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前言
全球長時儲能委員會與研究機構(gòu)麥肯錫公司日前發(fā)布了一份名為《凈零熱儲能：長時儲能加速能源系統(tǒng)脫碳》的調(diào)查報告。報告指出，人類現(xiàn)在必須抓住現(xiàn)在的機會，構(gòu)建能源凈零排放系統(tǒng)。世界各國需要加快能源部門脫碳，以便實現(xiàn)將全球變暖限制在1.5℃以下凈零目標。
然而，到2050年實現(xiàn)凈零目標需要大規(guī)模開發(fā)和部署可再生能源、安裝和改造電力基礎(chǔ)設(shè)施，以及采用新的清潔能源技術(shù)。在這一轉(zhuǎn)型過程中，將面臨更加復(fù)雜的許多挑戰(zhàn)，因為供應(yīng)鏈需要擴展，設(shè)備需要更新和調(diào)整，基礎(chǔ)設(shè)施需要部署和加強(例如輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)的改造和擴建可能需要長達15年才能實現(xiàn))。世界各國必須立即采取行動，以實現(xiàn)減排目標，限制氣候變化的影響，并最大限度地利用未來機會。
正如長時儲能委員會發(fā)布的2021年凈零能源報告所概述的那樣，長時儲能系統(tǒng)提供了低成本的靈活解決方案，以實現(xiàn)能源系統(tǒng)脫碳。長時儲能系可用于長期存儲能源，并更加經(jīng)濟高效地擴大規(guī)模，以維持數(shù)小時(10個小時或更多)、數(shù)天(多日存儲)、數(shù)月和季節(jié)的能源供應(yīng)。長時儲能系統(tǒng)還能夠以各種形式儲存能量，包括機械能、熱能、電化學(xué)能或化學(xué)能，并可對能源系統(tǒng)的低成本脫碳作出重大貢獻。此外，它還有助于解決主要的能源轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)，如太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的的可變性、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施供電瓶頸或化石燃料發(fā)電設(shè)施的碳排放。
這份報告提出了了長時儲能系統(tǒng)在幫助到2050年實現(xiàn)凈零電力和凈零熱量的作用方面的最新觀點，重點關(guān)注熱儲能系統(tǒng)(TES)在實現(xiàn)凈零熱能方面的潛在作用。這份報告建立在長時儲能委員會之前的研究和分析基礎(chǔ)上，并根據(jù)其數(shù)據(jù)提出了最新成本觀點。這份報告重點關(guān)注供熱部門，這是實現(xiàn)全球脫碳和氣候目標的關(guān)鍵組成部分。因此，它還側(cè)重于熱儲能這種特殊的長時儲能技術(shù)，熱儲能系統(tǒng)可以儲存熱量，使熱能應(yīng)用脫碳，并將可再生能源整合到能源部門和更廣泛的能源系統(tǒng)中。
這份報告還強調(diào)了綜合系統(tǒng)方法對于經(jīng)濟高效地實現(xiàn)能源系統(tǒng)脫碳的重要性。隨著可再生能源的日益普及以及采用熱泵和長時儲能等技術(shù)組合，電力、熱能和氫氣的相互聯(lián)系越來越緊密（圖表1）。這就需要關(guān)注綜合生態(tài)系統(tǒng)，而不是單一的能源部門，共同為成本優(yōu)化的能源基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展提供信息。這份報告中的分析考慮了電力、熱能和氫氣之間的相互依賴性，以評估熱能和電力部門所需的成本優(yōu)化的靈活性解決方案組合。它強調(diào)了基于電力的長時儲能系統(tǒng)和熱儲能系統(tǒng)之間的關(guān)系，以加速能量轉(zhuǎn)換，以及熱儲能系統(tǒng)在脫碳中的作用。
圖1 電力、熱能和氫氣的相互聯(lián)系
概要
·全球能源系統(tǒng)的脫碳需要采用一種綜合方法，以便及時提供最佳的能源基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展情況。
隨著世界向主要由可變可再生能源供應(yīng)的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，要求進行系統(tǒng)性變革。為了到2050年實現(xiàn)全球變暖限制在1.5℃以下的凈零目標，報告預(yù)測到2050年可再生能源總發(fā)電量將增加5倍，總電力需求將增加2倍。此外，還有一些跡象表明，通過采用熱泵、電解槽或氫鍋爐等部門耦合技術(shù)，電力、熱能和氫氣之間的聯(lián)系越來越緊密。再加上可再生能源和電氣化所占份額的不斷增加，進一步增加了能源系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，綜合辦法可以幫助確保成本最優(yōu)和及時的能源過渡。
·長時儲能系統(tǒng)提供清潔靈活的解決方案，以確保電源和熱可靠性。
長時儲能系統(tǒng)包含了一系列技術(shù)，能夠以具有競爭力的成本和規(guī)模長時間存儲各種形式的電能。這些技術(shù)可以在需要的時候(數(shù)小時、數(shù)天或數(shù)季)釋放電能，以滿足長時間電力系統(tǒng)的靈活性需求，利用更多的可變可再生能源的電力以滿足電力需求。這一報告建立在長時儲能委員會發(fā)布2021年凈零能源報告的基礎(chǔ)上，重點關(guān)注長時儲能系統(tǒng)在實現(xiàn)凈零能源和熱儲能方面的作用，同時擴展了熱儲能系統(tǒng)在脫碳熱應(yīng)用中的作用。
·熱儲能系統(tǒng)為供電和儲熱提供長時儲能解決方案。
考慮到熱能行業(yè)約占目前所有能源相關(guān)排放的45%，對實現(xiàn)2050年能源系統(tǒng)的凈零排放至關(guān)重要。熱儲能系統(tǒng)可以通過各種可再生能源的供電和儲熱來去除熱量應(yīng)用中的碳。此外，它可以優(yōu)化工業(yè)過程中的熱量消耗，并促進廢熱的再利用或清潔熱源的整合(例如光熱發(fā)電系統(tǒng))。
·熱儲能涵蓋了各種技術(shù)，可以解決范圍廣泛的持續(xù)時間(從日間儲能到季節(jié)性儲能)和溫度(從零下到2400℃)。
根據(jù)“2022年長時儲能系統(tǒng)基準測試結(jié)果”，熱儲能系統(tǒng)可實現(xiàn)最廣泛使用的熱應(yīng)用(即蒸汽和熱空氣)的經(jīng)濟高效的電氣化和脫碳。基準測試結(jié)果還表明，當最終需求是熱量時，儲熱是非常經(jīng)濟有效的。
·一些熱儲能技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化運營，具有各種易于定制的用途。
迄今為止，最常用的熱儲能技術(shù)包括中壓蒸汽，其應(yīng)用范圍廣泛，包括化工或食品和飲料行業(yè)。此外，開發(fā)技術(shù)將擴大熱儲能解決方案空間的創(chuàng)新概念，并解決遠高于1000℃的溫度需求。
·熱儲能的商業(yè)案例顯示，根據(jù)當?shù)厥袌鰲l件，其內(nèi)部收益率(IRR)為16%至28%。
這包括最優(yōu)的物理配置(獲取可再生能源、熱能或電網(wǎng)電力)和市場設(shè)計(包括更低的電網(wǎng)費用和靈活性)。熱儲能的商業(yè)案例評估涵蓋了廣泛的現(xiàn)實的熱儲能用例，例如：化工廠的中壓蒸汽(內(nèi)部收益率高達28%)，峰值發(fā)電廠提供的區(qū)域加熱(內(nèi)部收益率高達16%)，氧化鋁精煉廠的高壓蒸汽(內(nèi)部收益率高達16%)，離網(wǎng)溫室的熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)施(內(nèi)部收益率高達22%)。所有與市場相關(guān)的業(yè)務(wù)案例都表明，一個認可靈活性價值的支持性生態(tài)系統(tǒng)(如輔助服務(wù))可能對確保廣泛的商業(yè)采用至關(guān)重要。用戶側(cè)可再生能源發(fā)電的商業(yè)案例表明，無論外部市場條件如何，熱儲能技術(shù)都已經(jīng)具備商業(yè)可行性。
·隨著市場的成熟，預(yù)計長時儲能技術(shù)將變得越來越具有成本競爭力。
更新后的《2022年電力長時儲能成本基準報告》證實了長時儲能成本將在未來幾年下降的預(yù)測，表明到2040年長時儲能技術(shù)的總資本支出將且減少25%～50%。此外，2022年的熱儲能系統(tǒng)成本基準表明，到2040年，熱儲能系統(tǒng)資本支出預(yù)計也將下降，電力資本支出預(yù)計將下降5%～30%，電池儲能系統(tǒng)資本支出預(yù)計將會下降15%～70%。
荷蘭鹿特丹港的一個案例研究證明了長時儲能系統(tǒng)在創(chuàng)造價值的同時對能源樞紐脫碳的重要性。該案例研究一個典型的工業(yè)樞紐，現(xiàn)場有大量的電力和熱量需求，其中熱儲能系統(tǒng)和基于電力的長時儲能系統(tǒng)的組合可以在能源系統(tǒng)脫碳中發(fā)揮作用。在鹿特丹港這樣的工業(yè)地區(qū)，對工業(yè)供暖的需求可以從根本上改變凈零能源系統(tǒng)的配置。熱儲系統(tǒng)可以將可變的海上風(fēng)電轉(zhuǎn)化成為更穩(wěn)定的清潔熱能供應(yīng)，用于工業(yè)加熱，其中包括高溫加熱。
·在實現(xiàn)凈零目標的情景下，通過成本優(yōu)化的凈零能源途徑，熱儲能系統(tǒng)可以使全球長時儲能系統(tǒng)的裝機容量翻倍。
基于集成系統(tǒng)建模，熱儲能系統(tǒng)可以在2040年前將長時儲能系統(tǒng)的總裝機容量擴大到2～8TW(如果沒有采用熱儲能系統(tǒng)則時為1～3TW)，這意味著累計投資將達到1.6萬億至2.5萬億美元。熱儲能系統(tǒng)為脫碳加熱和高溫加熱應(yīng)用提供了一種具有成本效益的替代方案，從而實現(xiàn)了這一額外的長時儲能的機會。據(jù)估計，這將每年減少高達5400億美元的系統(tǒng)成本，同時通過加速可再生能源的建設(shè)和優(yōu)化電網(wǎng)利用，創(chuàng)造更廣泛的系統(tǒng)價值。
·關(guān)鍵的支持元素可以幫助推動采用更多的熱儲能系統(tǒng)。
而構(gòu)建一個提高靈活性的支持性生態(tài)系統(tǒng)，促進像長時儲能系統(tǒng)這樣的靈活性解決方案在技術(shù)水平上的競爭環(huán)境，對于加速擴大熱儲能系統(tǒng)的規(guī)模至關(guān)重要。此外，提高人們對儲能意識并為初期投資提供支持是至關(guān)重要的。商業(yè)領(lǐng)袖、政策制定者和投資者可以通過減少長期不確定性來釋放熱儲能系統(tǒng)潛力，從而開辟一條通向未來凈零能源系統(tǒng)的成本優(yōu)化路徑。
向凈零的過渡需要綜合能源系統(tǒng)的視角
要在所有能源部門實現(xiàn)成本優(yōu)化的凈零排放轉(zhuǎn)型，需要大量部署可再生能源，增加電力、熱能和氫氣之間的互聯(lián)，以及配套的基礎(chǔ)設(shè)施。系統(tǒng)的靈活性對于確保能源系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。
熱脫碳是實現(xiàn)凈零碳的關(guān)鍵，因為它占能源相關(guān)排放的45%左右。
長時儲能系統(tǒng)可以實現(xiàn)成本優(yōu)化的凈零路徑。
熱儲能系統(tǒng)可實現(xiàn)不同溫度和持續(xù)時間需求的熱應(yīng)用的電氣化。
熱儲能系統(tǒng)使得儲存熱量比儲存電力更經(jīng)濟有效 。
由于沒有電網(wǎng)接入費，因此，用戶側(cè)熱儲能系統(tǒng)的商業(yè)案例可能是積極的。
（未完待續(xù)）
