中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：四、抽水蓄能（PSH）
1.抽水蓄能（PSH）市場
抽水蓄能是歷史最悠久的儲(chǔ)能技術(shù)之一。實(shí)際上，最早運(yùn)行的一個(gè)抽水蓄能電站（PSH）是1909年在瑞士開通運(yùn)營的。全球抽水蓄能電站（PSH）的累積部署如圖29所示，到2019年的裝機(jī)容量增長到160GW。如今，大部分抽水蓄能設(shè)施在歐洲和亞洲運(yùn)營。盡管抽水蓄能電站（PSH）的裝機(jī)容量非常高，但應(yīng)該注意的是，并不是所有的抽水蓄能設(shè)施（PSH）都能應(yīng)對當(dāng)今電網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)。
圖29.全球的累積抽水蓄能部署量（GW）
根據(jù)國際水電協(xié)會(huì) (IHA)發(fā)布的調(diào)查報(bào)告，到2025年，全球357個(gè)已經(jīng)運(yùn)營的抽水蓄能設(shè)施（PSH）的總裝機(jī)容量為164GW，另有124個(gè)抽水蓄能設(shè)施正在建設(shè)中（正在建設(shè)、計(jì)劃中或宣布中）。預(yù)計(jì)到2030年抽水蓄能設(shè)施的裝機(jī)容量將增加50％，達(dá)到240GW，其中中國有65個(gè)新項(xiàng)目，美國有19個(gè)、澳大利亞和印度尼西亞各有10個(gè)。而根據(jù)規(guī)模，國際水電協(xié)會(huì) (IHA)估算這些抽水蓄能設(shè)施（PSH）的儲(chǔ)能總?cè)萘繛?7TWh。而這一數(shù)值可能被低估了，因?yàn)樵S多抽水蓄能設(shè)施并沒有報(bào)告其水庫規(guī)模。圖30是國際水電協(xié)會(huì) (IHA) 2020年數(shù)據(jù)庫快照，顯示了全球抽水蓄能設(shè)施部署的位置和規(guī)模。
圖30.全球各地部署的抽水蓄能設(shè)施分布情況
全球各地計(jì)劃建設(shè)的抽水蓄能設(shè)施如圖31所示。這些計(jì)劃的部署包括正在建設(shè)中或計(jì)劃進(jìn)行開發(fā)并已尋求或獲得監(jiān)管部門批準(zhǔn)的項(xiàng)目。如圖31所示，每年的抽水蓄能設(shè)施部署情況可能會(huì)有很大不同，這一項(xiàng)目的可變性通常與較長的開發(fā)周期有關(guān)。例如，印度Pinnapuram 抽水蓄能項(xiàng)目就是一個(gè)交付周期較長的例子，該項(xiàng)目將與一個(gè)裝機(jī)容量為2GW太陽能發(fā)電設(shè)施和400MW風(fēng)力發(fā)電設(shè)施配套部署，并將連接400kV電網(wǎng)。該項(xiàng)目于2018年獲得印度政府部門的批準(zhǔn)，并在2020年獲得250萬美元的投資用于下一步設(shè)計(jì)。
圖31. 全球各地計(jì)劃建設(shè)的抽水蓄能設(shè)施
中國近期計(jì)劃部署的抽水蓄能設(shè)施裝機(jī)容量最高。從2020年至2026年，預(yù)計(jì)中國將部署35GW以上的抽水蓄能設(shè)施，都是規(guī)模非常大的水電站。例如，中國計(jì)劃年投資28億美元建設(shè)的豐寧縣水電站的裝機(jī)容量為3.5GW。而在澳大利亞，Genex 電力公司最近與Energy Australia公司簽定了一個(gè)裝機(jī)容量250MW抽水蓄能設(shè)施合同。
圖32. 基于區(qū)域能源部署系統(tǒng)（ReEDS）美國抽水蓄能設(shè)施的部署潛力
2016年，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)使用區(qū)域能源部署系統(tǒng)（ReEDS）模型開發(fā)了一組可能的抽水蓄能設(shè)施資源可用性開發(fā)方案，以作為美國水電開發(fā)愿景的一部分。這些方案規(guī)模可以從1980年以來向美國聯(lián)邦能源管理委員會(huì)（FERC）提交的所有抽水蓄能項(xiàng)目評估的初始上限估算。而這只是潛在抽水蓄能項(xiàng)目的一部分，因?yàn)橐恍┧娝姓吆烷_發(fā)商不需要美國聯(lián)邦能源管理委員會(huì)（FERC）授權(quán)?；谶@些假設(shè)，根據(jù)美國聯(lián)邦能源管理委員會(huì)（FERC）的估算，美國已經(jīng)建設(shè)的166個(gè)抽水蓄能設(shè)施的總裝機(jī)容量為109GW。其ReEDS模型還包括每個(gè)區(qū)域一個(gè)750MW的抽水蓄能項(xiàng)目，以減少過度約束抽水蓄能的擴(kuò)建或部署，同時(shí)允許在所有區(qū)域中持續(xù)增長。圖32顯示了沒有通過美國聯(lián)邦能源管理委員會(huì)（FERC）批準(zhǔn)的101GW的抽水蓄能設(shè)施和美國聯(lián)邦能源管理委員會(huì)（FERC）已經(jīng)批準(zhǔn)的109GW的抽水蓄能設(shè)施的組合。如果其持續(xù)儲(chǔ)能時(shí)間為12小時(shí)的話，其估算值為210GW/2,500GWh。
ReEDS模型選擇750MW作為抽水蓄能項(xiàng)目規(guī)模是因?yàn)檫@是美國水電開發(fā)愿景之前十年提出的抽水蓄能項(xiàng)目裝機(jī)容量的近似平均值。
圖33.美國抽水蓄能設(shè)施部署模型ReEDS：技術(shù)改進(jìn)和融資增加
美國水電開發(fā)愿景還包括以ReEDS建模的三種情景的結(jié)果：先進(jìn)技術(shù)、低成本融資以及兩者的結(jié)合，其中還包括可持續(xù)發(fā)展的能源。
五．壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）
壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）設(shè)施通過壓縮空氣進(jìn)行儲(chǔ)能，通常部署在大型地下洞穴中。只適合在固定市場中使用。
1.壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）市場
彭博新能源財(cái)經(jīng)公司(BNEF)的調(diào)查報(bào)告列出了全球范圍內(nèi)七個(gè)委托部署的壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）設(shè)施，其中四個(gè)在美國。盡管并不是所有的壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）設(shè)施都報(bào)告了其裝機(jī)容量，但收集到的信息表明，從2011年到2019年，美國在這兩個(gè)方面的部署量最大（圖34和35）。2011年，在德克薩斯州部署了300MWh時(shí)的大型壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）設(shè)施。報(bào)告還指出，中國有三座大型壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）設(shè)施已經(jīng)獲得融資，并正在建設(shè)中。所有這些壓縮空氣儲(chǔ)能設(shè)施都計(jì)劃在2019年底或2020年初投入使用，但未找到有關(guān)這些項(xiàng)目是否已完成的信息。
圖34.全球壓縮空氣儲(chǔ)能設(shè)施累積部署量（2011～2019年）
圖35.全球各地的壓縮空氣儲(chǔ)能設(shè)施累積部署量（2011～2019年）
新方法也在考慮之中；在混合系統(tǒng)中正在研究壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES），它可以潛在地平衡其成本和性能。例如在荷蘭，壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）最近與鋰離子電池儲(chǔ)能結(jié)合使用，用于輔助服務(wù)的混合能源系統(tǒng)。預(yù)計(jì)這種方法既可以延長鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命，又可以顯著提高其總體使用壽命。
盡管美國在壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）部署方面處于領(lǐng)先地位，但并非所有項(xiàng)目都獲得成功或者實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。以下是一些示范和失敗項(xiàng)目的示例：
2. 壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）成功和失敗的項(xiàng)目
-阿拉巴馬州：110MW，1991年投入運(yùn)營
-俄亥俄州First Energy公司：2,7000MW，2018年暫停，洞穴條件不合適
-愛荷華州ISEP：270MW，2011年報(bào)廢，含水層孔隙率低
-加利福尼亞州PG＆E：300MW，2018年可行性研究結(jié)束，項(xiàng)目并不經(jīng)濟(jì)。
圖36.美國壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）資源估算
在彭博新能源財(cái)經(jīng)公司(BNEF)關(guān)于新興固定儲(chǔ)能技術(shù)的報(bào)告中，壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）被評估成為鋰離子電池的競爭對手。彭博新能源財(cái)經(jīng)公司(BNEF)使用下面提到的參數(shù)作為主要指標(biāo)，針對每個(gè)獨(dú)特的電網(wǎng)市場應(yīng)用分析了壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）系統(tǒng)與鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的競爭力，以確定其“可尋址市場”?？蓪ぶ肥袌霰欢x為在與電網(wǎng)相關(guān)的儲(chǔ)能領(lǐng)域中的鋰離子電池競爭時(shí)，在以下三個(gè)參數(shù)上可利用該技術(shù)的市場：技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性、位置限制、系統(tǒng)規(guī)模。盡管它沒有評估特定的設(shè)施位置，但在評估中包括其對于經(jīng)濟(jì)可行性的需求。
該分析預(yù)測，到2030年，在150GWh預(yù)計(jì)總儲(chǔ)能容量中，壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）設(shè)施能夠與鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)相競爭的容量約為60GWh。如圖37顯示，峰值需求和能量轉(zhuǎn)移是壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）最有競爭力的應(yīng)用場合。
圖37. 全球壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）技術(shù)的潛在市場規(guī)模（2020～2030年）
六．氧化還原液流電池（RFB）
1.氧化還原液流電池（RFB）市場
氧化還原液流電池（RFB）僅在固定市場中使用，通常是水基的。圖38和圖39分別總結(jié)了全球年度部署和累計(jì)部署。中國和亞洲其他地區(qū)在液流電池（RFB）部署方面處于領(lǐng)先地位。從2008年以來部署的800MWh液流電池（RFB）項(xiàng)目中，75%以上是在過去兩年部署的。
圖38. 全球各地的液流電池（RFB）年度部署（2011～2019年）
圖39. 全球各地的液流電池（RFB）年度累計(jì)部署（2010～2019年）
全球規(guī)模最大的氧化還原液流電池（RFB）項(xiàng)目（200MW/800MWh）于2016年批準(zhǔn)在中國大連建設(shè)；它是由中國融科動(dòng)力和美國UniEnergy Technologies共同開發(fā)的。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)用于黑啟動(dòng)、調(diào)峰和電網(wǎng)穩(wěn)定。
圖40.全球正在建設(shè)的規(guī)模最大的釩氧化還原液流電池設(shè)施
如上所述，彭博新能源財(cái)經(jīng)公司(BNEF)為幾種新興的固定儲(chǔ)能技術(shù)開發(fā)了一個(gè)“可尋址”市場?？蓪ぶ肥袌鍪侵概c電網(wǎng)相關(guān)的儲(chǔ)能領(lǐng)域中的鋰離子電池在以下三個(gè)參數(shù)上競爭時(shí)該技術(shù)可用的市場：
·技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性
·位置限制
·系統(tǒng)規(guī)模
針對每種市場應(yīng)用（例如能源轉(zhuǎn)移）開發(fā)了評級系統(tǒng)，并將該技術(shù)與相同應(yīng)用中的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了比較。
將所有氧化還原液流電池化學(xué)物質(zhì)歸為一組，并假設(shè)其平均系統(tǒng)持續(xù)放電時(shí)間為4小時(shí)。如果較短期限的儲(chǔ)能系統(tǒng)是可行的，那么可尋址的市場范圍將更大。彭博新能源財(cái)經(jīng)公司(BNEF)預(yù)測，到2030年，液流電池將與鋰離子電池競爭高達(dá)69GWh（占所需總?cè)萘?50GWh的46%）。峰值需求和能量轉(zhuǎn)移是液流電池最具競爭力的應(yīng)用，如圖41所示。為解決釩液流電池的成本問題而開發(fā)的鐵基液流電池可能會(huì)改變這一預(yù)測。
圖41.按應(yīng)用場合劃分的氧化還原液流電池潛在市場（2020～2030年）
圖42. 氧化還原液流電池的全球各地部署情況（2010～2020年）
圖42 提供了按部署日期和規(guī)模劃分的氧化還原液流電池（RFB）的情況。與其他新興儲(chǔ)以技術(shù)類似，近年來，氧化還原液流電池（RFB）的部署已經(jīng)顯著增加。
氧化還原液流電池（RFB）可行性的很大決定因素是系統(tǒng)成本，這與電解液活性材料的選擇緊密相關(guān)。從歷史上看，釩液流電池（RFB）由于具有多種吸引人的電化學(xué)性能（包括相對較長的使用壽命）而成為首選。但是隨著價(jià)格下降，鋰離子電池如今可以與釩液流電池（RFB）在成本上進(jìn)行競爭。由于釩液流電池（RFB）的設(shè)計(jì)從在4～6小時(shí)的持續(xù)放電時(shí)間（這變得越來越重要）中帶來了成本優(yōu)勢，因此，為改進(jìn)活性材料的經(jīng)濟(jì)性而進(jìn)行開發(fā)的策略也在不斷發(fā)展。一些投資者和初創(chuàng)公司正在推出新的液流電池（RFB）技術(shù)，如果獲得成功的話，這可能會(huì)影響未來的部署。例如，一家釩生產(chǎn)商和一家液流電池公司組建了一家合資企業(yè)，可以將釩電解質(zhì)出租給氧化還原液流電池開發(fā)商。
鐵是一種成本極低的活性材料，并且已經(jīng)在氧化還原液流電池（RFB）上取得了一些早期的商業(yè)成功。例如，一家全鐵液流電池公司的設(shè)備可以提供長達(dá)10小時(shí)的持續(xù)放電時(shí)間，如今該公司擴(kuò)大了生產(chǎn)能力。它得到了投資者及其未來供應(yīng)鏈的支持。
一種溴化鋅液流電池已經(jīng)設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)的5小時(shí)持續(xù)放電時(shí)間，其裝機(jī)容量為25kW。加州能源委員會(huì)最近授予這家初創(chuàng)公司一份合同?；谟袡C(jī)活性材料而不是無機(jī)活性物質(zhì)的液流電池具有潛在的成本效益。而下一代氧化還原液流電池將受到廣泛的關(guān)注。
