中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著全球能源系統(tǒng)朝著綠色低碳的方向不斷革新，新興的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)將成為大規(guī)模部署可再生能源的關(guān)鍵條件。
作者：Alberto Bettoli、Martin Linder、Tomas Nauclér、Jesse Noffsinger、Suvojoy Sengupta、Humayun Tai和Godart van Gendt
如何控制溫室氣體排放，遏制全球變暖趨勢(shì)，已成為各國(guó)認(rèn)真思考的重大問題。眾所周知，電力行業(yè)是節(jié)能減排的“主力軍”。電力行業(yè)貢獻(xiàn)了全球碳排放總量的三分之一。與此同時(shí)，由于其它行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型很大程度上也依賴于對(duì)可再生電力的需求增長(zhǎng)（如電動(dòng)汽車和住宅供暖），電力行業(yè)就顯得更為重要了。
多數(shù)預(yù)測(cè)表明，為達(dá)到全球溫控目標(biāo)，電力行業(yè)必須在2040年前全面實(shí)現(xiàn)零碳排放。令人振奮的是，全球電力行業(yè)正在通過采用以風(fēng)能和太陽能為主的新能源技術(shù)，來逐步取代化石燃料發(fā)電，在減少碳排方面取得巨大進(jìn)展。
然而，隨著可再生能源在電力結(jié)構(gòu)中的占比不斷上升，新的挑戰(zhàn)也接踵而至。尤其是新的電力來源和可再生能源發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性，都對(duì)現(xiàn)有發(fā)電和輸配電基礎(chǔ)設(shè)施造成一系列的結(jié)構(gòu)性壓力，包括供需可能失衡、輸電方式的改變以及系統(tǒng)潛在的不穩(wěn)定性上升。
麥肯錫一份新的行業(yè)報(bào)告對(duì)此進(jìn)行了深入探討和分析，指出長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)（Long-duration energy storage，簡(jiǎn)稱“LDES”）是可行的解決方案之一。該報(bào)告由長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能理事會(huì)（LDES Council）撰寫，該理事會(huì)是一家由首席執(zhí)行官領(lǐng)導(dǎo)的新成立的機(jī)構(gòu)。報(bào)告基于該理事會(huì)下屬技術(shù)成員企業(yè)的一萬多組成本和性能數(shù)據(jù)，指出若能在政府支持下適時(shí)建立一個(gè)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能市場(chǎng)，即使可再生能源在能源系統(tǒng)中占比很大，能源系統(tǒng)也能順利運(yùn)行，從而為各行各業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型做出重大貢獻(xiàn)。
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能包含一系列傳統(tǒng)技術(shù)和前沿技術(shù)，如機(jī)械儲(chǔ)能、熱能儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能等。這些技術(shù)優(yōu)化部署后，可用于長(zhǎng)時(shí)間能源儲(chǔ)存，并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的規(guī)模化，以保證數(shù)天乃至長(zhǎng)達(dá)數(shù)周之久的電力供應(yīng)?！?】此外，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能還能增加電力系統(tǒng)的靈活性，即在電力供應(yīng)過剩時(shí)儲(chǔ)存電能，在需要時(shí)釋放，以此來緩解供需矛盾，調(diào)節(jié)供需波動(dòng)。由此可見，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能不僅能整合能源系統(tǒng)（包括電能、熱能、氫能和其他形式的能源），還能賦予其靈活性（見圖1）。
當(dāng)前，各種長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能新技術(shù)在技術(shù)成熟度和市場(chǎng)可行性上雖然各有千秋，但卻吸引了來自政府、公用事業(yè)行業(yè)和輸電運(yùn)營(yíng)商前所未有的興趣，且該領(lǐng)域的投資增長(zhǎng)迅猛：超過5吉瓦（簡(jiǎn)稱GW）的裝機(jī)容量和65吉瓦時(shí)的（GWh）儲(chǔ)能容量宣布在建或已投產(chǎn)。
不過，這一切才剛起步。麥肯錫的建模研究結(jié)果表明，到2040年，全球部署的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能裝機(jī)容量有望達(dá)到1.5~2.5太瓦（TW），這是目前全球部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)總裝機(jī)容量的8~15倍。同樣，到2040年，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能行業(yè)可以部署85~140太瓦時(shí)（TWh）的儲(chǔ)能容量，并且儲(chǔ)存高達(dá)總用電量10%的電能。這對(duì)應(yīng)了1.5~3萬億美元的累計(jì)投資（見圖2）。
麥肯錫估計(jì)，到2040年，通過部署長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)，全球每年可實(shí)現(xiàn)15~23億噸二氧化碳當(dāng)量的減排，約為當(dāng)今電力行業(yè)排放量的10%~15%。僅在美國(guó)，到2040年，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能就可以為電力系統(tǒng)完全脫碳，每年降低約350億美元的總成本。
通過上述數(shù)據(jù)，不僅可以看到長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的多重用途，還可以發(fā)現(xiàn)其在平衡電力系統(tǒng)，提高其運(yùn)行效率方面所發(fā)揮的核心作用，其中包括提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、完善企業(yè)購(gòu)電協(xié)議，以及為使用遠(yuǎn)距離輸電或電力供應(yīng)不穩(wěn)定的行業(yè)進(jìn)行能源優(yōu)化。然而，到目前為止，預(yù)計(jì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)將主要部署于大容量電力系統(tǒng)中的削峰填谷、容量供給以及輸配電（T&D）系統(tǒng)優(yōu)化等核心領(lǐng)域。
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)在于其存儲(chǔ)電力的邊際成本較低：它可使存儲(chǔ)的電量與充放電的速度相脫鉤；可廣泛部署及擴(kuò)容；與輸配電電網(wǎng)的升級(jí)相比，它的交付周期相對(duì)較短。這使得它比鋰離子電池、可調(diào)度型氫能源設(shè)備和抽水蓄能水電等其它能源儲(chǔ)存方式更有競(jìng)爭(zhēng)力，并且在經(jīng)濟(jì)效益方面優(yōu)于耗資巨大且費(fèi)時(shí)費(fèi)力的電網(wǎng)升級(jí)。事實(shí)上，有證據(jù)表明，在諸多應(yīng)用中，對(duì)于持續(xù)時(shí)間超過6~8小時(shí)的能源儲(chǔ)存而言，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能可能是最具成本競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。
因此，盡管長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能新技術(shù)仍處于萌芽階段，但其部署速度可能在未來幾年迅速加快。麥肯錫模型預(yù)測(cè)，在加速脫碳的情景下，到2025年，裝機(jī)容量將達(dá)到30~40吉瓦，儲(chǔ)能容量將達(dá)到1太瓦時(shí)。
許多制定了宏大氣候目標(biāo)的國(guó)家都希望在2025-2035年間，可再生能源在大容量電力系統(tǒng)中的市場(chǎng)份額達(dá)到60%~70%，這將是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的重要里程碑。這些國(guó)家可能會(huì)包括英國(guó)、美國(guó)和許多在2021年11月格拉斯哥舉行的第26屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)之前就已做出“凈零”承諾的發(fā)達(dá)國(guó)家?？稍偕茉吹膹V泛普及，將促進(jìn)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)作為一種成本最低又兼具靈活性的解決方案得到廣泛部署。
要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，就必須大幅降低長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的成本。令人欣慰的是，來自長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能理事會(huì)成員企業(yè)的預(yù)測(cè)顯示，大幅降本是可以實(shí)現(xiàn)的，并且與過去幾年新興的新能源技術(shù)（如太陽能光伏和風(fēng)力發(fā)電）的學(xué)習(xí)曲線保持一致。反過來，成本降低的幅度將取決于研發(fā)水平的提高、部署數(shù)量的增多以及制造領(lǐng)域規(guī)模效益的實(shí)現(xiàn)。同樣，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的部署規(guī)模與電力行業(yè)減碳進(jìn)度以及不同的可再生能源發(fā)電的部署情況密切相關(guān)。
這就要求在短期和中期階段，政府要果斷采取行動(dòng)，包括降低成本、調(diào)動(dòng)必要的投資資本、以及搭建市場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)，使投資者能夠獲得具有吸引力的回報(bào)，以此來啟動(dòng)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能市場(chǎng)。政策制定者可以通過如下三種方式提供助力：
著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)的系統(tǒng)性規(guī)劃，包括可再生能源在電力結(jié)構(gòu)中所占比重的明確目標(biāo)，以及為維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定所需的基礎(chǔ)設(shè)施，這些對(duì)鞏固投資者的信心至關(guān)重要。美國(guó)加利福尼亞州和澳大利亞新南威爾士州等地已著手開展這方面的工作。
在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的早期部署階段，政府的積極支持將有助于投資者規(guī)避市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，擴(kuò)大市場(chǎng)規(guī)模。針對(duì)大型示范電廠的專項(xiàng)支持，將確保這些技術(shù)能夠充分發(fā)揮其在技術(shù)方面和降低成本方面的潛力，并且檢驗(yàn)新的市場(chǎng)機(jī)制。英國(guó)和美國(guó)已開展相關(guān)工作。2021年初，為加快商業(yè)化進(jìn)程，英國(guó)政府啟動(dòng)了一個(gè)總投資1億美元的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能示范競(jìng)賽。目前，美國(guó)能源部正在監(jiān)督實(shí)施一個(gè)總投資10億美元的計(jì)劃（“Earthshot”），旨在10年內(nèi)將儲(chǔ)能時(shí)間超過10個(gè)小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本降低90%。
構(gòu)建支持性的市場(chǎng)機(jī)制，例如容量機(jī)制和能夠獲取長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能全部?jī)r(jià)值的政策，可使投資者在可承受的風(fēng)險(xiǎn)范圍內(nèi)獲得投資回報(bào)。而這一點(diǎn)目前仍無法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡娏κ袌?chǎng)大多是短期的，多日和多周的市場(chǎng)信號(hào)比單日的市場(chǎng)信號(hào)弱很多。而且，碳減排補(bǔ)償方案要么沒有，要么不足以補(bǔ)償投資者的額外出資。但是，一些市場(chǎng)領(lǐng)先者（如美國(guó)加利福尼亞州和亞利桑那州）正在為行業(yè)樹立模范——它們已經(jīng)制定了旨在滿足長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能需求的法律。其中，亞利桑那州推出了一項(xiàng)激勵(lì)計(jì)劃，通過對(duì)持續(xù)放電時(shí)間超過5小時(shí)的儲(chǔ)能技術(shù)提供激勵(lì)，來鼓勵(lì)研發(fā)能提供更長(zhǎng)持續(xù)放電時(shí)間的儲(chǔ)能技術(shù)。
總之，上述舉措最終將有助于確保以最低的社會(huì)成本實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型。麥肯錫的研究預(yù)測(cè)表明，通過早期的部署以及搭建配套的市場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)，投資長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能可以在2025年前實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)高于投資者最低資本回報(bào)率的內(nèi)部收益率（IRR）——與當(dāng)前成熟能源項(xiàng)目的基準(zhǔn)內(nèi)部收益率相當(dāng)。
隨著太陽能光伏和風(fēng)能成為主要的發(fā)電技術(shù)，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的大規(guī)模部署將給全社會(huì)帶來明顯的效益：其替代方案成本相對(duì)更高；隨著電力結(jié)構(gòu)中可再生能源比重的增加，如果不能在電力系統(tǒng)的靈活性方面進(jìn)行投資，將必然導(dǎo)致電力供應(yīng)出現(xiàn)更為嚴(yán)重的不穩(wěn)定狀況。
此外，所有證據(jù)表明，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能市場(chǎng)對(duì)投資者而言極具吸引力：它是一個(gè)可提供1.5~2.5太瓦儲(chǔ)能裝機(jī)容量的大型新興產(chǎn)業(yè)，所需要的投資規(guī)模在2040年前可達(dá)到1~3萬億美元，并能獲得很有競(jìng)爭(zhēng)力的回報(bào)。機(jī)會(huì)就在眼前，現(xiàn)在是采取行動(dòng)的時(shí)候了！
注釋：
【1】 該項(xiàng)研究主要關(guān)注這種新興的儲(chǔ)能技術(shù)，而非鋰離子電池、可調(diào)度型氫能源設(shè)備和大規(guī)模地面抽水蓄能水電等技術(shù)。
