中國儲能網(wǎng)訊：《凈零電力——可再生電網(wǎng)長時儲能》報告由長時儲能(LDES)委員會與其知識合作伙伴的麥肯錫公司合作撰寫。
長時儲能委員會是一個由企業(yè)首席執(zhí)行官（CEO）領導的全球性組織，致力于在全球范圍內(nèi)部署長時儲能系統(tǒng)以加速能源系統(tǒng)的脫碳。
長時儲能委員會于去年在COP26峰會上成立，借鑒其成員的經(jīng)驗，為各國政府和各行業(yè)領域提供基于事實的指導，這些成員包括行業(yè)領先的能源公司、技術提供商、投資者和最終用戶（見圖1）。
在未來，長時儲能委員會將進一步深入了解長時儲能的資產(chǎn)類別、電力和能源系統(tǒng)以及更廣泛的能源轉(zhuǎn)型。該委員會還將積極與其他各方進行接觸。
長時儲能委員會部分成員
前言
隨著世界各國考慮如何通過控制溫室氣體(GHG)的排放來抑制全球氣溫上升，人們普遍認為，電力行業(yè)可以發(fā)揮核心作用。而電力行業(yè)的碳排放量占全球總排放量的三分之一，實際上是一個雙重因素，因為其他經(jīng)濟領域的脫碳在很大程度上取決于對可再生能源的需求不斷增長，例如電動汽車和住宅供暖。好消息是，全球的電力行業(yè)正在通過從化石燃料發(fā)電轉(zhuǎn)向風能和太陽能來減少碳排放。
然而，可再生能源在電力結(jié)構(gòu)中所占份額的增長帶來了新的挑戰(zhàn)。其中最重要的是風電和太陽能發(fā)電的固有可變性對現(xiàn)有發(fā)電基礎設施造成的結(jié)構(gòu)性壓力。長時儲能委員會發(fā)布的第一份研究報告旨在探索應對這一挑戰(zhàn)的關鍵解決方案之一：長時儲能。
長時儲能(LDES)系統(tǒng)被定義為任何可以競爭性部署以長期存儲能源的技術，并且可以經(jīng)濟可能地擴大規(guī)模以維持數(shù)小時、數(shù)天甚至數(shù)周的電力供應，并為脫碳做出重大貢獻。而存儲能量可以通過多種不同的方法來實現(xiàn)，其中包括機械儲能、熱儲能、電化學儲能或化學儲能等。
提供靈活性（定義為通過在能量過剩時儲存并在需要時釋放能量來吸收和管理供需波動的能力）是一項關鍵因素。
圖2 長時儲能在能源系統(tǒng)靈活性方面發(fā)揮核心作用
長時儲能具有成本效益的方式使經(jīng)濟脫碳的有利因素。而在技術組合中，長時儲能可以為電力系統(tǒng)提供靈活性，其中包括電池、熱儲能、氫能和其他形式的能源（圖2）。例如，一些長時儲能技術可以同時釋放熱能和電能（即電能-熱能或熱能-電能），可用于工業(yè)脫碳，或者可以使用電能通過電解生產(chǎn)氫氣，然后將氫氣重新轉(zhuǎn)化回來之后再提供電力。整合不同部門的能力使某些長時儲能技術獨一無二，并加強了將其用于正在轉(zhuǎn)型的脫碳行業(yè)的商業(yè)案例的一個挑戰(zhàn)。
長時儲能系統(tǒng)技術引起了政府、公用事業(yè)和輸電運營商前所未有的興趣，對長時儲能行業(yè)的投資正在快速增長。該報告重點關注新型長時儲能系統(tǒng)解決方案在電力系統(tǒng)中的作用。它首先研究了這些儲能技術的特點以及它們?nèi)绾芜m合幫助管理電力行業(yè)的結(jié)構(gòu)性問題。然后，它考慮了長時儲能的成本、隨著技術的成熟將如何發(fā)展，以及它們?nèi)绾闻c其他可用于管理供需的技術（如鋰離子電池和氫能）進行比較。最后，該報告提出了一些政策制定者和行業(yè)參與者可以考慮的行動，以使長時儲能發(fā)揮其作為世界凈零解決方案一部分的潛力。
問題是什么？
為了避免發(fā)生災難性的氣候變化，需要迅速建立一個主要由可再生能源供電的凈零電力部門。隨著可再生能源發(fā)電量的增長，能源行業(yè)面臨三個挑戰(zhàn)；平衡電力供需、輸電模式的變化； 以及系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。長時儲能可以通過提高電力系統(tǒng)的靈活性來幫助解決這些問題。
預計到20240年全球長時儲能系統(tǒng)裝機容量
長時儲能技術如何提供幫助？
長時儲能涉及許多不同的技術，它們通過機械能、熱能、電化學、化學能等不同形式來存儲和釋放能量。除了鋰離子電池技術和氫氣儲能以外，長時儲能技術可以在幾小時到幾周的時間范圍內(nèi)發(fā)揮關鍵和獨特的作用。
長時儲能的發(fā)展何去何從？
如今出現(xiàn)了許多長時儲能技術，并且需要具有更大規(guī)模的部署，但它們的發(fā)展處于不同的水平。根據(jù)預計，到2040年，全球部署的長時儲能裝機容量甚至可能達到1.5~2.5TW(儲能容量為85～140TWh)。而只有10%的長時儲能技術能夠得到商業(yè)部署，一些長時儲能技術仍處于試驗階段。
預測表明，目前長時儲能的部署需要大幅擴大規(guī)模，但其發(fā)展勢頭將在未來20年內(nèi)呈指數(shù)級增長。
長時儲能行業(yè)的全球交易（百萬美元）
怎樣才能做到這一點？
為了使長時儲能成本最優(yōu)，成本必須再降低60%。然而，太陽能發(fā)電設施和風力發(fā)電等其他清潔能源技術的成本已經(jīng)大幅降低。
在2022～2040年期間，長時儲能將需要1.5萬億～3萬億美元的投資。這一期間的投資相當于每2～4年對全球輸配電網(wǎng)絡的投資。
這項投資具有創(chuàng)造經(jīng)濟和環(huán)境效益的潛力。如果有足夠的機制將長時儲能的價值貨幣化，那么其商業(yè)案例通常是積極的。
長時儲能的價值可以通過監(jiān)管變化來釋放：
?長期系統(tǒng)規(guī)劃。
?支持長時儲能的部署和擴展。
?市場創(chuàng)造。
前言
在全球范圍內(nèi)，一些國家如今還沒有走上將全球氣溫上升限制在1.5℃的軌道。為實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》中作出的承諾，世界各國必須為減少所有部門的碳排放做出重大努力。而占到全球碳排放量約三分之一的電力部門將成為全球脫碳的核心，許多政府部門和企業(yè)都認為到2040年必須實現(xiàn)凈零排放。因此，創(chuàng)新解決方案對于滿足以下這三個目標至關重要的電力部門面臨的關鍵挑戰(zhàn)：將發(fā)電量增加兩倍以滿足不斷增長的電力需求，將電力系統(tǒng)從化石燃料發(fā)電轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕茉窗l(fā)電，并滿足能源轉(zhuǎn)型的社會和經(jīng)濟成本。
基于10,000多個成本和性能數(shù)據(jù)點，這項研究報告指出，長時儲能技術可以在幫助創(chuàng)造電力系統(tǒng)靈活性和穩(wěn)定性方面發(fā)揮關鍵作用，以應對可再生能源發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占份額的增加。
長時儲能包含一系列技術，能夠以具有競爭力的成本和規(guī)模長時間以各種形式存儲電力。這些長時儲能技術可以在需要時（數(shù)小時、數(shù)天甚至數(shù)周）釋放電能，以滿足鋰離子電池儲能系統(tǒng)等短時儲能解決方案難以滿足的長期的系統(tǒng)靈活性需求。而這些長時儲能技術處于不同的成熟度和市場準備水平。該報告主要側(cè)重于相對新生的機械儲能、熱儲能、化學儲能和電化學儲能等技術，而不是鋰離子電池儲能系統(tǒng)、可調(diào)度的氫能資產(chǎn)以及大型抽水蓄能設施。
可再生能源發(fā)電量日益增長與其固有可變性的快速整合給電力系統(tǒng)帶來了巨大挑戰(zhàn)，其中包括潛在的供需失衡、輸電模式的變化，以及化石燃料發(fā)電提供的內(nèi)在慣性可能導致電力系統(tǒng)更大的不穩(wěn)定性。所有這些都需要采用新的解決方案，以在不同時段（日內(nèi)、多日/多周和季節(jié)性）內(nèi)創(chuàng)造電力供應和需求的靈活性。
長時儲能是這些解決方案之一，因為長時儲能技術需要較低的電力存儲邊際成本：它們能夠?qū)⒋鎯Φ碾娔芘c釋放電力的速度解耦；它們具有廣泛的可部署性和可擴展性；與輸配電(T&D)電網(wǎng)的升級相比，它們的交付周期相對較短。因此，行業(yè)廠商對這些長時儲能技術的投資興趣日益增加，宣布部署或已經(jīng)投入運行的長時儲能系統(tǒng)如今超過5GW（或65GWh）。
這只是一個開始：建模表明，到2040年，在全球各地部署的長時儲能的裝機容量可能為1.5TW到2.5TW；或者是目前部署的總儲能容量的8到15倍，到2040年將達到85Wh～140TWh。存儲的電力將高達全球發(fā)電量的10%。這計劃著全球到2040年將累計投資1.5萬億美元至3萬億美元，潛在價值創(chuàng)造為1.3萬億美元。
這些數(shù)字的規(guī)模反映了長時儲能技術的多種用例以及它們在平衡電力系統(tǒng)和提高其效率方面可以發(fā)揮的核心作用。其中包括支持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、加強企業(yè)購電協(xié)議(PPA)以及為電網(wǎng)偏遠或不可靠的行業(yè)優(yōu)化能源。同樣，在離網(wǎng)電力系統(tǒng)中使用長時儲能也有很大的潛力，這些離網(wǎng)電力系統(tǒng)的靈活性較低，目前嚴重依賴化石燃料發(fā)電。但到目前為止，預計更多的部署將與大容量電力系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)移、容量提供和輸配電優(yōu)化等核心任務有關。
總之，長時儲能在許多（但不是全部）情況下提供了一種低成本的靈活性解決方案。為了到2040年實現(xiàn)成本最優(yōu)的電網(wǎng)脫碳，可能會部署一套多樣化的解決方案。然而，大規(guī)模部署長時儲能系統(tǒng)獲得的價值是巨大的。據(jù)估計，到2040年，長時儲能的部署每年可減少15至23億噸的二氧化碳當量(GtCO2eq)，約占當今電力部門排放量的10%至15%。僅在美國，到2040年，長時儲能每年就可以將完全脫碳電力系統(tǒng)的總體成本降低約350億美元。
實現(xiàn)這一規(guī)模的部署需要顯著降低長時儲能技術的成本。但長時儲能委員會的成員提供的預測表明，這些目標是可以實現(xiàn)的，并且符合新興能源技術（包括太陽能發(fā)電和風力發(fā)電）的學習曲線。反過來，成本降低將取決于研發(fā)(R&D)、產(chǎn)量和制造規(guī)模效率的改進。同樣，長時儲能總部署，與電力部門的脫碳率和可變可再生能源(RE)發(fā)電的部署密切相關。
雖然一些長時儲能技術仍處于初期階段，但未來幾年的部署可能會迅速加快。在研究建模中，在快速脫碳情景下，到2025年將部署30GW至40GW的長時儲能系統(tǒng)（總儲能容量將達到1TWh）。當可再生能源在大容量電力系統(tǒng)中達到60%到70%的市場份額時，就將實現(xiàn)長時儲能發(fā)展的一個關鍵里程碑，很多國家計劃在2025年至2035年之間達到這一目標。這促進了長時儲能作為成本最低的靈活性解決方案的廣泛部署。
然而，在達到這些目標之前，需要各國政府采取行動來幫助降低成本、調(diào)動必要的投資，并創(chuàng)造市場信號，使投資者能夠從長時儲能中獲得可觀的回報。一個有利的政府生態(tài)系統(tǒng)將包括實施①長期系統(tǒng)規(guī)劃；②早期補償機制，在市場仍處于初期階段時減少投資者的不確定性；③支持性政策、法規(guī)和市場設計。
包括明確的可再生能源目標在內(nèi)的長期系統(tǒng)規(guī)劃對于建立儲能投資者信心至關重要。對早期部署和擴大規(guī)模的有針對性的支持將有助于啟動市場，并觸發(fā)成本學習曲線。最后，支持性的市場設計，例如能夠獲取長時儲能全部價值的容量機制和政策，將使投資者能夠?qū)⑵渲С鲐泿呕?。總之，這些措施最終將有助于確保以最低的社會成本實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型。
研究報告提及的長時儲能技術
長時儲能這一術語用于涵蓋具有不同技術成熟度和市場準備程度的廣泛技術。雖然該類別不排除鋰離子電池、氫氣儲能或大型抽水蓄能設施，但該報告?zhèn)戎赜谀軌驖M足鋰離子電池和其他電池以外的長時儲能解決方案。這些技術在本文中稱為“長時儲能”，不包括氫氣儲能、鋰離子電池或大規(guī)模抽水蓄能發(fā)電設施。
新型長時儲能可大致分為：機械儲能、熱儲能、電化學儲能和化學儲能。（見圖3）
圖3 長時儲能系統(tǒng)類別概述
（1）機械儲能
最廣泛和最成熟的儲能技術是抽水蓄能設施，這是一種機械儲能形式，占全球總儲能容量的95%。如今出現(xiàn)新型抽水蓄能設施，以減少其對地理條件的依賴。
其他新興的機械儲能解決方案包括壓縮空氣儲能系統(tǒng)（CAES）和基于重力的儲能系統(tǒng)。第壓縮空氣儲能系統(tǒng)（CAES）將能量以壓縮空氣的形式存儲在壓力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)（地下或地上）中。壓縮空氣儲能系統(tǒng)（CAES）還包括熱儲能，用于存儲壓縮過程中產(chǎn)生的熱量，并在放電循環(huán)中重復使用?；谥亓Φ膬δ芟到y(tǒng)是另一種具有發(fā)展前途的機械儲能形式，它通過提升在需要能量時釋放的質(zhì)量來儲存能量。這項技術目前在商業(yè)發(fā)展的早期階段。
最后，機械儲能也可以采用液態(tài)二氧化碳的形式，可以在高壓和環(huán)境溫度下儲存，然后在閉環(huán)中的渦輪機中釋放，并且不會產(chǎn)生碳排放。
液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)(LAES)的工作原理與壓縮空氣儲能系統(tǒng)（CAES）類似，使用電力，通過壓縮空氣來冷卻和液化介質(zhì)，并在低壓下將其儲存在低溫儲罐中。出于這個原因，液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)(LAES)有時被歸類為機械儲能，有時被歸類為液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)(LAES)。
B.熱儲能
熱儲能技術以熱能的形式存儲電能或熱能。在放電循環(huán)中，熱量被傳遞給流體，然后通過熱力發(fā)動機提供動力，并將電力釋放回系統(tǒng)。根據(jù)儲存熱量的原理，熱儲能可分為顯熱（提高固體或液體介質(zhì)的溫度）、潛熱（材料的相變）或熱化學熱反應（吸熱和放熱的基礎）。這些技術使用不同的介質(zhì)將熱量儲存在絕熱容器中，例如熔鹽、混凝土、鋁合金或巖石材料。同樣，充電設備的選擇也多種多樣，最廣泛使用的熱儲能技術是熔鹽與聚光太陽能(CSP)發(fā)電設施相結(jié)合，但是，該技術與其他新型長時儲能技術不同，因為它具有不同的特性（例如，由于它不是模塊化的，因此無法廣泛部署，聚光太陽能發(fā)電設施占地面積大，僅在太陽輻射高的地區(qū)更高效）。盡管如此，熔鹽可以有效地用于新型熱儲能，以獨立于聚光太陽能(CSP)發(fā)電設施存儲電力。
熱儲能技術可以同時釋放電力和熱量，支持熱力部門的脫碳，熱力部門的碳排放約占全球的50% （與其相比，2019年電力部門占20%）。在總熱量消耗中，估計只有大約10%由熱儲能技術提供，可以通過向依賴化石燃料的能源密集型行業(yè)提供零排放的熱量，來支持該行業(yè)的脫碳，并且?guī)缀鯖]有脫碳替代方案和其他供熱應用（例如區(qū)域供熱網(wǎng)絡）。
C.化學儲能
化學儲能系統(tǒng)通過產(chǎn)生化學鍵來儲存能量。兩種最流行的新興技術都基于電轉(zhuǎn)氣概念：電轉(zhuǎn)氫和電轉(zhuǎn)天然氣。
在第一種情況下，電力用于為電解槽提供動力，電解槽產(chǎn)生的氫氣可以儲存在儲罐、洞穴或管道中。當氫氣被供應到氫氣渦輪或燃料電池時，其能量被釋放。如果氫氣與二氧化碳結(jié)合生成甲烷，則生成的天然氣（稱為合成氣）具有與天然氣相似的特性，可以在常規(guī)發(fā)電廠中儲存和燃燒。類似地，氫氣可以轉(zhuǎn)化為氨氣直接燃燒。
D.電化學儲能
不同化學成分的不同電池正在出現(xiàn)，以提供長時儲能的靈活性。
電化學液流電池將電能存儲在兩種化學溶液中，這些溶液存儲在外部儲罐中，并通過選擇性隔膜實現(xiàn)充電和放電過程。這些電池適用于化學和設備成本可能較低的長期應用。
新興金屬空氣電池依賴于低成本、豐富的地球金屬、水和空氣——這意味著它們具有高可擴展性和低安裝系統(tǒng)成本的潛力。此外，這些解決方案通常不會遭受熱失控的影響，因此可以安全地安裝和操作。
還有具有液體電解質(zhì)和金屬陽極的混合液流電池，它們結(jié)合了傳統(tǒng)液流電池和金屬陽極系統(tǒng)的一些特性。
鋰離子電池、氫渦輪機和大型地上抽水蓄能設施
該報告對長時儲能系統(tǒng)和鋰離子電池儲能系統(tǒng)進行了區(qū)分，因為長期靈活性范圍內(nèi)成本的增加使得鋰離子電池在長期靈活性范圍內(nèi)沒有競爭力。
基于氫氣的儲能和通過渦輪機（以及燃料電池）重新轉(zhuǎn)換為電力可以用于長時儲能，但由于在較低的持續(xù)時間下的成本性能不同，因此在報告中單獨提及。
大型抽水蓄能設施沒有包括在所考慮的技術范圍內(nèi)，因為新型抽水蓄能的部署優(yōu)勢和經(jīng)濟性預計將超過這些長時儲能系統(tǒng)，并且地理限制較少。
數(shù)據(jù)收集和基準測試
該報告中使用的數(shù)據(jù)是從長時儲能委員會成員那里收集的，他們總共提交了10,000多個數(shù)據(jù)點，概述了其技術的成本和性能。數(shù)據(jù)由獨立的第三方清潔團隊匯總和處理。
長時儲能委員會成員提供了兩條預計軌跡的成本和績效數(shù)據(jù)，說明這些指標將如何從“漸進式”場景轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸行氖健眻鼍埃?
?漸進式場景：數(shù)據(jù)反映了樂觀的成本降低軌跡和學習率。
?中心場景：數(shù)據(jù)反映了保守的成本降低軌跡和學習率。
數(shù)據(jù)根據(jù)標稱持續(xù)時間分為兩種原型：8到24小時以及24小時以上。
一些長時儲能委員會成員提供這兩個范圍的產(chǎn)品。對于每個原型、每個成本、設計或性能指標的聚合數(shù)據(jù)點創(chuàng)建了具有代表性的數(shù)字，同時保留了每種技術的數(shù)據(jù)機密性。在數(shù)據(jù)點聚合后，處理中位數(shù)數(shù)據(jù)，然后產(chǎn)生最終數(shù)據(jù)集：在中心場景和漸進式場景中持續(xù)8到24小時和24小時或更長時間。創(chuàng)建的原型被用作對總可尋址市場(TAM)建模的輸入，并通過報告中介紹的替代技術產(chǎn)生對成本競爭力的洞察。分析的未來迭代旨在為每種技術類型合并更多數(shù)據(jù)點，從而允許對每個長時儲能類別（機械儲能能、熱儲能、電化學儲能和化學儲能）和持續(xù)時間原型進行分解分析。
報告中的技術基準建立在麥肯錫公司開發(fā)的電力模型(MPM)、電池成本模型、可再生能源成本和容量因素的能源洞察模型、其他專有資產(chǎn)以及來自外部數(shù)據(jù)提供商和數(shù)據(jù)庫的眾多基準之上。分析團隊還與長時儲能委員會以外的專家和提供專業(yè)知識的委員會成員一起測試了這些分析的結(jié)果。
（未完待續(xù)）
