中國儲能網(wǎng)訊：摘要
隨著歐洲加快實現(xiàn)2050年的氣候中和目標，未來的電力系統(tǒng)的容量和可靠性與當今的電力系統(tǒng)相比將會截然不同。在雄心勃勃的氣候目標的推動下，歐洲的電力部門取得了長足的進步，尤其是在采用可再生能源電力以減少溫室氣體排放方面。然而，風力發(fā)電和太陽能發(fā)電固有的可變性帶來了新的挑戰(zhàn)。未來的電力系統(tǒng)需要變得更加靈活，以適應不斷增長的可再生能源份額和容量的擴展。風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的可變性意味著用戶并不能消除對化石燃料發(fā)電設施的依賴，因為還有很多峰值天然氣發(fā)電廠用于彌補可再生能源發(fā)電量的短缺。如果歐盟實現(xiàn)其制定的REPowerEU計劃中所述的氣候目標，并將整合更高份額的可再生能源，則必須采用替代的低碳排放解決方案取代化石燃料發(fā)電設施。
儲能系統(tǒng)提供的能量轉移和靈活性服務是必不可少的措施，能夠應對可再生能源發(fā)電量不足以確保電力系統(tǒng)可靠性和能源供應，以及在可再生能源發(fā)電過剩時最大限度地存儲和利用。雖然其他能源技術也可以提供靈活性服務，但儲能系統(tǒng)是唯一能夠提供能源轉移服務的解決方案，也是減少可再生能源棄電的關鍵解決方案之一。歐洲將通過充分利用當?shù)氐目稍偕茉?、減少對化石燃料進口的依賴以確保其能源經(jīng)濟的自給自足，從而緩解當今不斷上漲的電價。REPowerEU計劃明確承認這一點以及儲能系統(tǒng)在減少電力系統(tǒng)使用化石燃料電力的重要作用。
然而，歐洲如今的儲能部署仍然嚴重滯后于風力發(fā)電和太陽能發(fā)電設施的部署。因此歐盟可能無法整合快速增長的可再生能源發(fā)電量，進而不得不采用化石燃料發(fā)電設施作為備份電源。歐洲儲能協(xié)會撰寫的這份研究報告評估了歐洲儲能市場的整體需求，并根據(jù)現(xiàn)有研究文獻、歐盟委員會（EC）的官方文件和相關利益相關者的建議，提出了歐洲2030年和2050年的儲能部署目標。調查發(fā)現(xiàn)，許多機構和組件的研究報告中并沒有涉及所有關鍵的儲能技術和持續(xù)時間，往往低估了低排放能源技術和能源轉移的重要性，并高估了化石燃料發(fā)電設施發(fā)揮的作用，尤其是在2030年。許多研究報告基于過時的氣候目標，導致低估了電力系統(tǒng)的靈活性需求。此外，快速變化的儲能技術和創(chuàng)新格局意味著，當今的電力系統(tǒng)規(guī)劃需要包括新的成本預測，以準確反映可用技術。
根據(jù)歐洲儲能協(xié)會進行的這項研究，到2030年，歐盟各國的儲能系統(tǒng)裝機容量需求約為200GW（專注于能源轉移技術，包括歐洲現(xiàn)有的約60GW的儲能系統(tǒng)）。到2050年，估計歐洲的電力系統(tǒng)至少需要部署600GW的儲能系統(tǒng)。這是基于從Power-to-X-to-Power儲能解決方案（即能源轉移）的雙向系統(tǒng)的需求，估計到2050年將部署435GW的儲能系統(tǒng)；還將部署165GW的Power-to-X儲能系統(tǒng)，以提供單向系統(tǒng)的靈活性。
根據(jù)國際能源署(IEA)的調查數(shù)據(jù)，與到2020年僅部署0.8GW電池儲能系統(tǒng)相比，歐洲需要在未來9年內大規(guī)模部署儲能系統(tǒng)，每年需要部署14GW以上。這是一個雄心勃勃的儲能部署目標，例如西班牙計劃到2030年實現(xiàn)部署20GW儲能系統(tǒng)的目標，并進一步強調了立即部署的迫切需要。而所需的總儲能容量將在很大程度上取決于發(fā)電組合中可變可再生能源發(fā)電在總發(fā)電量所占的比例，這意味著歐盟一些成員國在2030年之前就需要部署大量和儲能系統(tǒng)。歐盟儲能目標和戰(zhàn)略需要與當前歐盟氣候政策相關的儲能部署需求兼容。在承諾有意義的未來政策和法規(guī)的支持下，將這些價值觀確立為歐盟層面的儲能目標，并為儲能行業(yè)提供了最明確的信號，開始建設降低成本和實現(xiàn)歐盟氣候目標所需的大規(guī)模儲能系統(tǒng)。
1、歐盟為什么需要制定儲能目標？
正如REPowerEU計劃中所強調的那樣，歐盟委員會計劃增加電力系統(tǒng)的可再生能源發(fā)電份額，并致力實現(xiàn)各行業(yè)的電氣化。這意味著需要更多的儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中存儲和回饋電力。根據(jù)歐盟現(xiàn)有的氣候目標和最佳實踐設定儲能目標至關重要。歐洲儲能協(xié)會發(fā)布的這份研究報告專注于儲能系統(tǒng)的關鍵應用，提供系統(tǒng)靈活性和能源轉移服務，這對于實現(xiàn)可再生能源的整合至關重要。在全球市場、技術和成本不確定的背景下，確定儲能部署目標將為市場參與者、公用事業(yè)公司、投資者和政策制定者提供必要的長期愿景，讓他們充滿信心地做出戰(zhàn)略決策。這樣的愿景必須基于全面的理由，同時考慮到脫碳目標以及由此產(chǎn)生的電力系統(tǒng)的結構變化。
1.1、儲能系統(tǒng)的定義
在此項研究工作中，歐洲儲能協(xié)會遵循歐洲議會和理事會指令(EU)2019/944第2(59)條清潔能源給出的儲能定義。通過Power-to-X技術區(qū)分提供系統(tǒng)靈活性的儲能解決方案：（1）單向靈活性，也就是不向電力系統(tǒng)回饋電力，主要是Power-to-X；(2)雙向靈活性，即存儲電力并回饋給電力系統(tǒng)（能源轉移)，主要是Power-to-X-to-Power技術，如圖1所示。
圖1 提供系統(tǒng)靈活性的儲能系統(tǒng)的清潔能源定義，從提供雙向靈活性（能量轉移）的Power-to-X-to-Powe和提供單向靈活性的Power-to-X解決方案
Power-to-X：包括提供單向靈活性的技術，這意味著電力沿著一個方向流動，不會回饋給電力系統(tǒng)，而是轉移到其他負載，然后可以使其他領域脫碳（例如供暖、制冷、運輸?shù)龋?。發(fā)揮這一作用的儲能技術主要包括：Power-to-X技術，例如Power-to-Gas（P2G，即生產(chǎn)氫氣而不重新轉換為電力的電解槽）、Power-to-heat（P2H，將電力轉換成熱量）和V1G（即電動汽車的智能充電，其中電力不會重新注入電網(wǎng)）。
Power-to-X-to-Power（能源轉移）：是指將電力轉換并存儲不同持續(xù)時間（秒、分鐘、小時、周、月、季節(jié)）的儲能技術，在需要時將其釋放回電力系統(tǒng)。能源轉移可以被認為是“雙向”的，這意味著轉移的電力將被返回給電力系統(tǒng)。更適合提供此服務的技術包括電池、飛輪、超級電容器、超導儲能系統(tǒng)（smes）、抽水蓄能(PHS)、重力儲能、壓縮空氣儲能（CAES）、液態(tài)空氣儲能（LAES）、車網(wǎng)互連(V2G)、電解槽(P2G2P)、熱儲能(P2H2P)。圖2說明了基于季節(jié)性儲能案例的能源轉移概念，在電力需求低的夏季將產(chǎn)生的多余電力儲存起來，并用于滿足更高的冬季需求高峰，因此使用儲能系統(tǒng)將這些電力從夏季“轉移”到冬季。
圖2 歐洲一年內的電力需求（黑線）和太陽能發(fā)電設施供電（黃線）的季節(jié)性相關性。黃色陰影表示使用儲能技術存儲的多余太陽能發(fā)電量，這種電力的使用被“轉移”以滿足冬季的高需求。
1.2、歐洲加速采用可再生能源對儲能意味著什么？
圖3顯示了歐洲每年風力發(fā)電和太陽能發(fā)電量的增長（以TWh為單位）：歷史軌跡（黑線）和最新的國家能源和氣候計劃（橙線）都無法以當前的增長率實現(xiàn)到2030年55%的溫室氣體減排目標。在未來十年，風力發(fā)電量和太陽能發(fā)電量需要增加將近三倍，才能在2030年之前實現(xiàn)55%的減排目標。這將需要將風能和太陽能發(fā)電量大幅提高到93TWh/年～100TWh/年，對應于到2030年，可變可再生能源的份額已經(jīng)高達69%。鑒于REPowerEU計劃，這種可再生能源發(fā)電設施的部署將會加速，這意味著電力系統(tǒng)必須變得比現(xiàn)在更加靈活，并且能夠進行能源轉移，以適應風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的更高份額。
圖3 到2030年歐盟實現(xiàn)55%碳排放目標所需增長的風力發(fā)電量和太陽能發(fā)電量
在電力系統(tǒng)中整合風能和太陽能發(fā)電的關鍵問題是它們不可調度發(fā)電和可變的發(fā)電量。這意味著電力系統(tǒng)需要能夠穩(wěn)定電力流動的技術，以確?？煽康碾娏?。此外，在風力不足或陽光不足的情況下，僅靠可再生能源生產(chǎn)的電力無法滿足需求。在這些情況下，通常來自可調度的化石燃料發(fā)電設施的電力用于彌補短缺的電力。因此，建造越來越多的可再生能源發(fā)電設施本身并不會減少對化石燃料的依賴。隨著可再生能源發(fā)電份額增長，需要整合可變的發(fā)電量。此外，還必須考慮采用清潔能源電力的儲能系統(tǒng)發(fā)揮的作用。
隨著電力系統(tǒng)中采用的可再生能源電力越多，棄電也成為一個日益嚴重的問題。當在可再生能源發(fā)電量過剩，并且對沒有更多電力需求或電力系統(tǒng)本身存在容量限制時，一些電力就會被削減。這是對歐盟可再生能源資源的巨大浪費。而儲能系統(tǒng)可以為此提供了解決方案，通過實現(xiàn)氣候目標最大限度地利用歐盟自身的可再生能源，最大限度地減少棄電，并在不同的時間提供關鍵的系統(tǒng)靈活性和能源轉移服務，從而實現(xiàn)歐盟的能源獨立。
圖4表明，在歐盟的任何國家和地區(qū)，風力發(fā)電和太陽能發(fā)電在電力結構中的比例越來越高，可再生能源發(fā)電量將占到60%。而在超過60%之后，對更多的長時儲能系統(tǒng)需求急劇增加。季節(jié)性儲能系統(tǒng)對于可再生能源發(fā)電量超過80%的電力系統(tǒng)中變得更加關鍵。這意味著到2030年，儲能系統(tǒng)對系統(tǒng)靈活性和能源轉移的作用將對整合風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的更高份額至關重要。
圖4：Y軸顯示了確保滿足需求所需最長的儲能持續(xù)時間（對數(shù)標度）與區(qū)域/地方層面的可再生能源發(fā)電設施（風電和太陽能）的年度能源比例。箭頭表示限電、輸電和電網(wǎng)靈活性的保守（左側）或激進（右側）的假設
盡管儲能系統(tǒng)為電力系統(tǒng)帶來了更多的好處，但歐盟儲能技術的部署嚴重落后于風能和太陽能發(fā)電設施的應用。鑒于風力發(fā)電和太陽能發(fā)電成本將進一步降低，歐洲一些國家甚至可能輕松超過45%的可再生能源目標。例如，西班牙已經(jīng)計劃到2030年在電力部門使用74%的可再生能源，這進一步說明了現(xiàn)在部署儲能系統(tǒng)的必要性，因為歐盟一些成員國在可再生能源部署方面已經(jīng)領先于其他成員國。因此，重要的是在區(qū)域/地方層面評估儲能需求。如果到2030年實現(xiàn)歐盟采用67%可再生能源的目標，這意味著一些國家的可再生能源發(fā)電量將會超過67%，并且根據(jù)圖4中需要持續(xù)數(shù)天/數(shù)周的儲能系統(tǒng)。如果儲能部署無法趕上風力發(fā)電和太陽能發(fā)電設施的部署速度，那么棄電率將會越來越高，歐盟有可能在未來幾年陷入化石燃料價格和電價上漲的困境。如果歐洲儲能市場保持目前的增長速度，到2030年和2050年將無法滿足歐洲可變可再生電力系統(tǒng)的要求。歐盟的儲能市場在未來十年加快部署儲能系統(tǒng)至關重要。如果沒有足夠的儲能系統(tǒng)，歐盟將只能繼續(xù)采用化石燃料的電力，并且將繼續(xù)削減可再生能源發(fā)電量，從而導致代價高昂的調度。歐洲的儲能部署必須從現(xiàn)在開始，而設定儲能目標對于實現(xiàn)這一目標很重要。
1.3、歐盟根據(jù)最佳實踐來設定儲能目標
歐盟制定的儲能目標符合當今的最佳實踐，因為許多行業(yè)都制定了自己的氣候目標，例如40%的可再生能源目標、55%的溫室氣體減排目標等。同樣，歐盟層面的儲能目標也需要與當前歐盟氣候政策相關的儲能需求相兼容。其目標將有助于加大投資，降低儲能成本并加快部署，就像風力發(fā)電和太陽能發(fā)電技術一樣。歐洲各國的儲能目標將為現(xiàn)有的氣候目標提供補充，歐盟成員國估計儲能需求是國家能源和氣候計劃(NECP)的一部分，并鼓勵發(fā)展基于市場的機制。其目標是推動公用事業(yè)公司、監(jiān)管機構和開發(fā)商之間的合作，并幫助制定規(guī)則和流程的更新，這些規(guī)則和流程通常需要將更多的儲能系統(tǒng)引入電網(wǎng)。
全球有很多國家和地區(qū)已經(jīng)制定了儲能目標，包括加利福尼亞（以及美國其他州）和歐盟西班牙（以及其他成員國）。加州很早就認識到儲能部署目標是對該州清潔能源和環(huán)境政策的必要補充。他們在2010年成功地為該州的三個投資者擁有的公用事業(yè)公司(IOU)制定了到2020年采購或部署1,325MW的儲能部目標。西班牙根據(jù)其國家能源和氣候計劃(NECP)中制定的脫碳目標，在其專門的儲能部署戰(zhàn)略中量化了儲能需求。西班牙已經(jīng)預見到儲能系統(tǒng)在支持其可再生能源部署方面的關鍵作用，并考慮到了電網(wǎng)規(guī)模儲能系統(tǒng)和分布式儲能系統(tǒng)，其目標是到2030年部署20GW儲能系統(tǒng)，到2050年部署30GW儲能系統(tǒng)，這些目標并不具約束力，是長期計劃和戰(zhàn)略的一部分，旨在為儲能行業(yè)提供投資信號。歐盟國家根據(jù)其國家能源和氣候計劃(NECP)有不同的實現(xiàn)脫碳目標的軌跡。當然，這意味著每個成員國的能源組合和可再生能源發(fā)電量有所不同，而儲能部署需求也不同。盡管如此，在歐盟層面制定儲能部署目標將確保采取整體方法來推動儲能系統(tǒng)的采用，以支持可再生能源的部署并加快能源轉型，就像在歐盟層面制定目標的可再生能源一樣。
2、到2030年和2050年歐洲儲能需求概覽
未來的儲能部署需求通常由電力系統(tǒng)和基于不同預定義場景的容量擴展模型確定。這些情景評估政策決策、氣候目標（例如碳排放、能源效率、可再生能源份額）、能源需求變化、能源供應變化、能源商品價格和成本預測等對未來的影響電力系統(tǒng)。不同的儲能技術可以為高比例的可再生能源的電力系統(tǒng)提供靈活性，包括傳統(tǒng)的靈活發(fā)電、互連器、需求側管理和儲能技術。部門整合也是解決方案的一部分?？紤]到所有這些解決方案存在許多變量和假設，將會使電力系統(tǒng)規(guī)劃變得極其復雜，這將極大地改變儲能容量需求。
影響電力系統(tǒng)所需儲能容量的關鍵驅動因素包括但不限于：（1）可再生能源在電力組合中的份額（以及風力發(fā)電與太陽能發(fā)電的比率）；(2)考慮采用的不同儲能技術；(3)技術成本假設；(4)時間和空間分辨率；(5)來自替代解決方案的競爭；(6)部門整合；(7)電網(wǎng)模型；(8政治目標；(10)天氣預報，天氣年份的不確定性和變化（特別是對于持續(xù)時間較長的儲能系統(tǒng)，這一點非常重要）。影響歐洲未來靈活性組合的其他驅動因素也應考慮與電網(wǎng)發(fā)展的社會接受度、某些發(fā)電技術（例如核電和風電）的社會接受度、需求側管理的社會接受度以及能源的政治抱負等?；谟绊戇@些模型的眾多假設，迄今為止，歐洲儲能協(xié)會這個研究報告中的2030年和2050年儲能系統(tǒng)的裝機容量和儲能容量需求存在很大差異也就不足為奇了。重要的是根據(jù)其基本假設對每項研究報告和文獻進行批判性評估，以確定信息可能丟失或過時的領域。
圖6和圖7概述了當今歐洲儲能市場報告中的裝機容量值。此處涵蓋的報告文獻并不詳盡，通過研究歐洲以及歐洲以外地區(qū)的特定國家/地區(qū)市場以了解電力系統(tǒng)規(guī)劃需求，可以獲得很多價值。重要的是，儲能技術要根據(jù)裝機容量(GW)和儲能容量(GWh)進行描述。這些報告需要更加清晰和精簡，以便更好地比較儲能系統(tǒng)容量和應用。研究報告中的儲能容量差異很大，具體取決于模型輸入，例如可再生能源發(fā)電份額、采用的儲能技術以及是否包括部門整合，例如在這些研究報告中，每年的發(fā)電量從70TWh到1000TWh不等。這種差異使得儲能系統(tǒng)的儲能容量成為一個難以比較的指標。因此，歐洲儲能協(xié)會在報告中確定了儲能系統(tǒng) 的裝機容量(GW)，其假設涵蓋了各種儲能技術和短期和長期持續(xù)時間，如圖5所示，該圖顯示了基于裝機容量和持續(xù)時間的不同儲能技術，其中涵蓋秒、小時、天、周和季節(jié)性不同的持續(xù)時間。
圖5 不同儲能技術的典型裝機容量和持續(xù)時間
2.1 2030年的儲能需求
圖6顯示了一些對2030年儲能目標研究報告的儲能系統(tǒng)裝機容量。大多數(shù)報告對到2030年部署的儲能系統(tǒng)裝機容量的預測都在100GW左右。這些研究主要基于風力發(fā)電或太陽能發(fā)電所主導的電力系統(tǒng)的儲能需求，將可再生能源發(fā)電份額與儲能部署需求相關聯(lián)。以太陽能發(fā)電為主的電力系統(tǒng)通常需要更多的日常靈活性來滿足全時候供電（需要部署603GW儲能系統(tǒng)），而以風力發(fā)電為主的電力系統(tǒng)需要更長的持續(xù)時間，以度過可能長達數(shù)天甚至數(shù)周的風力不足的時期（需要部署268GW儲能系統(tǒng)）。歐洲儲能協(xié)會注意到當今有許多研究報告中存在重大缺陷，這意味著儲能需求在這個時間范圍內被低估，實際上到2030年歐盟的儲能需求將遠高于100GW。
圖6不同研究報告對2030年歐洲部署儲能系統(tǒng)的要求（GW）
2.2 2050年的儲能需求
2050年的儲能需求更難以建模，因為主要依賴于難以預測的未來幾十年的政策決策、市場演變和可再生能源的發(fā)展情景。到2050年，歐洲電力系統(tǒng)將以可再生能源電力為主，預計到2050年可再生能源發(fā)電量份額將超過85%。這將需要部署大量的能源轉移（數(shù)天、數(shù)周、數(shù)月）和足夠的長期季節(jié)性儲能系統(tǒng)，而許多研究2050年儲能目標的報告通常沒有涉及。此外，還必須認真考慮極端天氣條件和可能發(fā)生的其他事件，以確保未來電力系統(tǒng)的彈性。而能源的安全性和充足性必須是歐洲保障工業(yè)和社會福祉的重中之重。
而目前缺乏涵蓋所有可能滿足電力系統(tǒng)需求的2050年儲能解決方案的情景，這意味著儲能容量在許多研究報告中被低估。在不同的報告的預測中，2050年對于儲能系統(tǒng)的需求在80～720GW之間，見圖7。著眼于2050年儲能目標的很多研究報告并沒有考慮所有的儲能技術，通常僅涵蓋氫電解槽、電池儲能系統(tǒng)和抽水蓄能設施。2050年的情景絕不僅限于當今被視為具有成本競爭力的能源技術。對于2050年儲能目標的研究報告的80～400GW的預測，較低的預測或者沒有包括抽水蓄能發(fā)電設施，或者沒有預見其擴展或包括電網(wǎng)規(guī)模將大幅擴展。其中一個研究報告的預測顯示了以太陽能發(fā)電為主（320～720GW）或以風力發(fā)電為主（80～160GW）的電力系統(tǒng)組合的極端情況。這說明了可再生能源發(fā)電設施對電力系統(tǒng)靈活性要求的影響。根據(jù)歐洲長期情景描述和影響評估，預計風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的組合會更加平衡。盡管如此，可再生能源發(fā)電量將用于確定歐盟儲能要求和持續(xù)時間。
圖7 2050年不同研究報告中以歐洲為重點的儲能部署要求（GW）
（未完待續(xù)）
