中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：前言
《儲(chǔ)能技術(shù)的未來(lái)》是麻省理工學(xué)院能源計(jì)劃未來(lái)系列研究中的第九個(gè)研究項(xiàng)目，該項(xiàng)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。前幾個(gè)研究項(xiàng)目主要集中在核電、太陽(yáng)能、天然氣、地?zé)岷兔禾浚ㄌ疾东@和封存二氧化碳排放）等能源技術(shù)的重要作用以及美國(guó)電網(wǎng)系統(tǒng)等。這些研究項(xiàng)目的核心是了解這些特定技術(shù)在全球能源系統(tǒng)脫碳和滿足未來(lái)能源需求方面可以發(fā)揮的重要作用。通過(guò)為太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等可變的可再生能源提供補(bǔ)充，儲(chǔ)能系統(tǒng)將在實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)方面發(fā)揮重要作用，而這些資源是電力部門脫碳的核心。
該研究項(xiàng)目將為政府、行業(yè)和學(xué)術(shù)界提供借鑒和幫助，因?yàn)檫@些部門和機(jī)構(gòu)正在開發(fā)新興的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)，并考慮改變電力行業(yè)的規(guī)劃、監(jiān)督和監(jiān)管，從而顯著增加對(duì)可變可再生能源的部署和對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的依賴。該報(bào)告是對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行三年多研究的成果——其中包括開發(fā)低成本的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的機(jī)會(huì)；并通過(guò)建模研究，以評(píng)估美國(guó)地區(qū)和新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體國(guó)家的未來(lái)深度脫碳；在可再生能源發(fā)電量在電網(wǎng)中繼續(xù)增長(zhǎng)的情況下的儲(chǔ)能技術(shù)的類型和作用；以及儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)規(guī)劃和監(jiān)管的影響。
這個(gè)研究項(xiàng)目是在研究機(jī)構(gòu)麻省理工學(xué)院能源倡議（MITEI）發(fā)起和進(jìn)行的，并獲得麻省理工學(xué)院研究人員為主的咨詢委員會(huì)的指導(dǎo)，其成員參加多場(chǎng)研討會(huì)；評(píng)論麻省理工學(xué)院的初步分析、調(diào)查結(jié)果和建議；并讓他們的專家回答問題，并為研究報(bào)告的內(nèi)容做出貢獻(xiàn)。
摘要
麻省理工學(xué)院發(fā)布的這項(xiàng)跨學(xué)科研究的報(bào)告，探討了儲(chǔ)能系統(tǒng)隨著電力系統(tǒng)的脫碳成為應(yīng)對(duì)氣候變化的核心而在未來(lái)發(fā)揮的重要作用，指出發(fā)電系統(tǒng)的深度脫碳以及多個(gè)行業(yè)電氣化對(duì)于限制氣候變化及其損害是必要的措施。報(bào)告指出，風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的成本大幅降低，并且正在全球范圍內(nèi)大規(guī)模部署，并且很可能在未來(lái)總發(fā)電量中占據(jù)很大份額。與傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)施不同，這些可變可再生能源(VRE)的電力輸出取決于天氣條件，而天氣有時(shí)會(huì)迅速發(fā)生變化，因此可再生能源發(fā)電的調(diào)度難以滿足電力需求的變化。儲(chǔ)能技術(shù)是這份研究報(bào)告的重點(diǎn)，它可以在平衡電力供需方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，并可以提供保持脫碳電力系統(tǒng)可靠和具有成本效益所需的其他服務(wù)。正如研究人員在這份報(bào)告中所討論的那樣，儲(chǔ)能系統(tǒng)包含一系列技術(shù)，這些技術(shù)在材料要求和在低碳電力系統(tǒng)中的價(jià)值方面存在差異。隨著電網(wǎng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)大規(guī)模部署，必須調(diào)整政策以避免對(duì)消費(fèi)者造成過(guò)度和不公平的成本負(fù)擔(dān)，需要鼓勵(lì)電氣化或經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)的脫碳，并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)勁增長(zhǎng)，特別是在新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)國(guó)家。社會(huì)正義和公平必須包含在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。這個(gè)研究項(xiàng)目的時(shí)間跨度一直擴(kuò)展到2050年，與其能源計(jì)劃未來(lái)系列之前的研究一致，但也對(duì)可以在2030年更近的時(shí)間范圍內(nèi)大規(guī)模部署的能源技術(shù)感興趣。
儲(chǔ)能系統(tǒng)幫助電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)具有成本效益的脫碳目標(biāo)，在不犧牲電力系統(tǒng)可靠性的情況下，將更加依賴風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電。假設(shè)可變可再生能源(VRE)成本降低的有利趨勢(shì)一直持續(xù)下去，此項(xiàng)研究項(xiàng)目進(jìn)行的建模分析確定了電力系統(tǒng)脫碳成本效益的途徑——例如相對(duì)于美國(guó)在2005年的碳排放量的基礎(chǔ)上減少97%至99%的排放量，同時(shí)保持電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)可靠性。而電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高效的脫碳需要對(duì)多種儲(chǔ)能技術(shù)以及輸電、清潔發(fā)電和需求靈活性進(jìn)行大量投資。如果采用“負(fù)排放”技術(shù)（即從大氣中去除二氧化碳的技術(shù)），那么少量天然氣發(fā)電設(shè)施也將成為具有成本效益的凈零電力系統(tǒng)的一部分。
多種儲(chǔ)能技術(shù)的基本知識(shí)
目前有四種基本類型的儲(chǔ)能技術(shù)（電化學(xué)、化學(xué)、熱能和機(jī)械能）處在不同的技術(shù)發(fā)展水平。在可變可再生能源(VRE)發(fā)電量充足且批發(fā)供應(yīng)價(jià)格相對(duì)較低時(shí)，以及發(fā)電量不足批發(fā)價(jià)格相對(duì)較高時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)都可以發(fā)揮重要功作用電。儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)?？梢酝ㄟ^(guò)其裝機(jī)容量（最大瞬時(shí)功率）來(lái)表征，以兆瓦(MW)為單位；其儲(chǔ)能容量以兆瓦時(shí)(MWh)為單位；以及往返效率（RTE）用于衡量充放電的效率。
儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量與裝機(jī)容量的比值就是持續(xù)時(shí)間，以小時(shí)為單位——這是儲(chǔ)能系統(tǒng)從充滿電開始提供最大功率的時(shí)間長(zhǎng)度。目前大多數(shù)部署的電池儲(chǔ)能的持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)或更短；大多數(shù)現(xiàn)有抽水蓄能(PSH)設(shè)施的持續(xù)時(shí)間為8到12小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)汽車(EV)和移動(dòng)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(chǔ)，而在這些應(yīng)用中，空間的有效利用通常不太重要。儲(chǔ)能技術(shù)在其他屬性上也有所不同，包括特定儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模經(jīng)濟(jì)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。
該報(bào)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(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能容量成本較低和裝機(jī)容量成本高（圖中藍(lán)色區(qū)域）的儲(chǔ)能技術(shù)最適合作為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能（持續(xù)時(shí)間最多可達(dá)數(shù)天），這些儲(chǔ)能技術(shù)的充放電不太頻繁，例如熱儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、金屬空氣電池和抽水蓄能設(shè)施等。而棕色區(qū)域的儲(chǔ)能技術(shù)（其中包括鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)），更適合持續(xù)時(shí)間較短的儲(chǔ)能應(yīng)用（持續(xù)時(shí)間為幾個(gè)小時(shí)）和更頻繁的充放電。具有中等能力的儲(chǔ)能技術(shù)（包括液流電池）處于綠色區(qū)域。
圖1基于裝機(jī)容量和儲(chǔ)能容量成本不同的三種儲(chǔ)能技術(shù)
電力系統(tǒng)采用的儲(chǔ)能技術(shù)
這項(xiàng)研究從電化學(xué)、熱儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)以和機(jī)械儲(chǔ)能四個(gè)方面考察和研究?jī)?chǔ)能技術(shù)。但沒有對(duì)這些類別中的所有選項(xiàng)進(jìn)行編目，更不用說(shuō)進(jìn)行評(píng)估。與其相反的是，研究人員重點(diǎn)放在每個(gè)類別中儲(chǔ)能技術(shù)的示例上，并試圖突出這些儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的問題。研究團(tuán)隊(duì)考慮的一些儲(chǔ)能技術(shù)都經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，可用于商業(yè)部署，例如鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、抽水蓄能發(fā)電設(shè)施和一些熱儲(chǔ)能系統(tǒng)。而另一些儲(chǔ)能技術(shù)則需要進(jìn)一步的研究、開發(fā)和示范，直到本世紀(jì)30年代或20世紀(jì)40年代才有可能大規(guī)模上市或應(yīng)用。表1總結(jié)了對(duì)近期（到2030年）各種儲(chǔ)能技術(shù)和儲(chǔ)能支持技術(shù)及實(shí)踐可用性的評(píng)估。在這份研究報(bào)告中考慮的儲(chǔ)能技術(shù)都可能在2050年前實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。
表1 選定儲(chǔ)能技術(shù)當(dāng)前創(chuàng)新狀況調(diào)查結(jié)果摘要
能源技術(shù)和其他與制造相關(guān)的技術(shù)的成功創(chuàng)新通常要經(jīng)過(guò)五個(gè)階段：創(chuàng)意、研發(fā)、中試、演示和測(cè)試、部署。表1展示了各種儲(chǔ)能技術(shù)的當(dāng)前階段。私營(yíng)企業(yè)為儲(chǔ)能技術(shù)（特別是用于汽車的鋰離子電池）提供了大量風(fēng)險(xiǎn)投資。正如這個(gè)研究項(xiàng)目中所討論的那樣，電動(dòng)汽車電池的開發(fā)顯著地改善了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的采用。到目前為止，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)還沒有得到其他市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)因素的類似幫助。當(dāng)可變可再生能源（VRE）滲透率較低時(shí)，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)（持續(xù)時(shí)間大于12小時(shí)）的應(yīng)用價(jià)值較低，但隨著脫碳要求變得更加嚴(yán)格和對(duì)可變可再生能源（VRE）發(fā)電的依賴增加時(shí)，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)顯然變得更有價(jià)值。如果電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商在淘汰天然氣燃料發(fā)電設(shè)施（有或沒有碳捕獲和儲(chǔ)存）的情況下尤其如此。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)在高度脫碳的電力系統(tǒng)中所能提供的價(jià)值表明，政府部門應(yīng)根據(jù)不同技術(shù)所達(dá)到的創(chuàng)新階段，并加大對(duì)各種長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的支持力度。
當(dāng)前的政策重點(diǎn)是相對(duì)短期的脫碳目標(biāo)，這促使公眾和私人都關(guān)注涉及相對(duì)成熟技術(shù)的下游技術(shù)示范和部署。美國(guó)能源部（DOE）可以在這一領(lǐng)域發(fā)揮有益的作用，但其參與應(yīng)該反映出從過(guò)去的演示和部署工作中吸取的兩個(gè)重要教訓(xùn)。首先，美國(guó)政府應(yīng)允許更多的行業(yè)聯(lián)合技術(shù)示范項(xiàng)目，不受《聯(lián)邦收購(gòu)條例》和其他限制技術(shù)開發(fā)和示范的商業(yè)條款的限制。對(duì)技術(shù)示范和早期部署活動(dòng)進(jìn)行公共投資的目的是傳播知識(shí)，這與要求分?jǐn)偝杀疽該Q取知識(shí)產(chǎn)權(quán)等政策不符。
其次，加速任何商業(yè)技術(shù)部署的努力應(yīng)該依賴于獎(jiǎng)勵(lì)成功但不干預(yù)項(xiàng)目管理的激勵(lì)和機(jī)制。美國(guó)政府提出了一系列儲(chǔ)能技術(shù)的稅收抵免政策，此外還有輸電和各種清潔發(fā)電技術(shù)的稅收抵免政策，其中包括風(fēng)電設(shè)施和太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施。發(fā)電技術(shù)可以將基于績(jī)效的付款（如生產(chǎn)稅減免）與發(fā)電指標(biāo)直接掛鉤，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)等非發(fā)電能源技術(shù)的基于性能的支持必須基于預(yù)設(shè)的開發(fā)和運(yùn)行測(cè)試措施。
電化學(xué)儲(chǔ)能
電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)包括這個(gè)研究項(xiàng)目中討論的現(xiàn)有電池以及新電池，通常比機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)和熱儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更高的能量密度，但比化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更低的能量密度。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電往返效率范圍廣泛，從鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的95%到金屬空氣化學(xué)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的40%。而緊湊的占地面積以及獨(dú)立于水文和地質(zhì)資源的特點(diǎn)，使電池成為一種用途廣泛、高度可擴(kuò)展的儲(chǔ)能技術(shù)，其尺寸可以適用于從發(fā)電廠到住宅的各種儲(chǔ)能應(yīng)用。因此該研究報(bào)告得出了幾個(gè)關(guān)鍵結(jié)論。
鋰離子電池具有高能量密度、高功率密度和高往返效率，有助于其在電動(dòng)汽車中幾乎無(wú)處不在的使用，并在短時(shí)儲(chǔ)能（通常持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)或更短）應(yīng)用場(chǎng)景中廣泛使用。鋰離子電池在快速增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車市場(chǎng)中的主導(dǎo)作用吸引了私營(yíng)部門的大量投資，并支持美國(guó)電池制造能力的快速擴(kuò)張。目前用于電池制造的關(guān)鍵材料價(jià)格和可用性導(dǎo)致鋰離子電池成本較高，可能會(huì)限制在未來(lái)的部署，從而激發(fā)開發(fā)商轉(zhuǎn)向采用更豐富元素的化學(xué)物質(zhì)。鋰離子電池正在大力尋求的其他進(jìn)步也將支持成本和性能的改進(jìn)。鑒于這些趨勢(shì)，鋰離子電池將繼續(xù)成為電動(dòng)汽車和短期儲(chǔ)能系統(tǒng)的領(lǐng)先技術(shù)，但其在儲(chǔ)能容量方面，其成本不太可能降到其他成本低廉的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)（>12小時(shí)）的程度。
為了讓長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的應(yīng)用更加經(jīng)濟(jì)，美國(guó)能源部應(yīng)該支持研究、開發(fā)和示范，以推進(jìn)依賴豐富材料替代的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本、壽命和制造規(guī)模要求有利于探索新型電化學(xué)技術(shù)，例如氧化還原液流電池和金屬空氣電池，這些電池使用廉價(jià)的材料和更適合長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的電池設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。雖然幾種新型電化學(xué)技術(shù)已經(jīng)顯示出良好的發(fā)展前景，但在關(guān)鍵科學(xué)、工程和制造挑戰(zhàn)方面仍存在知識(shí)差距，這表明政府部門協(xié)調(diào)支持具有很高的價(jià)值。其他國(guó)家（尤其是中國(guó)）正在積極尋求這些技術(shù)的創(chuàng)新。
熱儲(chǔ)能
熱儲(chǔ)能 (TES)具有適合長(zhǎng)期存儲(chǔ)能量的屬性，包括在低成本材料中有效存儲(chǔ)熱量的能力。這份研究報(bào)告討論了幾種通用的熱儲(chǔ)能 (TES)策略，這些策略反映了不同程度的技術(shù)水平。
一種可能的熱儲(chǔ)能 (TES)方法側(cè)重于通過(guò)在現(xiàn)有發(fā)電廠重新使用蒸汽輪機(jī)并增加儲(chǔ)熱和蒸汽發(fā)生器來(lái)代替現(xiàn)有的采用化石能源的燃料鍋爐，從而降低將熱能轉(zhuǎn)化為電能的成本，這是熱儲(chǔ)能 (TES)系統(tǒng)主要的成本組成部分。這種改造現(xiàn)在可以使用經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)來(lái)完成，它可能對(duì)工廠和當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)很有吸引力，因?yàn)樗梢宰鳛橐环N使用資產(chǎn)的方式，否則這些資產(chǎn)會(huì)隨著電力系統(tǒng)的脫碳而被廢棄。
化學(xué)儲(chǔ)能
氫氣被廣泛認(rèn)為是一種領(lǐng)先的化學(xué)儲(chǔ)能介質(zhì)，因?yàn)樗梢栽诤?jiǎn)單的步驟中直接從電力中生產(chǎn)出來(lái)，并作為發(fā)電燃料或其他工業(yè)過(guò)程的原料或熱源使用。因此該研究項(xiàng)目在化學(xué)儲(chǔ)能部分重點(diǎn)介紹氫氣。
氫氣作為電力部門的一種儲(chǔ)能形式，其作用可能取決于氫氣在整體經(jīng)濟(jì)中的使用程度和在未來(lái)的生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存的成本，以及氫氣用途的創(chuàng)新速度。氫氣目前作為許多工業(yè)過(guò)程的原料生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售。如今，主要的制氫技術(shù)依賴化石燃料生產(chǎn)，并會(huì)產(chǎn)生碳排放。而利用低碳電力通過(guò)電解水生產(chǎn)低碳?xì)錃獾哪芰?，可以支持工業(yè)和運(yùn)輸?shù)茸罱K用途部門以及電力部門的脫碳。圖2展示了在可再生能源發(fā)電量較低的時(shí)期，通過(guò)電解產(chǎn)生的氫氣如何作為工業(yè)和發(fā)電的低碳燃料。將電解槽用作電力系統(tǒng)的可調(diào)度負(fù)荷，還可以通過(guò)提高可再生能源資源的容量利用率來(lái)降低電力系統(tǒng)脫碳成本。
圖2 氫氣在電力行業(yè)的耦合示意圖
研究團(tuán)隊(duì)致力支持美國(guó)能源部為制定解決氫氣生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存問題的國(guó)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(wú)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(gè)懸而未決的問題，需要美國(guó)能源部和美國(guó)交通部開展政府支持的研究。朝著這個(gè)方向邁出的重要一步是最近的立法呼吁美國(guó)至少建立四個(gè)氫氣生產(chǎn)樞紐。
機(jī)械儲(chǔ)能
電能可以轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能、動(dòng)能等多種形式的機(jī)械能；電能也可用于壓縮氣體（例如空氣）。其中一些形式的機(jī)械能適用于大規(guī)模和長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能。作為一個(gè)類別，機(jī)械儲(chǔ)能包括多種技術(shù)。然而，所有這些技術(shù)的一個(gè)共同特點(diǎn)是它們的能量密度遠(yuǎn)低于化學(xué)儲(chǔ)能或電化學(xué)儲(chǔ)以技術(shù)的能量密度。因此，機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)往往占地面積大，并且對(duì)地理位置和條件的要求較高，因此它們不太適合在小型設(shè)施中使用。
抽水蓄能設(shè)施(PSH)將能量存儲(chǔ)在上游水庫(kù)的中。抽水蓄能設(shè)施(PSH)是一種廣泛部署的成熟儲(chǔ)能技術(shù)，占全球各地和美國(guó)目前存在的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能容量的90%以上。然而，自從上世紀(jì)90年代以來(lái)，抽水蓄能發(fā)電設(shè)施(PSH)的部署在美國(guó)和其他國(guó)家顯著放緩。除了其他因素之外，這一趨勢(shì)反映了由于更多地使用靈活的天然氣發(fā)電而導(dǎo)致日內(nèi)能源套利價(jià)值降低。此外，抽水蓄能設(shè)施(PSH)項(xiàng)目的初始投資成本高，規(guī)模和選址要求不靈活；從歷史上看，這些項(xiàng)目也經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的建設(shè)周期和重大的成本超支。
雖然不是嚴(yán)格意義上的電能存儲(chǔ)技術(shù)，但現(xiàn)有的傳統(tǒng)水電設(shè)施可以在平衡嚴(yán)重依賴可再生能源的電力系統(tǒng)供需方面發(fā)揮更大的作用。在具有巨大潛力發(fā)揮這一作用的地方，電力系統(tǒng)規(guī)劃者應(yīng)該考慮增加水庫(kù)用于平衡電力系統(tǒng)的水量。
先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)系統(tǒng)將壓縮空氣儲(chǔ)存在地下洞室或地上儲(chǔ)罐中；一些先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)系統(tǒng)還可以存儲(chǔ)壓縮空氣時(shí)產(chǎn)生的熱量。這項(xiàng)技術(shù)已被廣泛討論為潛在的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，但它面臨大規(guī)模部署的重大障礙。盡管先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)的成本估算存在多種不確定性，但該技術(shù)的成本通常高于未來(lái)可用儲(chǔ)能技術(shù)的成本。
將儲(chǔ)能系統(tǒng)與正在退役的現(xiàn)有電廠共址部署，可以通過(guò)共享使用現(xiàn)有電網(wǎng)互連設(shè)施以及在某些情況下其他電廠設(shè)施來(lái)降低儲(chǔ)能成本。使用現(xiàn)有的互連設(shè)施將節(jié)省時(shí)間和成本。此外，如上所述，現(xiàn)有化石燃料渦輪機(jī)可以在熱儲(chǔ)能系統(tǒng)中重復(fù)使用，該系統(tǒng)使用零排放熱量或燃料為現(xiàn)有渦輪機(jī)提供動(dòng)力。美國(guó)能源部應(yīng)該調(diào)查熱儲(chǔ)能技術(shù)的成本和系統(tǒng)影響，以及其他有望重用現(xiàn)有資產(chǎn)的方案，以及鄰近社區(qū)對(duì)此類重用策略的社會(huì)接受度，并應(yīng)在適當(dāng)?shù)那闆r下贊助示范項(xiàng)目。
具有儲(chǔ)能功能的高效可再生能源電力系統(tǒng)：建模結(jié)果、對(duì)治理和政策的影響
本節(jié)探討了儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)達(dá)國(guó)家和新興市場(chǎng)發(fā)展中經(jīng)濟(jì)國(guó)家背景下的潛在作用。美國(guó)和印度三個(gè)不同地區(qū)的結(jié)果分別說(shuō)明了這兩個(gè)國(guó)家的儲(chǔ)能部署情況。
（1）發(fā)達(dá)國(guó)家的建模結(jié)果：美國(guó)三個(gè)地區(qū)
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)美國(guó)電力部門的建模集中在三個(gè)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(chǔ)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(yáng)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(huì)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(shí)現(xiàn)不同程度脫碳的成本。圖3顯示了2050年每個(gè)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(cè)：無(wú)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(guó)電力部門的平均碳強(qiáng)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(zhǎng)的需求大于2018年，正如該項(xiàng)研究用于模擬儲(chǔ)能系統(tǒng)影響的電力需求情景中所預(yù)測(cè)的那樣。美國(guó)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%。圖3說(shuō)明結(jié)果來(lái)自僅假設(shè)鋰離子電池和抽水蓄能的情景可用，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)美國(guó)地區(qū)的建模評(píng)估了廣泛的其他儲(chǔ)能技術(shù)。
圖3 相對(duì)于電力需求的年發(fā)電量
儲(chǔ)能技術(shù)能夠替代或補(bǔ)充電力系統(tǒng)的所有其他要素（包括發(fā)電、輸電和需求響應(yīng)），再加上氣候變化對(duì)電力需求和供應(yīng)的不確定性影響，意味著需要采用更復(fù)雜的分析工具。需要規(guī)劃、操作和規(guī)范未來(lái)的電力系統(tǒng)，并確保電力系統(tǒng)的可靠性和效率。重要的關(guān)注領(lǐng)域包括電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和調(diào)度（包括在系統(tǒng)調(diào)度和批發(fā)市場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)分布式存儲(chǔ)和發(fā)電資產(chǎn)的參與和補(bǔ)償）、資源充足性和零售率設(shè)計(jì)。新分析工具的開發(fā)必須伴隨著對(duì)監(jiān)管機(jī)構(gòu)補(bǔ)充人員配備和技能提升計(jì)劃的額外支持。這項(xiàng)工作應(yīng)由美國(guó)能源部與獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商和區(qū)域輸電組織(ISO/RTO)合作開展。
在深度脫碳的電力系統(tǒng)中，每小時(shí)批發(fā)價(jià)格或能源邊際價(jià)值的分布將會(huì)發(fā)生變化，與目前的批發(fā)市場(chǎng)相比，電力的零價(jià)格或極低價(jià)格的時(shí)間要多得多，高價(jià)格的時(shí)間也要多得多。
這是因?yàn)?，與目前主要依賴火力發(fā)電設(shè)施的電力系統(tǒng)相比，以可再生能源為主的部署儲(chǔ)能系統(tǒng)的電力系統(tǒng)將具有相對(duì)較高的固定投資成本和相對(duì)較低的邊際運(yùn)營(yíng)成本。圖4比較了德克薩斯州電力可靠性委員會(huì)(ERCOT)的電力系統(tǒng)中2018年和2019年的每小時(shí)批發(fā)電價(jià)格分布，該電力系統(tǒng)幾乎覆蓋了德克薩斯州的所有地區(qū)，以及2050年的情景。圖中的條形代表無(wú)限制和受碳限制的德克薩斯建模案例的價(jià)格分布。增加對(duì)可再生能源發(fā)電設(shè)施的依賴，邊際成本為零。隨著碳限制變得更加嚴(yán)格（即允許的排放量逐漸降低），這種影響會(huì)增加。在價(jià)格最高的時(shí)段，如柱形頂部和圖中的分解部分所示，模擬價(jià)格明顯高于當(dāng)前德克薩斯州電力可靠性委員會(huì)(ERCOT)市場(chǎng)的價(jià)格。
圖4 德克薩斯州每小時(shí)能源邊際批發(fā)價(jià)格
相對(duì)較高的資本成本和價(jià)格非常低的更長(zhǎng)時(shí)間相結(jié)合，將為可再生能源的發(fā)電和存儲(chǔ)帶來(lái)融資挑戰(zhàn)，特別是因?yàn)楸O(jiān)管機(jī)構(gòu)可能會(huì)繼續(xù)限制（就像他們目前所做的那樣）極高的價(jià)格，否則這些價(jià)格可能會(huì)支持成本回收。批發(fā)電價(jià)的未來(lái)模式和通過(guò)脫碳電力電氣化使其他行業(yè)脫碳的目標(biāo)，也強(qiáng)化了采用零售定價(jià)和零售負(fù)荷管理選項(xiàng)的好處。
允許在具有更好的位置增加可再生能源的部署，并通過(guò)平衡連接區(qū)域之間的資源間歇性和減少可再生能源供需地理差異的影響來(lái)改善可再生能源集成，這對(duì)于具有成本效益的脫碳也很重要。目前，具有成本效益的輸電項(xiàng)目將具有豐富可再生能源的地區(qū)的電力帶到主要負(fù)荷中心的可能性將面臨延長(zhǎng)的延誤或取消，這表明需要進(jìn)行法律和監(jiān)管變革以減少輸電擴(kuò)展的障礙。輸電容量的不足可能會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)在未來(lái)發(fā)揮更大的作用以及電力系統(tǒng)在未來(lái)更高的成本。
（2）新興市場(chǎng)、發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體國(guó)家的建模結(jié)果：印度
研究表明，依賴燃煤發(fā)電的新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體無(wú)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(chǔ)能技術(shù)電力系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)非常龐大且重要的未來(lái)市場(chǎng)。該項(xiàng)研究的建模表明，儲(chǔ)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(jì)增長(zhǎng)（尤其是空調(diào)在印度的迅速普及）將成為儲(chǔ)能部署的主要驅(qū)動(dòng)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(lái)看，印度的可再生能源發(fā)電設(shè)施在中長(zhǎng)期內(nèi)與燃煤發(fā)電廠競(jìng)爭(zhēng)具有優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)有燃煤發(fā)電廠仍然缺乏碳定價(jià)，如圖5左側(cè)所示。圖5右側(cè)顯示了假設(shè)印度可以使用低成本儲(chǔ)能系統(tǒng)和可再生能源發(fā)電技術(shù)的場(chǎng)景的建模結(jié)果。這些結(jié)果表明，與基線預(yù)測(cè)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（見左圖）。無(wú)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(huì)降低。這一結(jié)果突出了降低儲(chǔ)能成本的全球環(huán)境效益。
圖5 鋰離子電池儲(chǔ)能成本預(yù)測(cè)對(duì)印度大容量電力系統(tǒng)演進(jìn)的影響
其他研究主題
除了該研究中討論主題之外，還有幾個(gè)與儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)的主題值得關(guān)注。其中包括：（1）制造和供應(yīng)鏈趨勢(shì)，對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的可用性和成本以及美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力的影響；(2)經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)脫碳的經(jīng)濟(jì)和監(jiān)管政策框架的穩(wěn)定性與實(shí)現(xiàn)凈零碳電力部門所需的時(shí)間之間的關(guān)系；(3)建立對(duì)報(bào)廢電池回收和再利用的期望；(4)環(huán)境鑒定，特定儲(chǔ)能系統(tǒng)的健康和安全方面；(5)負(fù)載靈活性和需求響應(yīng)的實(shí)際可用范圍，以減少儲(chǔ)能需求和相關(guān)成本。 （未經(jīng)許可，嚴(yán)禁轉(zhuǎn)載，未完待續(xù)）
