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3 長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的成本和競(jìng)爭(zhēng)力
即使在高溫環(huán)境下，熱儲(chǔ)能系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)大多數(shù)熱能應(yīng)用。熱儲(chǔ)能涵蓋了大量的技術(shù)，包括各種持續(xù)時(shí)間 (從白天到季節(jié)性)和溫度范圍寬泛(從零下到2400℃)的技術(shù)。
根據(jù)2022年長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能委員會(huì)的基準(zhǔn)，熱儲(chǔ)能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)廣泛使用的熱應(yīng)用(即蒸汽和熱空氣)，可以經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和脫碳。其基準(zhǔn)結(jié)果還表明，當(dāng)最終需求為熱能時(shí)，熱儲(chǔ)能比電轉(zhuǎn)熱更具有成本效益。此外，包括熱儲(chǔ)能在內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本在未來(lái)15年將大幅下降。并且隨著市場(chǎng)的成熟，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的成本競(jìng)爭(zhēng)力將越來(lái)越強(qiáng)。
1、2022年長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能委員會(huì)的資本支出基準(zhǔn)提供了最新的電力長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能技術(shù)成本展望
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能委員會(huì)2022年資本支出基準(zhǔn)提供了長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能成本的最新視角，并為相關(guān)業(yè)務(wù)案例提供信息。與任何新技術(shù)一樣，具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本和性能對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)的廣泛采用至關(guān)重要，與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)需要更具成本效益。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要考慮的一些關(guān)鍵參數(shù)是儲(chǔ)能容量成本(美元/MWh)，裝機(jī)容量成本(美元/MW)，運(yùn)行和維護(hù)成本(美元/MW))，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電效率(RTE)，以及熱儲(chǔ)能的系統(tǒng)效率。這些參數(shù)包括在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能委員會(huì)的成本基準(zhǔn)中，本節(jié)給出了下列結(jié)果：
（1）基于電力的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能委員會(huì)2022年資本支出基準(zhǔn)提供了基于電力的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)資本支出和兩種持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能原型(8至24小時(shí)以及24小時(shí)或以上)充放電效率(RTE)的視角，如2021年長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能凈零電力報(bào)告所示。更新后的基準(zhǔn)基于21個(gè)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能委員會(huì)技術(shù)提供商部署的這兩種儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本。其基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果將在稍后的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化建模中使用(參見(jiàn)第5章)，可以模擬部署不同的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)。
（2）熱儲(chǔ)能。本報(bào)告擴(kuò)大了2022年長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能委員會(huì)資本支出基準(zhǔn)范圍，將熱儲(chǔ)能技術(shù)包括在內(nèi)。該基準(zhǔn)展示了熱儲(chǔ)能的資本支出和系統(tǒng)效率在四種熱應(yīng)用類型的前景。該基準(zhǔn)測(cè)試基于11個(gè)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能委員會(huì)技術(shù)供應(yīng)商的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)。
2、基于電力的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)更新的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)證實(shí)了成本將在2040年下降的觀點(diǎn)
基于電力的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表明，到2040年，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本可能下降25%`50%。對(duì)于持續(xù)時(shí)間8～24小時(shí)和24小時(shí)以上的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，其部署成本可能分別下降到26萬(wàn)美元/MW和148萬(wàn)美元/MW (如圖7所示)，其中包括充放電設(shè)備和工廠成本平衡在內(nèi)的電力資本支出，預(yù)計(jì)8～24小時(shí)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本將整體下降35%～50%，24小時(shí)或以上長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本將下降約25%。
對(duì)于24小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)和8～24小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能成本預(yù)計(jì)將分別降至6000美元/MWh和22000美元/MWh。
圖7基于電力的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)支出預(yù)計(jì)將在2040年大幅下降
持續(xù)時(shí)間較短的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)通常被優(yōu)化為在較短的持續(xù)時(shí)間和較高的充放電次數(shù)方面具有競(jìng)爭(zhēng)力。這可以從8～24小時(shí)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能資本支出中看出來(lái)。然而，由于電力資本支出成為主要成本，且在不同原型和場(chǎng)景中差異更大，這種優(yōu)勢(shì)往往會(huì)隨著持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)而減少。24小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能系統(tǒng)的單位儲(chǔ)能成本要比8～24小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)低得多 (大約是其三分之一)，這使得這些長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)適合持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的應(yīng)用。
更多的案例為基于電力的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)基準(zhǔn)提供了更廣泛的技術(shù)基礎(chǔ)。與2021年電力資本支出基準(zhǔn)的差異主要是由于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能委員會(huì)成員提交的樣本數(shù)量翻了一番，這增加了樣本數(shù)量。同樣的情況也適用于儲(chǔ)能資本支出。
3、熱儲(chǔ)能基準(zhǔn)根據(jù)熱應(yīng)用原型的不同而不同
·熱儲(chǔ)能技術(shù)分為三類: 顯熱、潛熱和熱化學(xué)熱。顯熱通過(guò)提高固體或液體介質(zhì)的溫度來(lái)儲(chǔ)存熱能；潛熱通過(guò)改變材料的相來(lái)存儲(chǔ)和產(chǎn)生熱量。熱化學(xué)熱通過(guò)吸熱和放熱的化學(xué)反應(yīng)來(lái)存儲(chǔ)和產(chǎn)生熱量。每個(gè)類別的介質(zhì)材料都具有其獨(dú)特的特性，導(dǎo)致不同的工作溫度和持續(xù)時(shí)間。因此，不同的熱儲(chǔ)能技術(shù)將適合不同的應(yīng)用，這取決于它們的溫度、規(guī)模、持續(xù)時(shí)間和其他因素，例如儲(chǔ)熱形式、占地面積和流程集成。
熱儲(chǔ)能技術(shù)可以覆蓋熱需求的時(shí)間和溫度范圍。許多不同的材料（例如石墨、巖石、水和冰等）可以覆蓋廣泛的溫度和持續(xù)時(shí)間(如圖8所示)。例如，地下水系統(tǒng)，如含水層、鉆孔和水坑可以存儲(chǔ)0℃到100℃的熱量長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的時(shí)間，而石墨系統(tǒng)可以存儲(chǔ)高達(dá)2400℃的熱量。熱儲(chǔ)能技術(shù)（包括微囊化金屬、石蠟和吸收系統(tǒng)）處于不同的發(fā)展階段，從最初的商業(yè)測(cè)試和試點(diǎn)設(shè)置到其他已經(jīng)部署的熱儲(chǔ)能技術(shù)。最后，一些熱儲(chǔ)能技術(shù)(如鋼鐵和液態(tài)金屬)還處于發(fā)展的早期階段，可以擴(kuò)大熱儲(chǔ)能技術(shù)在不同溫度和持續(xù)時(shí)間范圍內(nèi)的可用性。
圖8 熱儲(chǔ)能技術(shù)可支持廣泛的溫度范圍和持續(xù)時(shí)間
熱儲(chǔ)能應(yīng)用原型是基于溫度要求的。多種熱儲(chǔ)能技術(shù)可以覆蓋許多低溫到高溫的用例(例如石墨、陶瓷和微囊化金屬)。因此，熱儲(chǔ)能可以支持最常見(jiàn)的工業(yè)用例，通常涉及熱水、蒸汽或熱空氣。例如，100℃以下的熱能(以熱空氣或熱水的形式)可以用于干燥過(guò)程。典型的蒸汽使用情況從較低的壓力和溫度(例如食品加工的滅菌和清洗)到較高的壓力和溫度(例如在金屬精煉、石油加工和工業(yè)蒸汽)。熱氣體通常用于高溫使用情況(例如，乙烯裂解爐的溫度為800℃至900℃)。
熱儲(chǔ)能基準(zhǔn)還考慮了不同熱應(yīng)用的特殊性。與其他基準(zhǔn)測(cè)試一樣，熱儲(chǔ)能基準(zhǔn)測(cè)試是一個(gè)將產(chǎn)品生產(chǎn)和使用成本與行業(yè)參與者和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較的過(guò)程。目前熱儲(chǔ)能技術(shù)并不沒(méi)有一個(gè)基準(zhǔn)，因此長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能委員會(huì)在麥肯錫公司的支持下在制定熱儲(chǔ)能基準(zhǔn)時(shí)，必須考慮與熱儲(chǔ)能系統(tǒng)面臨相關(guān)的多重挑戰(zhàn)：
?不同的加熱能力和生產(chǎn)設(shè)施，如蒸汽和熱水需要不同的工業(yè)過(guò)程。
?熱量來(lái)源的多樣性，如電加熱器、熱泵、傳統(tǒng)燃料和廢熱，通常是不可比較的。
?整合成本取決于站點(diǎn)，無(wú)法在項(xiàng)目之間進(jìn)行比較。
?熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的總成本受到許多輔助組件的影響。
考慮到熱儲(chǔ)能儲(chǔ)熱和放熱的差異，這一基準(zhǔn)假設(shè)熱儲(chǔ)能系統(tǒng)使用電加熱器充電，并以不同壓力下以飽和蒸汽或450℃的熱空氣排放。由于所選的熱儲(chǔ)能技術(shù)可以使用熱泵進(jìn)行儲(chǔ)熱(主要用于蒸汽系統(tǒng))，所以排放系統(tǒng)的成本是基準(zhǔn)的一部分。在距離熱儲(chǔ)能設(shè)備兩側(cè)約一米的空間內(nèi)，所有的混凝土、管道、電氣、絕緣、油漆和支撐結(jié)構(gòu)都需要考慮人工和材料的成本。此外，在建模中假定與蒸汽網(wǎng)絡(luò)與熱空氣管道可以直接連接的，以及包括鍋爐給水泵的設(shè)備。但降壓變壓器和其他輔助設(shè)備不包括在基準(zhǔn)中。
表1 熱儲(chǔ)能類別、溫度和持續(xù)時(shí)間用例和技術(shù)成熟度
4、儲(chǔ)能目前已經(jīng)成為一種具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的蒸汽脫碳解決方案
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能委員會(huì)2022年熱儲(chǔ)能資本支出基準(zhǔn)用于評(píng)估不同蒸汽脫碳替代品的競(jìng)爭(zhēng)力。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能委員會(huì)根據(jù)最新的熱儲(chǔ)能成本估算，利用跨技術(shù)和用例的6000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)蒸汽應(yīng)用進(jìn)行了行業(yè)基準(zhǔn)測(cè)試。三廢使用的主要基準(zhǔn)指標(biāo)是熱量平均成本(LCOHA)?；鶞?zhǔn)測(cè)試結(jié)果表明，與燃?xì)忮仩t相比，采用熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的電鍋爐的熱量平準(zhǔn)化成本(LCOHA)可低至約5/MWh～10美元/MWh。這主要是由于較低的資本支出和能源價(jià)格的潛在差異，基于三種具體的脫碳?xì)怏w鍋爐方法:
?通過(guò)碳捕獲和碳儲(chǔ)存的脫碳具有有限的成本優(yōu)勢(shì)。增加碳捕集與封存（CCS）可以減少約80%～90%的碳排放量。然而，它通常會(huì)增加成本，因?yàn)閺谋苊獾奶汲杀净蚓G色溢價(jià)中獲得的收益無(wú)法抵消其設(shè)備所需的資本投資和運(yùn)行設(shè)備的費(fèi)用。
?采用氫氣或生物質(zhì)代替天然氣脫碳可能需要大幅降低燃料成本才能具有競(jìng)爭(zhēng)力。盡管減少碳排放獲得回報(bào)(每噸二氧化碳約100美元)，但這被電解槽較高的資本支出和氫燃料的電力成本（比燃?xì)忮仩t高54%～63%)和生物質(zhì)燃料的成本(比燃?xì)忮仩t高8%～13%)所抵消。根據(jù)目前的成本估計(jì)，所采用的氫氣或生物質(zhì)這樣的清潔燃料沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。為了提高成本競(jìng)爭(zhēng)力，可能需要通過(guò)技術(shù)改進(jìn)或降低燃料成本來(lái)大幅度降低電解槽的資本支出。
?目前，通過(guò)電氣化進(jìn)行脫碳具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，特別是與熱儲(chǔ)能結(jié)合使用時(shí)。在這一范疇內(nèi)考慮兩種電氣化方案：電鍋爐和熱泵。這些可以與鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)或熱儲(chǔ)能解決方案結(jié)合使用。與氫氣、生物質(zhì)和其他燃料成本相比，儲(chǔ)能系統(tǒng)電氣化的價(jià)值主要由能源成本驅(qū)動(dòng)。能源價(jià)格的區(qū)域變化意味著，如果不支付靈活性費(fèi)用，工商業(yè)附加費(fèi)的成本競(jìng)爭(zhēng)力可能在地域上受到限制。與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和氫氣解決方案相比，由于儲(chǔ)能設(shè)備壽命周期內(nèi)的資本支出較低(熱儲(chǔ)能為25年，鋰離子電池為10至15年)和更高的系統(tǒng)效率(熱儲(chǔ)能的效率約為96%，鋰離子電池為80%～85%，氫電解槽為60%～70%)，熱儲(chǔ)能在成本上更具競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)目前的成本估算，如果采用熱儲(chǔ)能系統(tǒng)可以具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，可能實(shí)現(xiàn)比燃?xì)忮仩t更低的成本(如圖9所示)。
圖9來(lái)自電鍋爐和熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的清潔蒸汽可能比傳統(tǒng)鍋爐和其他低碳解決方案更便宜
5、預(yù)計(jì)到2040年，熱儲(chǔ)能資本支出將進(jìn)一步下降
到2040年，蒸汽發(fā)電的資本支出預(yù)計(jì)將減少15%到30%，熱空氣的資本支出將減少5%。預(yù)計(jì)蒸汽解決方案的資本支出將減少14000/MWth～44000美元/MWth（MWth是指蓄熱的能力），熱空氣解決方案的資本支出將減少6000美元/MWth左右(如圖10所示)。這些成本的數(shù)據(jù)由不同的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能委員會(huì)成員提供。由于每個(gè)成員都在專門(mén)研究?jī)?chǔ)能應(yīng)用的一些子集，因此每種儲(chǔ)能技術(shù)的基準(zhǔn)成本可能來(lái)自不同技術(shù)提供商，因此代表了廣泛的技術(shù)選擇。
圖10熱儲(chǔ)能系統(tǒng)資本支出將大幅下降
由于蒸汽發(fā)電和熱空氣技術(shù)是很成熟的技術(shù)，預(yù)計(jì)不會(huì)有顯著的成本降低。在采用熱空氣解決方案的情況下，主要的排放方案包括一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，例如熱風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)。因此，成本降低不超過(guò)5%。蒸汽技術(shù)也很成熟，然而熱儲(chǔ)能系統(tǒng)和蒸汽之間的能量交換方式可以進(jìn)一步優(yōu)化，因此熱儲(chǔ)能系統(tǒng)仍有一些改進(jìn)的空間。對(duì)于蒸汽發(fā)電，包括鍋爐、給水泵在內(nèi)的所有設(shè)備都已在現(xiàn)場(chǎng)可用，不需要額外投資。
各種類型熱儲(chǔ)能的能源資本支出預(yù)計(jì)將下降15%到70%。到2025年將降到7000美元/MWth～14000美元/MWth，到2040年將降到3000美元/MWth～11000美元/MWth?？v觀不同的熱儲(chǔ)能類型，成本將降低70%。值得注意的是，2025年至2030年期間減排速度很可能是由規(guī)模的擴(kuò)大所推動(dòng)的，而這些技術(shù)目前可能仍處于示范或試點(diǎn)項(xiàng)目的水平。
總結(jié)
·隨著市場(chǎng)的成熟，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的成本競(jìng)爭(zhēng)力將越來(lái)越強(qiáng)。
?根據(jù)目前的成本估算，如果結(jié)合采用熱儲(chǔ)能，電氣化將具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，有可能實(shí)現(xiàn)低于燃?xì)忮仩t的熱量平準(zhǔn)化成本( 低于30/MWth～60美元/MWth)。
?當(dāng)最終需求是熱能時(shí)，儲(chǔ)熱比儲(chǔ)電力更節(jié)能。
熱儲(chǔ)能較高的系統(tǒng)效率使其成為熱應(yīng)用的一個(gè)有吸引力的儲(chǔ)能解決方案。在采用基于電力的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的情況下，為了產(chǎn)生熱能，需要首先從儲(chǔ)能系統(tǒng)中提取電力，其效率最高為57%～61%之間。而將電力換成熱能有一個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程，通常效率在95%以上，使總效率降到54%～58%。
在采用熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的情況下，首先電力轉(zhuǎn)化為熱能，然后儲(chǔ)存起來(lái)，其效率在95%以上。然后，可以直接排放熱能，其效率通常在95%以上。由于能量以熱量的形式儲(chǔ)存，并且從一種熱量轉(zhuǎn)換到另一種熱量時(shí)的轉(zhuǎn)換損失是最小的，因此系統(tǒng)效率可以超過(guò)90%(如圖11所示)。
圖11熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的系統(tǒng)效率高于基于電力的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)
（未完待續(xù)）
