中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2022年6月，麻省理工學(xué)院發(fā)布《儲(chǔ)能系統(tǒng)的未來》研究報(bào)告。本報(bào)告是麻省理工學(xué)院能源計(jì)劃未來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。賽迪智庫(kù)節(jié)能與環(huán)保研究所對(duì)該報(bào)告進(jìn)行了編譯，期望對(duì)我國(guó)有關(guān)部門有所幫助。
報(bào)告指出到本世紀(jì)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(chǔ)能技術(shù)可以優(yōu)化和利用不斷增長(zhǎng)的可再生能源發(fā)電。報(bào)告研究和分析了各種儲(chǔ)能技術(shù)（電化學(xué)儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱、化學(xué)儲(chǔ)能和機(jī)械儲(chǔ)能）關(guān)鍵性能、應(yīng)用領(lǐng)域和成本指標(biāo)等，呼吁應(yīng)積極支持長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)、多類型電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)到2050年電網(wǎng)系統(tǒng)完全脫碳。
一、多種儲(chǔ)能技術(shù)的基本知識(shí)
（一）儲(chǔ)能技術(shù)的基本類型
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)模可以通過其裝機(jī)容量（最大瞬時(shí)功率）來表征，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。
本報(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）。一般來說，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。
（二）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)。
能源相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新通常需要經(jīng)過五個(gè)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(yàn)；④技術(shù)示范；⑤部署應(yīng)用。表1涵蓋了各種儲(chǔ)能技術(shù)當(dāng)前創(chuàng)新階段。隨著脫碳要求變得更為嚴(yán)格和對(duì)波動(dòng)性可再生能源發(fā)電的依賴不斷增加，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用前景。例如在波動(dòng)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(shí)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商被禁止使用未裝碳捕集裝置的天然氣發(fā)電時(shí)，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)至關(guān)重要。
二、電化學(xué)儲(chǔ)能
電化學(xué)儲(chǔ)能能量密度通常比機(jī)械儲(chǔ)能和儲(chǔ)熱系統(tǒng)高，但比化學(xué)儲(chǔ)能（氫儲(chǔ)能）系統(tǒng)要低。電化學(xué)儲(chǔ)能由于占地空間小，不受地理環(huán)境和資源的限制等特點(diǎn)成為一種通用且高度可擴(kuò)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(chǎng)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(dòng)汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并在短時(shí)（通常為4小時(shí)或更短）電力系統(tǒng)儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(zhǎng)時(shí)（大于12小時(shí)）電力儲(chǔ)能系統(tǒng)中。為了實(shí)現(xiàn)更具經(jīng)濟(jì)效益的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，美國(guó)能源部應(yīng)支持該方向技術(shù)的研發(fā)和示范，以推進(jìn)使用儲(chǔ)量更為豐富的材料來替代鋰離子電池技術(shù)。
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)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(chǔ)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(jià)的充放電材料，更具有長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的特點(diǎn)。雖然這幾種新型電化學(xué)儲(chǔ)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(jìn)行投資協(xié)調(diào)予以支持。其他國(guó)家，尤其是中國(guó)正在積極探索該類技術(shù)的創(chuàng)新突破。
三、儲(chǔ)熱
儲(chǔ)熱技術(shù)是利用低成本材料儲(chǔ)存熱量，是一種適合長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)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(jì)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?xì)廨啓C(jī)替代傳統(tǒng)化石燃料鍋爐，并在其旁配備儲(chǔ)熱設(shè)施，從而降低熱能轉(zhuǎn)化為電能的成本；②開發(fā)動(dòng)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(jìn)耐高溫材料和高功率轉(zhuǎn)換裝置的研發(fā)，以達(dá)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(chǔ)能（氫儲(chǔ)能）
氫氣被普遍認(rèn)為是一種先進(jìn)的化學(xué)儲(chǔ)能介質(zhì)，因?yàn)槠淇梢酝ㄟ^較為簡(jiǎn)便的方式生產(chǎn)，同時(shí)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(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域主要關(guān)注氫儲(chǔ)能。氫儲(chǔ)能作為一種電力系統(tǒng)儲(chǔ)能形式，其發(fā)揮的作用取決于氫氣在整個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中的采用程度，以及未來氫氣生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)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(dòng)工業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)。通過電解水產(chǎn)生的氫氣在波動(dòng)性可再生能源發(fā)電量降低的時(shí)間段用作工業(yè)和發(fā)電的低碳燃料，將提高波動(dòng)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(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)輸和電網(wǎng)電解氫氣需求（工業(yè)）氫氣儲(chǔ)存氫氣發(fā)電電網(wǎng)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。
五、機(jī)械儲(chǔ)能
電能可轉(zhuǎn)化為包括重力勢(shì)能、動(dòng)能等多種形式在內(nèi)的機(jī)械能。機(jī)械儲(chǔ)能包括多種技術(shù)，其共同特點(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)能的能量密度。因此，機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)往往占地面積大，并需要一定的地勢(shì)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(guó)現(xiàn)有的電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模90%以上。但自20世紀(jì)90年代以來，抽水蓄能在美國(guó)和其他許多國(guó)家部署進(jìn)度顯著放緩（特別是中國(guó)）。此外，抽水蓄能項(xiàng)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(yán)格意義上的利用電能或電能之間轉(zhuǎn)換的儲(chǔ)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(yán)重依賴波動(dòng)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(chǔ)能系統(tǒng)將壓縮的空氣儲(chǔ)存在地下的洞穴或地上的儲(chǔ)氣罐中，一些壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)還存儲(chǔ)壓縮空氣時(shí)產(chǎn)生的熱量。該技術(shù)作為潛在的電網(wǎng)級(jí)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)被廣泛研究。盡管壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)的成本。
六、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)果分別說明了這兩個(gè)國(guó)家的儲(chǔ)能部署情況。
（一）對(duì)美國(guó)建模分析結(jié)果及建議
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。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%。
（二）對(duì)印度建模分析結(jié)果及建議
同許多其他新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體一樣，印度的電力需求正持續(xù)快速增長(zhǎng)。在峰值需求增長(zhǎng)速度快于整體需求的住宅配電系統(tǒng)中，需要峰值負(fù)荷提供服務(wù)，這為儲(chǔ)能提供了一個(gè)重要用例。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)。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。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。
（三）對(duì)儲(chǔ)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(guó)家的輸電或配電系統(tǒng)中，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了一種潛在的重要手段，可以提高短時(shí)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(fèi)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(jī)的電力）。
在一些住宅和商業(yè)區(qū)域內(nèi)，當(dāng)電網(wǎng)中斷頻繁且持續(xù)時(shí)間較短（幾個(gè)小時(shí)）時(shí)，與備用柴油發(fā)電機(jī)相比，具有備用儲(chǔ)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(jìng)爭(zhēng)力。然而，如果停電不可預(yù)測(cè)并且可能持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，會(huì)產(chǎn)生對(duì)長(zhǎng)時(shí)備用儲(chǔ)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(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體普遍提供的燃料補(bǔ)貼，也會(huì)更傾向于使用備用柴油發(fā)電機(jī)。
譯自：
The Future of Energy Storage, June 2022 by Massachusetts Institute of Technology
