)以液流電池為主，非電化學技術(shù)路線的長時儲能公司更是寥寥無幾。隨著地緣政治博弈加劇，我們需要對本國的創(chuàng)業(yè)公司多一些樂觀和耐心，在做好盡調(diào)的基礎(chǔ)上，以公私合作、政策市場頂層設(shè)計等多種形式協(xié)助長時儲能技術(shù)走出資金窘境，應該落實儲能技術(shù)標準，鼓勵更多電力企業(yè)對長時儲能需求做出更加科學系統(tǒng)的規(guī)劃，在標書中明確儲能的用途及時長需求。
未來的電力系統(tǒng)必將是多能互補的，新能源+儲能這一模式將迎來歷史性的機遇，長時儲能也會成為碳中和戰(zhàn)略中不可缺少的一部分。過去十年，寧德時代靠著技術(shù)創(chuàng)新和刻苦精神坐上了儲能、動力電池領(lǐng)域中當仁不讓的頭把交椅。未來十年，長時儲能領(lǐng)域里，來自中國領(lǐng)跑者們或許也會沖在時代的最前沿。
Utility Dive 2021. NREL details cost declines needed for long-duration storage to displace nuclear, gas with CCS
Greentech Media, 2020. Long Duration Breakthrough? Form Energy’s First Project Tries Pushing Storage to 150 Hours
EnergyVenue, 2021.EnerVenue Announces Distribution Partnership
