中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：第1章 簡(jiǎn)介和概述
1.1、動(dòng)機(jī)和重點(diǎn)
這是麻省理工學(xué)院能源倡議發(fā)起的一系列未來(lái)研究中一個(gè)最新研究，旨在為決策者提供有用的參考，并提供平衡的、基于事實(shí)的建議，以改善公共政策，尤其是在美國(guó)。本系列的早期研究已經(jīng)考慮了核電、燃煤發(fā)電（捕獲和封存二氧化碳排放）、天然氣、電網(wǎng)和太陽(yáng)能發(fā)電的未來(lái)，而所有這些都是當(dāng)今能源領(lǐng)域的主要特征。這些研究都關(guān)注特定技術(shù)或基礎(chǔ)設(shè)施在經(jīng)濟(jì)高效、碳排放受限的世界中發(fā)揮的作用，并關(guān)注需要采取什么措施來(lái)促進(jìn)這些貢獻(xiàn)。這些研究的時(shí)間范圍是2050年（及以后）；這項(xiàng)研究同樣展望到2050年，盡管研究團(tuán)隊(duì)也對(duì)在2030年更近的時(shí)間范圍內(nèi)大規(guī)模部署的技術(shù)感興趣。
1.1.1、動(dòng)機(jī)
此項(xiàng)研究考慮了電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的未來(lái)發(fā)展。儲(chǔ)能技術(shù)當(dāng)然并不是什么新鮮事。抽水蓄能最早出現(xiàn)在在19世紀(jì)后期的歐洲，直到2020年，抽水蓄能水電仍占全球電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)總儲(chǔ)能容量的99%左右。世界各國(guó)認(rèn)識(shí)到需要大幅減輕氣候變化造成的損害減少經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)的溫室氣體排放，最重要的是減少碳排放量，而這是增加對(duì)儲(chǔ)能部署的興趣和投資的根本原因。而緩解氣候變化的各種州、地區(qū)、國(guó)家和國(guó)際目標(biāo)和時(shí)間表要求實(shí)現(xiàn)凈零排放，其時(shí)間表范圍從2035年到2050年及以后。凈零排放允許通過(guò)負(fù)排放技術(shù)抵消未來(lái)電力系統(tǒng)中的少量排放，這些技術(shù)從大氣中去除并存儲(chǔ)二氧化碳，而零排放目標(biāo)則不允許這樣的抵消。
要在經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)極低的碳排放量，就需要所有部門(mén)都實(shí)現(xiàn)大幅減排。大多數(shù)研究得出的結(jié)論是，實(shí)現(xiàn)極低經(jīng)濟(jì)范圍碳排放的途徑包括使電力部門(mén)脫碳，并在運(yùn)輸、工業(yè)和建筑行業(yè)中盡可能多地用脫碳電力替代化石燃料。這項(xiàng)研究的主要重點(diǎn)是儲(chǔ)能系統(tǒng)在以具有成本效益的方式使電力部門(mén)脫碳方面發(fā)揮的作用。
電力部門(mén)當(dāng)前和可預(yù)見(jiàn)的最重大變化是可變可再生能源（即風(fēng)能和太陽(yáng)能）在發(fā)電中迅速替代化石燃料。圖1.1顯示了美國(guó)和全球風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電量的歷史增長(zhǎng)率。這些技術(shù)的快速發(fā)展伴隨著成本的降低，如圖1.2所示。在全球范圍內(nèi)也觀察到了類(lèi)似的成本趨勢(shì)?？稍偕茉吹漠a(chǎn)能擴(kuò)張和成本降低預(yù)計(jì)將會(huì)持續(xù)。
圖1.1美國(guó)和全球的太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施（a）和風(fēng)力發(fā)電（b）的裝機(jī)容量
圖1.2美國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施和風(fēng)電設(shè)施的安裝成本
可再生能源滲透率的提高使儲(chǔ)能系統(tǒng)更具吸引力，因?yàn)榭稍偕茉窗l(fā)電是間歇性的：其電力輸出隨時(shí)間變化且無(wú)法完全預(yù)測(cè)。而應(yīng)對(duì)間歇性的一種方法是使用儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行能源套利——也就是說(shuō)，將電能的可用性從充足的時(shí)間（較低價(jià)格）轉(zhuǎn)移到短缺的時(shí)間（較高價(jià)格）。在可再生能源滲透率增長(zhǎng)的同時(shí)，鋰離子電池的成本也在迅速下降，如圖1.3所示。這種成本降低是主要是由于交通運(yùn)輸領(lǐng)域車(chē)輛的電氣化程度不斷提高，以及鋰離子電池在移動(dòng)消費(fèi)電子產(chǎn)品中的使用。
圖1.3 2010~2021全球鋰離子電池價(jià)格發(fā)展趨勢(shì)
與其他兩個(gè)領(lǐng)域的需求相比，電力行業(yè)對(duì)這些的電池的需求非常?。ㄈ鐖D1.4所示），但鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力行業(yè)的部署變得更具吸引力，并且在過(guò)去幾年中迅速增加。
圖1.4 2011～2021年期間全球電動(dòng)汽車(chē)和電力行業(yè)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的鋰離子電池(GWh)
近年來(lái)，一系列儲(chǔ)能技術(shù)也取得了顯者進(jìn)步，其中包括鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，旨在提高性能并減少對(duì)供應(yīng)鏈?zhǔn)芟薜慕饘俨牧系囊蕾?lài)。此外，用于電力儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能的熱儲(chǔ)能新方法（例如通過(guò)可用于發(fā)電的氫氣的生產(chǎn)和儲(chǔ)存）表明，這些可能是電力系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)的有用補(bǔ)充。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在技術(shù)成熟的不同階段，各種儲(chǔ)能技術(shù)顯示出能夠經(jīng)濟(jì)可行地應(yīng)對(duì)可再生能源發(fā)電的間歇性。
部署儲(chǔ)能系統(tǒng)只是有效應(yīng)對(duì)可再生能源間歇性的一種工具。例如，部署足夠的可再生能源以滿足100%以上的需求可能是最佳選擇。由于這種“過(guò)度建設(shè)”，即使在可再生能源發(fā)電量不足的情況下（例如在冬季），可再生能源也可以滿足大部分需求，但在其他時(shí)候，可再生能源發(fā)電量將顯著超過(guò)需求，需要削減這些發(fā)電量。而擴(kuò)展輸電設(shè)施的電力容量可以通過(guò)容納更大地理區(qū)域的可再生能源發(fā)電來(lái)緩解其可變性?？烧{(diào)度的清潔能源技術(shù)（例如地?zé)峄蛏镔|(zhì)）的進(jìn)步可能會(huì)消除對(duì)儲(chǔ)能容量的一些需求。此外，提高企業(yè)和家庭將電力需求從能源稀缺（價(jià)格高漲）時(shí)期轉(zhuǎn)移到其他時(shí)期的能力，或在能源短缺時(shí)期完全減少用電量，將促進(jìn)可再生能源整合。最后，負(fù)排放技術(shù)的進(jìn)步可以提供經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，以促進(jìn)實(shí)現(xiàn)凈零排放，同時(shí)允許一些化石燃料發(fā)電鞏固可再生能源發(fā)電。具有完全碳捕獲和封存(CCS)的天然氣發(fā)電是可以從經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償中受益的技術(shù)的一個(gè)典型例子。
1.1.2、研究重點(diǎn)
在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)限制在電力部門(mén)未來(lái)的儲(chǔ)能機(jī)會(huì)上。也就是說(shuō)，只研究電能存儲(chǔ)技術(shù)，也就是以各種形式存儲(chǔ)電量，然后將存儲(chǔ)的電能返回電力系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)詳細(xì)討論的技術(shù)示例包括鋰離子電池、氧化還原液流電池、金屬空氣電池、抽水蓄能設(shè)施、熱泵和氫氣儲(chǔ)能。
如上所述，鋰離子電池的成本下降主要是由于它們?cè)陔娏ο到y(tǒng)之外的開(kāi)發(fā)和使用，特別是在電動(dòng)汽車(chē)(EV)的應(yīng)用中。這項(xiàng)研究著眼于其他兩種儲(chǔ)能技術(shù)的類(lèi)似跨部門(mén)耦合的潛在好處：熱儲(chǔ)能和氫氣儲(chǔ)能。
雖然這項(xiàng)研究使用熱量作為一種儲(chǔ)存電力的機(jī)制，但熱儲(chǔ)能的使用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了發(fā)電范圍。在工業(yè)領(lǐng)域，高溫?zé)嵩粗饕糜诠I(yè)制造行業(yè)，例如鋼鐵制造、水泥制造以及化學(xué)和精煉業(yè)務(wù)。而在建筑領(lǐng)域，環(huán)境溫度調(diào)節(jié)和熱水需要熱量。存儲(chǔ)用于火力發(fā)電的熱量（或通過(guò)將電力轉(zhuǎn)化為熱量）在跨部門(mén)應(yīng)用中非常具有成本效益，從而可以更有效地利用核能、燃料、地?zé)岷涂稍偕茉吹葻崮埽ㄍㄟ^(guò)電阻加熱）)通過(guò)緩沖來(lái)自最終用途的熱源（在多個(gè)部門(mén)）。這種解耦的想法很自然地導(dǎo)致了以后文章中討論的火力發(fā)電廠的熱儲(chǔ)能改造策略。當(dāng)然，在這項(xiàng)研究的范圍之外，熱儲(chǔ)能的范圍要廣泛得多。氫氣的生產(chǎn)和使用也說(shuō)明了跨部門(mén)互動(dòng)的潛在重要性。氫氣在電力應(yīng)用中的一個(gè)挑戰(zhàn)是，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，電力部門(mén)的具有成本效益的儲(chǔ)氫量太小，無(wú)法通過(guò)使用可再生能源來(lái)顯著降低生產(chǎn)氫氣的成本。
此外，氫氣目前并未從其他行業(yè)的大量需求中受益，就像交通應(yīng)用的需求使鋰離子電池受益一樣。因此，研究團(tuán)隊(duì)的調(diào)查可能受益于廉價(jià)的氫氣替代天然氣作為高溫?zé)嵩吹墓I(yè)部門(mén)是否可能發(fā)揮這一作用。
該研究主要針對(duì)美國(guó)電力系統(tǒng)。在研究團(tuán)隊(duì)的建模工作中，解決了美國(guó)可能影響未來(lái)電力系統(tǒng)儲(chǔ)能部署的地理差異。這種多樣性源于可再生能源和其他資源的區(qū)域差異；來(lái)自公眾對(duì)不同發(fā)電選擇、土地利用和輸電選址的態(tài)度；從電力需求的性質(zhì)來(lái)看；以及不同的區(qū)域脫碳政策和方法。從美國(guó)的區(qū)域研究中汲取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，有助于了解儲(chǔ)能系統(tǒng)在世界其他國(guó)家和地區(qū)未來(lái)能源系統(tǒng)中可能發(fā)揮的作用。該報(bào)告瞠特別關(guān)注印度背景下的機(jī)遇，這在許多重要方面與美國(guó)的情況不同，特別是在國(guó)內(nèi)天然氣供應(yīng)不足和電力需求快速增長(zhǎng)方面。
除了這項(xiàng)研究中涉及的主題之外，一些與儲(chǔ)能相關(guān)的主題值得在其他工作中關(guān)注：（1）制造和供應(yīng)鏈趨勢(shì)，以及它們對(duì)儲(chǔ)能的可用性和成本以及美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力的影響；(2)經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)脫碳的經(jīng)濟(jì)和監(jiān)管政策框架的穩(wěn)定性與實(shí)現(xiàn)凈零碳電力部門(mén)所需的時(shí)間和成本之間的關(guān)系；(3)需要建立對(duì)電池報(bào)廢回收或再利用的期望；(4)確定特定電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的環(huán)境、健康和安全方面；(5)負(fù)載靈活性和需求響應(yīng)的實(shí)際可用范圍，以減少電網(wǎng)儲(chǔ)能需求和相關(guān)成本。
1.2、儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的作用
儲(chǔ)能服務(wù)大致可分為四類(lèi)：能源套利、輔助服務(wù)、輸配電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)以及客戶(hù)能源管理服務(wù)。本文將提供儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提供的服務(wù)的定義和示例。在實(shí)際使用中，一種儲(chǔ)能技術(shù)或多種儲(chǔ)能技術(shù)可能支持多種業(yè)務(wù)。
能源套利是指將電能從低價(jià)值時(shí)期轉(zhuǎn)移到高價(jià)值時(shí)期，是儲(chǔ)能系統(tǒng)在當(dāng)今電力系統(tǒng)中的主要服務(wù)，并且很可能成為其未來(lái)的主要服務(wù)。間歇性可再生能源發(fā)電的集成推動(dòng)了這一機(jī)會(huì)，隨著可再生能源滲透率的增加，能源套利的機(jī)會(huì)將增加。圖1.5顯示了覆蓋德克薩斯州大部分地區(qū)的2021年太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施和風(fēng)力發(fā)電負(fù)荷的每日和季節(jié)性變化。有時(shí)風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的電力可以從白天到黑夜為太陽(yáng)能發(fā)電提供補(bǔ)充（反之亦然），但德克薩斯州有很長(zhǎng)一段時(shí)間風(fēng)力發(fā)電量很少，例如從2021年6月下旬到7月上旬，。這會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)的能源套利可以獲得顯著的的潛在收益，如今儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間通常在4小時(shí)或更短的時(shí)間內(nèi)，以及在多天的時(shí)間跨度內(nèi)轉(zhuǎn)移，例如超過(guò)12小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。研究團(tuán)隊(duì)研究了多種儲(chǔ)能技術(shù)，以了解哪些技術(shù)適合在未來(lái)能源系統(tǒng)中的這些短時(shí)儲(chǔ)能和長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的角色。
圖1.5德克薩斯州風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的每日變化
為電力系統(tǒng)提供輔助服務(wù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)提供電力，但需要更快的響應(yīng)時(shí)間（從不到一秒到幾分鐘）。這些輔助服務(wù)包括：
頻率調(diào)節(jié)是使用儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)抑制由發(fā)電和負(fù)載需求之間的瞬時(shí)差異引起的波動(dòng)。這通常在每分鐘或更短的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)執(zhí)行。在可再生能源主導(dǎo)的電力系統(tǒng)中，此功能取代了熱力發(fā)電設(shè)施中的旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)提供的慣性。
負(fù)載跟蹤類(lèi)似于頻率調(diào)節(jié)，是一種管理電力系統(tǒng)波動(dòng)的連續(xù)電力平衡機(jī)制。但是在這種情況下，干預(yù)的時(shí)間范圍更長(zhǎng)，從15分鐘到24小時(shí)不等。
電壓支持是指維持輸配電系統(tǒng)中的電壓水平。
黑啟動(dòng)能力是指電站在發(fā)生電力系統(tǒng)崩潰的情況下，不依賴(lài)輸電網(wǎng)絡(luò)而重新啟動(dòng)的能力。
補(bǔ)充儲(chǔ)備可以為電網(wǎng)提供額外的電力（通常是來(lái)自額外的發(fā)電能力），響應(yīng)時(shí)間不到10分鐘（有時(shí)滿足其他要求）。這些儲(chǔ)備的電力可用于在不可預(yù)見(jiàn)的負(fù)載波動(dòng)或緊急情況下保持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。
輸配電(T&D)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)有助于推遲對(duì)資本密集型輸配電升級(jí)或投資的需求，以緩解輸配電網(wǎng)絡(luò)中的臨時(shí)擁塞或潛在變電站過(guò)載。這些服務(wù)通過(guò)在高峰期在瓶頸和負(fù)載之間向電網(wǎng)注入能量來(lái)工作。
客戶(hù)能源管理服務(wù)，包括增強(qiáng)的可靠性和減少峰值負(fù)載，可以由部署在客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)的規(guī)模相對(duì)較小的儲(chǔ)能系統(tǒng)提供。
1.3、儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵屬性、成本維度、技術(shù)類(lèi)別以及環(huán)境、健康和安全考慮因素
此項(xiàng)研究中考慮的儲(chǔ)能技術(shù)在技術(shù)準(zhǔn)備、成本和性能、模塊化、組件材料的豐富性和成本、單位體積的能量密度以及環(huán)境、健康和安全(EHS)方面具有一系列特征。在這些屬性和其他屬性中，研究團(tuán)隊(duì)主要關(guān)注成本特征，因?yàn)槌杀緦⑹请娏ο到y(tǒng)大規(guī)模部署的主要因素。例如，小規(guī)模的能量密度或效率等因素在儲(chǔ)能領(lǐng)域的重要性遠(yuǎn)低于電動(dòng)汽車(chē)或消費(fèi)電子應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，在建模中包含的所有儲(chǔ)能技術(shù)都可以在2050年之前為商業(yè)部署做好準(zhǔn)備。
1.3.1、成本維度和技術(shù)等級(jí)
回顧發(fā)電設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)成本分析作為更復(fù)雜的儲(chǔ)能系統(tǒng)分析的背景是有用的。發(fā)電設(shè)施的容量通常由其最大瞬時(shí)功率容量來(lái)描述，以兆瓦(MW)為單位。大致而言，發(fā)電設(shè)施的成本有兩個(gè)組成部分：裝機(jī)容量（單位為MW)資本成本（包括不隨發(fā)電量變化的年度成本）和儲(chǔ)能容量成本（單位為MWh)發(fā)電的運(yùn)營(yíng)成本（包括燃料成本，加上其他隨發(fā)電量變化的年度成本）。
一些分析師通過(guò)使用稱(chēng)為平準(zhǔn)化能源成本（LCOE）的數(shù)量來(lái)總結(jié)特定技術(shù)的發(fā)電成本。計(jì)算特定熱力發(fā)電技術(shù)的平準(zhǔn)化能源成本（LCOE）需要對(duì)典型發(fā)電設(shè)施的燃料成本和年產(chǎn)量概況做出假設(shè)。然后可以將平準(zhǔn)化能源成本（LCOE）的計(jì)算為僅涵蓋典型發(fā)電設(shè)施的資本和運(yùn)營(yíng)成本的發(fā)電的平均收入。很明顯，平準(zhǔn)化能源成本（LCOE）不能地用于比較具有非常不同輸出曲線的熱電廠的投資吸引力：始終運(yùn)行以提供基本負(fù)荷電力的核電廠和僅用于提供基本負(fù)荷電力的燃?xì)怆姀S。例如，一直運(yùn)行以提供基本負(fù)荷電力的核電廠和僅用于滿足峰值需求的天然氣發(fā)電廠。出于同樣的原因，并且由于可再生能源發(fā)電量取決于輸出電力的時(shí)間，因此使用平準(zhǔn)化能源成本（LCOE）來(lái)比較可再生能源發(fā)電設(shè)施機(jī)和化石燃料發(fā)電設(shè)施的意義就更小了。在這項(xiàng)研究中并不使用平準(zhǔn)化能源成本（LCOE）。
描述儲(chǔ)能系統(tǒng)成本比描述發(fā)電設(shè)施的成本要復(fù)雜得多。儲(chǔ)能系統(tǒng)容量至少有兩個(gè)甚至三個(gè)容量維度，通?？梢元?dú)立變化。與發(fā)電設(shè)施一樣，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的一個(gè)要素是它可以提供給電網(wǎng)的最大瞬時(shí)功率（以MW為單位），換句話說(shuō)是其放電容量。對(duì)于某些技術(shù)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以從電網(wǎng)獲取的最大瞬時(shí)功率（也稱(chēng)為充電功率容量）可能與其放電容量不同。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)的特點(diǎn)是其儲(chǔ)能容量（以MWh為單位)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量與其最大放電容量的比率是其持續(xù)時(shí)間，以小時(shí)為單位：這是儲(chǔ)能系統(tǒng)從完全充電開(kāi)始可以提供最大功率的時(shí)間長(zhǎng)度。大多數(shù)現(xiàn)有的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)施的持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)或更短；大多數(shù)現(xiàn)有的抽水蓄能(PSH)發(fā)電設(shè)施的持續(xù)時(shí)間為12小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。
儲(chǔ)能系統(tǒng)的往返效率(RTE)定義為可用于放電的能量與充電存儲(chǔ)電量之間的比例，通常由所采用的技術(shù)決定，并且不隨功率或儲(chǔ)能容量而變化。最后，使用某些技術(shù)存儲(chǔ)的能量會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸損失。這種情況發(fā)生的速率稱(chēng)為自放電率。
一些分析師通過(guò)計(jì)算一個(gè)名稱(chēng)為平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本(LCOS)的數(shù)量來(lái)總結(jié)各種儲(chǔ)能技術(shù)的成本。要計(jì)算特定技術(shù)的這一數(shù)量，需要指定典型儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間，并假設(shè)隨時(shí)間推移的充電/放電周期以及用于為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電的電力成本。而計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)的年度成本、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本必須添加到其年化容量成本中；這些運(yùn)維成本可能取決于假設(shè)的使用情況并假定電池退化。與平準(zhǔn)化能源成本（LCOE）的情況一樣，平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本(LCOS可以計(jì)算為每兆瓦時(shí)排放的平均收入，僅涵蓋儲(chǔ)能系統(tǒng)的假設(shè)資本和運(yùn)營(yíng)成本。因此，任何特定技術(shù)的估計(jì)平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本(LCOS)將取決于假設(shè)如何使用儲(chǔ)能系統(tǒng)，因此無(wú)法有效比較可能扮演不同角色的儲(chǔ)能技術(shù)，例如扮演不同角色的發(fā)電技術(shù)。此外，平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本(LCOS)計(jì)算很大程度上依賴(lài)于關(guān)于充電成本的假設(shè)，而在該研究中不使用平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本(LCOS)。與其相反，在描述的建模練習(xí)中，使用數(shù)學(xué)規(guī)劃來(lái)確定可用發(fā)電和儲(chǔ)能技術(shù)的最佳容量和運(yùn)行，假設(shè)成本、區(qū)域風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電資源，隨著時(shí)間的推移對(duì)電力的需求以及對(duì)碳排放的限制。
該研究報(bào)告中考慮的技術(shù)根據(jù)其單位放電功率和能源容量成本分為三大類(lèi)（如圖1.6所示）。一般來(lái)說(shuō)，能量容量成本低、功率容量成本高的儲(chǔ)能技術(shù)（圖中藍(lán)色區(qū)域）最適合長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能應(yīng)用（最多長(zhǎng)達(dá)數(shù)天）和不太頻繁的充電/放電循環(huán)；其中包括熱儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能、金屬空氣電池和抽水蓄能發(fā)電設(shè)施。棕色區(qū)域中的技術(shù)，包括鋰離子電池，更適合持續(xù)時(shí)間較短的應(yīng)用（幾個(gè)小時(shí)）和更頻繁的充放電循環(huán)。具有中等能力的技術(shù)（包括液流電池）處于綠色區(qū)域。
1.3.2、環(huán)境、健康和安全注意事項(xiàng)
美國(guó)能源開(kāi)發(fā)商通常在投資和運(yùn)營(yíng)決策以及創(chuàng)新努力中關(guān)注環(huán)境、健康和安全(EHS)問(wèn)題。而意料之外的EHS問(wèn)題可能會(huì)造成長(zhǎng)期的項(xiàng)目延誤、顯著的成本增加以及缺乏公眾支持。美國(guó)能源行業(yè)歷史上有幾個(gè)此類(lèi)問(wèn)題的顯著例子：Three Mile島核事故、燃煤發(fā)電廠和柴油卡車(chē)的顆粒物排放，以及水力壓裂技術(shù)對(duì)空氣和水質(zhì)的影響。EHS問(wèn)題在2003年核電的未來(lái)研究和2007年煤炭的未來(lái)研究中得到了突出體現(xiàn)。麻省理工學(xué)院能源倡議致力于將EHS方面與技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面同等納入其能源和氣候主題及相關(guān)研究項(xiàng)目的工作中。
在這項(xiàng)儲(chǔ)能未來(lái)研究的過(guò)程中，出現(xiàn)了幾個(gè)EHS問(wèn)題。研究團(tuán)隊(duì)考慮的儲(chǔ)能技術(shù)的多樣性以及這些技術(shù)在脫碳電力系統(tǒng)中可能發(fā)揮的不同作用阻礙了構(gòu)建EHS程序和最佳實(shí)踐的單一手冊(cè)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的EHS管理必須針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的特定技術(shù)、規(guī)模、應(yīng)用和物理位置進(jìn)行調(diào)整，從而導(dǎo)致在很大程度上根據(jù)具體情況采取不同的方法。但是，可以預(yù)期不同的技術(shù)類(lèi)別將具有特有的EHS問(wèn)題，這些問(wèn)題可能會(huì)對(duì)選址挑戰(zhàn)產(chǎn)生影響，告知操作限制，并需要引入輔助系統(tǒng)來(lái)安全管理存儲(chǔ)設(shè)施。
然而，這里有幾個(gè)與儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)的EHS問(wèn)題值得一提的例子。也許最重要和影響最深遠(yuǎn)的涉及鈷、鎳和釩等金屬礦石的開(kāi)采，必須大幅擴(kuò)展，以使電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在未來(lái)的能源系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。目前，這些礦石的開(kāi)采和選礦集中在非洲和拉丁美洲的發(fā)展中國(guó)家，這些國(guó)家可能缺乏足夠的監(jiān)管資源和執(zhí)法機(jī)制來(lái)有效管理EHS問(wèn)題。這些國(guó)家缺乏監(jiān)管能力，加劇了對(duì)這些問(wèn)題的擔(dān)憂，值得更多關(guān)注。其他技術(shù)引發(fā)了其他潛在的重要問(wèn)題：其示例包括與鋰離子電池相關(guān)的可燃性危害、傳統(tǒng)天然氣管道的氫氣導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)和氫泄漏的影響，以及抽水蓄能的生態(tài)和地質(zhì)影響。盡管該研究報(bào)告并未深入探討這些或其他與儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)的EHS問(wèn)題，但重要的是讓人們了解這些EHS主題的重要性。
還應(yīng)該提到的是，在更廣泛關(guān)注環(huán)境、社會(huì)和治理(ESG)問(wèn)題的背景下，ESG問(wèn)題日益受到關(guān)注，這些問(wèn)題包括氣候變化本身以及氣候相關(guān)政策對(duì)社區(qū)和收入分配的影響。目前，儲(chǔ)能創(chuàng)新、制造和部署對(duì)ESG的影響是微妙的，并且取決于挑戰(zhàn)廣泛評(píng)估的項(xiàng)目、技術(shù)和位置細(xì)節(jié)。因此，這份研究報(bào)告中關(guān)于投資公共資源以改進(jìn)建模和模擬工具的建議，包括能夠更好地了解具有儲(chǔ)能的脫碳電力系統(tǒng)的替代方法所帶來(lái)的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)結(jié)果的工具。
1.4、報(bào)告的結(jié)構(gòu)
本報(bào)告的其余部分由三個(gè)主要部分組成：儲(chǔ)能技術(shù)、系統(tǒng)建模以及對(duì)政策和創(chuàng)新的影響。而儲(chǔ)能技術(shù)部分分為四個(gè)章節(jié)，每個(gè)章節(jié)都側(cè)重于對(duì)電力行業(yè)具有重要意義的四個(gè)技術(shù)領(lǐng)域之一：電化學(xué)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能。每一章都對(duì)這四類(lèi)有前途的技術(shù)進(jìn)行高、中和低成本估算，用于分析未來(lái)的電力系統(tǒng)。
第2章涉及電化學(xué)儲(chǔ)能，重點(diǎn)介紹涉及不同化學(xué)和形式的三種電池儲(chǔ)能技術(shù)：鋰離子電池、氧化還原液流電池和金屬空氣電池。還簡(jiǎn)要介紹了過(guò)去已部署用于固定儲(chǔ)能的其他電池技術(shù)。本章的主要部分涉及材料成本和可用性，因?yàn)檫@些考慮因素可能對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的未來(lái)可擴(kuò)展性和采用產(chǎn)生重大影響。材料的重要性、供應(yīng)鏈、采購(gòu)的多樣性和回收考慮都是報(bào)告討論的一部分。
第3章考察了機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)，由兩個(gè)不同的部分組成。第一個(gè)涉及抽水蓄能，它仍然在全球儲(chǔ)能市場(chǎng)中占主導(dǎo)地位。本章的第二部分涉及壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(CAES)。由于壓縮空氣會(huì)產(chǎn)生大量熱量，CAES系統(tǒng)可以通過(guò)這些熱量是被丟棄還是被保存用于重新膨脹壓縮空氣來(lái)區(qū)分。只有后者才是真正的儲(chǔ)能技術(shù)，是第三章后半部分的重點(diǎn)。
第4章、討論了各種熱儲(chǔ)能方案。這些技術(shù)面臨的一個(gè)普遍挑戰(zhàn)是將熱能轉(zhuǎn)化為電能的效率很低。
這種低轉(zhuǎn)換效率涉及利用改造現(xiàn)有火力發(fā)電廠的機(jī)會(huì)。本章還研究了可能在2030年可用的熱泵等選項(xiàng)。最后，對(duì)2050年的超高溫選項(xiàng)進(jìn)行了研究，這些選項(xiàng)有望更有效地從熱能到電能的排放。第4章還探討了使用成本極低的材料開(kāi)發(fā)熱儲(chǔ)能的潛力，這可能會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的成本極具吸引力。最后，第5章著眼于化學(xué)儲(chǔ)能的選擇。由于大量能量存儲(chǔ)在化學(xué)鍵中，化學(xué)能量存儲(chǔ)具有有利的能量密度，這在空間有限或非常長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能應(yīng)用中非常有用。此外，這些鍵的化學(xué)穩(wěn)定性提供了非常低的自放電率，再次使化學(xué)品對(duì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能具有吸引力。本章以氫氣作為化學(xué)儲(chǔ)能的例子，因?yàn)?氫氣可以在一個(gè)步驟中直接從電力中產(chǎn)生（通過(guò)使用電流分解水分子），并且可以作為燃料用于發(fā)電或作為其他部門(mén)的原料或熱源。報(bào)告的第二部分使用來(lái)自四個(gè)技術(shù)章節(jié)的成本估算和有關(guān)其他技術(shù)屬性的信息，并結(jié)合容量擴(kuò)展模型，在兩個(gè)不同的背景下分析未來(lái)的電力系統(tǒng)：發(fā)達(dá)國(guó)家以及新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體(EMDE)。為了探索發(fā)達(dá)國(guó)家背景下未來(lái)脫碳系統(tǒng)的特征，研究了美國(guó)的三個(gè)地區(qū)：東北部、東南部和德克薩斯州；此外，在國(guó)家層面展示了結(jié)果，盡管其細(xì)節(jié)較少。印度被用作新興市場(chǎng)、發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體國(guó)家電力系統(tǒng)演進(jìn)的一個(gè)例子。在這些針對(duì)國(guó)家和地區(qū)的研究中，考慮了電力部門(mén)碳排放的許多不同限制，在排放下限的嚴(yán)格程度中，將美國(guó)電力系統(tǒng)在2018年平均排放量與2005年的實(shí)際排放量相比減少99.2%。印度的案例研究很有趣，不僅因?yàn)橛《瓤赡苤贫ǖ恼邥?huì)有所不同，而且因?yàn)殡娏π枨笥《群推渌l(fā)展中經(jīng)濟(jì)體(EMDE)國(guó)家的增長(zhǎng)可能比發(fā)達(dá)國(guó)家快得多。與此同時(shí)，印度沒(méi)有重要的國(guó)內(nèi)天然氣來(lái)源。這意味著印度的儲(chǔ)能選擇不必像在美國(guó)那樣激烈地與天然氣發(fā)電設(shè)施競(jìng)爭(zhēng)。
該研究的最后一節(jié)檢查技術(shù)和建模結(jié)果對(duì)監(jiān)管和政策決策的影響。第8章著眼于具有儲(chǔ)能功能的脫碳電力系統(tǒng)的治理，并考慮了替代的組織、監(jiān)管和政策安排如何使存儲(chǔ)在這些系統(tǒng)中發(fā)揮不同的作用以盡可能低的總成本，并適當(dāng)注意公平考慮。
這一章還討論了需要避免的重要安排，因?yàn)樗鼈儠?huì)破壞電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效部署和利用，并且會(huì)使其他行業(yè)更難用脫碳電力替代化石燃料。研究主要關(guān)注美國(guó)市場(chǎng)，盡管討論的一般問(wèn)題與其他發(fā)達(dá)地區(qū)相關(guān)。
第9章探討了技術(shù)創(chuàng)新在確保儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在未來(lái)的電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。它討論了為使儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)具有大量可變可再生能源的未來(lái)電力系統(tǒng)產(chǎn)生積極影響所需的創(chuàng)新性質(zhì)和步伐。此外，第9章指出了美國(guó)推進(jìn)創(chuàng)新的具體計(jì)劃，討論了應(yīng)該由誰(shuí)來(lái)領(lǐng)導(dǎo)這些計(jì)劃，并考慮了如何實(shí)施這些計(jì)劃以避免以前的錯(cuò)誤。
最后，該研究報(bào)告包括幾個(gè)附錄，提供了額外的詳細(xì)資料、參考數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，可能對(duì)一些讀者有所幫助。
（未完待續(xù)）
