中國儲能網(wǎng)訊：三、對未來電力系統(tǒng)的靈活性需求進行建模
長時儲能技術(shù)需要在未來20年內(nèi)大幅擴大部署規(guī)模，以實現(xiàn)凈零的電力系統(tǒng)。
而研究中的建模表明，在凈零情景中，到2040年累計的部署長時儲能的裝機容量可能達到1.5到2.5TW。能源轉(zhuǎn)移、容量提供和輸配電優(yōu)化等服務(wù)將占絕大多數(shù)。
到2040年，長時儲能的市場規(guī)?？赡艹^1萬億美元。長時儲能可以在建模中沒有考慮的一系列不同的并網(wǎng)和離網(wǎng)應(yīng)用中創(chuàng)造更多的價值，到2040年累計創(chuàng)造的價值將增長到1.3萬億美元。
長時儲能在所有模擬情景中都發(fā)揮著重要作用，但對能量的吸收和存儲對成本、替代技術(shù)的性能以及廣泛的脫碳步伐很敏感。在其他假設(shè)情景下，長時儲能部署可能會降低40%。
長時儲能有望在實現(xiàn)大容量電力系統(tǒng)和其他專業(yè)應(yīng)用的經(jīng)濟高效脫碳方面發(fā)揮重要作用。本文提供了基于建模結(jié)果的長時儲能潛在市場的概述。以下概述的潛在市場規(guī)模是電力系統(tǒng)遵循成本最優(yōu)的凈零軌跡，并沒有考慮已宣布的可再生能源政府目標或政策措施。其數(shù)據(jù)范圍是指中心情景和漸進情景。
1、到2040年，長時儲能的潛在市場規(guī)模可達到1.5至2.5TW，以實現(xiàn)凈零電力系統(tǒng)所需的靈活性
根據(jù)預(yù)計的成本最優(yōu)的凈零軌跡，建模結(jié)果表明，隨著電力系統(tǒng)接近凈零，長時儲能將在提供靈活性方面發(fā)揮主導(dǎo)作用。
長時儲能可能從2025年開始大規(guī)模部署（30GW～40GW或1TWh），隨著可再生能源滲透率的提高，到2030年部署量將加速增長(150GW～400GW 或 5到10TWh)。到2025年，95%以上的部署將由非大容量電網(wǎng)應(yīng)用推動的，例如孤島電網(wǎng)、遠程電網(wǎng)、不可靠的電網(wǎng)以及企業(yè)的可再生能源購電協(xié)議(PPA)。然而，隨著大容量電力系統(tǒng)從2030年起出現(xiàn)高可再生能源滲透率（約60%至70%），長時儲能的裝機容量可能在2040年加速達到1.5至2.5TW（如圖13所示）。這將達到當(dāng)今全球累計部署的總儲能容量8到15倍。
圖13長時儲能總潛在市場和按年累計資本支出投資
在未來五年，全球需要大量投資來促進長時儲能的大規(guī)模部署，并實現(xiàn)低成本的脫碳途徑。據(jù)估計，到2025年，全球?qū)⑿枰顿Y500億美元來部署數(shù)量足夠的試點項目和商業(yè)化項目，以實現(xiàn)早期脫碳，同時實現(xiàn)降低成本。這筆資金可以來自私人來源以及一些政府部門的資助。總體而言，到2040年實現(xiàn)部署所需的累計投資預(yù)計將在全球范圍內(nèi)達到1.5到3萬億美元。雖然這一金額很驚人，但這個數(shù)字只是與全球每2到4年對輸配電網(wǎng)絡(luò)的投資相當(dāng)。
2、長時儲能可以在一系列不同的并網(wǎng)和離網(wǎng)應(yīng)用中創(chuàng)造價值
長時儲能預(yù)計的技術(shù)和經(jīng)濟特性使它們能夠服務(wù)于各種用途。已經(jīng)確定了五個創(chuàng)造價值的主要部分（如圖14所示），其中包括：
圖14能源轉(zhuǎn)移、產(chǎn)能供應(yīng)和輸配電優(yōu)化
?能源轉(zhuǎn)移、容量提供和輸配電優(yōu)化。
?為電網(wǎng)偏遠或不可靠的行業(yè)優(yōu)化能源。
?孤島電網(wǎng)優(yōu)化。
?確定電力采購協(xié)議（PPA）。
?提供穩(wěn)定服務(wù)
（1）能源轉(zhuǎn)移、容量提供和輸配電優(yōu)化
預(yù)計大容量電力系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)移、容量提供和輸配電優(yōu)化將導(dǎo)致最大比例的部署（2040年為80%至90%）；然而，其他應(yīng)用也可以在確保電力系統(tǒng)完全脫碳的同時增加顯著價值（如圖15所示）。此外，預(yù)計2025年的市場發(fā)展將受到偏遠/離網(wǎng)或不可靠電網(wǎng)（50GW）行業(yè)的供應(yīng)優(yōu)化、購電協(xié)議（30GW）和孤島電網(wǎng)優(yōu)化（15GW）的推動。以下簡要介紹不同的應(yīng)用，而以下將深入解釋能源轉(zhuǎn)移、容量提供和輸配電優(yōu)化。
圖15 到2040年按應(yīng)用劃分的長時儲能潛在市場和累計價值
（2）為電網(wǎng)偏遠或不可靠的行業(yè)優(yōu)化能源
長時儲能對于啟用現(xiàn)場可再生能源和確保在需要的地方（例如在工廠生產(chǎn)線中）持續(xù)供電至關(guān)重要。可能需要清潔、可靠、具有成本效益的電力供應(yīng)的相關(guān)用戶，其中包括大型離網(wǎng)用戶（如礦山、農(nóng)業(yè)綜合企業(yè)和軍事基地）和電網(wǎng)可靠性較低的工業(yè)用戶（如經(jīng)濟條件較差的化工廠和鋼鐵廠）。在這些情況下，長時儲能在更短的交貨時間和更少的地理限制方面比電網(wǎng)擴展具有優(yōu)勢。
總體而言，到2030年，為相關(guān)應(yīng)用部署的長時儲能累計容量可能達到60GW（儲能容量為1.5TWh），到2040年將達到110GW（4TWh）左右。
而長時儲能創(chuàng)造的價值（減少化石燃料消耗、增加運營正常運行時間，替換化石燃料發(fā)電設(shè)施等），到2030年可能達到200億美元至300億美元，到2040年達到約1200億美元。
為了估計長時儲能市場規(guī)模，根據(jù)特定的行業(yè)和地理范圍確定了不同的離網(wǎng)和備用長時儲能的價值主張，每個價值主張的規(guī)模都經(jīng)過量身定制的分析。每個應(yīng)用程序的持續(xù)時間很大程度上取決于特定用例和地理特征。氣候變化的影響（包括森林火災(zāi)風(fēng)險增加及其對電網(wǎng)可靠性或企業(yè)目標的影響）可能會進一步加速部署長時儲能系統(tǒng)。
（3）孤島電網(wǎng)優(yōu)化
長時儲能可以支持離網(wǎng)或微電網(wǎng)設(shè)施（包括孤島運行的電力系統(tǒng)）供電的穩(wěn)定和安全。例如，這些技術(shù)可以通過最大限度地減少對柴油發(fā)電機和化石能源的依賴，來幫助島嶼和偏遠社區(qū)脫碳。此外，連接到孤島運行電力系統(tǒng)的社區(qū)也可以從長時儲能慣性提供和其他服務(wù)中受益。
到2030年，構(gòu)建孤島電網(wǎng)的長時儲能累計裝機容量可達15GW（150GWh）；到2040年，這可能會增加到90到100GW（大約3TWh）。長時儲能的潛在價值來自化石燃料和碳排放的成本節(jié)約，到2040年將節(jié)省300億美元。
具有加速脫碳路徑孤島電網(wǎng)可以增加長時儲能的部署，并為這些電力系統(tǒng)創(chuàng)造更多價值。離網(wǎng)或孤立社區(qū)也可能具有巨大潛力，特別是在電力需求仍未部分或全部滿足或依賴柴油發(fā)電的發(fā)展中國家。
（4）確定可再生能源購電協(xié)議
長時儲能允許保護具有特定基本負載要求的電力采購協(xié)議（PPA）。私營公司和公共組織越來越有興趣使用可再生能源的電力，以此來降低運營成本、降低波動的化石燃料價格和碳排放成本以及實現(xiàn)企業(yè)環(huán)境目標。而雄心勃勃地承諾減少碳排放的企業(yè)通常依賴可再生能源原產(chǎn)地保證（通常集成到電力采購協(xié)議中）來獲取零排放電力。然而，可再生能源購電協(xié)議通常不足以使其電力脫碳；因此，企業(yè)經(jīng)常用在碳排放市場上購買的碳信用額來抵消剩余的排放量。長時儲能使企業(yè)能夠?qū)⑵鋵嶋H可再生能源供電增加到接近100%，同時為電網(wǎng)運營提供彈性。同樣，公用事業(yè)公司可以使用長時儲能向其客戶提供此類100%可再生能源購電協(xié)議。
到2025年，全球用于固定可再生能源購電協(xié)議的長時儲能系統(tǒng)累計部署10GW（0.5TWh），到2040年將增加到40GW（2TWh），在可再生能源和碳信用方面的成本節(jié)約累計價值高達100億美元。該應(yīng)用主要被視為近期機會，因為到2030年之后，大容量電網(wǎng)中的可再生能源滲透率將顯著增加，以全天候提供可再生能源電力。因此，企業(yè)為確定可再生能源購電協(xié)議支付儲能儲溢價的意愿可能會下降。
為確保近100%的可再生能源的電力供應(yīng)，這一應(yīng)用所需的持續(xù)放電時間預(yù)計將超過24小時。然而，其持續(xù)放電時間將取決于電網(wǎng)的現(xiàn)有容量組合。
（5）提供穩(wěn)定服務(wù)（慣性或合成慣性）
長時儲能技術(shù)可以提供廣泛的輔助服務(wù)來維持電網(wǎng)穩(wěn)定性（具體的服務(wù)因技術(shù)而異）。其中一項服務(wù)是慣性，隨著可再生能源滲透率的增長，其需求也在增長。長時儲能用于傳統(tǒng)發(fā)電廠的一個不同之處在于，長時儲能可以提供慣性，同時確保100%的可再生能源供應(yīng)。此外，機械儲能和熱儲能技術(shù)還可以在沒有并網(wǎng)逆變器的情況下提供慣性，這會提高系統(tǒng)的總成本。
合適的長時儲能技術(shù)可以從慣性中獲取價值，并將其與容量提供等其他有償服務(wù)疊加。到2030年，長時儲能可利用的慣性創(chuàng)造的總價值估計為5億美元，到2040年，全球范圍內(nèi)的總價值估計為50億美元至100億美元，考慮到采用成本更低的替代方案（即同步冷凝器與飛輪相結(jié)合）的成本。然而，慣性和穩(wěn)定性服務(wù)不太可能證明獨立部署長時儲能是合理的。在獨立部署的基礎(chǔ)上，同步調(diào)壓器是更具成本效益的慣性解決方案。
互連有限的電網(wǎng)系統(tǒng)預(yù)計在市場初期特別受關(guān)注，因為它們具有較少的電網(wǎng)穩(wěn)定性替代來源。這項服務(wù)的試點已經(jīng)開始：例如在英國，2020年簽訂了為期六年的慣性服務(wù)招標。
3、深入探討：能源轉(zhuǎn)移、產(chǎn)能供應(yīng)和輸配電優(yōu)化
長時儲能預(yù)計將在大容量電力系統(tǒng)中發(fā)揮獨特的雙重作用，避免使用氫能設(shè)施來滿足峰值電力需求，同時滿足日內(nèi)和多日充放電需求。在夏季和冬季的需求峰值期間，長時儲能可以連續(xù)幾天釋放能量，以提供關(guān)鍵的清潔能源和容量儲備；在需求淡季，長時儲能可以主要執(zhí)行日內(nèi)和多日能量轉(zhuǎn)移。在非常長的持續(xù)時間范圍內(nèi)，按照目前預(yù)計的系統(tǒng)成本，氫能設(shè)施和長時儲能的組合可能是成本最優(yōu)的方案。然而，更快速地降低成本或更慢地降低氫氣成本將影響產(chǎn)能組合。
在潛在市場方面，可再生能源密集型電力系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)移和固定容量供應(yīng)將是長時儲能的最大市場，占2040年部署量的80%至90%。輸配電擴展優(yōu)化可產(chǎn)生3000億美元的額外累積價值到2040年將達到6500億美元，主要是通過補充、延期或替代投資較高的配電網(wǎng)絡(luò)。
減少削減的能源和未提供的能源可以進一步增加價值。長時儲能還具有提供分布式容量以滿足當(dāng)?shù)匦枨蟮臐摿?，同時還為冗長的輸配電建設(shè)提供了一種具有成本效益的替代方案。雖然目前未在潛在市場中考慮，但考慮到熱儲能的能量損失較高，分布式熱儲能應(yīng)用可能在同時存在加熱需求的情況下特別有吸引力。
如果成本預(yù)測按預(yù)期展開，長時儲能可能會占產(chǎn)能組合的很大一部分。例如在美國，到2040年，長時儲能可以存儲大約10%到15%的總發(fā)電量，取代部分鋰離子電池儲能系統(tǒng)和氫能設(shè)施，并達到比這兩種技術(shù)更高的份額（如圖16所示）。靈活性持續(xù)時間的平衡組合到2040年將需要長時儲能。
圖16 美國在2040年完成凈零目標和不同成本開發(fā)情景下的產(chǎn)能結(jié)構(gòu)
鑒于可再生能源在總發(fā)電組合中的份額較低，在2030年之前，靈活性需求的最大份額可能會來自持續(xù)時間為24小時以下的儲能系統(tǒng)。盡管如此，在24小時或更長時間范圍內(nèi)的長時儲能系統(tǒng)的早期部署也將受到當(dāng)?shù)貤l件和特定應(yīng)用（例如低電網(wǎng)可靠性區(qū)域的備份或高可用性電力采購協(xié)議）的推動。兩種儲能系統(tǒng)都可能在不久的將來出現(xiàn)商業(yè)需求。
（1）到2040年，長時儲能靈活性持續(xù)時間的平衡組合將是必要的
到2030年，預(yù)計部署的持續(xù)放電時間為8到24小時長時儲能的裝機容量可能占長時儲能總裝機容量的80%以上。提供超過24小時靈活性的長時儲能可能會在2030年后出現(xiàn)顯著增長，這主要是由于可再生能源發(fā)電量的增加。到2040年，持續(xù)時間更長的長時儲能技術(shù)可能占總儲能容量的80%。由于這樣的長時儲能系統(tǒng)在能總成本中的權(quán)重更大，預(yù)計不同持續(xù)時間的儲能系統(tǒng)所需的投資將遵循與電力容量部署類似的模式（如圖17所示)。
圖17 不同類型長時儲能潛在市場
（2）可再生能源增長和電氣化可能導(dǎo)致所有市場對長時儲能系統(tǒng)的需求增加
長時儲能有可能支持所有市場的大容量電力的成本優(yōu)化脫碳（如圖18所示）。在模擬的地點中，美國對長時儲能系統(tǒng)的需求最大，這主要是由于美國的輸電連接有限。在這個市場中，長時儲能將有助于減少棄電和電網(wǎng)擁塞，同時提高輸電效率。歐洲和日本的需求可能主要受到2035年至2040年的峰值容量驅(qū)動，平均持續(xù)時間更長（超過50小時）。澳大利亞和智利等可再生能源資源豐富且太陽能普及率高的地區(qū)，可能主要需要持續(xù)時間較短的大容量電力服務(wù)。
圖18 按模型劃分的各國市場
新興市場的長時儲能需求不僅受到可再生能源發(fā)電設(shè)施替代化石燃料發(fā)電設(shè)施的推動，還受到電力需求增加的推動，預(yù)計未來幾年電力需求將顯著增長。然而，長時儲能系統(tǒng)將提供全方位的靈活性持續(xù)時間，包括日內(nèi)和多日需求，隨著可再生能源發(fā)電量的增加，短期內(nèi)需要更短的持續(xù)時間的儲能系統(tǒng)。
政策措施和政府目標可能會影響部署速度，并導(dǎo)致比預(yù)期更早的部署。例如，印度到2030年部署450GW可再生能源的目標可能會在2030年之前導(dǎo)致對儲能容量的高需求，從而加速長時儲能的部署。同樣，美國到2035年實現(xiàn)零排放電力的新承諾，以及中國到2030年實現(xiàn)1,200GW可再生能源的目標，也可能會產(chǎn)生積極影響。
4、潛在市場對成本和性能、替代技術(shù)和脫碳發(fā)展最敏感
根據(jù)定義，電力市場的未來是不確定的。公共和私人參與者的承諾和行動、新的市場設(shè)計和技術(shù)發(fā)展，都是高度相互關(guān)聯(lián)的，并將最終決定是否實現(xiàn)氣候目標。長時儲能也存在類似的不可預(yù)測性，此外還存在技術(shù)成熟度的風(fēng)險。
因此，長時儲能部署的預(yù)測對不同的假設(shè)高度敏感，如圖19所示（這些數(shù)字適用于美國市場，但其行為代表了世界其他國家和地區(qū)）。
圖19美國電力市場規(guī)模對不同參數(shù)變化的敏感性
預(yù)計的潛在市場對于預(yù)計的長時儲能成本和性能發(fā)展最為敏感。如果企業(yè)僅滿足平均投資降低的軌跡，則可以通過進一步部署鋰離子電池儲能系統(tǒng)和氫能設(shè)施（到2040年在美國達到120 GW至250GW）來減少長時儲能的使用量。如果8到24小時長時儲能系統(tǒng)的充放電效率(RTE)不超過70%，則可能需要部署大約65GW的鋰離子電池儲能系統(tǒng)。另一方面，對更長持續(xù)時間的影響將是最小的，只有15GW的長時儲能系統(tǒng)被氫能設(shè)施取代。
替代品成本預(yù)測的偏差可能會顯著影響長時儲能的采用。如果氫氣成本降低，則可以額外產(chǎn)生90TWh的氫能，取代超過170GW的長時儲能容量。然而，鑒于低成本氫氣需要可能受到高度限制的基礎(chǔ)設(shè)施或地理條件，預(yù)計這將有局限性。更激進的鋰離子電池儲能方案將取代大約40GW持續(xù)時間較短的長時儲能系統(tǒng)（即8至24小時的長時儲能系統(tǒng)）。與其相反，成本降低較慢的鋰離子電池儲能將使長時儲能的市場規(guī)模在24小時以下增加約50GW（如圖20所示）。
最后，長時儲能的部署與脫碳率和可變可再生能源發(fā)電的部署密切相關(guān)。到2050年緩慢過渡到凈零電力或到2040年減排90%，到2040年可能只部署了1.5至2.5TW的長時儲能的25%至40%。盡管在這種情況下，長時儲能系統(tǒng)的部署可能會被推遲而不是完全消除。
圖20不同成本敏感性下儲能系統(tǒng)的產(chǎn)能組合
未完待續(xù)
