中國儲能網(wǎng)訊：第9章——技術(shù)創(chuàng)新和儲能技術(shù)的未來
9.1簡介
本章探討了技術(shù)創(chuàng)新在確保儲能系統(tǒng)在未來電力系統(tǒng)中發(fā)揮的重要作用。出于探討的目的，研究團隊使用“創(chuàng)新”一詞來指代新產(chǎn)品或業(yè)務(wù)實踐從創(chuàng)意到商業(yè)部署的轉(zhuǎn)變。而能源技術(shù)和其他技術(shù)的創(chuàng)新過程經(jīng)歷了五個階段：“創(chuàng)意→研發(fā)→中試工程→技術(shù)示范→部署?！?
創(chuàng)新并不會以平穩(wěn)或可預(yù)測的方式進行。許多反饋可能要求修改、加速或放慢創(chuàng)新計劃。例如，基礎(chǔ)研究通常在早期創(chuàng)意創(chuàng)造中發(fā)揮決定性作用。但是，需要通過針對性的基礎(chǔ)研究克服只在部署中出現(xiàn)的限制。同樣，部署新技術(shù)時通常會提出值得探索的新想法。
而在市場經(jīng)濟中，成功的創(chuàng)新需要在每個階段綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟和監(jiān)管各方面。該過程的早期階段通常依賴于“技術(shù)推動”，以公共或私人投資的形式對創(chuàng)意和研發(fā)進行投資；而在后期，市場拉動的作用越來越大。早期項目主要需要財務(wù)支持來支付部署前的開發(fā)成本。后期項目必須吸引愿意承擔(dān)財務(wù)風(fēng)險的投資者的私募股權(quán)和債務(wù)組合，以期獲得基于對項目收入和成本的可靠預(yù)測的回報。此類項目的目標是通過展示性能和成本來說服股權(quán)和債務(wù)投資者相信新技術(shù)的商業(yè)可行性。因此，需要不同的金融工具或監(jiān)管要求來鼓勵在創(chuàng)新過程的早期和后期階段取得進展。
新技術(shù)實現(xiàn)商業(yè)化的主要風(fēng)險超出了對困難或成本的樂觀估計，還涉及外部因素，例如市場不確定性、監(jiān)管標準的變化、政府政策的轉(zhuǎn)變、公眾的反對以及基于對未來錯誤假設(shè)的規(guī)劃。對于能源技術(shù)，由具有技術(shù)、經(jīng)濟、監(jiān)管和公共宣傳專業(yè)知識的個人組成的綜合項目開發(fā)團隊的參與，可以幫助預(yù)測和應(yīng)對只有技術(shù)專家參與時才能了解的挑戰(zhàn)。
美國具有先進的創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施。其研究經(jīng)費主要來自美國聯(lián)邦政府，美國工業(yè)行業(yè)與高校密切合作促進了基礎(chǔ)研究。這項研究是在有效的知識產(chǎn)權(quán)制度保護下開展的，促使大量私人資本流入，為各個領(lǐng)域的大量初創(chuàng)企業(yè)提供資金。美國在創(chuàng)新方面的比較優(yōu)勢在于早期的創(chuàng)意創(chuàng)造和研發(fā)。除了生物醫(yī)藥之外，美國在制造和供應(yīng)鏈管理方面不如許多亞洲國家和一些歐盟國家強大。能源創(chuàng)新中的一個標志性例子是太陽能發(fā)電技術(shù)。在上世紀70年代和80年代，美國能源部(DOE)為材料和儀器的研發(fā)提供了大量資金支持，以生產(chǎn)低缺陷的硅晶片的光伏電池。但正是中國和其他亞洲國家（韓國、馬來西亞和日本）的相在企業(yè)開始大規(guī)模和低成本地制造優(yōu)質(zhì)光伏組件，從而使他們能夠在美國和歐盟的市場競爭中獲得優(yōu)勢。
美國能源部在創(chuàng)新方面的優(yōu)勢是建立多年的成就之上，并將繼續(xù)支持創(chuàng)意創(chuàng)造和早期能源研發(fā)。美國能源部龐大而資金充足的科學(xué)辦公室是美國物理科學(xué)技術(shù)的最大支持者。其國家實驗室每年獲得約100億美元的資金用于國家安全和能源相關(guān)的研發(fā)。盡管在鼓勵向私營部門轉(zhuǎn)讓技術(shù)方面做出了出色的工作和努力，但在通過研發(fā)創(chuàng)造商業(yè)產(chǎn)品方面，其生產(chǎn)力不如大學(xué)機構(gòu)和私營公司。這部分是因為美國能源部國家實驗室的創(chuàng)新重點是開發(fā)技術(shù)和提高性能。因此，很少強調(diào)成本、批量制造設(shè)計以及滿足客戶偏好。
在美國聯(lián)邦政府支持能源創(chuàng)新方面，最近的一個重要的發(fā)展可能是在美國能源部內(nèi)部建立了一個新機構(gòu)，即高級能源研究計劃署 (ARPA-E)。該機構(gòu)以美國國防高級研究計劃局（DARPA）為藍本創(chuàng)建，高級能源研究計劃署 (ARPA-E)引入了全新的方法來征集、評估和快速資助新企業(yè)，同時監(jiān)督項目進度，旨在更有效地開發(fā)顛覆性清潔能源技術(shù)。美國政府提議創(chuàng)建一個新機構(gòu)：ARPA-Climate，但成立該機構(gòu)的目的和范圍以及它與高級能源研究計劃署 (ARPA-E)的關(guān)系尚不清楚。
美國能源部在下游產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新方面的記錄顯然喜憂參半。它管理的幾個大型能源技術(shù)示范項目，主要是通過私營公司與美國政府直接談判的合同實施，這可能導(dǎo)致代價高昂的失敗；其典型的例子包括1972年的Clinch River增殖反應(yīng)堆、2003年的Future Gen碳捕獲和封存項目，以及1981年在加利福尼亞州的Barstow太陽能發(fā)電塔。下游企業(yè)通常涉及尋求美國政府援助的私營部門合作伙伴，以幫助減少生產(chǎn)工廠的初始成本或展示推動政策發(fā)展的新技術(shù)的成本和性能，以及減少溫室氣體排放等目標。間接財政激勵措施（例如上網(wǎng)電價、生產(chǎn)付款和受監(jiān)管的公用事業(yè)國家贊助的競爭性采購）是創(chuàng)新后期更有效的援助機制，因為它們允許研究項目在商業(yè)基礎(chǔ)上進行。
大多數(shù)專家家認為，這些激勵措施可能更加有效。第一個建議是延長美國國會對多年示范項目撥款的年度周期，因為年度周期會產(chǎn)生不確定性，并經(jīng)常導(dǎo)致進度中斷；第二個建議是，美國能源部應(yīng)專注于招聘具有制定和監(jiān)督大型技術(shù)示范項目所需經(jīng)驗和技能的專業(yè)人員。此外，不應(yīng)要求此類示范項目遵守美國聯(lián)邦采購條例(FAR)，該條例可能歪曲商業(yè)慣例。而一些能源專家懷疑美國能源部或更廣泛的聯(lián)邦政府是否有能力以美國向無碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型所需的速度和規(guī)模有效支持創(chuàng)新。
9.2 儲能技術(shù)創(chuàng)新的現(xiàn)狀
這項研究重點關(guān)注電力行業(yè)從化石燃料（煤炭和天然氣）向可變可再生能源（VRE）（主要是風(fēng)能和太陽能）過渡背景下的“儲能技術(shù)未來”。
這種轉(zhuǎn)變意味著電力系統(tǒng)配置的巨大變化，其中包括電力的產(chǎn)生、傳輸和存儲。實現(xiàn)凈零碳排放的電力系統(tǒng)將需要新的政策和法規(guī)提供支持，例如麥肯錫公司估計到2035年可能高達2.5萬億美元的額外凈投資。此外，為這一轉(zhuǎn)變進行規(guī)劃還需要對未來電力需求做出假設(shè)，未來電力需求將受到電力以外行業(yè)（如建筑、工業(yè)和交通運輸）的經(jīng)濟增長和脫碳的影響。雖然到2035年實現(xiàn)無碳電力是可能的，但原則上，至少有四個理由懷疑這一目標能否在實踐中實現(xiàn)。
首先，需要強調(diào)的是，缺乏一個嚴肅的、全面的、穩(wěn)定的國家氣候政策，這可能加大影響清潔能源轉(zhuǎn)型所有要素的不確定性，尤其是儲能系統(tǒng)。這份研究報告的作者認為一種為碳排放定價的經(jīng)濟范圍內(nèi)的機制，該機制為減少碳排放量提供了重要的激勵措施（具有補償經(jīng)濟上處于不利地位的機制社區(qū)和個人），以及對輸電和電力系統(tǒng)其他關(guān)鍵組成部分選址的決定權(quán)力，對于經(jīng)濟高效的過渡是必要的。
采用全面的碳定價政策被廣泛認為在政治上是不切實際的。拜登政府宣布計劃推行國家清潔電力標準，盡管這樣的標準的設(shè)計和實施還遠未明確。對拜登政府清潔電力標準的反對導(dǎo)致其從目前正在美國國會等待的立法中被刪除。相比之下，目前存在的旨在減少碳排放的州和地區(qū)計劃和補貼計劃并不鼓勵經(jīng)濟高效的緩解戰(zhàn)略和低碳創(chuàng)新。此外，許多州拒絕將快速脫碳作為政策目標。
其次，到2035年實現(xiàn)電力行業(yè)凈零碳排放所需的投資規(guī)模巨大。如果實現(xiàn)大規(guī)模的投資，可能會對美國經(jīng)濟造成意外的干擾，并導(dǎo)致某些行業(yè)和地區(qū)出現(xiàn)市場混亂。
第三，將2035年作為實現(xiàn)無碳電力系統(tǒng)的近期目標，無論是務(wù)實的還是雄心勃勃的目標，都將美國聯(lián)邦和各州的直接支持（補貼）和強制性法規(guī)轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣诮凇皽蕚渚途w”的項目，即到2030年可能產(chǎn)生取得可衡量的成果。無論碳排放目標的范圍和時間安排如何，一個成功的創(chuàng)新項目或計劃都需要一種規(guī)范的方法，其中包括對滿足技術(shù)里程碑、成本目標、監(jiān)管要求和進度要求的進度的持續(xù)評估。成功的創(chuàng)新必須通過滿足技術(shù)里程碑來驅(qū)動，而不是通過滿足任意某一時間目標。
第四，正如該項研究表明的那樣，儲能技術(shù)的發(fā)展前景很復(fù)雜，這是因為儲能系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的其他要素相關(guān)聯(lián)：需求側(cè)管理、批發(fā)市場或調(diào)度區(qū)地理范圍的擴大以及輸電容量的增強。最重要的是，無碳電力的目標對擴大技術(shù)之間的競爭具有重要意義。例如，通過量身定制的碳捕獲和儲存(CCS)技術(shù)可以減少天然氣發(fā)電設(shè)施的運行，并降低主要基于可再生能源的電力系統(tǒng)的成本，以滿足零碳排放的需求。
最后，為減少溫室氣體排放而引入的創(chuàng)新應(yīng)該是可持續(xù)的——換句話說，這些創(chuàng)新應(yīng)該避免或盡量減少新的環(huán)境負擔(dān)。如果電動汽車(EV)的部署按照國際能源署(IEA)的預(yù)期到2030年以年均31%～36%的速度增長，并且如果鋰離子電池的壽命在預(yù)期的使用水平上是10年或更短時間，那么在2030年之后的某個時候，報廢的電動汽車(EV)電池數(shù)量將會大幅增加，將會出現(xiàn)重復(fù)利用的機會，為這些電池找到二次應(yīng)用，也許是在放電深度規(guī)格不太重要的電網(wǎng)規(guī)模儲能應(yīng)用中。或者可以回收具有價值的電池材料。美國聯(lián)邦政府應(yīng)考慮制定相關(guān)政策，以明確電池制造商或購買者是否應(yīng)負責(zé)報廢處置。此類政策的一個主要目的是激勵電池制造商設(shè)計具有報廢再利用或回收潛力的電池，而不是最終進入垃圾填埋場。
9.3 美國聯(lián)邦政府支持儲能系統(tǒng)創(chuàng)新的意義
上述考慮因素對美國能源部(DOE)和私營部門應(yīng)如何處理儲能技術(shù)創(chuàng)新具有影響。應(yīng)該繼續(xù)支持早期創(chuàng)意和基礎(chǔ)研究，這在歷史上一直是美國能源部的強項。該項報告就近期（即2030年之前）和長期市場推出的有前景的儲能技術(shù)提出了幾項建議。表9.1總結(jié)了研究團隊關(guān)于不同儲能技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)現(xiàn)。從長遠來看，其他技術(shù)可能會發(fā)揮作用，但這些技術(shù)的創(chuàng)新速度和特征存在更大的不確定性。
表9.1 麻省理工學(xué)院能源倡議（MITEI）關(guān)于選定當(dāng)前創(chuàng)新狀態(tài)的未來儲能研究結(jié)果總結(jié)
一般而言，對于近期技術(shù)選項的研發(fā)支持沒有太大需求。電動汽車市場的快速增長導(dǎo)致鋰離子電池的成本不斷降低，因此可以廣泛應(yīng)用于部署電網(wǎng)規(guī)模電池儲能系統(tǒng)。私營部門的反應(yīng)是為儲能技術(shù)提供大量風(fēng)險投資。與其他時代和其他類別的能源技術(shù)相比，研發(fā)資金不足并不是儲能技術(shù)創(chuàng)新的主要制約因素。
正如相關(guān)文獻中經(jīng)常強調(diào)的那樣，成功的創(chuàng)新需要綜合考慮經(jīng)濟、監(jiān)管、技術(shù)等因素。美國政府支持可能要到2030年之后才能開發(fā)或部署的儲能技術(shù)的更有力的理由；該項研究的技術(shù)章節(jié)中提到了幾個機會。而時機很重要：例如長時儲能技術(shù)在未來幾乎完全由風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電設(shè)施供電的低碳電力系統(tǒng)才能發(fā)揮重要作用。
這些技術(shù)可能即將出現(xiàn)，但市場需求剛剛發(fā)展，美國政府現(xiàn)在應(yīng)該考慮為研發(fā)支持提供支持。
不確定性和風(fēng)險當(dāng)然會影響美國聯(lián)邦和州政府以及私營部門公司和投資者為實施這份研究報告中提出的許多建議而采取的行動。必須考慮三類實施行動：（1）支持各種儲能技術(shù)的開發(fā)和示范；(2)聯(lián)邦和州的直接支持（補貼）、強制性法規(guī)和公用事業(yè)公司的采購義務(wù)，以加速電網(wǎng)規(guī)模儲能技術(shù)的部署；(3)私營部門投資。近期行動應(yīng)設(shè)計為在2021年至2030年期間產(chǎn)生可衡量的結(jié)果，而長期行動的結(jié)果預(yù)計在2030年之后。
到2035年，電力行業(yè)的零碳目標將推動公共和私營部門的努力進入技術(shù)創(chuàng)新的下游階段——特別是近期的技術(shù)示范和部署，以及更多的私營部門投資。因此，美國能源部的儲能創(chuàng)新工作應(yīng)朝三個方向發(fā)展：首先，美國能源部應(yīng)該贊助更多與工業(yè)界的聯(lián)合技術(shù)示范項目。這些項目應(yīng)不受其他限制技術(shù)開發(fā)和商業(yè)示范的規(guī)則的限制。該項研究中提出的一個有趣的例子是探索與小型碳捕集與儲存(CCS)設(shè)施配套的天然氣發(fā)電設(shè)施的可能性，以縮小高比例可再生能源（VRE）發(fā)電與100%可用的可再生能源（VRE）發(fā)電之間的差距。技術(shù)演示的另一個潛在目標是在電網(wǎng)規(guī)模儲能系統(tǒng)中使用電動汽車電池。
在過去，美國能源部堅持要求私營部門合作伙伴分擔(dān)項目成本。由于社會資本通常被授予知識產(chǎn)權(quán)作為回報，這種做法損害了公共支持的技術(shù)示范項目的基本目標，即在所有行業(yè)參與者之間傳播信息，從而為有效競爭創(chuàng)造條件。美國聯(lián)邦示范項目應(yīng)包括與尚未成為合作伙伴的其他實體共享信息的明確要求。
其次，雖然美國最近通過的《整合和投資就業(yè)法案》（IIJA）包括對氫能開發(fā)的若干激勵措施，特別是創(chuàng)建至少四個氫能樞紐，但要開發(fā)氫能在電網(wǎng)中發(fā)揮重要作用的潛力還有很多工作要做。在零能源經(jīng)濟中，氫氣是具有許多潛在應(yīng)用的能量載體。該項研究的第5章重點關(guān)注氫作為可再生能源發(fā)電的潛在化學(xué)儲能介質(zhì)。但氫氣也可用于工業(yè)化學(xué)應(yīng)用以及運輸和供暖領(lǐng)域，在此類應(yīng)用中使用氫氣可以提高其在電力系統(tǒng)中的價值。在現(xiàn)有天然氣管道在減壓下或與天然氣混合后輸送氫氣而不會發(fā)生脆化的能力仍然是一個需要解決的技術(shù)問題，值得在美國能源部和美國交通部的支持下進一步研究。不同的氫氣應(yīng)用需要不同類型的系統(tǒng)集成，而不僅僅是技術(shù)開發(fā)。然而，所有應(yīng)用都需要低成本的制氫方法（沒有非常高的碳排放費用），這證明美國能源部大力支持研發(fā)以降低使用電解槽或甲烷熱解器生產(chǎn)氫氣的成本是合理的。
第三，美國聯(lián)邦政府加速商業(yè)技術(shù)下游部署的努力應(yīng)依賴間接激勵措施，例如生產(chǎn)付款或上網(wǎng)電價，這些激勵措施不會干擾相關(guān)示范項目的管理。如果目的是鼓勵部署，需求方的激勵措施通常比生產(chǎn)方的補貼更有效（成本更低），歐洲（德國和西班牙）的經(jīng)驗證明了這一點。貸款擔(dān)保們給人一種“超出預(yù)算”的錯覺，應(yīng)該避免此類擔(dān)保，因為它們由財政部門管理?？梢岳斫獾氖?，美國財政部不贊成這種機制并增加了繁多的限制。更重要的是，美國能源部的貸款擔(dān)保以保護私營部門合作伙伴免于失敗，而不是激勵成功。與其相反的是，政策制定者應(yīng)該傾向于為發(fā)電資產(chǎn)支付生產(chǎn)費用，因為這些費用是基于實際生產(chǎn)的電力以基準成本計算的。儲能系統(tǒng)等非發(fā)電能源技術(shù)的生產(chǎn)支付必須基于預(yù)設(shè)的開發(fā)要求和運營測試措施。在任何創(chuàng)新努力中，都會出現(xiàn)一些失敗。然而當(dāng)一個項目失敗時，整個項目可能成為政治爭議的目標，威脅到創(chuàng)新努力。
另外兩個不是這項研究重點的創(chuàng)新領(lǐng)域值得一提：儲能設(shè)備的制造和供應(yīng)鏈管理，尤其是電化學(xué)電池。 一個相關(guān)的問題是美國儲能產(chǎn)品與外國制造商相比的國際競爭力，尤其是來自中國和韓國、日本等其他亞洲國家的制造商。
美國能源部的儲能計劃于2020年1月8日宣布，相應(yīng)的2020財年撥款請求為1.58億美元。這個適度的請求包括支持制造和供應(yīng)鏈管理的努力。然而，美國能源部在制造援助計劃、制造技術(shù)中心和公私合作伙伴關(guān)系方面收效甚微，其原因是缺乏商業(yè)專業(yè)知識、美國國會干預(yù)以及未能強調(diào)競爭技術(shù)的價值。美國能源部及其國家實驗室在商業(yè)市場的制造和供應(yīng)鏈管理方面幾乎沒有經(jīng)驗，發(fā)展這種專業(yè)知識需要與私營部門參與者和商業(yè)市場活動密切合作。
另一個復(fù)雜的因素是美國國會議員對中國的貿(mào)易行為普遍存在擔(dān)憂。美國總統(tǒng)拜登2021年2月關(guān)于美國供應(yīng)鏈的第14017號行政命令指示美國能源部在100天內(nèi)提交一份報告，確定包括電動汽車電池在內(nèi)的高容量電池供應(yīng)鏈中的風(fēng)險。
2021年6月21日，美國聯(lián)邦政府發(fā)布了一份長達250頁的《建立彈性供應(yīng)鏈、振興美國制造業(yè)和促進廣泛的增長》報告，其中包括一份60頁的美國能源部提交的大型文件。美國能源部部分涉及這項研究中涵蓋的許多主題。2021年6月報告的其他部分涉及半導(dǎo)體（美國商務(wù)部）、關(guān)鍵材料（美國國防部）和藥品（美國國家衛(wèi)生研究院）。
美國政府的這些報告值得認真關(guān)注，至少表明對國外競爭的關(guān)注。美國在制造業(yè)和供應(yīng)鏈管理方面的落后地位仍將在美國國會、政府和商界的議程上占據(jù)顯著地位。該報告還提出了許多影響深遠且代價高昂的建議，但遺憾的是沒有確定優(yōu)先事項或說明它提出的許多新舉措將如何得到管理、監(jiān)督和協(xié)調(diào)?？傮w而言，該報告標志著美國采取了新的積極的產(chǎn)業(yè)政策。它強調(diào)有利于國內(nèi)生產(chǎn)商的貿(mào)易做法和補貼，這可能會在世界貿(mào)易中引發(fā)許多問題。
美國政府報告中未提及儲能未來研究的一項建議，但可能被證明在美國國實現(xiàn)凈零電力系統(tǒng)方面具有最大的好處，即建議在美國能源部電力辦公室指導(dǎo)下，開發(fā)新的開放式接入的建模、模擬和分析工具。這些工具將允許參與評估新電力系統(tǒng)設(shè)計的利益相關(guān)者探索實現(xiàn)關(guān)鍵目標的替代途徑。然后，他們的分析可以為替代方案提供基礎(chǔ)，并有望更快地做出決策。
一套新的建模和分析工具也將對發(fā)展中國家大有裨益。 美國可以通過向這些國家提供有關(guān)如何收集數(shù)據(jù)和使用最先進的能源和氣候規(guī)劃工具的技術(shù)援助來做出重要貢獻。
9.4 要點
?技術(shù)創(chuàng)新過程通常分為五個不同的階段：創(chuàng)意創(chuàng)造、研發(fā)、試點工程、技術(shù)演示和部署。
?美國在創(chuàng)新的早期階段（創(chuàng)意創(chuàng)造和研發(fā)）比較強大，而亞洲國家和一些歐洲國家在制造和供應(yīng)鏈管理方面表現(xiàn)出色。
?能源專家普遍懷疑美國能源部或美國聯(lián)邦政府是否能夠以美國向無碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型所需的速度和規(guī)模有效支持創(chuàng)新。
?一般而言，對于近期儲能方案的聯(lián)邦研發(fā)支持沒有太大需求。對于可能要到2030年之后才能開發(fā)或部署的儲能技術(shù)，聯(lián)邦政府支持的理由更有說服力。
?要在2035年之前實現(xiàn)零碳電力系統(tǒng)，就必須加速創(chuàng)新，而創(chuàng)新要想成功，就需要綜合經(jīng)濟、監(jiān)管和技術(shù)方面的考慮。
?美國能源部應(yīng)贊助更多高校與工業(yè)界的聯(lián)合技術(shù)示范項目。
?美國聯(lián)邦加速任何商業(yè)技術(shù)下游部署的努力應(yīng)依賴于間接的激勵措施，例如不干擾相關(guān)示范項目管理的生產(chǎn)付款或上網(wǎng)電價。
?在美國政府支持創(chuàng)新的背景下，另外兩個領(lǐng)域值得更多關(guān)注：儲能設(shè)備的制造和供應(yīng)鏈管理，尤其是電化學(xué)電池。
?美國能源部電力辦公室應(yīng)指導(dǎo)開發(fā)新的、開放訪問的建模、模擬和分析工具。
（全文完）
