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呂皖寧 Tesla
近日，最新IPCC全球氣候變化報(bào)告出爐，再度向全世界發(fā)出警報(bào)。儲(chǔ)能作為“雙碳”背景下構(gòu)建零碳電網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，終于迎來(lái)爆發(fā)性的發(fā)展機(jī)遇。大多數(shù)人印象中的儲(chǔ)能，主要是放電時(shí)長(zhǎng)較短（<10hr) 的抽水蓄能或以鋰電池為主的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，占全球儲(chǔ)能總裝機(jī)93% 。隨著電力結(jié)構(gòu)不斷革新，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能（long-duration energy storage) 這一概念逐漸受到關(guān)注，它是否會(huì)是下一個(gè)顛覆性儲(chǔ)能技術(shù)方向？我們且從定義、應(yīng)用、商業(yè)化進(jìn)程等多個(gè)角度一探究竟。
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能是什么？
迄今為止，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的時(shí)長(zhǎng)尚無(wú)明確定義，美國(guó)能源部將其歸類在額定功率下連續(xù)放電10小時(shí)或以上。不過(guò)脫離了使用場(chǎng)景僅關(guān)注于充放電時(shí)長(zhǎng)，是沒(méi)有太大意義的。業(yè)界比較認(rèn)可的說(shuō)法是可實(shí)現(xiàn)跨天、跨月，乃至跨季節(jié)充放電循環(huán)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。
在最為熱鬧的電化學(xué)儲(chǔ)能賽道，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能明星公司Form Energy近日發(fā)布鐵-空氣電池，與世界上最大的鋼鐵制造商ArcelorMittal達(dá)成戰(zhàn)略合作，第一個(gè)項(xiàng)目將于2023年在明尼蘇達(dá)州投入運(yùn)行。斯坦福大學(xué)崔毅教授也在2020年成立了EnergyVenue，主打航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的金屬氫電池，計(jì)劃與香港中華煤氣公司開(kāi)展試驗(yàn)項(xiàng)目 。液流電池也是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能商業(yè)技術(shù)路徑，Zinc8, Primus, Invinity等歐美電池創(chuàng)業(yè)公司主攻鋅液流電池。住友電工、融科、普能等亞洲能源企業(yè)，則以釩液流電池為主要技術(shù)，目前已經(jīng)開(kāi)始和主流鋰電池廠商在4-8小時(shí)的儲(chǔ)能項(xiàng)目上角逐。
當(dāng)然，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能涵蓋了電化學(xué)以外的各類儲(chǔ)能方式。機(jī)械儲(chǔ)能領(lǐng)域中，除了最為經(jīng)濟(jì)高效的傳統(tǒng)抽水蓄能外，還涌現(xiàn)了一批專注于壓縮空氣、重力儲(chǔ)能等新興儲(chǔ)能新技術(shù)，并在未來(lái)兩三年上線百兆瓦級(jí)別的示范項(xiàng)目，如Hydrostor，Highview，Energy Vault等。此外，熱儲(chǔ)能（例如熔鹽儲(chǔ)能公司Malta)，化學(xué)儲(chǔ)能（氫、氨）等技術(shù)也逐漸進(jìn)入人們的視野。
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能仍處于百家爭(zhēng)鳴的中早期研發(fā)示范階段，孰勝孰劣尚未揭曉。目前看來(lái)，電化學(xué)儲(chǔ)能由于動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)推動(dòng)，不受地理環(huán)境的制約，處于比較有利的競(jìng)爭(zhēng)地位。
為什么需要長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能？
首先為了實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，火電廠將逐步退出歷史舞臺(tái)，預(yù)計(jì)將占發(fā)電總量為10%甚至?xí)?。?dāng)這類穩(wěn)定的基礎(chǔ)負(fù)載發(fā)電資源日益減少，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能+大型風(fēng)光項(xiàng)目將大概率替換化石能源成為基礎(chǔ)負(fù)載發(fā)電廠，對(duì)零碳電力系統(tǒng)中后期建設(shè)的影響深遠(yuǎn)。
其次，隨著光能風(fēng)能不斷深入，其發(fā)電的間歇性對(duì)電網(wǎng)負(fù)面影響將愈發(fā)嚴(yán)重，部分水電站也面臨著生態(tài)系統(tǒng)破壞后越來(lái)越長(zhǎng)的枯水期，無(wú)法保證出力。而要解決這個(gè)問(wèn)題，光靠建造更多輸電網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能可憑借長(zhǎng)周期、大容量特性，在更長(zhǎng)時(shí)間維度上調(diào)節(jié)新能源發(fā)電波動(dòng)，在清潔能源過(guò)剩時(shí)避免電網(wǎng)擁堵，負(fù)荷高峰時(shí)增加清潔能源消納。
頻繁的自然災(zāi)害（如得州嚴(yán)寒、加州山火、鄭州暴雨等）不僅會(huì)造成大規(guī)模停電影響日常生活，還會(huì)加速輸配電設(shè)備老化，增加電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)成本。其他外部不可抗因素如天然氣管道運(yùn)輸阻塞、煤炭供應(yīng)短缺等能源資源多日乃至季節(jié)性的供應(yīng)緊張，也會(huì)導(dǎo)致電價(jià)水漲船高。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的另一大應(yīng)用就是能夠在極端天氣下保障電力供應(yīng)，降低社會(huì)用電成本。
來(lái)源：Guerra, Nature.
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能距商業(yè)化有多遠(yuǎn)？
雖然長(zhǎng)期需求可觀，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能這筆經(jīng)濟(jì)賬仍不好算。
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能如果單單沿用短時(shí)儲(chǔ)能的盈利模式，經(jīng)濟(jì)效益有限。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能與短時(shí)儲(chǔ)能相比最大優(yōu)勢(shì)系就是其容量邊際成本 (Marginal Cost per kWh)，功率和容量可以相對(duì)獨(dú)立擴(kuò)展，避免了未使用功率產(chǎn)生的附加成本，具有不同應(yīng)用場(chǎng)景之間切換疊加的高度靈活性。而目前大部分電力輔助服務(wù)市場(chǎng)、峰谷電價(jià)套利空間，對(duì)2-4小時(shí)短時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)基本足夠。因此，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能要想突破短時(shí)儲(chǔ)能的商業(yè)壁壘，必須要解決短時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)當(dāng)前所無(wú)法解決的痛點(diǎn)，展示其在更長(zhǎng)時(shí)間維度的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
來(lái)源：ARPA-E's DAYS 2020
想要直觀精準(zhǔn)地測(cè)算出長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能在更長(zhǎng)時(shí)間維度上的經(jīng)濟(jì)價(jià)值并不容易?，F(xiàn)有的電網(wǎng)定容規(guī)劃模型（capacity expansion planning）是上世紀(jì)傳統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)模式下的產(chǎn)物，只會(huì)從全年抽取幾段有代表性的時(shí)間段做電網(wǎng)仿真模擬分析，再計(jì)算各類能源配比下系統(tǒng)可靠性，缺乏對(duì)極端天氣、靈活性的考量，自然無(wú)法體現(xiàn)出長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的長(zhǎng)期價(jià)值。
以加州公共事業(yè)委員會(huì)（CPUC) 慣用的長(zhǎng)期新能源擴(kuò)容規(guī)劃模型RESOLVE為例，該模型采樣了37個(gè)典型日逐一進(jìn)行電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬，每個(gè)單日樣本沒(méi)有任何時(shí)間連續(xù)性，儲(chǔ)能機(jī)組充放電只能在24小時(shí)內(nèi)完成，這制約了長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能在多天情境下靈活響應(yīng)，也無(wú)法準(zhǔn)確量化極端氣候?qū)﹄娋W(wǎng)的影響——而恰恰是這些小概率的“黑天鵝”事件直接推動(dòng)了重大項(xiàng)目的投資決定。其次，RESOLVE模型只支持鋰電子儲(chǔ)能、液流儲(chǔ)能和抽水儲(chǔ)能三種儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，沒(méi)有充分考慮到其他新型能源，導(dǎo)致成本估算偏高。為解決這個(gè)問(wèn)題，越來(lái)越多的公司和研究機(jī)構(gòu)推出了自己的模型，如Form Energy的Formware、Vibrant Energy的WIS:dom，Energy Exemplar 的 Plexos、麻省理工-普林斯頓的開(kāi)源軟件GenX等。
除了不甚明朗的經(jīng)濟(jì)效益，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的成本也是其商業(yè)化進(jìn)程中的攔路虎。
近期麻省理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在Nature Energy上深入探討了長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的成本和其他技術(shù)特性對(duì)零碳電網(wǎng)整體發(fā)電成本的影響。研究表明，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的價(jià)格至少要達(dá)到 $50/kWh才會(huì)被更廣泛地應(yīng)用；如要大幅降低整體發(fā)電成本 (>10%)，成本必須落在$1/kWh - $10/kWh這個(gè)區(qū)間。除了長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能本身的充放電效率和造價(jià)，還有眾多可以提供穩(wěn)定電力服務(wù)的能源組合（核能、化石能源+碳捕捉與封存技術(shù)、氫能等）可以與之競(jìng)爭(zhēng)，這些技術(shù)未來(lái)發(fā)展和成本，也會(huì)左右長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能在電網(wǎng)中可以占有多大的位置。與其他硬科技一樣，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能從研發(fā)、示范、落地到規(guī)模化，一路上必將面臨產(chǎn)能、供應(yīng)鏈、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)等多方面挑戰(zhàn)，必須嚴(yán)格控制每一環(huán)的風(fēng)險(xiǎn)，才能實(shí)現(xiàn)既定的成本目標(biāo)。
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能還面臨著巨大的融資挑戰(zhàn)。要獲得項(xiàng)目融資，必須向投資人證明儲(chǔ)能資產(chǎn)的性能和可靠性。目前通用的做法是進(jìn)行第三方審核 (Third-party Engineering report)，出具長(zhǎng)期保修協(xié)議 (O&M)、容量保證協(xié)議(Capacity Maintenance)。然而，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)尚未擁有大規(guī)模實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)支撐，難以提供全方面保證。就算企業(yè)拍胸脯做了保證，投資方仍會(huì)心存疑慮：長(zhǎng)達(dá)30年的項(xiàng)目周期，公司一旦倒閉，誰(shuí)來(lái)接盤？LightSail Energy, Nikola 等多個(gè)曾經(jīng)炙手可熱的新能源初創(chuàng)公司因技術(shù)欺詐而跌落神壇，增加了投資者對(duì)未知技術(shù)的疑慮，也必然加大了長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的落地難度。
以美國(guó)為首的多國(guó)政府已經(jīng)開(kāi)始加碼對(duì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的扶持，作為全球新能源政策風(fēng)向標(biāo)的加州，近期公布了高達(dá)50GW的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能擴(kuò)容計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)2060碳中和目標(biāo)。加州八家社區(qū)聯(lián)合電力管理機(jī)構(gòu)早在2020年底就發(fā)出了標(biāo)書(shū)采購(gòu)500MW/4GWh明確超過(guò)8小時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。美國(guó)能源部已開(kāi)始提供低息貸款，力爭(zhēng)在未來(lái)10年將長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的成本降低90%。比爾蓋茨所帶領(lǐng)的Breakthrough Energy Venture也豪擲15億美金與能源部以公私合作的投資模式加速長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的商業(yè)化進(jìn)程。
穿越產(chǎn)品死亡之谷
來(lái)源：Bridging the Battery "Valley of Death" - by Intercalation Station
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能在中國(guó)：現(xiàn)狀與啟示
國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能業(yè)在多年耕耘摸索下終于迎來(lái)增長(zhǎng)機(jī)遇。短時(shí)儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性在分時(shí)電價(jià)、電力市場(chǎng)等利好政策下剛剛有所轉(zhuǎn)機(jī)。實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的號(hào)角剛剛吹響，構(gòu)建深度低碳電網(wǎng)（2030-2050）還需時(shí)日。此時(shí)大談長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，是否有些“好高騖遠(yuǎn)“呢？
在筆者看來(lái)，當(dāng)前正是加大長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能投入力度的時(shí)機(jī)。目前火電占全國(guó)總發(fā)電量的68%，2030年火電發(fā)電占比需下降近20%，新增電量全部由清潔能源滿足，加之火電廠的退役和固碳改造，極端天氣加劇，意味著未來(lái)三五年內(nèi)必將面臨區(qū)域性電網(wǎng)供應(yīng)的持續(xù)性波動(dòng)。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能在五年內(nèi)商業(yè)化，將對(duì)中國(guó)2030碳達(dá)峰有著重要意義。
來(lái)源：碳達(dá)峰碳中和技術(shù)路徑及實(shí)踐探討-舒印彪
如何合理測(cè)算長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)效益，也是中國(guó)同樣面臨的挑戰(zhàn)。目前電科院等電力研究機(jī)構(gòu)都有著自己的生產(chǎn)模擬軟件。這些電力規(guī)劃分析的結(jié)果，將會(huì)直接左右長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能在中國(guó)的規(guī)?；俣取Ｎ覀円衙媾R一個(gè)跨區(qū)域、多種發(fā)電類型、市場(chǎng)與計(jì)劃雙軌并行、分布式集中式混合的復(fù)雜電力系統(tǒng)，因此，必須加速電力規(guī)劃方面的升級(jí)改造，在模型中考慮更多持續(xù)性極端天氣，給儲(chǔ)能設(shè)定合理的經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)。對(duì)海量電網(wǎng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量嚴(yán)格把控，進(jìn)行全年8760小時(shí)持續(xù)模擬，并以模型數(shù)據(jù)開(kāi)源、學(xué)術(shù)產(chǎn)業(yè)結(jié)合等方式集思廣益，甄選出最經(jīng)濟(jì)可靠的電源儲(chǔ)能配置方案。
此外，還需要穩(wěn)步推進(jìn)對(duì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的市場(chǎng)機(jī)制和政策扶持。國(guó)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)以液流電池為主，非電化學(xué)技術(shù)路線的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能公司更是寥寥無(wú)幾。隨著地緣政治博弈加劇，我們需要對(duì)本國(guó)的創(chuàng)業(yè)公司多一些樂(lè)觀和耐心，在做好盡調(diào)的基礎(chǔ)上，以公私合作、政策市場(chǎng)頂層設(shè)計(jì)等多種形式協(xié)助長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)走出資金窘境，應(yīng)該落實(shí)儲(chǔ)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)更多電力企業(yè)對(duì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能需求做出更加科學(xué)系統(tǒng)的規(guī)劃，在標(biāo)書(shū)中明確儲(chǔ)能的用途及時(shí)長(zhǎng)需求。
未來(lái)的電力系統(tǒng)必將是多能互補(bǔ)的，新能源+儲(chǔ)能這一模式將迎來(lái)歷史性的機(jī)遇，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能也會(huì)成為碳中和戰(zhàn)略中不可缺少的一部分。過(guò)去十年，寧德時(shí)代靠著技術(shù)創(chuàng)新和刻苦精神坐上了儲(chǔ)能、動(dòng)力電池領(lǐng)域中當(dāng)仁不讓的頭把交椅。未來(lái)十年，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域里，來(lái)自中國(guó)領(lǐng)跑者們或許也會(huì)沖在時(shí)代的最前沿。
Utility Dive 2021. NREL details cost declines needed for long-duration storage to displace nuclear, gas with CCS
Greentech Media, 2020. Long Duration Breakthrough? Form Energy’s First Project Tries Pushing Storage to 150 Hours
EnergyVenue, 2021.EnerVenue Announces Distribution Partnership
