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3 長時儲能技術(shù)的成本和競爭力
即使在高溫環(huán)境下，熱儲能系統(tǒng)也可以實現(xiàn)大多數(shù)熱能應(yīng)用。熱儲能涵蓋了大量的技術(shù)，包括各種持續(xù)時間 (從白天到季節(jié)性)和溫度范圍寬泛(從零下到2400℃)的技術(shù)。
根據(jù)2022年長時儲能委員會的基準(zhǔn)，熱儲能系統(tǒng)可以實現(xiàn)廣泛使用的熱應(yīng)用(即蒸汽和熱空氣)，可以經(jīng)濟(jì)高效地實現(xiàn)儲能和脫碳。其基準(zhǔn)結(jié)果還表明，當(dāng)最終需求為熱能時，熱儲能比電轉(zhuǎn)熱更具有成本效益。此外，包括熱儲能在內(nèi)的長時儲能系統(tǒng)的成本在未來15年將大幅下降。并且隨著市場的成熟，長時儲能技術(shù)的成本競爭力將越來越強(qiáng)。
1、2022年長時儲能委員會的資本支出基準(zhǔn)提供了最新的電力長時儲能和熱儲能技術(shù)成本展望
長時儲能委員會2022年資本支出基準(zhǔn)提供了長時儲能成本的最新視角，并為相關(guān)業(yè)務(wù)案例提供信息。與任何新技術(shù)一樣，具有競爭力的成本和性能對于儲能技術(shù)的廣泛采用至關(guān)重要，與其他儲能技術(shù)相比，長時儲能系統(tǒng)需要更具成本效益。對于長時儲能系統(tǒng)來說，需要考慮的一些關(guān)鍵參數(shù)是儲能容量成本(美元/MWh)，裝機(jī)容量成本(美元/MW)，運行和維護(hù)成本(美元/MW))，長時儲能系統(tǒng)的充放電效率(RTE)，以及熱儲能的系統(tǒng)效率。這些參數(shù)包括在長時儲能委員會的成本基準(zhǔn)中，本節(jié)給出了下列結(jié)果：
（1）基于電力的長時儲能系統(tǒng)。長時儲能委員會2022年資本支出基準(zhǔn)提供了基于電力的長時儲能系統(tǒng)資本支出和兩種持續(xù)時間的長時儲能原型(8至24小時以及24小時或以上)充放電效率(RTE)的視角，如2021年長時儲能凈零電力報告所示。更新后的基準(zhǔn)基于21個長時儲能委員會技術(shù)提供商部署的這兩種儲能系統(tǒng)的成本。其基準(zhǔn)測試結(jié)果將在稍后的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化建模中使用(參見第5章)，可以模擬部署不同的長時儲能系統(tǒng)。
（2）熱儲能。本報告擴(kuò)大了2022年長時儲能委員會資本支出基準(zhǔn)范圍，將熱儲能技術(shù)包括在內(nèi)。該基準(zhǔn)展示了熱儲能的資本支出和系統(tǒng)效率在四種熱應(yīng)用類型的前景。該基準(zhǔn)測試基于11個長時儲能委員會技術(shù)供應(yīng)商的運營數(shù)據(jù)。
2、基于電力的長時儲能系統(tǒng)更新的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)證實了成本將在2040年下降的觀點
基于電力的長時儲能系統(tǒng)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表明，到2040年，長時儲能系統(tǒng)的成本可能下降25%`50%。對于持續(xù)時間8～24小時和24小時以上的長時儲能系統(tǒng)，其部署成本可能分別下降到26萬美元/MW和148萬美元/MW (如圖7所示)，其中包括充放電設(shè)備和工廠成本平衡在內(nèi)的電力資本支出，預(yù)計8～24小時長時儲能系統(tǒng)的成本將整體下降35%～50%，24小時或以上長時儲能系統(tǒng)的成本將下降約25%。
對于24小時或更長時間的長時儲能系統(tǒng)和8～24小時的長時儲能系統(tǒng)，儲能成本預(yù)計將分別降至6000美元/MWh和22000美元/MWh。
圖7基于電力的長時儲能系統(tǒng)支出預(yù)計將在2040年大幅下降
持續(xù)時間較短的長時儲能系統(tǒng)通常被優(yōu)化為在較短的持續(xù)時間和較高的充放電次數(shù)方面具有競爭力。這可以從8～24小時長時儲能資本支出中看出來。然而，由于電力資本支出成為主要成本，且在不同原型和場景中差異更大，這種優(yōu)勢往往會隨著持續(xù)時間的延長而減少。24小時或更長時間的儲能系統(tǒng)的單位儲能成本要比8～24小時儲能系統(tǒng)低得多 (大約是其三分之一)，這使得這些長時儲能系統(tǒng)的設(shè)計適合持續(xù)時間更長的應(yīng)用。
更多的案例為基于電力的長時儲能系統(tǒng)基準(zhǔn)提供了更廣泛的技術(shù)基礎(chǔ)。與2021年電力資本支出基準(zhǔn)的差異主要是由于長時儲能委員會成員提交的樣本數(shù)量翻了一番，這增加了樣本數(shù)量。同樣的情況也適用于儲能資本支出。
3、熱儲能基準(zhǔn)根據(jù)熱應(yīng)用原型的不同而不同
·熱儲能技術(shù)分為三類: 顯熱、潛熱和熱化學(xué)熱。顯熱通過提高固體或液體介質(zhì)的溫度來儲存熱能；潛熱通過改變材料的相來存儲和產(chǎn)生熱量。熱化學(xué)熱通過吸熱和放熱的化學(xué)反應(yīng)來存儲和產(chǎn)生熱量。每個類別的介質(zhì)材料都具有其獨特的特性，導(dǎo)致不同的工作溫度和持續(xù)時間。因此，不同的熱儲能技術(shù)將適合不同的應(yīng)用，這取決于它們的溫度、規(guī)模、持續(xù)時間和其他因素，例如儲熱形式、占地面積和流程集成。
熱儲能技術(shù)可以覆蓋熱需求的時間和溫度范圍。許多不同的材料（例如石墨、巖石、水和冰等）可以覆蓋廣泛的溫度和持續(xù)時間(如圖8所示)。例如，地下水系統(tǒng)，如含水層、鉆孔和水坑可以存儲0℃到100℃的熱量長達(dá)數(shù)月的時間，而石墨系統(tǒng)可以存儲高達(dá)2400℃的熱量。熱儲能技術(shù)（包括微囊化金屬、石蠟和吸收系統(tǒng)）處于不同的發(fā)展階段，從最初的商業(yè)測試和試點設(shè)置到其他已經(jīng)部署的熱儲能技術(shù)。最后，一些熱儲能技術(shù)(如鋼鐵和液態(tài)金屬)還處于發(fā)展的早期階段，可以擴(kuò)大熱儲能技術(shù)在不同溫度和持續(xù)時間范圍內(nèi)的可用性。
圖8 熱儲能技術(shù)可支持廣泛的溫度范圍和持續(xù)時間
熱儲能應(yīng)用原型是基于溫度要求的。多種熱儲能技術(shù)可以覆蓋許多低溫到高溫的用例(例如石墨、陶瓷和微囊化金屬)。因此，熱儲能可以支持最常見的工業(yè)用例，通常涉及熱水、蒸汽或熱空氣。例如，100℃以下的熱能(以熱空氣或熱水的形式)可以用于干燥過程。典型的蒸汽使用情況從較低的壓力和溫度(例如食品加工的滅菌和清洗)到較高的壓力和溫度(例如在金屬精煉、石油加工和工業(yè)蒸汽)。熱氣體通常用于高溫使用情況(例如，乙烯裂解爐的溫度為800℃至900℃)。
熱儲能基準(zhǔn)還考慮了不同熱應(yīng)用的特殊性。與其他基準(zhǔn)測試一樣，熱儲能基準(zhǔn)測試是一個將產(chǎn)品生產(chǎn)和使用成本與行業(yè)參與者和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較的過程。目前熱儲能技術(shù)并不沒有一個基準(zhǔn)，因此長時儲能委員會在麥肯錫公司的支持下在制定熱儲能基準(zhǔn)時，必須考慮與熱儲能系統(tǒng)面臨相關(guān)的多重挑戰(zhàn)：
?不同的加熱能力和生產(chǎn)設(shè)施，如蒸汽和熱水需要不同的工業(yè)過程。
?熱量來源的多樣性，如電加熱器、熱泵、傳統(tǒng)燃料和廢熱，通常是不可比較的。
?整合成本取決于站點，無法在項目之間進(jìn)行比較。
?熱儲能系統(tǒng)的總成本受到許多輔助組件的影響。
考慮到熱儲能儲熱和放熱的差異，這一基準(zhǔn)假設(shè)熱儲能系統(tǒng)使用電加熱器充電，并以不同壓力下以飽和蒸汽或450℃的熱空氣排放。由于所選的熱儲能技術(shù)可以使用熱泵進(jìn)行儲熱(主要用于蒸汽系統(tǒng))，所以排放系統(tǒng)的成本是基準(zhǔn)的一部分。在距離熱儲能設(shè)備兩側(cè)約一米的空間內(nèi)，所有的混凝土、管道、電氣、絕緣、油漆和支撐結(jié)構(gòu)都需要考慮人工和材料的成本。此外，在建模中假定與蒸汽網(wǎng)絡(luò)與熱空氣管道可以直接連接的，以及包括鍋爐給水泵的設(shè)備。但降壓變壓器和其他輔助設(shè)備不包括在基準(zhǔn)中。
表1 熱儲能類別、溫度和持續(xù)時間用例和技術(shù)成熟度
4、儲能目前已經(jīng)成為一種具有成本競爭力的蒸汽脫碳解決方案
長時儲能委員會2022年熱儲能資本支出基準(zhǔn)用于評估不同蒸汽脫碳替代品的競爭力。長時儲能委員會根據(jù)最新的熱儲能成本估算，利用跨技術(shù)和用例的6000個數(shù)據(jù)點，對蒸汽應(yīng)用進(jìn)行了行業(yè)基準(zhǔn)測試。三廢使用的主要基準(zhǔn)指標(biāo)是熱量平均成本(LCOHA)?；鶞?zhǔn)測試結(jié)果表明，與燃?xì)忮仩t相比，采用熱儲能系統(tǒng)的電鍋爐的熱量平準(zhǔn)化成本(LCOHA)可低至約5/MWh～10美元/MWh。這主要是由于較低的資本支出和能源價格的潛在差異，基于三種具體的脫碳?xì)怏w鍋爐方法:
?通過碳捕獲和碳儲存的脫碳具有有限的成本優(yōu)勢。增加碳捕集與封存（CCS）可以減少約80%～90%的碳排放量。然而，它通常會增加成本，因為從避免的碳成本或綠色溢價中獲得的收益無法抵消其設(shè)備所需的資本投資和運行設(shè)備的費用。
?采用氫氣或生物質(zhì)代替天然氣脫碳可能需要大幅降低燃料成本才能具有競爭力。盡管減少碳排放獲得回報(每噸二氧化碳約100美元)，但這被電解槽較高的資本支出和氫燃料的電力成本（比燃?xì)忮仩t高54%～63%)和生物質(zhì)燃料的成本(比燃?xì)忮仩t高8%～13%)所抵消。根據(jù)目前的成本估計，所采用的氫氣或生物質(zhì)這樣的清潔燃料沒有競爭力。為了提高成本競爭力，可能需要通過技術(shù)改進(jìn)或降低燃料成本來大幅度降低電解槽的資本支出。
?目前，通過電氣化進(jìn)行脫碳具有成本競爭力，特別是與熱儲能結(jié)合使用時。在這一范疇內(nèi)考慮兩種電氣化方案：電鍋爐和熱泵。這些可以與鋰離子電池儲能系統(tǒng)或熱儲能解決方案結(jié)合使用。與氫氣、生物質(zhì)和其他燃料成本相比，儲能系統(tǒng)電氣化的價值主要由能源成本驅(qū)動。能源價格的區(qū)域變化意味著，如果不支付靈活性費用，工商業(yè)附加費的成本競爭力可能在地域上受到限制。與電池儲能系統(tǒng)和氫氣解決方案相比，由于儲能設(shè)備壽命周期內(nèi)的資本支出較低(熱儲能為25年，鋰離子電池為10至15年)和更高的系統(tǒng)效率(熱儲能的效率約為96%，鋰離子電池為80%～85%，氫電解槽為60%～70%)，熱儲能在成本上更具競爭力。根據(jù)目前的成本估算，如果采用熱儲能系統(tǒng)可以具有成本競爭力，可能實現(xiàn)比燃?xì)忮仩t更低的成本(如圖9所示)。
圖9來自電鍋爐和熱儲能系統(tǒng)的清潔蒸汽可能比傳統(tǒng)鍋爐和其他低碳解決方案更便宜
5、預(yù)計到2040年，熱儲能資本支出將進(jìn)一步下降
到2040年，蒸汽發(fā)電的資本支出預(yù)計將減少15%到30%，熱空氣的資本支出將減少5%。預(yù)計蒸汽解決方案的資本支出將減少14000/MWth～44000美元/MWth（MWth是指蓄熱的能力），熱空氣解決方案的資本支出將減少6000美元/MWth左右(如圖10所示)。這些成本的數(shù)據(jù)由不同的長時儲能委員會成員提供。由于每個成員都在專門研究儲能應(yīng)用的一些子集，因此每種儲能技術(shù)的基準(zhǔn)成本可能來自不同技術(shù)提供商，因此代表了廣泛的技術(shù)選擇。
圖10熱儲能系統(tǒng)資本支出將大幅下降
由于蒸汽發(fā)電和熱空氣技術(shù)是很成熟的技術(shù)，預(yù)計不會有顯著的成本降低。在采用熱空氣解決方案的情況下，主要的排放方案包括一個簡單的解決方案，例如熱風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)。因此，成本降低不超過5%。蒸汽技術(shù)也很成熟，然而熱儲能系統(tǒng)和蒸汽之間的能量交換方式可以進(jìn)一步優(yōu)化，因此熱儲能系統(tǒng)仍有一些改進(jìn)的空間。對于蒸汽發(fā)電，包括鍋爐、給水泵在內(nèi)的所有設(shè)備都已在現(xiàn)場可用，不需要額外投資。
各種類型熱儲能的能源資本支出預(yù)計將下降15%到70%。到2025年將降到7000美元/MWth～14000美元/MWth，到2040年將降到3000美元/MWth～11000美元/MWth?？v觀不同的熱儲能類型，成本將降低70%。值得注意的是，2025年至2030年期間減排速度很可能是由規(guī)模的擴(kuò)大所推動的，而這些技術(shù)目前可能仍處于示范或試點項目的水平。
總結(jié)
·隨著市場的成熟，長時儲能技術(shù)的成本競爭力將越來越強(qiáng)。
?根據(jù)目前的成本估算，如果結(jié)合采用熱儲能，電氣化將具有成本競爭力，有可能實現(xiàn)低于燃?xì)忮仩t的熱量平準(zhǔn)化成本( 低于30/MWth～60美元/MWth)。
?當(dāng)最終需求是熱能時，儲熱比儲電力更節(jié)能。
熱儲能較高的系統(tǒng)效率使其成為熱應(yīng)用的一個有吸引力的儲能解決方案。在采用基于電力的長時儲能系統(tǒng)的情況下，為了產(chǎn)生熱能，需要首先從儲能系統(tǒng)中提取電力，其效率最高為57%～61%之間。而將電力換成熱能有一個轉(zhuǎn)換過程，通常效率在95%以上，使總效率降到54%～58%。
在采用熱儲能系統(tǒng)的情況下，首先電力轉(zhuǎn)化為熱能，然后儲存起來，其效率在95%以上。然后，可以直接排放熱能，其效率通常在95%以上。由于能量以熱量的形式儲存，并且從一種熱量轉(zhuǎn)換到另一種熱量時的轉(zhuǎn)換損失是最小的，因此系統(tǒng)效率可以超過90%(如圖11所示)。
圖11熱儲能系統(tǒng)的系統(tǒng)效率高于基于電力的長時儲能系統(tǒng)
（未完待續(xù)）
