中國儲能網訊：一、簡介
1、長時儲能在提高電力系統靈活性方面可以發(fā)揮重要作用，這對于實現凈零排放至關重要
很多國家如今制定了到2040年電力系統實現脫碳的目標，而對于實現凈零經濟以及將全球氣溫上升限制在1.5℃至關重要。
可再生能源高滲透率將對電力系統的可靠性和穩(wěn)定性產生影響。而要使全球的電力部門完全脫碳，需要克服三個關鍵挑戰(zhàn)：
?電力供需失衡。
?輸電模式的變化。
?減少電力系統慣性。
這三個挑戰(zhàn)可以通過在不同時間跨度內為電力部門引入靈活性來解決：
?日內靈活性（持續(xù)放電時間少于12個小時）
?多天和多周的靈活性（12小時～數周）
?季節(jié)性靈活性
?應對極端天氣事件的靈活性
雖然目前有一些解決方案，但它們或者具有碳排放（例如天然氣發(fā)電廠），或者是地理位置受限的（例如大型抽水蓄能設施），或者難以滿足電力系統的未來需求（例如鋰離子電池儲能系統）。為了實現具有成本效益的能源轉型，需要部署長時儲能技術。
2、到2040年電力系統的脫碳將是必不可少的措施，致力實現凈零經濟，并將全球氣溫上升限制在1.5℃
占全球GDP約80%的123個國家已經承諾到2050年實現溫室氣體(GHG)凈零排放或碳中和目標。然而目前的努力不足以實現這些目標。人類活動已經導致全球氣溫上升。
但也有很多國家沒有走上降低碳排放，碳排放量在短暫下跌后再次上漲。這是由于發(fā)生新冠疫情而導致的，預計未來幾年將進一步上升。因此，未來幾年到幾十年發(fā)生嚴重氣候變化的風險越來越大，并在環(huán)境和社會經濟方面帶來嚴重的后果。
為了實現氣候目標并限制氣候變化的影響，需要政府和企業(yè)立即采取行動。需要采用解決方案組合來實現碳減排，包括更高的脫碳率和各部門能源供應的系統性變化。
電力部門是溫室氣體的最大排放者之一，其脫碳對于建立到2050年實現凈零經濟的途徑至關重要。2020年，發(fā)電部門排放了123億噸二氧化碳當量(GtCO2eq)，約占全球總排放量的三分之一。受到多種終端用途電氣化的推動，例如電動汽車(EV)和住宅供暖，用戶對電力的需求正在增長。
新的需求來源與新興市場和發(fā)展中經濟體的能源消耗和供應部門的整合（即所謂的“部門耦合”）、人口增長和生活水平提高有關。在深度脫碳情景中，廣泛的電氣化可能導致到2050年電力消耗增加兩倍，為了實現限制升溫1.5℃的脫碳目標，該研究報告假設全球電力部門到2040年可以實現凈零排放（如圖4所示）。為實現這一目標，假設發(fā)達國家(MEDC)到2035年實現凈零排放，世界其他國家和地區(qū)到2040年實現凈零排放。這一里程碑與最近的國際能源署(IEA)的凈零報告提到的目標相一致。
圖4 全球電力部門的碳減排途徑
如今，已經有很多能夠大規(guī)模部署的低碳發(fā)電技術。在許多情況下，它們能夠以比化石燃料更低的發(fā)電成本部署，從而使電力部門（包括大型電網、孤立電網和小型電網）能夠領先于其他部門進行脫碳。
3.電力系統將不得不快速適應大量可再生能源(RE)，這將帶來新的系統挑戰(zhàn)
為了限制碳排放，電力系統必須加快向可再生能源的過渡。隨著現有化石燃料發(fā)電廠的退役和電力需求的增長（即使在沒有政策支持的情況下），可再生能源的平準化電力成本（LCOE）的下降已經加速了風電和太陽能發(fā)電的采用。如果各國政府采取強有力的政策，并采用適當的市場設計，則可以加速能源轉型。雖然碳排放解決方案對于實現經濟體的全面脫碳至關重要，但在很大程度上受到支持其擴大規(guī)模趨勢的影響，可能影響到2040年實現脫碳目標。
可再生能源發(fā)電量在電力系統中需要快速整合。預計到2030年，僅電力部門每年部署的風力發(fā)電和太陽能發(fā)電設施將超過1TW，這給電力系統規(guī)劃者和市場參與者等帶來了一些挑戰(zhàn)，需要采用新的解決方案容納更多的可再生能源。如圖5所示。
圖5如果不開發(fā)不同類型的系統靈活性，就無法建立凈零電力系統
（1）電力供需失衡
根據定義，在電力結構中添加大量可再生能源發(fā)電將會造成供需失衡，因為風力發(fā)電和太陽能發(fā)電量的波動與電力需求不匹配。因此在發(fā)電組合中，在地理位置比較集中的風力發(fā)電和太陽能發(fā)電量增加，將導致電力過剩或電力短缺的情況更頻繁。如果沒有足夠的陽光或風力，這些不平衡的時間可能會持續(xù)數天甚至數周。因此，隨著可再生能源發(fā)電變得越來越普遍，電網運營需要變得更加靈活，以發(fā)展維持供需平衡的能力，同時激勵可再生能源的部署。
使挑戰(zhàn)變得更加復雜的是，由氣候變化引起的極端天氣事件的頻率更高，例如熱浪和洪水，也將對以可再生能源發(fā)電為主的電網運營造成更大的壓力。例如，根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的最新評估報告，預計全球變暖水平超過1.5℃時，洪水和極端降水將會增加。同樣，極端高溫的發(fā)生頻率、持續(xù)時間、強度也很可能會增加。
在這種情況下，電力系統需要能夠應對長期的供應中斷，并確保有足夠的電力容量來保證極端天氣事件中的供電安全。
（2）電力傳輸和流動模式的變化
電力系統也將看到地理供應模式的轉變，以及輸電線路電力流動的變化。而這些變化是由于技術發(fā)展和成本改進（例如住宅太陽能設施和用戶側電池儲能系統）推動的分散式可再生能源發(fā)電部署增加所致。它們還將反映可再生能源發(fā)電的地域依賴性，往往集中在陽光和風能供應充足的地區(qū)。
消費者方面的變化將使傳統的單向電力線路設計轉變?yōu)殡p向流動的電力系統，更多的住宅用戶將電力注入電網。這將對電壓控制和穩(wěn)定性等傳統配電系統提出挑戰(zhàn)。這種趨勢的一個例子可以在美國加州看到，在過去十年，激勵措施和政府支持導致部署了10GW以上的分布式太陽能發(fā)電設施（占其總發(fā)電量的10%）。
同樣，具有高可再生能源產量潛力的地區(qū)可能會成為影響電網運行方式的新一代發(fā)電中心。例如，一項研究表明，由于太陽能發(fā)電和海上風電的增加，紐約州的歷史輸電模式可能會發(fā)生逆轉。隨著可再生能源產量在一天和一年中波動，電力流向也會隨著時間而變化。
而較長的部署時間和對這些系統變化的緩慢適應可能導致更頻繁的電網擁塞，降低電力系統的穩(wěn)定性，并危及其實現脫碳目標的能力。
（3）系統慣性降低
隨著大部分發(fā)電從同步技術過渡到異步技術，電力系統的穩(wěn)定性也面臨挑戰(zhàn)。傳統發(fā)電設施（例如化石燃料發(fā)電設施和核電設施）通過提供慣性在保障電力系統穩(wěn)定性方面發(fā)揮了至關重要的作用：在系統擾動中，連接電網的化石燃料發(fā)電設施可以通過抵抗干擾來幫助所有發(fā)電機保持同步。而電網頻率將會發(fā)生變化。如果不加以糾正，那么可能導致停電，并且造成經濟和社會方面的損失。
相比之下，太陽能發(fā)電設施和風力發(fā)電等新技術缺乏直接提供固有的系統慣性。因此，發(fā)電干擾、頻率和電壓偏差需要部署新的發(fā)電設施，可以使用電力電子設備設置正確頻率（“人工慣性”）的并網逆變器和同步電容器是當前的技術解決方案。
4.凈零電力系統將需要不同持續(xù)時間級別的靈活性資源，其中長時儲能可以發(fā)揮關鍵作用
已經存在廣泛的靈活性杠桿和促成因素來幫助平衡可再生能源發(fā)電量?，F有的解決方案包括可調度的容量（例如，天然氣峰值發(fā)電廠或可在電力峰值期間啟動的發(fā)電廠和抽水蓄能設施）、輸電網的擴展，包括內部和跨市場互連、饋電管理，以及部署電池儲能系統。
然而，這些傳統方法不足以滿足電力系統不斷變化的需求。最普遍的解決方案（天然氣峰值發(fā)電廠）需要部署碳捕獲和儲存(CCS)設施。這增加了其資本密集度。擴大規(guī)模可以降低電網擁塞的風險，但成本高昂，交貨時間長，并且不適合部署在某些城市中心。此外，為滿足峰值需求而建設電力基礎設施，往往投資回報率較低。饋電管理和電力削減本質上是低效的，因為它們會導致供應損失。最后，短時儲能系統具有技術和經濟方面的限制，這意味著它無法滿足所需的靈活性持續(xù)時間。
因此，新的低碳靈活性資源開始出現，包括需求側響應機制、氫氣儲能和長時儲能技術。到2040年，可能會部署一套多樣化的解決方案，以實現成本最優(yōu)的電網脫碳，如圖6所示。日內靈活性涵蓋了持續(xù)時間低于12個小時持續(xù)放電的靈活性需求，一般來說， 涉及提供電網穩(wěn)定服務和調峰服務。鋰離子電池儲能系統是目前最便宜的一種零排放選擇，可提供少于4小時的電網平衡服務。在4到8小時持續(xù)放電時間范圍內，其他儲能技術也可以適應負載。這些技術包括長時儲能、需求側響應機制、限電和調峰發(fā)電設施。在此范圍內，4小時儲能的鋰離子電池系統的成本目前低于400美元/kWh，預計未來10年將降到200美元/kWh左右。隨著可再生能源發(fā)電在電力組合中的份額不斷增加，預計對8到12小時持續(xù)放電時間的需求將會增長，并成為長時儲能技術的重要市場。
圖6針對不同的靈活性持續(xù)時間需求總結現有和新興的靈活性解決方案
（1）多天和多周的靈活性
持續(xù)時間將從12小時延伸到持續(xù)數天或數周。需要解決長期不平衡的可再生能源輸出或由輸電限制引起的潛在中斷。傳統上，電力系統依賴于傳統發(fā)電廠、電力供應縮減和輸電網規(guī)模的擴張。長時儲能技術是一種有前途的零碳解決方案，可以滿足這些長期靈活性需求，尤其是那些持續(xù)數天的電力需求。
（2）季節(jié)性靈活性和極端天氣事件
對季節(jié)性靈活性的需求源于太陽輻射、風速、溫度和降雨在數周和數月內的自然變化，以及潛在的極端天氣事件。電網強化、可再生能源超大規(guī)模和棄電、可調度資產，包括氫氣、沼氣以及天然氣可以滿足這些需求。長時儲能系統也可以這些需求，同時還能在面對極端天氣條件時提供彈性。
隨著電力結構的轉變，一系列靈活性需求可能會發(fā)生變化。從現在到2030年的期間內，由于可再生能源的份額仍然有限，電力系統將主要需要日內靈活性。盡管如此，還是會有一些具有高可再生能源份額的特定應用程序，因此需要更長的持續(xù)時間，即使在短期內也是如此。建模表明，較長靈活性持續(xù)時間的采用曲線在可再生能源滲透率達到60%到70%的水平上加速，這可能會在未來十年內在許多國家和地區(qū)實現。為了到2040年實現全球凈零電力，需要部署季節(jié)性靈活性解決方案，以確保在平衡可再生能源組合潛力有限和區(qū)域輸電線路有限的地區(qū)實現脫碳。
二、長時儲能技術表征及現狀
1、長時儲能技術可以發(fā)揮關鍵而獨特的作用，在數小時到數周的時間范圍內提供靈活性
長時儲能技術與其他形式的儲能系統一樣，允許在能源供應超過需求時儲存能量，并在需求超過供應時釋放能量。
相對于其他形式的儲能系統，新型長時儲能技術具有一些鮮明的特點：
?儲存能量的邊際成本很低。
?長時儲能技術可以存儲的能量與其吸收和釋放能量的速率是脫鉤的。
?它們具有廣泛的可部署性和可擴展性，因為它們幾乎沒有地理位置要求，并且不依賴于稀有元素。
?與輸配電電網升級和擴建相比，它們的交貨時間相對較短。
全球各地如今已經部署了新的長時儲能技術：
?對主要長時儲能開發(fā)商的總投資已超過25億美元，并且在過去幾年中加速增長。
?不包括抽水蓄能設施，如今部署的長時儲能系統的裝機容量超過5GW或65GWh。然而，這些部署中的大多數都與用于聚光太陽能(CSP)和壓縮空氣儲能(CAES)技術有關。
如今有多種長時儲能術，每種技術都基于不同的儲能原理，并具有不同的架構。因此，提供長時儲能性能特征的統一觀點具有挑戰(zhàn)性。然而，一些特性是長時儲能技術所固有的，這對于過渡到清潔電網至關重要。如圖7所示。
2、長時儲能技術的特點是儲能容量資本支出低，并且能夠將功率和能量容量解耦
圖7電力和能源是長時儲能的關鍵特征
長時儲能在優(yōu)化系統規(guī)模和擴大成本方面具有顯著優(yōu)勢，包括較低的儲能容量資本支出和解耦能力。在不影響充放電循環(huán)設計的情況下，能夠以較低的增量成本擴展儲能容量。因此，這些長時儲能系統可以長時間提供電力，并且通常不需要疊加多個服務來收回投資。長時儲能的使用壽命可能非常長，大約為30年才需要進行重大升級。而一些長時儲能系統即使在高水平運行的情況下的儲能容量退化率也非常低。
作為模塊化儲能解決方案，鋰離子電池儲能系統的裝機容量和儲能容量是密切關聯的，這種特性限制了它們經濟可行地提供長期服務的能力。因此，電池儲能系統可以通過降低放電率或降低放電容量（即提供低于額定功率）來長時間保持輸出，這是實現更長持續(xù)放電時間的次優(yōu)解決方案。
重要的是，一些長時儲能技術的裝機容量可以獨立于儲能容量進行設計，這突出了它們的多功能性和對具有不同供應和負載曲線的生態(tài)系統的適應性。例如，一些機械儲能系統的充放電過程采用獨立設計并具有不同的效率。此外，其不對稱性為收入優(yōu)化開辟了更多可能性。例如，長時儲能系統可以通過在電價較低時在夜間充電，并在電價高時在更短的時間內釋放能量來優(yōu)化能源套利。
2、一些長時儲能技術的額外操作和部署優(yōu)勢可以為系統增加顯著價值
長時儲能系統可以提供額外的運營和部署優(yōu)勢，例如與電網升級和擴展具有更短的交付周期，以及更少的大規(guī)模部署限制。這些優(yōu)勢由于儲能技術的不同而有所不同，有些儲能系統仍必須在試點和商業(yè)工廠中得到證明。
（1）與輸配電(T&D)電網升級和擴建相比，交貨時間更短
從歷史上看，通過升級現有電力線路來解決發(fā)電廠與受限電網的連接問題。但電網的擴容降低擁塞風險，然而這是一個需要長期規(guī)劃的資本密集型過程。此外，隨著分布式發(fā)電計劃的激增以及項目連接變得不太確定，電網穩(wěn)定運營變得越來越困難。此外，輸電網項目的復雜性和許可要求導致近20%的輸電項目被推遲或取消。
長時儲能需要一種經濟高效的輸電優(yōu)化解決方案，提高電網利用率和虛擬電網容量，同時推遲電網升級。長時儲能技術的平均建設時間為一年，與電網升級相比，其許可要求更寬松。同樣，它們可以應用于具有多個站點的大型電網，并允許建設新的可再生能源發(fā)電設施。
（2）可廣泛部署和可擴展
大多數新興的長時儲能技術幾乎沒有部署限制（如圖8所示）。例如，這些長時儲能系統沒有特定的地理位置要求，并且每個裝機容量的占地面積較小。根據長時儲能技術的不同特點，有些長時儲能系統可以建在地下或非?？拷丝诔砻艿牡貐^(qū)，因為它們的安全風險低。
圖8 長時儲能委員會針對不同部署參數的技術基準
此外，許多儲能系統具有模塊化架構，允許以更短的持續(xù)時間或更小的裝機容量實施長時儲能系統的初始部署，并且可以根據需求擴大規(guī)模。
長時儲能還可以為現有發(fā)電設施重新供電或擴大規(guī)模，這將隨著可再生能源發(fā)電量的增加而變得越來越重要。這將優(yōu)化土地使用，并允許可再生能源設施利用并網許可。此外，一些長時儲能技術為重新利用可能擱淺的化石燃料發(fā)電設施提供了機會。例如，廢棄礦場可以用于壓縮空氣儲能（CAES）系統，或者可以將煤炭和天然氣發(fā)電廠轉換為儲熱設施。熱儲能解決方案可以通過耦合熱力和電力部門，并支持依賴于依賴的最終用途的脫碳來提供額外的靈活性。
在實用性方面，一些長時儲能技術依賴于現有的供應鏈，其中大部分使用大量可用的儲量豐富的材料，無論是在核心技術還是工廠平衡(BoP)系統中。這可以防止鋰離子電池（例如采用鎳、錳和鈷的三元鋰電池）未來潛在的供應鏈短缺：全球65%以上的鈷來自剛果民主共和國。然而，這并不是所有長時儲能系統都是如此，因為有些儲能產品使用某些稀有金屬（例如釩）和帶有稀土磁性材料的電動機或發(fā)電機。雖然這些產品現在沒有面臨供應限制，但未來可能會出現短缺的情況。
2、新型長時儲能技術呈現出截然不同的特性，使其適用于不同的應用
新型長時儲能技術的具體特征如圖9所示。
圖9關鍵長時儲能的類型和參數
（1）近年來，投資者對長時儲能的興趣有所增加，對長時儲能開發(fā)商的投資超過25億美元
長時儲能技術可以整合風力發(fā)電和太陽能發(fā)電設施，并降低脫碳電力系統成本，其潛力促使新的商業(yè)舉措和研發(fā)(R&D措施激增。2021年，全球對主要長時儲能開發(fā)商的累計投資超過25億美元，在過去四年中增長了近兩倍（如圖10所示）。
圖10 投資者近年來對長時儲能公司的投資
已經投入運營或已宣布部署的長時儲能系統超過5GW和65GWh ，全球范圍內已宣布超過260個處于不同商業(yè)階段的長時儲能項目，如圖11所示。
圖11長時儲能項目管道（不包括抽水蓄電設施）
（2）5GW以上的長時儲能系統已經投入運營或已宣布
根據美國能源部發(fā)布的調查數據，迄今為止，不包括抽水蓄電設施的長時儲能項目總裝機容量為5GW（65GWh），大約有230個長時儲能項目。
然而，大部分儲能容量與傳統的熔鹽和壓縮空氣儲能系統（CAES）技術相關，與新型長時儲能技術相比，它們具有一些部署限制（例如規(guī)模巨大和模塊化有限）。熱儲能系統占已公布的長時儲能系統裝機容量的最大份額（60%），這主要歸功部署的許多電網規(guī)模的聚光太陽能(CSP)熔鹽儲能設施。壓縮空氣儲能系統（CAES）名列第二（約30%），但平均部署規(guī)模最大（80MW）。液流電池儲能項目的數量最多（100多個），但平均裝機容量要低得多，每個約為4MW。這意味著，雖然其他長時儲能技術的潛力很大，但它們的廣泛采用取決于商業(yè)演示和成本開發(fā)。
就地區(qū)而言，美國、西班牙和德國報告的裝機容量和項目數量最多。美國部署的長時儲能系統大多是機械儲能、熱儲能和電化學儲能項目，約占全球長時儲能總裝機容量的30%。西班牙的大多數長時儲能項目（占全球長時儲能總裝機容量的的20%）都是熱儲能系統。德國還有兩個超過200MW以上的壓縮空氣儲能系統（CAES），占全球長時儲能總裝機容量的10%。而在亞洲，日本和中國已經宣布了至少30個電化學儲能項目，主要采用液流電池和金屬陽極電池的組合。
抽水蓄能發(fā)電設施通常由兩個不同高度的水庫組成，當水從上游水庫流經水力渦輪機流向下游水庫時可以發(fā)電。
大型抽水蓄能發(fā)電設施由于其技術成熟、效率高、單位投資成本低，成為全球儲能容量最大的解決方案。全球各地目前已經安裝約160G抽水蓄能發(fā)電設施，另有130GW計劃建設或正在建設中。未來的部署主要集中在亞洲，中國占全球已經宣布、計劃或在建產能的60%左右?，F有和已宣布的水蓄能發(fā)電設施的持續(xù)放電時間通常為10到24小時（但在某些情況下會達到數天），項目規(guī)模平均為3GW。如圖12所示。
圖12 按年度增加的抽水蓄能設施的裝機容量
全球在過去10年對抽水蓄能發(fā)電設施的總投資約為1000～1500億美元，到2030年還將增加2300～3200億美元。其成本因地點而異，這由于EPC成本和系統設計（包括系統的持續(xù)時間和技術）各不相同。抽水蓄能發(fā)電設施的平均支出成本高于2,000美元/kW。然而，在EPC成本非常低的地區(qū)（如印度），短期獨立設計的價值可以達到1,000美元/kW。
大型抽水蓄能發(fā)電設施可以提供低成本、可調度的電力，并且由于其快速響應時間而作為電網穩(wěn)定性的主要解決方案。它的主要限制是缺乏可用場地、交貨時間長、建設成本高以及環(huán)境問題。盡管如此，它仍有潛力滿足日益增長的電氣化需求和對零碳能源的需求，并促進難以減排的行業(yè)脫碳，特別是在擁有大部分未開發(fā)自然潛力且電力需求可能成倍增加的新興經濟體中。
（未完待續(xù)）
