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1.長時儲能系統(tǒng)在凈零能量中的作用
能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脫碳需要采用一種綜合方法，以加強(qiáng)能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。隨著如今主要向由可變可再生能源供應(yīng)的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，也需要進(jìn)行系統(tǒng)性變革。
要在2050年實(shí)現(xiàn)全球變暖限制在1.5℃以下的凈零目標(biāo)，預(yù)計可再生能源總供應(yīng)量將增加5倍，總電力需求將增加2倍。此外，早期跡象表明，通過熱泵、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(jìn)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)和及時的能源轉(zhuǎn)型。
凈零能源系統(tǒng)需要清潔靈活的解決方案
全球能源部門到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放是將全球變暖控制在1.5℃的關(guān)鍵。要像《巴黎協(xié)定》所呼吁的那樣，溫室氣體(GHG)排放量需要在2050年實(shí)現(xiàn)凈零。能源部門的溫室氣體排放目前約占總排放量的四分之三。減輕氣候變化影響的關(guān)鍵是采用風(fēng)力發(fā)電設(shè)施和太陽能發(fā)電設(shè)施等可再生能源取代污染嚴(yán)重的化石能源，并利用長時儲能系統(tǒng)滿足能源轉(zhuǎn)移需求，將有助于顯著減少碳排放，同時創(chuàng)建一個可靠的能源系統(tǒng)。
太陽能發(fā)電量和風(fēng)力發(fā)電量的增長增加了能源供應(yīng)組合的可變性，并需要清潔靈活的解決方案來保障能源系統(tǒng)的可靠性。隨著世界各國致力實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)，可再生能源供應(yīng)的全球份額預(yù)計將大幅增長。凈零轉(zhuǎn)型情景表明，到2030年和2050年可再生能源發(fā)電量分別占全球總體能源發(fā)電量的30%和67%。此外，預(yù)計到2050年將電力需求增加。因此，對清潔靈活解決方案的需求越來越大，該解決方案可以彌補(bǔ)可再生能源供需缺口，同時確保能源系統(tǒng)可靠性。確?？稍偕娏Φ男枨笈c長時儲能系統(tǒng)相匹配，有助于提供滿足全球凈零目標(biāo)所需的靈活性、供應(yīng)安全性和彈性。
長時儲能系統(tǒng)提供了一種清潔靈活的解決方案
長時儲能系統(tǒng)提供能源系統(tǒng)的靈活性。長時儲能解決方案能夠?qū)⒛茉磸母吖?yīng)時期轉(zhuǎn)移到峰值需求期間，從而幫助保持電力系統(tǒng)平衡并確保其可靠性。長時儲能系統(tǒng)可以長時間存儲能量，并維持?jǐn)?shù)小時、數(shù)天或數(shù)周的能量供應(yīng)。隨著可再生能源供應(yīng)份額的增加，這種長期的靈活性預(yù)計將成為穩(wěn)定供應(yīng)電力的必要條件。由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的考慮，長時儲能系統(tǒng)可以提供不同的持續(xù)時間。
長時儲能系統(tǒng)可以通過提高基礎(chǔ)設(shè)施的利用率來加速可再生能源的部署。長時儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)移能力具有多方面的好處。首先，它可以通過促進(jìn)供應(yīng)側(cè)的儲能來減少能源削減和相關(guān)的機(jī)會成本。例如氧化鋁精煉廠一個用例的初始建模表明，長時儲能系統(tǒng)可以將這家工廠對電網(wǎng)電力的需求減少15%至30%。其次，它可以通過供需側(cè)的儲能，幫助提高電網(wǎng)的總體利用率，減輕電網(wǎng)的供電壓力。因此，長時儲能系統(tǒng)可以部署在電網(wǎng)的任何位置，以存儲可再生能源的電力。最后，長時儲能系統(tǒng)可以提供其他服務(wù)，例如提供慣性或頻率調(diào)節(jié)服務(wù)。
長時儲能系統(tǒng)可以支持電力供應(yīng)的安全性
能源部門最近面臨的挑戰(zhàn)使能源安全在全球議程上的地位更加突出，因此，需要確保構(gòu)建一個負(fù)擔(dān)得起、可靠、清潔的能源系統(tǒng)。受到俄烏沖突和新冠疫情導(dǎo)致全球能源需求上升等多重因素影響，歐洲目前的電力和天然氣價格比歷史平均水平高出10倍以上。全球天然氣市場也受到了影響，導(dǎo)致美國電價在2020年至2022年期間上漲了三倍。
采用長時儲能系統(tǒng)有助于增加電力供應(yīng)的安全性，并為可再生能源創(chuàng)造新的用例。長時儲能系統(tǒng)還可以提供短時儲能解決方案無法提供的新機(jī)會。其中包括:幫助增加可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的發(fā)電份額，為不可靠的電網(wǎng)(如在孤島運(yùn)營)提供彈性，實(shí)現(xiàn)具有成本效益的全天候可再生能源采購協(xié)議(PPA)，或?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)營提供穩(wěn)定服務(wù)。此外，熱儲能系統(tǒng)可以支持新的供暖用例，即更廣泛的熱電氣化，廢熱再利用，需求側(cè)管理，以及減少的可再生能源削減量。
對于能源系統(tǒng)的靈活性有不同的選擇
在電力部門內(nèi)，有五種靈活性選項可以幫助實(shí)現(xiàn)供需匹配:
（1）儲能系統(tǒng)，包括鋰離子電池儲能系統(tǒng)和可部署的長時儲能解決方案。
（2）可調(diào)度的容量，例如水力發(fā)電設(shè)施。
（3）減少可再生能源。
（4）輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)的擴(kuò)建
（5）需求方管理
此外，在應(yīng)對市場供應(yīng)波動方面，系統(tǒng)的靈活性越來越重要。
熱能行業(yè)擁有類似于電力行業(yè)的清潔靈活性解決方案，盡管采用了清潔熱能專用技術(shù)：
（1）熱儲能。
（2）可調(diào)度的容量，例如采用清潔燃料的鍋爐。
（3）強(qiáng)大的供暖基礎(chǔ)設(shè)施，如集中供暖。
整合電力和熱能部門對于實(shí)現(xiàn)清潔靈活性至關(guān)重要。電力和熱能在歷史上是通過傳統(tǒng)發(fā)電廠的汽輪發(fā)電機(jī)聯(lián)系起來的。展望未來，預(yù)計電力和熱能將通過更多地采用電轉(zhuǎn)熱技術(shù)(如熱泵或電鍋爐)，以及可再生能源的熱轉(zhuǎn)電技術(shù)(例如集中式太陽能熱發(fā)電)進(jìn)一步融合在一起。各部門之間的相互聯(lián)系支持了它們的脫碳和可再生能源的一體化。此外，通過在電力供應(yīng)過剩時儲存能量，在電力供應(yīng)不足時釋放熱量等方式，提高行業(yè)整合的解決方案。鑒于電和熱的相互依賴性日益增強(qiáng)，綜合方法對實(shí)現(xiàn)凈零能源系統(tǒng)越來越有意義。
要點(diǎn)：
?隨著可變可再生能源發(fā)電份額穩(wěn)步增長，需要采取清潔靈活的解決方案（例如長時儲能系統(tǒng)），以確保能源系統(tǒng)的可靠性。
?長時儲能系統(tǒng)對于將全球變暖控制在1.5℃以下至關(guān)重要，因?yàn)樗梢詭椭铀倏稍偕茉吹陌l(fā)展。
?通過部門耦合的能源系統(tǒng)集成提高了能源供應(yīng)的靈活性、安全性，從而提高了能源系統(tǒng)的可靠性和彈性。
2.熱儲能作為熱能部門脫碳的促進(jìn)劑
要在2050年實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的凈零排放目標(biāo)，熱能部門的脫碳至關(guān)重要，因?yàn)闊崮懿块T的碳排放量目前約占所有能源相關(guān)碳排放的45%。
熱儲能可以通過使用各種可再生能源的電力使熱能應(yīng)用脫碳。此外，它還可以優(yōu)化工業(yè)過程中的熱量消耗，促進(jìn)廢熱再利用或清潔熱源的整合。
大多數(shù)熱能應(yīng)用可以通過采用電力脫碳
熱能應(yīng)用的碳排放量約占所有能源碳排放的45%。供暖和制冷用例占全球所有能源消耗的50%以上，占全球能源相關(guān)二氧化碳排放(不包括電力)的45%左右。工業(yè)應(yīng)用占熱能消耗的最大份額，占總熱能需求的40%，包括從1500℃以上加熱的各種用例。建筑供暖和制冷也是一個重要因素，約占總熱能需求的30%，盡管通常在100℃左右或以下的較低溫度下。最后，供暖用于烹飪和集中供暖(如圖2所示)。
圖2全球能源消耗的50%來自加熱和冷卻應(yīng)用
工業(yè)熱能需求嚴(yán)重依賴化石燃料，尤其是高溫應(yīng)用。大多數(shù)工業(yè)熱需求需要在不同溫度下的提供熱空氣或蒸汽實(shí)施干燥、煅燒或化學(xué)反應(yīng)等過程?？傮w而言，70%的工業(yè)熱量仍由化石燃料提供（如圖3所示）。在不同的工業(yè)過程中，高溫加熱應(yīng)用占碳排放量的最大份額，約占化石燃料相關(guān)熱需求總量的50%。一個主要驅(qū)動因素是這些應(yīng)用的能源消耗較高，這些應(yīng)用主要由煤炭供應(yīng)，導(dǎo)致采用低碳替代品的成本較高。
圖3 70%以上的工業(yè)熱量由化石燃料源產(chǎn)生
電氣化是一種脫碳解決方案，適用于大多數(shù)工業(yè)熱應(yīng)用，包括高溫生產(chǎn)過程。對于脫碳工業(yè)應(yīng)用有不同的選擇，如電氣化、能源效率措施、低碳燃料和碳捕獲。在可再生能源成本較低的背景下，將電氣化與柔性解決方案相結(jié)合，成為一種越來越有吸引力的解決方案，可用于化工、非金屬礦物或有色金屬等高溫工業(yè)過程的脫碳(如圖4所示 )。其他過程，如煉鋼或水泥生產(chǎn)，需要進(jìn)一步研究和開發(fā)或試點(diǎn)，以探索電氣化選項。
圖4工業(yè)能耗主要集中在高溫應(yīng)用領(lǐng)域
根據(jù)當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施，建筑物中的熱量也可以通過電氣化脫碳。在建筑物中，熱量主要用于供暖和提供熱水，其中50%由化石燃料提供(如圖5所示)。在建筑物中脫碳加熱和冷卻的幾種商業(yè)選擇，如熱泵或屋頂太陽能。然而，與傳統(tǒng)解決方案相比，前期成本更高，目前阻礙了廣泛采用。例如，在英國安裝一臺熱泵的花費(fèi)是安裝一臺燃?xì)忮仩t的三到七倍。熱泵的廣泛采用還取決于電網(wǎng)的可用性，以適應(yīng)電力需求的大幅增加。類似地，集中式解決方案的可行性依賴于傳統(tǒng)管道基礎(chǔ)設(shè)施的可用性。在這種情況下，熱儲能系統(tǒng)可以通過將能源儲存數(shù)周或數(shù)月來支持集中區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)的脫碳，這取決于可獲得的技術(shù)，例如地下水。
圖5建筑物50%的熱量是由化石燃料產(chǎn)生
熱儲能系統(tǒng)為固熱提供清潔靈活的解決方案
清潔靈活的解決方案可通過兩個主要選項實(shí)現(xiàn)熱能部門的脫碳：
轉(zhuǎn)向清潔的替代品，例如清潔電力、太陽能和清潔燃料。
優(yōu)化熱消耗，如廢熱再利用和提高效率。
像熱儲能系統(tǒng)這樣靈活的清潔解決方案可以支持兩種脫碳方案的供需匹配。當(dāng)然還有其他的脫碳辦法，但通常需要更大的投資或涉及推遲減排。
熱儲能系統(tǒng)使來自可變可再生能源的熱量具有成本效益。工業(yè)需求通常遵循一個恒定的模式。由于設(shè)備損壞和生產(chǎn)損失，能源供應(yīng)中斷(有時只持續(xù)幾分鐘)可能導(dǎo)致數(shù)百萬美元的損失。同樣，建筑對供暖的需求通常遵循與人類活動時間一致的模式，其靈活性有限。在電網(wǎng)完全脫碳的地區(qū)，通過電網(wǎng)脫碳熱需求是一種有效的選擇;然而，在大多數(shù)國家，當(dāng)可再生能源不可用時，電網(wǎng)供電仍然依賴化石燃料。這使得當(dāng)電網(wǎng)無法提供清潔能源時，熱儲能系統(tǒng)有必要保持熱負(fù)荷運(yùn)行。
此外，熱儲能系統(tǒng)還提供了用戶側(cè)熱消耗優(yōu)化。熱儲能系統(tǒng)可以通過以下方式在優(yōu)化用戶側(cè)熱消耗方面發(fā)揮多種作用:
支持自主可變能源(如太陽能)供熱一體化。
儲存廢熱，以備工業(yè)過程中再利用，從而提高整個過程的效率。熱儲能系統(tǒng)還可以將內(nèi)部的熱量提供給外部使用，如集中供熱網(wǎng)絡(luò)。
熱儲能系統(tǒng)通過穩(wěn)固的清潔熱量補(bǔ)充了電力儲能系統(tǒng)的覆蓋范圍。熱儲能系統(tǒng)能夠長時間儲存由清潔電力或廢熱提供的熱量?；陔娏Φ拈L時儲能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電力的長時間存儲。它們的最佳使用將由多種因素決定，例如最終使用需求，兩者都支持使用低碳降解物來去除能源系統(tǒng)的碳。
要點(diǎn)：
脫碳熱是實(shí)現(xiàn)能源凈零系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，因?yàn)樗既蜃罱K能源消耗的50%和所有能源相關(guān)排放(不包括電力)的45%。
電氣化為大多數(shù)工業(yè)熱應(yīng)用(包括高溫過程)提供了脫碳替代方案。
熱儲能系統(tǒng)能夠穩(wěn)固來自可變可再生能源的熱量，并可能成為該行業(yè)脫碳的關(guān)鍵解決方案。
熱儲能系統(tǒng)可以有效部署，從可變電價中受益
隨著全球經(jīng)濟(jì)逐漸淘汰化石燃料發(fā)電設(shè)施，熱儲能系統(tǒng)可以幫助提供更大的彈性和效率。在用于蒸汽生產(chǎn)的氣電混合裝置中，熱儲能系統(tǒng)可用于應(yīng)對電力市場價格的波動，并降低能源成本。根據(jù)能源價格概況，使用燃?xì)忮仩t、電鍋爐和熱儲能系統(tǒng)有三種可能的運(yùn)行模式(如圖6所示)。首先，當(dāng)天然氣的價格比電力便宜時，燃?xì)忮仩t會持續(xù)提供蒸汽。第二，當(dāng)燃料價格在發(fā)生變化時，運(yùn)營商可以在任何給定的時間切換到最便宜的能源，或者在電價低時通過熱儲能系統(tǒng)存儲熱量，在電價高時排放。最后，當(dāng)電價低于天然氣的價格時，可以通過電鍋爐產(chǎn)生蒸汽，并通過充電和排放熱儲能系統(tǒng)來捕捉電價最低的時刻。
圖6熱儲能系統(tǒng)根據(jù)能源價格變化優(yōu)化運(yùn)行模式
（未完待續(xù)）
