中國儲能網訊：4、基于當前數據和假設的儲能估算
歐洲儲能協(xié)會根據之前的文獻回顧、更新的假設和修訂的氣候目標估計了2030年和2050年歐盟的儲能需求。先前在長時儲能委員會的官方文件中定義了靈活性需求。因此使用歐盟委員會關于儲能系統(tǒng)的研究和最近的儲能影響評估為定義2030年和2050年靈活性需求的基礎。然而，正如第三節(jié)所強調的，需要更新關鍵信息以準確反映當今的儲能需求?？紤]之前在第1.1節(jié)中涵蓋的清潔能源包定義所定義的“儲能”技術。在此處定義的儲能需求應該設定為歐盟層面的2030年和2050年儲能目標，符合當今歐盟的最佳實踐。
4.1、2030年的靈活性需求
歐洲儲能協(xié)會的儲能研究報告發(fā)現，到2030年將需要部署456GW儲能系統(tǒng)提供能源靈活性，但這是基于原有的氣候目標預測的，因此到2030年總體靈活性需求將更大。如圖10顯示，76%的靈活性電力供應來自天然氣發(fā)電設施，并沒有配套碳捕集利用和儲存(CCUS)設施，并且這一情景中僅包括兩種儲能技術（抽水蓄能發(fā)電設施和電池儲能系統(tǒng)）。這意味著許多現成的儲能技術的代表性不足，并且提供靈活性的天然氣發(fā)電設施數量不成比例，不符合當今的脫碳議程和能源安全計劃。
圖10基線2030情景的靈活性解決方案的裝機容量
2030年的靈活性規(guī)定需要根據更新之后的歐盟氣候目標、減少對進口天然氣依賴的迫切需要以及儲能技術創(chuàng)新和成本假設的進步進行修訂，如其他文獻研究所示。歐洲儲能協(xié)會提出了以下關鍵修訂，以準確確定2030年的儲能需求。
（1）儲能需求必須基于更新的氣候目標
·歐盟的REPowerEU計劃中達到采用45%可再生能源電力目標：更高的可再生能源目標必然導致對儲能解決方案提供的系統(tǒng)靈活性和能量轉換有著更大需求。因此，到2030年的靈活性需求將大于歐盟委員會的研究中沒有考慮目前更新的氣候目標。
·到2030年溫室氣體減少55%：到2030年必須重新考慮化石燃料發(fā)電和靈活性發(fā)電廠的作用，儲能技術將替代天然峰值電廠的靈活性，并提供低排放替代方案。
（2）基于技術中立的方法解決系統(tǒng)需求
·所有能夠滿足電力系統(tǒng)需求的儲能技術，在單向或雙向（能量轉換）上提供電力系統(tǒng)靈活性，必須根據它們?yōu)殡娏ο到y(tǒng)帶來的價值來考慮，特別是認識到能源安全，能源獨立性以及低溫室氣體排放。
·所有儲能技術的更新成本假設和技術準備都必須包含在電力系統(tǒng)規(guī)劃中。
（3）迫切需要減少對進口天然氣的依賴并確保歐洲的能源獨立
鑒于更高的減排目標和減少對進口天然氣的依賴，必須重新考慮天然氣發(fā)電廠在2030年儲能情景研究中提供靈活性的高比例。
4.1.1、到2030年歐盟將減少對天然氣的依賴
正如REPowerEU計劃和其他研究報告強調的那樣，儲能技術是基于歐盟自身可再生能源資源提供清潔可靠的備用能源的天然氣發(fā)電廠的替代解決方案。例如美國和澳大利亞致力于將電池儲能系統(tǒng)取代天然氣發(fā)電廠。英國最近的研究還表明，到2030年，將有50TWh的天然氣可能被長時儲能技術所取代，從而有效地減少碳排放，最大限度地減少棄電，并最大限度地提高可再生能源的發(fā)電量。在這里使用同樣的理由來減少歐盟的天然氣使用量，到2030年，根據影響評估的數據，歐洲儲能協(xié)會確定了2030年必須從電力部門消除的天然氣發(fā)電量，以符合歐盟制定的55%的溫室氣體減排目標。
用儲能系統(tǒng)替代天然氣發(fā)電廠靈活容量的關鍵假設：
根據儲能研究報告中的情景，天然氣發(fā)電廠用于通過提供備用電源來平衡每日、每周和季節(jié)性的可再生能源。做出以下假設，采用儲能解決方案替換部分天然氣發(fā)電廠靈活性：
（1）根據影響評估報告，重點分析2030年電力部門使用的天然氣。
（2）考慮到2030年通過可再生能源和儲能系統(tǒng)替換天然氣發(fā)電廠，這項特殊服務依賴于可調度的能源供應。雖然采用更多的風能和太陽能發(fā)電設施取代天然氣發(fā)電廠，也將減少天然氣的使用和溫室氣體排放，但風力發(fā)電和太陽能發(fā)電是不可調度的，其發(fā)電量如果過多只會進一步增加靈活性需求。
（3）假設的儲能技術包括電池、抽水蓄能發(fā)電設施（PHS）和長時儲能（包括新型重力儲能、壓縮空氣儲能、液態(tài)空氣儲能、熱儲能）和電化學儲能）可以在2030年取代天然氣發(fā)電廠，并提供能源靈活性。預計長時儲能技術將在2030年大規(guī)模部署。鑒于從進口天然氣中實現能源獨立的加速，這種部署必須在未來幾年內加速。
（4）假設歐盟將有足夠的可再生能源發(fā)電或棄電，以確保儲能技術能夠在2030年提供所需的靈活容量。
（5）研究估計基于開放式循環(huán)燃氣輪機（OCGT）發(fā)電設施滿負荷小時的運行參數（約1300小時）。
圖11對研究報告進行總結析，來自歐盟委員會影響評估報告的2030年情景基于過時的氣候目標和修訂的氣候目標使用。僅基于電力部門天然氣使用量的分析表明，到2030年必須淘汰188TWh的天然氣，以實現55%的溫室氣體減排目標。根據研究，這相當于替代了55GW以上的開放式循環(huán)燃氣輪機（OCGT）發(fā)電設施，從而提供了靈活性?？紤]到開放式循環(huán)燃氣輪機（OCGT）發(fā)電設施的低效率及其高排放量，這一數量可能更多。因此，這是2030年采用儲能系統(tǒng)替代天然氣發(fā)電廠的最低估計值。
圖11根據歐盟影響評估和歐盟儲能研究的數據，2030年電力部門使用可再生能源和儲能系統(tǒng)替代天然氣發(fā)電廠。以實現靈活備用電源的基本原理概述。
4.2、2030年歐盟儲能目標估算
在這里，根據歐盟委員會的儲能研究報告中定義的靈活性需求，提出了2030年歐盟目標估計值，包括根據更新的溫室氣體減排目標和其他研究報告替找天然氣發(fā)電廠的假設。研究報告考慮了歐盟對于到2030年溫室氣體排放量減少了約55%的情景，而可變可再生能源（風力發(fā)電和太陽能發(fā)電）發(fā)電量將達到69%。雖然REPowerEU計劃將可再生能源發(fā)電量目標提高到45%，但這對應于各部門所有可再生能源的總發(fā)電量。在REPowerEU計劃中，可再生能源（即風力發(fā)電和太陽能發(fā)電）在發(fā)電中的份額預計將增加到67%。在此必須考慮發(fā)電組合，并且需要專門的模型研究來說明影響儲能需求的所有不同變量。因此，對儲能需求的假設和估計代表了2030年歐盟目標的估算。
對2030年目標估計的評估中包含的假設，如圖12所示：
（1）包括儲能研究中所述的部署67GW電池儲能系統(tǒng)：假設在這67GW下包含其他短時儲能解決方案，例如：車輛到電網（V2G）、飛輪儲能、超級電容器和超導磁儲能(SMES)。
（2）包括最近的影響評估（包括新的和現有的抽水蓄能發(fā)電設施）中所述的65GW的抽水蓄能發(fā)電設施，到2030年溫室氣體將減排55%。必須根據長時儲能委員會發(fā)布的抽水蓄能發(fā)電設施裝機容量的研究報告來考慮抽水蓄能發(fā)電設施的持續(xù)擴展。
（3）55GW儲能系統(tǒng)（Power-to-X-to-Power）在2030年替代部分天然氣發(fā)電廠靈活性。至少有55GW的天然氣發(fā)電廠(OCGT)在儲能研究中提供靈活性，被Power-to-X-to-Power解決方案所取代，其中包括電池儲能系統(tǒng)、抽水蓄能發(fā)電設施和長時儲能（包括新型重力儲能、壓縮空氣儲能、液態(tài)空氣儲能）、熱儲能和電化學儲能）。
（4）考慮到歐洲氫能戰(zhàn)略中制定的建設40GW電解槽的目標，并假設電解槽在這個時間范圍內的作用可能與提供電力系統(tǒng)靈活性的其他技術重疊。
·REPowerEU還將氫氣電解槽的目標更新到2030年超過60GW，這已包含在歐盟的專用氫能戰(zhàn)略中。
·目前大部分氫氣生產將用于工業(yè)用例，因此這里假設電解槽提供單向(P2G)的靈活性，而能源轉換技術對其他服務的貢獻是有限的。
（4）V1G和P2H定性包含在圖12中，在2030年的Power-to-X-解決方案下。
基于這些假設，圖12表明歐盟到2030年的儲能需求為187GW以上。Power-to-X技術以藍色顯示，并提供單向的系統(tǒng)靈活性。Power-to-X-to-Power技術以綠色顯示，并提供雙向的系統(tǒng)靈活性，即電力返回系統(tǒng)，這些技術提供關鍵的能源轉換服務。由于無法預測確切的技術組合，強調187GW是一個估計值，它取決于不同的情景和假設。
圖12到2030年歐盟的總儲能需求。Y軸顯示不同儲能技術的裝機容量(GW)，基于關于儲能值的研究中定義的總靈活性、到2030年替代天然氣發(fā)電廠的假設以及其他研究。Power-to-X技術以藍色顯示，并提供單向的系統(tǒng)靈活性。Power-to-X-to-Power技術以綠色顯示，并提供雙向的系統(tǒng)靈活性，即電力返回系統(tǒng)，這些技術提供關鍵的能源轉換服務。總儲能需求由紅色虛線表示，到2030年至少為187GW，這包括新的和現有的儲能系統(tǒng)（歐洲現有儲能系統(tǒng)約為60GW，包括57GW抽水蓄能發(fā)電設施和3.8GW電池儲能系統(tǒng)）
4.3、2050年的靈活性需求
歐盟委員會關于2050年儲能情景的研究，預計到2050年總系統(tǒng)靈活性需求為811GW，其中600GW由儲能技術提供，211GW由天然氣發(fā)電廠提供。其研究涵蓋的2050年情景主要集中在氫氣電解槽上，這只是眾多可用儲能解決方案中的一種。這導致其他關鍵儲能技術的代表性不足，這些技術可以在這個時間范圍內提供必要的靈活性和能量轉換服務。例如，抽水蓄能發(fā)電設施（PHS）的裝機容量與2030年情景相比仍處于停滯不前的狀態(tài)，這表明預計到2050年不會進行擴展，這與前面提到的關于歐洲部署的抽水蓄能發(fā)電設施（PHS）潛在擴展能力不符。由于大多數電力系統(tǒng)模型都是由成本最低的解決方案驅動的，因此應僅根據最佳技術匹配來解決電力系統(tǒng)需求。當今的成本假設和技術創(chuàng)新不斷變化，必須進行更新以提供準確的儲能需求，尤其是到2050年。鑒于從現在到2050年的時間范圍，不可能預測技術創(chuàng)新和成本降低或政策和市場變化。其他清潔能源技術（例如風力發(fā)電和太陽能發(fā)電）已經在更短的時間內顯著降低了成本。對于更多的儲能技術，到2050年的時間范圍內可能會出現類似的成本降低。如今的模型中應考慮基于所有技術的最佳情況成本假設的敏感性分析。雖然對歐盟研究儲能中所述到2050年所需的靈活性數量沒有爭議，但其他研究表明，這種靈活性需求將由許多不同的技術來滿足。
4.4、2050年歐盟儲能目標估算
在這里，根據一些研究報告針對不同儲能技術的最新數據以及基于提供能量轉換和Power-to-X 的Power-to-X-to-Power技術的系統(tǒng)靈活性假設，提出對2050年儲能的目標估計這些技術在單向提供系統(tǒng)靈活性）。由于無法預測2050年的絕對情景和技術組合，歐洲儲能協(xié)會的估計基于以下范圍和假設。
對2050年目標估計的評估中包含的假設，如圖13所示，Power-to-X-to-Power技術提供能量轉換靈活性，其中能量回饋給系統(tǒng)（雙向）。
（1）在歐盟影響評估中包括65GW的抽水蓄能發(fā)電設施，考慮到之前強調的抽水蓄能發(fā)電設施的潛在產能擴張，這是一個保守的估計。
（2）預計到2040年，歐盟長時儲能技術的裝機容量將達到128GW～264GW，估計長時儲能系統(tǒng)的裝機容量平均為200GW。其中包括：液化空氣儲能系統(tǒng)、壓縮空氣儲能系統(tǒng)、重力儲能、熱儲能、電化學儲能和電解槽。
（3）基于歐洲電動汽車部署情景的120GW的車輛到電網（V2G）。法國TSORTE公司估計1.7GW車輛到電網（V2G）設施用于110萬輛電動汽車的充電，假設2050年歐洲有7700萬輛電動汽車。
（4）長時儲能委員會從2021年開始的工作人員工作文件指出，到2050年，部署的電池儲能系統(tǒng)的裝機容量將超過100GW[。到2050年，電池在歐盟儲能研究中的作用范圍為1～70GW，這取決于對部署的敏感性以及其他競爭技術（包括V2G和電解槽）的成本。因此，可以取這些值的平均值（1-100GW）并保守估計，將50GW的電池儲能系統(tǒng)包括在2050年的估計中。
正式如歐盟的研究所述，為滿足2050年的總儲能靈活性需求，Power-to-X解決方案可以提供165GW的電力，該解決方案在提供系統(tǒng)靈活性（能量不回饋給電力系統(tǒng)）。
估計是基于對電力系統(tǒng)的雙向流動對電力系統(tǒng)靈活性的儲能需求，其部署范圍在315GW～550GW之間，估計約為435GW。額外165GW的power-to-X儲能技術對于電力系統(tǒng)靈活性是必要的，因此總共需要600GW。最后，到2050年，天然氣發(fā)電廠的作用同樣可以由具有成本競爭力的儲能技術來填補，并且在這個時間范圍內可能會進一步增加儲能需求。盡管如此，基于這些假設，到2050年將需要至少600GW的總儲能需求。圖13說明了這一點，其中power-to-X技術以藍色突出顯示，并提供單向的系統(tǒng)靈活性。
Power-to-X-to-Power技術以綠色顯示，并提供雙向的系統(tǒng)靈活性，即將電力返回電力系統(tǒng)，這些技術提供關鍵的能源轉換服務。
圖13歐盟到2050年的總儲能需求。Y軸顯示不同儲能技術的裝機容量(GW)，基于歐盟儲能研究中定義的總靈活性需求和其他研究報告。Power-to-X技術以藍色顯示，并提供單向的系統(tǒng)靈活性。Power-to-X-to-Power技術以綠色顯示，并提供雙向的電力系統(tǒng)靈活性，即電力返回系統(tǒng)，這些技術提供關鍵的能源轉換服務。用紅色虛線表示的總儲能需求在2050年至少達到600GW。
5、結論
如果歐盟成員國現在不采取行動，其電力系統(tǒng)可能無法支持當今REPowerEU所預見的可再生能源整合。為了適應電力系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電份額不斷增長，需要儲能系統(tǒng)來提供關鍵的系統(tǒng)靈活性和能量轉換服務。當前的市場預測嚴重低估了儲能需求，并且迫切需要大規(guī)模增加部署儲能系統(tǒng)以整合可再生能源。根據國際能源署(IEA)的數據，與歐盟在2020年部署的0.8GW電池儲能系統(tǒng)相比，在未來9年需要大規(guī)模部署儲能系統(tǒng)，將至少每年部署14GW。如果要確保能源安全并減少對第三方進口化石燃料的依賴，尤其是在當今已經有了低排放儲能技術的情況下，依靠化石燃料發(fā)電和靈活性不是未來的選擇。
在本文中，基于對歐洲電力系統(tǒng)的大量科學研究和分析的廣泛審查，強調了估算歐盟儲能目標的基本原理。在此并不預測儲能技術組合本身，因為不斷變化的成本、技術和創(chuàng)新格局在未來將不可避免地發(fā)生變化，因此無法預測。然而，考慮所有技術，包括Power-to-X-to-Power和Power-to-X-解決方案，將電力系統(tǒng)需求視為一個整體。
考慮到大量研究的投入和關于用低排放儲能技術取代部分天然氣發(fā)電廠靈活性的假設，估計約200GW的儲能需求是2030年的一個理想的選擇（包括歐洲現有的儲能容量）。到2050年，估計歐盟的電力系統(tǒng)至少需要部署600GW的儲能系統(tǒng)。這是基于從Power-to-X-to-Power解決方案（即能量轉換）的雙向流動方面的需求，估計435GW儲能系統(tǒng)作為2050年的選擇，輔以165GW的Power -to-X技術提供單向的系統(tǒng)靈活性。正如REPowerEU計劃中強調的那樣，儲能系統(tǒng)減少了電力系統(tǒng)中天然氣發(fā)電廠的使用，因此天然氣發(fā)電廠提供靈活性的作用可能會在2030年和2050年被儲能技術進一步替代，這意味著儲能需求可能會更加均衡。在這兩種情況下都更高。
將這些2030年和2050年的價值確定為歐盟層面的儲能目標，并制定專門的儲能戰(zhàn)略，將為儲能行業(yè)和投資者提供一個明確的信號，以開始建設推動大規(guī)模部署所需的基礎設施，同時支持可再生能源整合。儲能目標是對現有歐盟氣候目標的必要補充，將使歐洲能夠建立一個獨立于化石燃料能源進口的本地可持續(xù)綠色電力系統(tǒng)。
6、附件：支持信息
6.1 可變可再生能源份額與儲能需求之間的關系
僅著眼于一個關鍵問題的高可變可再生電力系統(tǒng)的需求，一項值得注意的研究著眼于電力組合中可變可再生能源(vRE)份額與靈活性和能量轉換所需的儲能系統(tǒng)之間的關系。這項研究不僅強調了發(fā)電技術（風力發(fā)電或太陽能發(fā)電）的重要性，還強調了兩者在電力結構中的比例對隨后的儲能需求和持續(xù)時間的影響。這一研究回顧了文獻中的400多種不同情景，將范圍縮小到歐洲。更高的太陽能發(fā)電量通常需要電池儲能系統(tǒng)提供更多的日常能量轉換靈活性，而以風力發(fā)電為主的電力系統(tǒng)需要更長期的能量轉換以應對數天或數周的低風量）。在表1中，說明了歐洲以風能或太陽能為主的電力組合的儲能需求?？勺兛稍偕茉吹姆蓊~取自歐盟委員會的影響評估情景，2030年為67%，到2050年約為85%。這些值表明，具有較高太陽能發(fā)電量的電力系統(tǒng)需要部署更多的儲能系統(tǒng)來解決電力系統(tǒng)靈活性和能量轉換，而以風力發(fā)電為主的電力系統(tǒng)需要更多的長時儲能系統(tǒng)來解決數天或數周的電力短缺問題。這是一個重要的觀察結果，將影響基于發(fā)電技術（風電或太陽能發(fā)電）的儲能需求，這將因歐盟成員國不同而有所不同，必須加以考慮。需要注意的是，這些結果還取決于儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間，較長的持續(xù)時間意味著較低的裝機容量，反之亦然。
表1使用參考文獻計算的儲能功率容量，2030年67%的可再生能源發(fā)電份額和2050年85%的份額
6.2、計算到2030年電力部門需要減少天然氣發(fā)電量，以實現55%的溫室氣體減排目標
歐盟的影響評估研究表明，要實現情景中修訂后的減少55%溫室氣體的目標，需要將天然氣總發(fā)電量減少30%（與2015年相比）。這意味著到2030年，與基本情景相比，需要將天然氣發(fā)電用量再減少17%，才能實現減少55%的溫室氣體的目標。如上所述，歐盟對2020年儲能的研究基于過時的目標，因此認為到2030年仍有不成比例的天然氣發(fā)電廠提供靈活性。
圖14 歐盟委員會影響評估中的2030年情景
6.3、2030年儲能目標預測的輸入和參考摘要
表2總結了用于2030年儲能預測的關鍵輸入和來源。將研究包括在表中以了解車輛到電網（V2G）的貢獻，并指出認為這是一種具有競爭力的電池儲能解決方案，可以提供短期靈活性。當然，并不是所有的電池儲能應用都可以由車輛到電網提供，因為無法將每個貢獻分開，但將33GW車輛到電網包括在由電池儲能系統(tǒng)和其他短時技術提供的67GW系統(tǒng)靈活性。
表2用于2030年歐盟儲能預測的關鍵數據和來源匯總
6.4、2050年儲能目標預測的輸入和參考摘要
表3 總結了第4.3節(jié)和第5.4節(jié)中詳述的2050年儲能預測的關鍵輸入和相關參考。
（全文完）
