中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：6.3 建模分析的結(jié)果
6.3.1 可再生能源、天然氣發(fā)電系統(tǒng)和鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)近乎完全脫碳
在“基本情況”情景中，只有當(dāng)今的的一些技術(shù)可以在2050年部署，即鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和抽水蓄能發(fā)電設(shè)施（在資源可用性限制內(nèi)）； 風(fēng)力發(fā)電設(shè)施和太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施；天然氣發(fā)電設(shè)施等。所有這些都取決于2050年的中間成本假設(shè)。風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施和鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)的成本在近年來(lái)顯著降低，預(yù)計(jì)在未來(lái)將變得更加便宜，即使沒有實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的脫碳，它們?cè)谶@種情況下的作用也會(huì)顯著地?cái)U(kuò)大目標(biāo)——正如研究團(tuán)隊(duì)對(duì)無(wú)碳限制排放政策的結(jié)果所反映的那樣。例如，對(duì)于“基本情況”和“無(wú)碳排放限制”政策，到2050年，風(fēng)力發(fā)電量和太陽(yáng)能發(fā)電量占德克薩斯州發(fā)電量的73%，而德克薩斯州電力可靠性委員會(huì)(ERCOT)服務(wù)區(qū)域在2018 年發(fā)電量的這一比例僅為16.5%。
由于沒有對(duì)負(fù)排放技術(shù)進(jìn)行建模，并且由于在模型中將排放量降至零的增量成本超過(guò)了這些技術(shù)的成本，因此強(qiáng)調(diào)5gCO2/kWh案例的結(jié)果最能代表極端脫碳情景。圖6.3和圖6.4總結(jié)了美國(guó)三個(gè)地區(qū)加強(qiáng)碳排放限制情景的關(guān)鍵建模系統(tǒng)結(jié)果。電力系統(tǒng)影響可以在裝機(jī)容量和系統(tǒng)成本之間以及儲(chǔ)能容量和可再生能源削減之間的權(quán)衡中觀察到。
圖6.3 在碳排放限制日益嚴(yán)格的情況下，美國(guó)東北部（NE）、東南部（SE）和德克薩斯州（TX）的裝機(jī)容量
（1）通過(guò)基本案例來(lái)總結(jié)對(duì)電力系統(tǒng)的影響
隨著美國(guó)這三個(gè)地區(qū)的碳排放限制政策的加強(qiáng)，天然氣發(fā)電能力逐漸被部署的規(guī)模更大的可變可再生能源發(fā)電設(shè)施和鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)以及天然氣發(fā)電設(shè)施所取代。值得注意的是，CCGT發(fā)電設(shè)施的容量系數(shù)從德克薩斯州的36%、美國(guó)東南部的54%和東北部的66%在無(wú)限制情況下下降到5gCO2/kWh，達(dá)到這三個(gè)地區(qū)的2%～5%。相對(duì)于在無(wú)碳排放限制政策情景中建模的已經(jīng)非常顯著的可再生能源裝機(jī)容量增加，在5gCO2/kWh的情況下，可再生能源的裝機(jī)容量增加：48%（德克薩斯州）、139%（東南部）和257%（東北部），并且增加了在0gCO2/kWh的情況下，185%（德克薩斯州）、281%（東南部）和500%（東北部）。
在美國(guó)這三個(gè)地區(qū)，可再生能源發(fā)電的可變性在基本情況下通過(guò)三種機(jī)制進(jìn)行管理：(1)天然氣發(fā)電設(shè)施的靈活運(yùn)營(yíng)以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期低可再生能源輸出；(2)在較短時(shí)期內(nèi)部署和利用儲(chǔ)能低可再生能源輸出；(3)優(yōu)化風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電的相對(duì)容量；(4)超過(guò)峰值負(fù)載的可再生能源部署。使用后一種方法，通常被稱為“過(guò)度建設(shè)”，在5gCO2/kWh的情況下，將持續(xù)時(shí)間限制在2～4小時(shí)的平均系統(tǒng)負(fù)載是成本最優(yōu)的。在模型允許區(qū)域內(nèi)輸電擴(kuò)展的地區(qū)，還看到在5gCO2/kWh情景中增加了46GW（東南部地區(qū)）和55GW（東北部地區(qū)）的輸電容量，以最大限度地利用高質(zhì)量的可再生能源設(shè)施服務(wù)于高需求地區(qū)。例如，在美國(guó)東南部地區(qū)，輸電容量擴(kuò)大，將佛羅里達(dá)州的可再生能源發(fā)電設(shè)施連接到佐治亞州的負(fù)載。
最佳可再生能源削減水平取決于研究區(qū)域的資源組合和可再生能源質(zhì)量（圖6.4）；在5gCO2/kWh情景中，觀察到美國(guó)東南部和東北部地區(qū)的可再生能源棄電率分別為6%～7%，德克薩斯州的可再生能源的棄電率為17%（由于風(fēng)力發(fā)電質(zhì)量更高，通常占可再生能源發(fā)電量的較大部分和太陽(yáng)能發(fā)電資源）。削減涉及使用行政或市場(chǎng)機(jī)制將會(huì)拒絕采用可再生能源發(fā)電。在中等成本假設(shè)下，鋰離子儲(chǔ)能的容量成本相對(duì)較高，這解釋了為什么該技術(shù)的成本優(yōu)化部署的持續(xù)時(shí)間（可提供的儲(chǔ)能容量與放電容量的比率）不到5小時(shí)的原因。
圖6.4在碳排放限制日益嚴(yán)格的情況下，美國(guó)東北部（NE）、東南部（SE）和德克薩斯州（TX）的年發(fā)電量、可再生能源系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）
相對(duì)于沒有碳排放限制（“無(wú)限制”）政策案例，將碳排放限制收緊至5gCO2/kWh會(huì)帶來(lái)更高的成本。在基本情況下，實(shí)現(xiàn)平均電網(wǎng)碳強(qiáng)度5gCO2/kWh（相對(duì)于無(wú)限制情況下的SCOE）的系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）增加百分比取決于資源可用性和負(fù)載變化，并且在三個(gè)地區(qū)有所不同，德克薩斯州占21%，東南部占23%，東北部占36%。這轉(zhuǎn)化為相對(duì)于“無(wú)限制”政策案例每噸碳排放量88美元到644美元的邊際減排成本（表6.7）。這些高邊際成本表明降低負(fù)排放技術(shù)或長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能成本的價(jià)值。在沒有其他政策的情況下，它們也是有效地衡量碳價(jià)格的措施，為實(shí)現(xiàn)這些脫碳水平提供足夠的激勵(lì)。在所有地區(qū)，隨著化石燃料發(fā)電設(shè)施的作用下降，運(yùn)營(yíng)成本的降低部分抵消了可再生能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)等資本密集型資源的投資成本增加。
表6.7 各種排放政策限制下的碳減排邊際成本和平均成本
此外，建模結(jié)果表明，使用可再生能源發(fā)電設(shè)施和鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行脫碳和無(wú)服務(wù)能源事件（即非自愿的削減需求）沒有重大影響，至少在考慮供需平衡時(shí)。假設(shè)無(wú)服務(wù)負(fù)荷值為5萬(wàn)美元/MWh，模擬電網(wǎng)脫碳情景的無(wú)服務(wù)能源事件通常非常小（例如，德克薩斯州年需求的0.0003%，如表6.8所示）。如上所述，這些發(fā)現(xiàn)基于對(duì)7年中的可再生能源可變性的建模，并具有完美的負(fù)荷預(yù)測(cè)（與可再生資源可變性不一致）和發(fā)電，但它們并沒有考慮極端天氣事件（例如極端熱浪和寒流）對(duì)相關(guān)負(fù)載和發(fā)電中斷的影響。
表6.8 德克薩斯州在各種碳排放政策限制下的可靠性結(jié)果
在0gCO2/kWh情景中，鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署顯著增加，這三個(gè)地區(qū)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間平均達(dá)到8～16小時(shí)。美國(guó)東南部的也增加了系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）（相對(duì)于無(wú)碳排放限制情況），增加了62%，德克薩斯州增加91%，美國(guó)東北部增加127%。這一成本增加對(duì)應(yīng)于143/噸～358美元/噸的碳排產(chǎn)量平均成本以及與5gCO2/kWh碳排放限制相比顯著更高的邊際成本。在可以擴(kuò)大抽水蓄能(PHS)發(fā)電設(shè)施規(guī)模的美國(guó)東北部和東南部地區(qū)，研究團(tuán)隊(duì)還觀察到在0gCO2/kWh的情況下，安裝的抽水蓄能（PHS）設(shè)施的儲(chǔ)能容量（持續(xù)時(shí)間為12小時(shí)）分別增加了107%和16%。然而，如上所述，這種情況代表了對(duì)零碳電力系統(tǒng)的嚴(yán)格定義，不包括使用天然氣發(fā)電，也不包括采用碳捕集與儲(chǔ)存(CCS)技術(shù)（<100%捕獲率）和任何負(fù)排放技術(shù)。因此，研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)5gCO2/kWh情景的研究結(jié)果更能代表電力系統(tǒng)深度脫碳的現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)略。研究團(tuán)隊(duì)的0gCO2/kWh情景的結(jié)果突出了天然氣發(fā)電設(shè)施或其他一些可調(diào)度發(fā)電能力的價(jià)值，在以鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為唯一儲(chǔ)能技術(shù)的近零碳電力系統(tǒng)的成本中，其使用需要非常謹(jǐn)慎。這些結(jié)果也說(shuō)明了低成本負(fù)排放技術(shù)的潛在價(jià)值?？傮w而言，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)基本案例的分析表明，從平衡每小時(shí)能源供需的角度來(lái)看，電力系統(tǒng)幾乎完全脫碳是可行的，與無(wú)碳排放限制案例相比，電力成本從21%增加到36%，基于到2050年預(yù)計(jì)的技術(shù)成本下降。
研究發(fā)現(xiàn)，從能源供需平衡的角度來(lái)看，電力系統(tǒng)完全脫碳似乎是可行的，而使用可再生能源發(fā)電設(shè)施、天然氣發(fā)電設(shè)施和鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，不會(huì)造成嚴(yán)重的可靠性問題或系統(tǒng)平均成本的大幅增加。
（2）基本情況區(qū)域差異
有趣的是，在沒有任何碳排放政策的情況下，研究中的美國(guó)三個(gè)地區(qū)實(shí)現(xiàn)了非常不同的碳排放強(qiáng)度，這是基于研究團(tuán)隊(duì)基于美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL）的高電氣化情景用于最終用途。在無(wú)限制情況下，2018年實(shí)際碳排放強(qiáng)度與2050年模擬碳排放強(qiáng)度之間的差異可以用三個(gè)因素來(lái)解釋：（1）研究團(tuán)隊(duì)沒有對(duì)假設(shè)到2050年退役的現(xiàn)有化石燃料發(fā)電設(shè)施進(jìn)行建模；(2)即使沒有碳排放限制，部署新的可再生能源和天然氣發(fā)電在經(jīng)濟(jì)上是有利的，預(yù)計(jì)將在很大程度上取代現(xiàn)有資產(chǎn)；(3)2050年的電力需求預(yù)計(jì)將遠(yuǎn)高于2018年的需求，并且由于其他終端用途的電氣化，預(yù)計(jì)其時(shí)間分布也將有所不同。在無(wú)碳排放限制的政策案例中，可再生能源發(fā)電的確切份額受到每個(gè)地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電質(zhì)量的推動(dòng)，以及由于交通運(yùn)輸和電氣化水平會(huì)影響可再生能源的滲透率和后續(xù)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求。相對(duì)于美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL）的參考電氣化場(chǎng)景，高電氣化場(chǎng)景導(dǎo)致對(duì)電力和儲(chǔ)能容量的需求增加，但對(duì)可再生能源棄電和平均系統(tǒng)成本的影響較小（圖6.5)。例如，研究團(tuán)隊(duì)觀察到5gCO2/kWh政策案例的系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）僅增加了5%。當(dāng)沒有碳排放限制時(shí)，電氣化對(duì)排放強(qiáng)度的影響最為顯著。在研究團(tuán)隊(duì)的無(wú)限制案例中，在高電氣化需求情景下，美國(guó)東北部的平均系統(tǒng)范圍內(nèi)的碳排放量為253gCO2/kWh，與參考電氣化案例（228gCO2/kWh）相比高出11%。由于供暖和交通的電氣化程度不斷提高，需求狀況的變化降低了可再生能源資源的價(jià)值，并提高了可調(diào)度天然氣發(fā)電量的最佳水平，從而導(dǎo)致更高的電力系統(tǒng)平均的碳排放強(qiáng)度。
圖6.5 美國(guó)東北部和德克薩斯州不同電氣化水平的系統(tǒng)影響
在電氣化負(fù)荷高水平的假設(shè)下，研究團(tuán)隊(duì)在無(wú)碳排放限制政策案例中觀察到以下地區(qū)的碳排放強(qiáng)度：德克薩斯州為92gCO2/kWh，東南部為158gCO2/kWh，東北部為253gCO2/kWh。基于這些結(jié)果，即使沒有任何碳排放限制，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)中葉發(fā)生的脫碳量在德克薩斯州尤其引人注目，該州2050年的模擬排放強(qiáng)度比2018年的碳排放強(qiáng)度低81%（表6.9）。這是因?yàn)?，在德克薩斯州，低成本的可再生能源技術(shù)與優(yōu)質(zhì)的資源相結(jié)合，推動(dòng)了對(duì)資本成本較高的燃料發(fā)電設(shè)施的替代。相比之下，在美國(guó)東北部，無(wú)碳排放限制情況下模擬的2050年碳排放強(qiáng)度比2018年的實(shí)際排放強(qiáng)度高出2%。這可能部分是由于年度需求大幅增加，包括從夏季達(dá)峰到冬季達(dá)峰的轉(zhuǎn)變，截至2018年，燃煤發(fā)電在該地區(qū)電力結(jié)構(gòu)中的作用相對(duì)較小，到2050年現(xiàn)有核電設(shè)施預(yù)計(jì)將退役，而美國(guó)東北地區(qū)可再生能源資源質(zhì)量較低且成本較高。
實(shí)現(xiàn)5gCO2/kWh的碳排放強(qiáng)度目標(biāo)要求到2050年，電力部門的碳排放量與2018年的水平相比減少98%，而美國(guó)東北地區(qū)的碳排放量比2018年的水平減少99%，美國(guó)東南部地區(qū)的碳排放量減少93%，德克薩斯州的無(wú)碳電力減少92%。表6.9顯示了這些模型結(jié)果如何轉(zhuǎn)化為其他常用的脫碳指標(biāo)（例如碳排放百分比相對(duì)于歷史排放量和無(wú)碳發(fā)電在總發(fā)電量中所占份額的減少）。
表6.9 不同脫碳目標(biāo)下模擬減排結(jié)果的替代指標(biāo)匯總
美國(guó)東南部與其他地區(qū)不同，因?yàn)榧僭O(shè)現(xiàn)有電廠的使用壽命為80年，2050年之后的幾年內(nèi)可能會(huì)有大量核電（25GW）可用。圖6.6比較了以下情景的建模結(jié)果：（1）大多數(shù)保留現(xiàn)有核電設(shè)施（作為零碳可調(diào)度資源）；(2)所有核電設(shè)施都退役。研究團(tuán)隊(duì)看到，在前一種情況下，現(xiàn)有的可用核電設(shè)施與所有核電設(shè)施退役的情景相比，核電在無(wú)碳限制情景中將美國(guó)東南部的系統(tǒng)成本降低6%，在5gCO2/kWh情景中降低11%，在0gCO2/kWh情景中降低15%。其收益來(lái)自于對(duì)不可調(diào)度的可再生能源資源（主要是太陽(yáng)能）的資本投資的置換。這些結(jié)果與先前關(guān)于可調(diào)度低碳發(fā)電在降低電力部門脫碳成本方面的好處的研究結(jié)果一致。
圖6.6 美國(guó)東南部核電可用性的系統(tǒng)影響
研究發(fā)現(xiàn)，在電力部門沒有任何碳排放限制的情況下，這里研究的三個(gè)美國(guó)地區(qū)（德克薩斯州、東北部和東南部）在相同的2050年技術(shù)成本假設(shè)下實(shí)現(xiàn)了截然不同的碳排放強(qiáng)度。這些差異主要是由于可再生資源質(zhì)量和負(fù)荷分布的區(qū)域差異造成的。
6.3.2 增加長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的影響
隨著可再生能源資源滲透率的增加，對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間（即幾天和幾周）的電網(wǎng)平衡的需求將會(huì)增長(zhǎng)。這可能為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能（LDES）技術(shù)創(chuàng)造價(jià)值。與鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，預(yù)計(jì)2050年可用的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能（LDES）技術(shù)將具有更低的儲(chǔ)能容量成本、更高的裝機(jī)容量成本和更低的往返效率(RTE)（圖6.7）。
圖6.7 按裝機(jī)容量和儲(chǔ)能容量的資本成本分組的儲(chǔ)能技術(shù)類別
研究團(tuán)隊(duì)的分析考慮了四種不同的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能（LDES）技術(shù)，正如這份研究報(bào)告前面以技術(shù)為重點(diǎn)的章節(jié)中所定義的那樣：氧化還原液流電池（RFB）、金屬空氣電池、氫氣儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能。這些技術(shù)處于不同的成熟度；因此，研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)旨在了解不同類別儲(chǔ)能技術(shù)的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)，而不是確定最有利的每個(gè)類別中的技術(shù)。圖6.7突出顯示了基于三個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)屬性中的兩個(gè)的儲(chǔ)能技術(shù)分類：1類技術(shù)具有最低的裝機(jī)容量成本、相對(duì)較高的儲(chǔ)能容量成本和高往返效率（例如鋰離子電池）；2類技術(shù)具有中等功率和儲(chǔ)能容量成本以及往返效率（例如氧化還原液流電池）；第3類技術(shù)具有高裝機(jī)容量成本、低儲(chǔ)能容量成本和低往返效率（例如金屬空氣電池、氫氣和熱儲(chǔ)能等新興的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)）。
除了圖6.7中顯示的屬性外，其他成本和性能屬性（顯示在表6.3中）在比較每個(gè)類別內(nèi)部和跨類別的儲(chǔ)能技術(shù)時(shí)也很重要。例如，最近的研究表明，除了儲(chǔ)能容量成本之外，放電效率是影響零碳電力系統(tǒng)中長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能（LDES）的價(jià)值（即具有降低成本的潛力）的另一個(gè)重要技術(shù)屬性。
（1）添加液流電池的影響（1、2類）
研究團(tuán)隊(duì)首先使用第2章中討論的估計(jì)成本和性能參數(shù)來(lái)探索添加液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響。正如研究團(tuán)隊(duì)在那里指出的那樣，與鋰離子電池相比，液流電池在儲(chǔ)能容量方面可以提供更低的資本成本；它們還具有潛在的附加優(yōu)勢(shì)，即能夠以較低的成本恢復(fù)儲(chǔ)能容量損失。從電力系統(tǒng)的角度來(lái)看，這會(huì)導(dǎo)致與鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量資本和固定運(yùn)營(yíng)和維護(hù)(FOM)成本更低，以及相當(dāng)?shù)耐敌?。與鋰離子電池相比，液流電池的缺點(diǎn)是它們的裝機(jī)容量的固定成本相對(duì)較高。這意味著在涉及長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的應(yīng)用中，液流電池可能比鋰離子電池更受青睞。
圖6.8比較了美國(guó)東北部和德克薩斯州在鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和液流電池成本的未來(lái)合情景下的儲(chǔ)能容量。當(dāng)具有碳排放限制時(shí)，液流電池在中等成本假設(shè)下（圖6.8中每個(gè)面板底部的第三行）在很大程度上可以取代鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng) ，并增加可交付的儲(chǔ)能容量（如圖6.8中每個(gè)面板的底行所示）。這種從鋰離子電池到液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變對(duì)已安裝的儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量和可再生能源棄電影響較小。盡管在圖中很難看出液流電池取代了大量可調(diào)度的化石燃料容量。對(duì)于5gCO2/kWh的情況，中等成本液流電池技術(shù)（定義見表6.3）的可用性導(dǎo)致美國(guó)東南部地區(qū)的天然氣發(fā)電量下降9%，而美國(guó)東北部和德克薩斯州的天然氣發(fā)電量下降16%，相比之下，在基本情況的這種影響隨著更嚴(yán)格的碳排放限制而增加。
圖6.8 在美國(guó)東北部和德克薩斯州部署的液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)增加對(duì)電力系統(tǒng)的影響
探索對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的低、中、高成本合理假設(shè)的敏感性，并總結(jié)以下幾點(diǎn)：（1）在研究團(tuán)隊(duì)使用液流電池技術(shù)分析的所有場(chǎng)景中，液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間為7～27小時(shí)，而鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間為1～5小時(shí)。(2)在可用的情況下，兩種技術(shù)都部署在所有場(chǎng)景中，這表明從電力系統(tǒng)的角度來(lái)看，這兩種技術(shù)都不是主導(dǎo)的。(3)液流電池的可用性使得更多的可再生能源能夠替代天然氣發(fā)電設(shè)施，這反映了長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的價(jià)值和儲(chǔ)能容量成本更低。例如，中等成本和低成本的液流電池（以及中等成本的鋰離子電池）將德克薩斯州的天然氣發(fā)電量減少9GW～27GW，并將可再生能源發(fā)電量相對(duì)于基本情況增加10GW～23GW。(4)與基本情況相比，添加液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)降低了電力系統(tǒng)成本，在5gCO2/kWh的情況下觀察到的成本降低幅度最大，其中包括兩種電池技術(shù)的低成本假設(shè)（東北部為12%，德克薩斯州為14%，東南部為16%）。
（2）添加新興長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的影響（1、2、3類）
3類長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)（由圖6.7中的藍(lán)框表示）的儲(chǔ)能容量成本低于液流電池，但其裝機(jī)容量成本通常較高。盡管它們的往返效率通常也比鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)或液流電池儲(chǔ)能技術(shù)低得多，但它們可能會(huì)促進(jìn)部署持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)和幾乎完全取代可調(diào)度發(fā)電容量。鑒于此類長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)相對(duì)不成熟，研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估它們的潛在系統(tǒng)影響，并假設(shè)到2050年這些技術(shù)中的任何或所有技術(shù)都可以在商業(yè)規(guī)模上擴(kuò)展。在中等長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能成本和性能方案中研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估后發(fā)現(xiàn)，與沒有采用長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的情景相比，采用的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)替代了天然氣和可再生能源，減少了風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的棄電情況，并適度降低了系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）。圖6.9和圖6.10總結(jié)了美國(guó)三個(gè)地區(qū)不同級(jí)別長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能可用性的關(guān)鍵模型輸出。
圖6.9 在美國(guó)東北部、東南部和德克薩斯州的一系列碳排放限制條件下，增加液流電池+長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)裝機(jī)容量和系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）的影響
圖6.10 在一系列碳排放限制條件下，增加液流電池+長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)裝機(jī)容量和可再生能源削減的影響
與鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，具有較低的儲(chǔ)能容量成本和較低放電效率的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)脫碳的影響最大，因?yàn)樵跊]有采用碳捕集與儲(chǔ)存(CCS）技術(shù)的情況下不能選擇天然氣發(fā)電（如在高度限制性的0gCO2/kWh情景中）。這是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)直接與天然氣發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)，在長(zhǎng)期低可再生能源輸出期間提供供應(yīng)。這有多重要取決于該地區(qū)的可再生能源資源質(zhì)量。在5gCO2/kWh的情況下，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能（第3類）的優(yōu)化部署可將化石能源發(fā)電能力（有和沒有CCS的天然氣發(fā)電廠和核電設(shè)施）的需求相對(duì)于基礎(chǔ)減少9%～45%（圖6.9）?；剂习l(fā)電設(shè)施將被可再生能源取代，相對(duì)于基本情況，美國(guó)東北部增加了6%～9%，東南部增加了5%～14%，德克薩斯州增加了4%～9%。實(shí)際上，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的可用性使儲(chǔ)能系統(tǒng)更接近可調(diào)度，從而增加了其對(duì)電力系統(tǒng)的價(jià)值。在中等成本假設(shè)下，資本成本較低的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的增量可用性有助于在圖6.9所示的5gCO2/kWh情景下三個(gè)地區(qū)的系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）降低3%至9%。
研究團(tuán)隊(duì)的分析還表明，在模擬區(qū)域中安裝的儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量和可再生能源發(fā)電削減之間存在明顯的權(quán)衡。當(dāng)在5gCO2/kWh的情況下使用長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)是最佳選擇的時(shí)候，其持續(xù)時(shí)間通常比與鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)或液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)得多（圖6.10）。在分析的情景中，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間在39到59小時(shí)之間，而鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間為1～2小時(shí)，液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間為6～11小時(shí)。這些持續(xù)時(shí)間轉(zhuǎn)化為可交付的總持續(xù)時(shí)間6～18小時(shí)（跨長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能選項(xiàng)和建模的區(qū)域）的儲(chǔ)能容量。在5gCO2/kWh的情況下，東北部和東南部的最佳可再生能源棄電從沒有部署長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的5%～6%降低到部署長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的2%～6%）。德克薩斯州的最佳可再生能源削減量從沒有采用長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的19%減少到采用長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的13%～17%，碳排放強(qiáng)度限制為5gCO2/kWh。德克薩斯州相對(duì)較高的可再生能源削減量，即使采用長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，也反映了該地區(qū)較高的可再生能源資源質(zhì)量，這降低了過(guò)度部署可再生能源的成本損失，從而降低了儲(chǔ)能系統(tǒng)的邊際價(jià)值。
在所有三類儲(chǔ)能技術(shù)（即鋰離子電、液流電池和3類長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)）都可用的情況下，研究團(tuán)隊(duì)觀察到液流電池和長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)部分替代了鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。這種替代對(duì)于儲(chǔ)能容量更為突出。例如，在5gCO2/kWh的情況下，當(dāng)同時(shí)考慮液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)的時(shí)候，美國(guó)東北地區(qū)鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)可交付的儲(chǔ)能容量減少了97%～98%。這表明主要為更長(zhǎng)的周期建造長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)施更具經(jīng)濟(jì)效率。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的可用性對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量影響較小，因?yàn)樵诙唐趦?chǔ)能應(yīng)用中部署鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)仍然更有效。鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的替代性更強(qiáng)，因?yàn)檫@些技術(shù)在裝機(jī)容量和儲(chǔ)能容量成本和往返效率(RTE)方面更相似。
鑒于與不同類別的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)相關(guān)的顯著成本和運(yùn)營(yíng)變化（表6.3），研究團(tuán)隊(duì)還探討了長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)資源的低成本和高成本假設(shè)如何影響系統(tǒng)結(jié)果。這些實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致以下觀察結(jié)果：(1)當(dāng)沒有采用碳捕集與儲(chǔ)存(CCS)技術(shù)的天然氣發(fā)電設(shè)施不是一種理想選擇時(shí)，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)脫碳的影響最大（例如，在此處建模的0gCO2/kWh情景的情況下）);(2)即使在研究團(tuán)隊(duì)的高成本情況下，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)資源的可用性也可以增加可再生能源部署并取代天然氣發(fā)電設(shè)施；(3)鋰離子電池和液流電池技術(shù)之間的成本差異與研究團(tuán)隊(duì)建模的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)之間的成本差異相比對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響更大。
研究團(tuán)隊(duì)在這里展示了0gCO2/kWh的情況，因?yàn)樵诿绹?guó)東北部，氫氣僅用于這種極端情況（圖6.11）。如上所述，這是對(duì)零碳電力系統(tǒng)的更嚴(yán)格定義，而不是政策制定者所設(shè)想的“凈零”目標(biāo)。盡管如此，0gCO2/kWh的情況有助于對(duì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)和建模區(qū)域進(jìn)行比較。特別是，在這種非常嚴(yán)格的碳限制水平下，氫氣電池與金屬-空氣電池的部署差異表明，具有更高放電效率的技術(shù)可能對(duì)電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能應(yīng)用更有價(jià)值。在德克薩斯州，氫氣以較低的脫碳水平部署，例如5gCO2/kWh（圖6.12）。在這種碳排放限制下，低成本氫氣的可用性改變了德克薩斯州風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的組合，但相對(duì)于中等成本氫氣的情況，它不會(huì)產(chǎn)生最佳的可再生能源和儲(chǔ)能組合的凈變化。然而，低成本氫氣的可用性確實(shí)將天然氣發(fā)電量降低了9%，同時(shí)將總可交付的發(fā)電量提高了十倍以上。
圖6.11 在美國(guó)東北地區(qū)一系列碳排放限制條件下，低、中、高成本氫氣（頂行）和金屬空氣電池（底行）儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)裝機(jī)容量、儲(chǔ)能容量和系統(tǒng)平均電力成本（SCOE的影響
圖6.11表明，美國(guó)東北部署地區(qū)的可再生能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的最佳組合和系統(tǒng)成本不會(huì)因此處評(píng)估的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本變化而發(fā)生明顯變化。對(duì)于5gCO2/kWh情況下，低成本的金屬空氣電池儲(chǔ)能系統(tǒng)將會(huì)降低1%的系統(tǒng)平均電力成本（SCOE），而高成本的金屬空氣電池儲(chǔ)能系統(tǒng)相對(duì)于中等成本的金屬空氣電池增加1%的系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）。對(duì)替代天然氣發(fā)電設(shè)施的影響比對(duì)增加儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量的影響更明顯：相對(duì)于假設(shè)中等成本金屬-空氣的情景，這種儲(chǔ)能容量的增加具有取代23%的天然氣發(fā)電量的效果。就持續(xù)時(shí)間而言，低成本的金屬-空氣電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有61小時(shí)的持續(xù)時(shí)間，而在高成本和中等成本的情況下為34～41小時(shí)。這意味著可交付的儲(chǔ)能容量相當(dāng)于低成本情況下21小時(shí)的平均負(fù)載、中等成本情況下9小時(shí)和高成本情況下不到3小時(shí)的平均負(fù)載。
鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本變化與長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)的成本變化相比，對(duì)系統(tǒng)成本的影響更大。在研究團(tuán)隊(duì)考慮的所有地區(qū)和所有長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本范圍內(nèi)，低成本鋰離子和液流電池技術(shù)的可用性取代了對(duì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的所有需求（圖6.11和圖6.12中）。這表明，如果這些技術(shù)的成本足夠低，那么僅通過(guò)較短持續(xù)時(shí)間的儲(chǔ)能技術(shù)就可以經(jīng)濟(jì)地滿足電力系統(tǒng)的可靠性要求。研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該注意到，此處考慮并在表6.3中定義的氫氣的替代成本假設(shè)仍然反映了作為壓縮氣體的地上儲(chǔ)存成本。在某些地方，地下地質(zhì)儲(chǔ)氫可能會(huì)降低儲(chǔ)存成本，其可用性增加了儲(chǔ)氫對(duì)電網(wǎng)脫碳的價(jià)值。當(dāng)然，電力部門以外的氫氣的大規(guī)模使用也會(huì)增加儲(chǔ)氫的價(jià)值。
圖6.12 德克薩斯州地區(qū)一系列碳排放限制條件下低、中、高成本氫氣對(duì)裝機(jī)容量、儲(chǔ)能容量和系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）的影響
研究發(fā)現(xiàn)，與鋰離子電池技術(shù)相比，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更低的儲(chǔ)能容量成本和更低的往返效率，當(dāng)不能選擇沒有采用碳捕集與儲(chǔ)存(CCS)技術(shù)的天然氣發(fā)電時(shí)（對(duì)應(yīng)于研究團(tuán)隊(duì)的0gCO2/kWh政策案例），長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)脫碳的影響最大，根據(jù)這一分析中使用的假設(shè)。一般來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)在優(yōu)化部署時(shí)可以替代天然氣發(fā)電設(shè)施，增加可再生能源發(fā)電的價(jià)值，并適度降低系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）。
（3）短時(shí)儲(chǔ)能與長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的運(yùn)行模式
研究團(tuán)隊(duì)的模型突出了各類儲(chǔ)能技術(shù)的不同運(yùn)行模式，這些模式受單個(gè)技術(shù)的屬性和系統(tǒng)條件（例如碳排放限制的嚴(yán)格性）的影響。圖6.13顯示了在研究團(tuán)隊(duì)的深度脫碳的德克薩斯系統(tǒng)模型中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)頻率（深度放電和充電循環(huán)），其中鋰離子電池和氫氣作為可用的儲(chǔ)能技術(shù)。正如預(yù)期的那樣，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)以其相對(duì)較低的裝機(jī)容量成本、相對(duì)較高的儲(chǔ)能容量成本和較高的往返效率(RTE)主要用于短期儲(chǔ)能應(yīng)用中，而氫氣儲(chǔ)能則具有較高的電力成本但較低的儲(chǔ)能容量成本和往返效率(RTE)，與鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，主要用于更長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景。然而，這些運(yùn)行模式并不是每種儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)獨(dú)有的，研究團(tuán)隊(duì)看到鋰離子電池儲(chǔ)能有時(shí)會(huì)執(zhí)行相對(duì)較長(zhǎng)的充電/放電循環(huán)，而氫氣儲(chǔ)能有時(shí)會(huì)快速循環(huán)。此外，儲(chǔ)能技術(shù)的最佳運(yùn)行模式也受到碳排放限制的影響：更嚴(yán)格的碳排放限制會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的充放電周期，如圖6.13的頂部和底部的比較所示。
圖6.13 德克薩斯州鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和儲(chǔ)氫系統(tǒng)的荷電狀態(tài)（SoC）示例
正如研究中所討論的，儲(chǔ)能技術(shù)不遵循簡(jiǎn)單的充放循環(huán)模式。最優(yōu)運(yùn)行比發(fā)電技術(shù)的邊際成本調(diào)度規(guī)則更復(fù)雜。
應(yīng)用于儲(chǔ)能技術(shù)充電狀態(tài)時(shí)間序列的頻率分析是應(yīng)對(duì)復(fù)雜性和量化操作行為的有用方法，因?yàn)檫@種類型的分析可用于量化不同頻率（或循環(huán)模式）在儲(chǔ)能技術(shù)中的相對(duì)重要性充電時(shí)間曲線的最佳存儲(chǔ)狀態(tài)。頻率分析的結(jié)果應(yīng)用于與圖6.13所示的儲(chǔ)能荷電狀態(tài)變量相關(guān)的模型輸出，表6.10表明，對(duì)于10gCO2/kWh的情況，儲(chǔ)氫主要表現(xiàn)在一個(gè)月內(nèi)發(fā)生的循環(huán)中（充電和放電）；對(duì)于1gCO2/kWh的情況，循環(huán)頻率會(huì)降低，并且主要是季節(jié)性的(64%)。與其相反，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)顯示出每天和每周充放電循環(huán)的趨勢(shì)。在10gCO2/kWh的情況下，每日和每周充放電循環(huán)占運(yùn)行模式的73%；在1gCO2/kWh的情況下，它們僅占運(yùn)行模式的52%。值得強(qiáng)調(diào)的是，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在1gCO2/kWh的情況下也顯示出很大比例的季節(jié)性循環(huán)（35%），這反映了這一技術(shù)在一年中的某些時(shí)期的使用頻率低于其他時(shí)期的事實(shí)。
表6.10 不同頻帶的RMS對(duì)最佳電荷儲(chǔ)存狀態(tài)時(shí)間的貢獻(xiàn)
研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)部署多種儲(chǔ)能技術(shù)成本最優(yōu)時(shí)，儲(chǔ)能容量資本成本最低的儲(chǔ)能技術(shù)通常最適合提供長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。然而，與最優(yōu)發(fā)電調(diào)度不同，最優(yōu)儲(chǔ)能容量由于儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)值變化而變得復(fù)雜。因此，所有部署的儲(chǔ)能技術(shù)都將以不同持續(xù)時(shí)間的充電/放電循環(huán)運(yùn)行?；诔淌交潆?放電曲線的儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本簡(jiǎn)化評(píng)估忽略了這種動(dòng)態(tài)，并可能提供對(duì)儲(chǔ)能價(jià)值的不太準(zhǔn)確的評(píng)估。
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