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(fēng)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(yīng)不斷增長的可再生能源份額和容量的擴展。風(fēng)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(shè)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(shè)施。
儲能系統(tǒng)提供的能量轉(zhuǎn)移和靈活性服務(wù)是必不可少的措施，能夠應(yīng)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(yīng)，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(shù)也可以提供靈活性服務(wù)，但儲能系統(tǒng)是唯一能夠提供能源轉(zhuǎn)移服務(wù)的解決方案，也是減少可再生能源棄電的關(guān)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(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電設(shè)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(shè)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(guān)利益相關(guān)者的建議，提出了歐洲2030年和2050年的儲能部署目標。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，許多機構(gòu)和組件的研究報告中并沒有涉及所有關(guān)鍵的儲能技術(shù)和持續(xù)時間，往往低估了低排放能源技術(shù)和能源轉(zhuǎn)移的重要性，并高估了化石燃料發(fā)電設(shè)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(dǎo)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(shù)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(yù)測，以準確反映可用技術(shù)。
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(zhuǎn)移技術(shù)，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(zhuǎn)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(diào)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(nèi)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(diào)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(guān)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(shè)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(diào)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(shè)定儲能目標至關(guān)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(guān)鍵應(yīng)用，提供系統(tǒng)靈活性和能源轉(zhuǎn)移服務(wù)，這對于實現(xiàn)可再生能源的整合至關(guān)重要。在全球市場、技術(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)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(zhuǎn)移)，主要是Power-to-X-to-Power技術(shù)，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(zhuǎn)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(shù)，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(zhuǎn)移到其他負載，然后可以使其他領(lǐng)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(shù)主要包括：Power-to-X技術(shù)，例如Power-to-Gas（P2G，即生產(chǎn)氫氣而不重新轉(zhuǎn)換為電力的電解槽）、Power-to-heat（P2H，將電力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移）：是指將電力轉(zhuǎn)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(shù)，在需要時將其釋放回電力系統(tǒng)。能源轉(zhuǎn)移可以被認為是“雙向”的，這意味著轉(zhuǎn)移的電力將被返回給電力系統(tǒng)。更適合提供此服務(wù)的技術(shù)包括電池、飛輪、超級電容器、超導(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移”到冬季。
圖2 歐洲一年內(nèi)的電力需求（黑線）和太陽能發(fā)電設(shè)施供電（黃線）的季節(jié)性相關(guān)性。黃色陰影表示使用儲能技術(shù)存儲的多余太陽能發(fā)電量，這種電力的使用被“轉(zhuǎn)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(fēng)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(fēng)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(fēng)能和太陽能發(fā)電量大幅提高到93TWh/年～100TWh/年，對應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)移，以適應(yīng)風(fēng)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(fēng)力發(fā)電量和太陽能發(fā)電量
在電力系統(tǒng)中整合風(fēng)能和太陽能發(fā)電的關(guān)鍵問題是它們不可調(diào)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(shù)，以確?？煽康碾娏?yīng)。此外，在風(fēng)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(diào)度的化石燃料發(fā)電設(shè)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(shè)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(guān)鍵的系統(tǒng)靈活性和能源轉(zhuǎn)移服務(wù)，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(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電在電力結(jié)構(gòu)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(guān)鍵。這意味著到2030年，儲能系統(tǒng)對系統(tǒng)靈活性和能源轉(zhuǎn)移的作用將對整合風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的更高份額至關(guān)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(shè)施（風(fēng)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(cè)）或激進（右側(cè)）的假設(shè)
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(shù)的部署嚴重落后于風(fēng)能和太陽能發(fā)電設(shè)施的應(yīng)用。鑒于風(fēng)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(lǐng)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(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電設(shè)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(guān)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(dǎo)致代價高昂的調(diào)度。歐洲的儲能部署必須從現(xiàn)在開始，而設(shè)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(shè)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(guān)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(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電技術(shù)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(gòu)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(yù)見到儲能系統(tǒng)在支持其可再生能源部署方面的關(guān)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(zhuǎn)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(yù)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(yīng)變化、能源商品價格和成本預(yù)測等對未來的影響電力系統(tǒng)。不同的儲能技術(shù)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(cè)管理和儲能技術(shù)。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(shè)，將會使電力系統(tǒng)規(guī)劃變得極其復(fù)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(guān)鍵驅(qū)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(fēng)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(shù)；(3)技術(shù)成本假設(shè)；(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(yù)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(qū)動因素也應(yīng)考慮與電網(wǎng)發(fā)展的社會接受度、某些發(fā)電技術(shù)（例如核電和風(fēng)電）的社會接受度、需求側(cè)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(shè)，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(shè)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(lǐng)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(shù)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(yīng)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(shù)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(shè)涵蓋了各種儲能技術(shù)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(shù)，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(shù)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(yù)測都在100GW左右。這些研究主要基于風(fēng)力發(fā)電或太陽能發(fā)電所主導(dǎo)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(guān)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(fēng)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(fēng)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(nèi)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(yù)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(yù)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(zhuǎn)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(yù)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(shù)，通常僅涵蓋氫電解槽、電池儲能系統(tǒng)和抽水蓄能設(shè)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(shù)。對于2050年儲能目標的研究報告的80～400GW的預(yù)測，較低的預(yù)測或者沒有包括抽水蓄能發(fā)電設(shè)施，或者沒有預(yù)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(yù)測顯示了以太陽能發(fā)電為主（320～720GW）或以風(fēng)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(shè)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(yù)計風(fēng)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)）
