中國儲能網(wǎng)訊：2022年6月，麻省理工學(xué)院發(fā)布《儲能系統(tǒng)的未來》研究報告。本報告是麻省理工學(xué)院能源計劃未來系列研究中的第九個研究項目，該項目旨在闡明涉及能源和環(huán)境的一系列復(fù)雜而重要的問題。賽迪智庫節(jié)能與環(huán)保研究所對該報告進行了編譯，期望對我國有關(guān)部門有所幫助。
報告指出到本世紀中葉，可再生能源發(fā)電有望取代化石燃料發(fā)電，部署不同的儲能技術(shù)可以優(yōu)化和利用不斷增長的可再生能源發(fā)電。報告研究和分析了各種儲能技術(shù)（電化學(xué)儲能、儲熱、化學(xué)儲能和機械儲能）關(guān)鍵性能、應(yīng)用領(lǐng)域和成本指標等，呼吁應(yīng)積極支持長時儲能技術(shù)、多類型電化學(xué)儲能技術(shù)，以實現(xiàn)到2050年電網(wǎng)系統(tǒng)完全脫碳。
一、多種儲能技術(shù)的基本知識
（一）儲能技術(shù)的基本類型
目前有四種基本類型的儲能技術(shù)（電化學(xué)、化學(xué)、熱能和機械能）處在不同的技術(shù)發(fā)展水平。在可變可再生能源發(fā)電量充足且批發(fā)供應(yīng)價格相對較低時，以及發(fā)電量不足批發(fā)價格相對較高時，儲能系統(tǒng)都可以發(fā)揮重要功作用電。儲能系統(tǒng)的這種靈活性為電力系統(tǒng)提供了一系列好處。
儲能系統(tǒng)的規(guī)模可以通過其裝機容量（最大瞬時功率）來表征，以兆瓦(MW)為單位；其儲能容量以兆瓦時(MWh)為單位；以及往返效率（RTE）用于衡量充放電的效率。
儲能系統(tǒng)的儲能容量與裝機容量的比值就是持續(xù)時間，以小時為單位——這是儲能系統(tǒng)從充滿電開始提供最大功率的時間長度。目前大多數(shù)部署的電池儲能的持續(xù)時間為4小時或更短；大多數(shù)現(xiàn)有抽水蓄能(PSH)設(shè)施的持續(xù)時間為8到12小時或更長時間。儲能技術(shù)的能量密度也有所不同（能量密度是單位體積可以存儲的最大能量）。具有高能量密度的電池技術(shù)特別適用于電動汽車(EV)和移動電子產(chǎn)品；盡管如此，能量密度較低的電池技術(shù)仍可用于電力系統(tǒng)應(yīng)用中的存儲，而在這些應(yīng)用中，空間的有效利用通常不太重要。儲能技術(shù)在其他屬性上也有所不同，包括特定儲能系統(tǒng)規(guī)模經(jīng)濟的程度（地理足跡和模塊化）以及其性能隨使用而下降的程度。
本報告中考慮的技術(shù)根據(jù)其電力和能源容量成本分為三大類（見圖1）。一般來說，儲能容量成本較低和裝機容量成本高（圖中藍色區(qū)域）的儲能技術(shù)最適合作為長時儲能（持續(xù)時間最多可達數(shù)天），這些儲能技術(shù)的充放電不太頻繁，例如熱儲能、化學(xué)儲能、金屬空氣電池和抽水蓄能設(shè)施等。而棕色區(qū)域的儲能技術(shù)（其中包括鋰離子電池儲能系統(tǒng)），更適合持續(xù)時間較短的儲能應(yīng)用（持續(xù)時間為幾個小時）和更頻繁的充放電。具有中等能力的儲能技術(shù)（包括液流電池）處于綠色區(qū)域。
（二）電力系統(tǒng)采用的儲能技術(shù)
這項研究從電化學(xué)、熱儲能、化學(xué)儲以和機械儲能四個方面考察和研究儲能技術(shù)。但沒有對這些類別中的所有選項進行編目，更不用說進行評估。與其相反的是，研究人員重點放在每個類別中儲能技術(shù)的示例上，并試圖突出這些儲能技術(shù)應(yīng)用的問題。研究團隊考慮的一些儲能技術(shù)都經(jīng)過驗證，可用于商業(yè)部署，例如鋰離子電池儲能系統(tǒng)、抽水蓄能發(fā)電設(shè)施和一些熱儲能系統(tǒng)。而另一些儲能技術(shù)則需要進一步的研究、開發(fā)和示范，直到本世紀30年代或20世紀40年代才有可能大規(guī)模上市或應(yīng)用。表1總結(jié)了到2030年各種儲能技術(shù)和儲能支持技術(shù)及實踐可用性的評估。在這份研究報告中考慮的儲能技術(shù)都可能在2050年前實現(xiàn)商業(yè)化運營。
能源相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新通常需要經(jīng)過五個階段：①概念提出；②技術(shù)研發(fā)；③一定規(guī)模的工程試驗；④技術(shù)示范；⑤部署應(yīng)用。表1涵蓋了各種儲能技術(shù)當前創(chuàng)新階段。隨著脫碳要求變得更為嚴格和對波動性可再生能源發(fā)電的依賴不斷增加，長時儲能技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用前景。例如在波動性可再生能源發(fā)電供應(yīng)低谷期或由于極端天氣導(dǎo)致異常高水平的電力需求，而此時電網(wǎng)運營商被禁止使用未裝碳捕集裝置的天然氣發(fā)電時，長時儲能技術(shù)至關(guān)重要。
二、電化學(xué)儲能
電化學(xué)儲能能量密度通常比機械儲能和儲熱系統(tǒng)高，但比化學(xué)儲能（氫儲能）系統(tǒng)要低。電化學(xué)儲能由于占地空間小，不受地理環(huán)境和資源的限制等特點成為一種通用且高度可擴展的技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋發(fā)電廠到住宅等多種場景。
其中，鋰離子電池因具有高能量密度、高功率密度和高往返效率，在電動汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并在短時（通常為4小時或更短）電力系統(tǒng)儲能領(lǐng)域廣泛使用。目前用于電池制造的關(guān)鍵材料成本和可獲取性決定了鋰離子電池的應(yīng)用成本，并可能限制其未來部署規(guī)模，而這一挑戰(zhàn)將促使電化學(xué)儲能從高性能鋰離子電池的研發(fā)轉(zhuǎn)向化學(xué)原料更為豐富的其他新型電化學(xué)儲能技術(shù)。
目前，鋰離子電池正在朝向低成本和高性能方向發(fā)展。基于其自身儲能容量成本的限制，鋰離子電池不太可能大規(guī)模應(yīng)用于長時（大于12小時）電力儲能系統(tǒng)中。為了實現(xiàn)更具經(jīng)濟效益的長時儲能，美國能源部應(yīng)支持該方向技術(shù)的研發(fā)和示范，以推進使用儲量更為豐富的材料來替代鋰離子電池技術(shù)。
長時儲能的成本、使用年限和制造規(guī)模使研究人員探索新型電化學(xué)儲能技術(shù)，例如氧化還原液流電池、金屬-空氣電池，這類電池使用更為廉價的充放電材料，更具有長時儲能的特點。雖然這幾種新型電化學(xué)儲能技術(shù)已展現(xiàn)其應(yīng)用前景，但在關(guān)鍵科學(xué)、工程和制造方面仍存在短板，這意味著政府需要加大力度進行投資協(xié)調(diào)予以支持。其他國家，尤其是中國正在積極探索該類技術(shù)的創(chuàng)新突破。
三、儲熱
儲熱技術(shù)是利用低成本材料儲存熱量，是一種適合長時儲能需求的技術(shù)，這類技術(shù)的主要挑戰(zhàn)是如何高效且經(jīng)濟地將熱量轉(zhuǎn)化為電力。為解決這一挑戰(zhàn)，目前有3種方法：①將現(xiàn)有發(fā)電廠中的燃氣輪機替代傳統(tǒng)化石燃料鍋爐，并在其旁配備儲熱設(shè)施，從而降低熱能轉(zhuǎn)化為電能的成本；②開發(fā)動力循環(huán)替代系統(tǒng)，即閉式布雷頓循環(huán)，在中溫（550-1000 ℃）下具有更高的熱能轉(zhuǎn)換效率；③推進耐高溫材料和高功率轉(zhuǎn)換裝置的研發(fā)，以達到更高的熱能轉(zhuǎn)換效率、提高高溫材料使用壽命、降低電力成本。
四、化學(xué)儲能（氫儲能）
氫氣被普遍認為是一種先進的化學(xué)儲能介質(zhì)，因為其可以通過較為簡便的方式生產(chǎn)，同時可以作為發(fā)電燃料或其他工業(yè)過程的原料或熱源?；瘜W(xué)儲能技術(shù)領(lǐng)域主要關(guān)注氫儲能。氫儲能作為一種電力系統(tǒng)儲能形式，其發(fā)揮的作用取決于氫氣在整個經(jīng)濟領(lǐng)域中的采用程度，以及未來氫氣生產(chǎn)、運輸和儲存的成本。目前，制氫的主要方法依賴于化石燃料，而這一過程將產(chǎn)生大量的碳排放。利用低碳電力電解水制氫將推動工業(yè)和交通運輸?shù)刃袠I(yè)實現(xiàn)脫碳目標。通過電解水產(chǎn)生的氫氣在波動性可再生能源發(fā)電量降低的時間段用作工業(yè)和發(fā)電的低碳燃料，將提高波動性可再生能源的利用率，從而降低電力系統(tǒng)脫碳成本。
研究團隊致力支持美國能源部為制定解決氫氣生產(chǎn)、運輸和電網(wǎng)電解氫氣需求（工業(yè)）氫氣儲存氫氣發(fā)電電網(wǎng)儲存問題的國家戰(zhàn)略所做的努力。特別是，現(xiàn)有的天然氣輸送管道是否能夠在不受影響的情況下輸送氫氣，無論是在減壓下，還是在氫氣與天然氣或其他化合物混合的情況下，安全性仍然是一個懸而未決的問題，需要美國能源部和美國交通部開展政府支持的研究。朝著這個方向邁出的重要一步是最近的立法呼吁美國至少建立四個氫氣生產(chǎn)樞紐。
五、機械儲能
電能可轉(zhuǎn)化為包括重力勢能、動能等多種形式在內(nèi)的機械能。機械儲能包括多種技術(shù)，其共同特點是它們的能量密度遠低于化學(xué)儲能或電化學(xué)儲能的能量密度。因此，機械儲能系統(tǒng)往往占地面積大，并需要一定的地勢條件，不太適用于在小型設(shè)施中應(yīng)用。
抽水蓄能是一種成熟且已廣泛部署的技術(shù)，占全球和美國現(xiàn)有的電網(wǎng)級儲能裝機規(guī)模90%以上。但自20世紀90年代以來，抽水蓄能在美國和其他許多國家部署進度顯著放緩（特別是中國）。此外，抽水蓄能項目的初始成本較高，規(guī)模較大、選址要求較高。該技術(shù)雖然不是嚴格意義上的利用電能或電能之間轉(zhuǎn)換的儲能技術(shù)，但現(xiàn)有的帶有蓄水池的傳統(tǒng)水電系統(tǒng)可以在平衡嚴重依賴波動性可再生能源發(fā)電的電力系統(tǒng)供需方面發(fā)揮更大的作用。
壓縮空氣儲能系統(tǒng)將壓縮的空氣儲存在地下的洞穴或地上的儲氣罐中，一些壓縮空氣儲能系統(tǒng)還存儲壓縮空氣時產(chǎn)生的熱量。該技術(shù)作為潛在的電網(wǎng)級大規(guī)模儲能技術(shù)被廣泛研究。盡管壓縮空氣儲能系統(tǒng)的成本估算受到多種不確定因素的影響，但該技術(shù)的能源成本通常高于未來可用的其他儲能技術(shù)的成本。
六、具有儲能功能的高效可再生能源電力系統(tǒng)：建模結(jié)果、對治理和政策的影響
本節(jié)探討了儲能系統(tǒng)在發(fā)達國家和新興市場發(fā)展中經(jīng)濟國家背景下的潛在作用。美國和印度三個不同地區(qū)的結(jié)果分別說明了這兩個國家的儲能部署情況。
（一）對美國建模分析結(jié)果及建議
研究團隊對美國電力部門的建模集中在三個地區(qū)：東北部地區(qū)（紐約州和新英格蘭地區(qū)）、東南部地區(qū)以及德克薩斯州在2050年最新部署的儲能系統(tǒng)。這些地區(qū)在電力需求概況、風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電資源以及水電和現(xiàn)有核電資源的可用性方面存在顯著差異。這些差異會影響在沒有碳排放限制的情況下成本最低的發(fā)電組合以及實現(xiàn)不同程度脫碳的成本。2050年每個地區(qū)在兩種政策情景下的年發(fā)電量、可交付能源容量和電力系統(tǒng)電力成本的模擬預(yù)測：無碳限制和排放限制在5克碳排放量/kWh。如果2050年的電力需求與2018年的水平相同，那么將美國電力部門的平均碳強度降低到5克碳排放量/kWh，將使2050年的碳排放量與2005年相比降低99.2%。另一方面，如果2050年用電量增長的需求大于2018年，正如該項研究用于模擬儲能系統(tǒng)影響的電力需求情景中所預(yù)測的那樣。美國各行業(yè)的平均碳排放量與2005年相比，電力部門排放量減少了98.7%。
（二）對印度建模分析結(jié)果及建議
同許多其他新興市場和發(fā)展中經(jīng)濟體一樣，印度的電力需求正持續(xù)快速增長。在峰值需求增長速度快于整體需求的住宅配電系統(tǒng)中，需要峰值負荷提供服務(wù)，這為儲能提供了一個重要用例。研究表明，依賴燃煤發(fā)電的新興市場和發(fā)展中經(jīng)濟體無法獲得豐富的低成本天然氣基礎(chǔ)設(shè)施，例如印度代表了儲能技術(shù)電力系統(tǒng)應(yīng)用的一個非常龐大且重要的未來市場。
該項研究的建模表明，儲能系統(tǒng)將主要部署在輸電層面，在城市配電網(wǎng)絡(luò)中還有重要的附加應(yīng)用。整體經(jīng)濟增長（尤其是空調(diào)在印度的迅速普及）將成為儲能部署的主要驅(qū)動力。假設(shè)技術(shù)成本持續(xù)下降，發(fā)現(xiàn)從成本的角度來看，印度的可再生能源發(fā)電設(shè)施在中長期內(nèi)與燃煤發(fā)電廠競爭具有優(yōu)勢，但現(xiàn)有燃煤發(fā)電廠仍然缺乏碳定價。假設(shè)印度可以使用低成本儲能系統(tǒng)和可再生能源發(fā)電技術(shù)的場景的建模結(jié)果。這些結(jié)果表明，與基線預(yù)測相比，印度電力系統(tǒng)的系統(tǒng)成本和模擬二氧化碳排放量均顯著降低。無論碳排放是否有上限或稅收，電力系統(tǒng)成本和二氧化碳排放都會降低。這一結(jié)果突出了降低儲能成本的全球環(huán)境效益。
（三）對儲能系統(tǒng)在供應(yīng)受限的電力系統(tǒng)中作用的分析結(jié)果及主要結(jié)論
在電力供應(yīng)不足國家的輸電或配電系統(tǒng)中，電池儲能系統(tǒng)提供了一種潛在的重要手段，可以提高短時停電電力服務(wù)的可靠性，減少住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)消費者所耗柴油量，并降低整體電力成本（包括用于備用柴油發(fā)電機的電力）。
在一些住宅和商業(yè)區(qū)域內(nèi)，當電網(wǎng)中斷頻繁且持續(xù)時間較短（幾個小時）時，與備用柴油發(fā)電機相比，具有備用儲能系統(tǒng)、并入電網(wǎng)的光伏發(fā)電和并入電網(wǎng)的微型電網(wǎng)更具競爭力。然而，如果停電不可預(yù)測并且可能持續(xù)很長時間，會產(chǎn)生對長時備用儲能系統(tǒng)的需求，但很少使用。這種情況下，即使沒有新興市場和發(fā)展中經(jīng)濟體普遍提供的燃料補貼，也會更傾向于使用備用柴油發(fā)電機。
譯自：
The Future of Energy Storage, June 2022 by Massachusetts Institute of Technology
