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長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能商業(yè)起飛之路

中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布時(shí)間:2023-11-03 15:11:09

  美國(guó)能源部于今年3月發(fā)布了題為《長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能商業(yè)起飛之路》的報(bào)告,旨在加速下一代長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的開發(fā)和商業(yè)化部署。中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟長(zhǎng)期跟蹤長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的技術(shù)進(jìn)展和市場(chǎng)需求,同時(shí)也注意到國(guó)內(nèi)對(duì)于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能愈發(fā)重視,因此將該報(bào)告的要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和歸納,供產(chǎn)業(yè)同仁參考。

  一、美國(guó)發(fā)展長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的背景

  為了應(yīng)對(duì)新的環(huán)境問題和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn),并實(shí)現(xiàn)美國(guó)2050年凈零排放和2035年100%零碳電力的目標(biāo),電力部門需要迅速轉(zhuǎn)型。

  目前,美國(guó)電力領(lǐng)域的碳排放量占全國(guó)總排放量的三分之一。成功脫碳需要將化石燃料發(fā)電資產(chǎn)轉(zhuǎn)向零碳能源,如可再生能源(風(fēng)能、太陽能)和核能。電力部門需要一方面過渡到新的零碳電力供應(yīng)結(jié)構(gòu),另一方面需要迅速擴(kuò)大電力生產(chǎn)規(guī)模,以滿足下游電氣化帶來的新的用電需求。由于間歇性、波動(dòng)性的可再生能源無法像化石燃料發(fā)電機(jī)組那樣可控并滿足高峰用電需求,電網(wǎng)將需要一種新的方式來提供靈活性和可靠性,如長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能(LDES)。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能將是在未來脫碳電力系統(tǒng)中提供這種靈活性和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能包括一系列不同的技術(shù),這些技術(shù)的共同目標(biāo)是長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存能量以供未來調(diào)度。不同的技術(shù)儲(chǔ)存和釋放能量的形式以及調(diào)度的持續(xù)時(shí)間存在很大不同。

  二、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)與市場(chǎng)現(xiàn)狀

  報(bào)告指出儲(chǔ)能技術(shù)根據(jù)電力環(huán)境中的調(diào)度持續(xù)時(shí)間劃分成短時(shí)儲(chǔ)能、日間LDES、多日/周LDES和季節(jié)性儲(chǔ)能。LDES技術(shù)有效填補(bǔ)了日間(10-36小時(shí))和多日/周(36-160小時(shí)以上)的兩類應(yīng)用場(chǎng)景。報(bào)告重點(diǎn)對(duì)日間LDES(10-36小時(shí))和多日/周LDES(36-160小時(shí)以上)兩個(gè)細(xì)分領(lǐng)域進(jìn)行了分析。

  (一)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)狀

  本報(bào)告對(duì)12種LDES技術(shù)進(jìn)行了評(píng)估。這些技術(shù)類型是根據(jù)其持續(xù)時(shí)間(日間LDES和多天/周LDES)和能量存儲(chǔ)形式(機(jī)械、熱或電化學(xué))進(jìn)行劃分的。(鋰離子不作為本分析的一部分,因此將其排除在電化學(xué)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能范圍之外)。

  表1:LDES技術(shù)現(xiàn)狀

  備注:數(shù)字越大技術(shù)成熟度越高

  •LDES技術(shù)根據(jù)物理特性分為三大類:機(jī)械長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)熱和電化學(xué)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。截至2022年底,這些技術(shù)的成熟度取決于在實(shí)驗(yàn)室之外部署的技術(shù)就緒度。

  •日間LDES主要以機(jī)械類儲(chǔ)能技術(shù)為主。機(jī)械類技術(shù)是最成熟的,有些已經(jīng)處于商業(yè)示范階段,但示范規(guī)模門檻規(guī)模要求相對(duì)較高,大約50-100MW,成本約1億美元以上。

  •多日/周LDES主要以儲(chǔ)熱和電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)為主。其中儲(chǔ)熱技術(shù)正在進(jìn)入商業(yè)示范階段,也需要建設(shè)大型示范項(xiàng)目。電化學(xué)技術(shù)還處于“實(shí)驗(yàn)室”或試驗(yàn)階段(規(guī)模<10MW),可以在較小的分散式的項(xiàng)目中進(jìn)行部署和測(cè)試,也可與許多技術(shù)結(jié)合使用。與其他技術(shù)相比,這可能會(huì)有更快的迭代和創(chuàng)新。

  (二)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能市場(chǎng)現(xiàn)狀

  在市場(chǎng)應(yīng)用方面,長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)具備三個(gè)主要優(yōu)勢(shì):

  1.LDES技術(shù)通過賦予電網(wǎng)更高的可靠性和靈活性來支持間歇性可再生能源進(jìn)行大規(guī)模并網(wǎng)與消納。

  雖然可再生能源是發(fā)電邊際成本最低的能源形式之一,但其間歇性意味著電網(wǎng)需要一種可調(diào)度的能源形式來平衡供需,同時(shí)還要滿足電力高峰需求。此外,新的間歇性可再生能源發(fā)電站并網(wǎng),可能需要電網(wǎng)升級(jí)或擴(kuò)容。電網(wǎng)升級(jí)是一項(xiàng)資本密集的工作,需要長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)備和流程,且經(jīng)常因不滿足許可要求而被推遲。因此,如何滿足可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)和消納所帶來的電網(wǎng)升級(jí)和擴(kuò)容需求是實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)期凈零排放目標(biāo)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。LDES因其部署靈活,對(duì)地理?xiàng)l件要求不高,可降低電網(wǎng)擴(kuò)容的成本。另外,隨著交通和建筑負(fù)荷電氣化程度正趨高,與傳統(tǒng)負(fù)荷增長(zhǎng)相比,這些負(fù)荷可能更難預(yù)測(cè),而儲(chǔ)能規(guī)劃與部署的靈活性將因能夠應(yīng)對(duì)這種難以預(yù)測(cè)的負(fù)荷變化,而變得更有價(jià)值。

  2.LDES可以增強(qiáng)電網(wǎng)彈性,減少對(duì)天然氣發(fā)電機(jī)組新增容量的需求。

  目前,大多數(shù)可靠性和電網(wǎng)彈性服務(wù)都是由抽水蓄能和化石燃料發(fā)電機(jī)組提供的。未來,無論是否采用碳捕獲存儲(chǔ)技術(shù)(CCS),天然氣調(diào)峰機(jī)組都可以繼續(xù)提供調(diào)節(jié)服務(wù),但LDES技術(shù)具有更高的利用率和適應(yīng)性,以適應(yīng)不斷變化的電網(wǎng)需求。公用事業(yè)公司在考慮脫碳的同時(shí),又要部署天然氣機(jī)組以滿足峰值負(fù)荷,其可以部署LDES來完成脫碳目標(biāo),同時(shí)部署LDES不會(huì)有系統(tǒng)成為擱淺資產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。圖1顯示,在“2050年凈零”情景下,大多數(shù)燃?xì)鈾C(jī)組是現(xiàn)有存量資產(chǎn),在沒有LDES的情況下,需要構(gòu)建新燃?xì)鈾C(jī)組系統(tǒng)。根據(jù)燃?xì)鈾C(jī)組退役水平,在凈零情景下,多日/周LDES技術(shù)(即持續(xù)時(shí)間36-160小時(shí))可能會(huì)取代超過200GW新增燃?xì)庹{(diào)峰機(jī)組容量。

圖1:在2050年凈零情景下,多日/周LDES容量預(yù)測(cè)

圖2:2050年實(shí)現(xiàn)BAU和Net Zero脫碳目標(biāo)下的LDES預(yù)測(cè)

  3.凈零場(chǎng)景下,長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能需求量大

  本文考慮了兩類路徑,分別是“一切照常”(BAU)和“凈零”(Net Zero) 。“一切照常”(BAU)情景代表了當(dāng)前的軌跡,包括2022年《通貨膨脹減少法案》(IRA)的影響,但沒有額外的商業(yè)化干預(yù)。“凈零”(Net Zero)情景代表了在間歇性可再生能源和輸電能力的不同限制下,到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放。

  通過綜合建模顯示,到2050年,尤其是2030年至2040年之間在“一切照常”(BAU)和“凈零”(Net Zero)兩種途徑中,當(dāng)電網(wǎng)達(dá)到高比例可再生能源滲透率時(shí),預(yù)計(jì)部署的儲(chǔ)能容量將迅速增加(圖2)。

  根據(jù)圖2顯示,到2050年,在間歇性可再生能源高滲透率情景下,可能部署60-460GW的LDES,以實(shí)現(xiàn)到2050年BAU路徑和Net Zero路徑下的脫碳目標(biāo)(BAU代表一切照常)。

  到2050年,LDES的部署規(guī)模非常大。在BAU方案中,僅部署了60MW的多日LDES;然而,在凈零情景中,可能會(huì)部署225~460GW的LDES。這一部署水平與美國(guó)的長(zhǎng)期戰(zhàn)略是一致的,即,要滿足美國(guó)的氣候目標(biāo),儲(chǔ)能(包括LDES)需要大幅增長(zhǎng)。

  未來的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)表明,盡管有長(zhǎng)期的市場(chǎng)基本面,但本地化政策和市場(chǎng)支持對(duì)于確保一些公司和技術(shù)擴(kuò)大規(guī)模并創(chuàng)造一個(gè)可行和可持續(xù)的市場(chǎng)是非常重要的。

  4.LDES可以使美國(guó)國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能供應(yīng)鏈多樣化。

  開發(fā)一系列LDES技術(shù)可能需要各種新的產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈要素,許多LDES技術(shù)(例如,機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù))幾乎不依賴于難以獲得的原材料。

  (三)競(jìng)爭(zhēng)格局

  報(bào)告指出,鋰離子電池可能會(huì)與LDES技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)日內(nèi)市場(chǎng)。如果鋰離子電池的成本降低大大超過預(yù)期,大約85%的日內(nèi)LDES市場(chǎng)將與鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)。

  如果鋰離子電池變得非常具有成本競(jìng)爭(zhēng)力,LDES技術(shù)將在持續(xù)時(shí)間(10小時(shí)左右)內(nèi)直接與鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng);如果鋰離子電池的成本進(jìn)一步大幅降低,大約85%的日間LDES市場(chǎng)將使用鋰離子電池。LDES技術(shù)需要比鋰離子電池具有更高的風(fēng)險(xiǎn)回報(bào)率,才能在這部分市場(chǎng)中獲得市場(chǎng)份額。因此,與鋰離子電池相比,LDES系統(tǒng)的建設(shè)和并網(wǎng)數(shù)量對(duì)其價(jià)格以及能源市場(chǎng)的補(bǔ)償規(guī)則設(shè)計(jì)高度敏感。

  圖3詳細(xì)描述了已部署LDES項(xiàng)目的數(shù)量、類型與鋰離子電池成本降低之間的關(guān)系。LDES技術(shù)的部署取決于它們能否在成本和性能上超越鋰離子電池,如果鋰離子成本下降幅度不大,則會(huì)降低日間LDES系統(tǒng)的平均時(shí)長(zhǎng),因?yàn)閷⒂谐^10小時(shí)的LDES系統(tǒng)上線。然而,如果鋰離子電池成本大幅降低,鋰離子電池將取代10小時(shí)的LDES系統(tǒng),而具有成本優(yōu)勢(shì)的LDES系統(tǒng)將持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間(20小時(shí)以上)。

圖3:LDES部署與鋰離子電池成本較低之間的關(guān)系

  考慮到鋰離子電池和LDES技術(shù)的成本軌跡以及補(bǔ)償機(jī)制的不確定性,報(bào)告考慮了兩種鋰離子電池部署方案:

  場(chǎng)景1:鋰離子成本和性能適度改善

  在場(chǎng)景1中,鋰離子電池的成本和性能將以適度的速度分別降低和提升(即,到2030年,成本將降低54%,到2050年,相對(duì)于2021年的價(jià)格,總成本將降低65%),LDES技術(shù)將繼續(xù)與鋰離子電池在日間應(yīng)用場(chǎng)景中直接競(jìng)爭(zhēng)。因此,到2050年,將部署約274GW的日間LDES,而鋰離子僅有40GW。這些日間LDES系統(tǒng)的平均持續(xù)時(shí)間仍然相對(duì)較低(約13小時(shí)),反映了該技術(shù)在一些短時(shí)工況下勝過鋰離子電池的能力。此外,多日/周LDES的部署率低于日間LDES(即186GW和274GW)。為了在日間市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)力,LDES技術(shù)必須持續(xù)實(shí)現(xiàn)一定的充放電速率(60%以上,盡管75-80%是理想范圍)和較長(zhǎng)的系統(tǒng)壽命(至少20-25年)。

  場(chǎng)景2:鋰離子電池成本和性能分別大幅下降和提升

  在場(chǎng)景2中,鋰離子電池的成本和性能都得到了大幅改善,與情況1相比,電池等能量相關(guān)部件的成本進(jìn)一步降低了50%。這些改進(jìn)使鋰離子技術(shù)在許多日間應(yīng)用場(chǎng)景中勝過LDES技術(shù)。因此,與317GW的鋰離子相比,部署了35GW的日間LDES。部署的日間LDES的平均持續(xù)時(shí)間約為35小時(shí),這反映了鋰離子電池在較短的持續(xù)時(shí)間內(nèi)是一種更具成本效益的解決方案。多日/周LDES解決方案在更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)仍然是最有效的選擇,預(yù)計(jì)部署約197GW。預(yù)測(cè)表明,在所有情況下,即使其他技術(shù)的成本和技術(shù)性能改進(jìn)速度比LDES更快,也需要能夠持續(xù)放電30小時(shí)以上的LDES解決方案。為了達(dá)到部署目標(biāo),這些持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的技術(shù)必須在2035年之前達(dá)到足夠的技術(shù)準(zhǔn)備水平(TRL)、技術(shù)性能和成本成熟度。

  除了與鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)外,LDES市場(chǎng)還存在著采用何種技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)問題。報(bào)告認(rèn)為有六個(gè)技術(shù)指標(biāo)將影響哪些技術(shù)被部署:(1)額定放電時(shí)間:在其最大額定功率下放電時(shí)長(zhǎng)。(2)充放電速率:在規(guī)定時(shí)間內(nèi)充放的電流值。(3)響應(yīng)時(shí)間:從0到額定功率放電所需的時(shí)間。(4)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能平準(zhǔn)化成本:以每兆瓦時(shí)美元計(jì)算。(5)最小建設(shè)規(guī)模:技術(shù)上可行的最小規(guī)模。(6)占地面積:項(xiàng)目建設(shè)所需用地。

  圖4針對(duì)這六個(gè)競(jìng)爭(zhēng)因素分析了主要的LDES應(yīng)用場(chǎng)景。關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)因LDES應(yīng)用場(chǎng)景而異。

圖4:LDES在不同用例中所需關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)

  日間和多日/周LDES主要應(yīng)用在以下領(lǐng)域:

  1、用電負(fù)荷管理。用電大戶(工業(yè),數(shù)據(jù)中心等)可以利用LDES對(duì)用能進(jìn)行管理。

  2、電力購(gòu)買協(xié)議(Power Purchase Agreement,PPA)。PPA買家可以用LDES購(gòu)買24小時(shí)全天候零碳電力。

  3、微網(wǎng)韌性。LDES能保障孤島或離網(wǎng)地區(qū)的用電安全。

  4、電力資源規(guī)劃。電力公司可以將LDES作為電力資源來進(jìn)行電力平衡的長(zhǎng)期規(guī)劃。

  5、推遲輸配電網(wǎng)建設(shè)。作為輸配電網(wǎng)的替代方案,LDES在保證用電需求的同時(shí),降低成本。

  6、參加電力市場(chǎng)。LDES可以削峰填谷,可以提供輔助服務(wù)(調(diào)頻,黑啟動(dòng)等)

  從應(yīng)用場(chǎng)景上講,LDES在用電負(fù)荷管理,電力購(gòu)買協(xié)議,微網(wǎng)韌性和電力資源規(guī)劃等應(yīng)用場(chǎng)景與鋰電有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,而在推遲輸配電網(wǎng)建設(shè)和參加電力市場(chǎng)方面的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系相對(duì)較弱。

 圖5:LDES競(jìng)爭(zhēng)力分析

  三、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能商業(yè)化應(yīng)用的途徑

  預(yù)計(jì)在2030年之前,LDES領(lǐng)域至少需要90-120億美元的投資來支持研發(fā)、商業(yè)部署和供應(yīng)鏈擴(kuò)展。而從2021年到2050年,實(shí)現(xiàn)最雄心勃勃的脫碳目標(biāo)可能需要累計(jì)投資約2320-3360億美元(圖6)。

圖6:脫碳目標(biāo)下的LDES投資預(yù)測(cè)

  為了使LDES能夠支撐2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放承諾的目標(biāo),2030年LDES的發(fā)展必須同時(shí)滿足三個(gè)條件(圖7):

  技術(shù)性能和成本降低:LDES系統(tǒng)的成本必須降低45-55%,系統(tǒng)循環(huán)效率提高7-15%;

  政策支持:對(duì)LDES提供的資源充裕度進(jìn)行充分性補(bǔ)償,到2030年大約相當(dāng)于每千瓦50-75美元,以支持投資的商業(yè)項(xiàng)目。

  建立LDES專用產(chǎn)品供應(yīng)鏈:到2035年需要10-15吉瓦的制造和部署能力,到2030年至少需要3GW,因此需要構(gòu)建長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈和專用產(chǎn)品供應(yīng)鏈。

圖7:2030-2035年的商業(yè)起飛所需條件

  備注:圖中PUC代表公共事業(yè)委員會(huì),RA代表資源充足。起飛點(diǎn)被定義為L(zhǎng)DES行業(yè)成為一個(gè)很大程度上自我維持的市場(chǎng);在鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)的情況下,仍然需要多日/周的LDES技術(shù),而積極的鋰離子電池將減少供應(yīng)鏈建設(shè)的需求。

  在美國(guó)由于不同的電網(wǎng)條件、政策和市場(chǎng)結(jié)構(gòu),LDES部署的就緒程度各不相同。報(bào)告指出:有兩個(gè)因素可以用來評(píng)估市場(chǎng)LDES的就緒程度:電網(wǎng)條件、政策和市場(chǎng)結(jié)構(gòu)。一是電網(wǎng)條件。衡量LDES在特定狀態(tài)下的可獲得性和相對(duì)可行性,以及整體發(fā)電組合。影響因素包括間歇性可再生能源的滲透率百分比、輸配電投資缺口、SAIDI/SAIFI得分衡量的電網(wǎng)彈性以及互聯(lián)的難易程度。二是政策和市場(chǎng)結(jié)構(gòu)。衡量地方政策和收入結(jié)構(gòu)對(duì)在該州部署具有有利風(fēng)險(xiǎn)調(diào)整回報(bào)預(yù)期的LDES的有利程度。影響因素包括可再生能源投資組合標(biāo)準(zhǔn)(RPSs)、是否有容量支付以及支付的水平等。通過評(píng)估,可以得出加利福尼亞、德克薩斯、紐約、緬因州、愛荷華州和康涅狄格州在近期內(nèi)具有很高的潛力(圖8)。

圖8:LDES部署準(zhǔn)備情況因州而異

  四、推動(dòng)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能規(guī)?;虡I(yè)化應(yīng)用的建議

  報(bào)告最后建議可以制定如下五類干預(yù)措施來改善LDES的部署:

  1.長(zhǎng)期市場(chǎng)與政策信息。信息有利于解決利益相關(guān)者的不確定性,對(duì)投資者尤其有價(jià)值。這些信息包括稅收抵免、碳定價(jià)、溫室氣體減排目標(biāo),以及支持可再生能源或解決人口密集地區(qū)瓶頸問題的輸電基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)容。

  2.提高投資者對(duì)部署LDES信心的收益機(jī)制。收益機(jī)制包括引入容量市場(chǎng)或其他支持長(zhǎng)期企業(yè)可調(diào)度電力部署的市場(chǎng)產(chǎn)品、長(zhǎng)期雙邊合同以及針對(duì)企業(yè)排放目標(biāo)的24/7虛擬購(gòu)電協(xié)議。

  3.分析有助于提高透明度,減少利益相關(guān)者之間的不確定性,從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期規(guī)劃。

  4.直接的技術(shù)支持和扶持措施。包括直接贈(zèng)款、技術(shù)轉(zhuǎn)讓獎(jiǎng)勵(lì)和貸款擔(dān)保等扶持措施將促進(jìn)LDES市場(chǎng)的發(fā)展。

  5.利益相關(guān)者的支持。利益相關(guān)者可以通過增加特定州用于可再生能源或儲(chǔ)能的人數(shù)和資金來確保了LDES的長(zhǎng)期可行性。

  長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能是穩(wěn)定電力系統(tǒng)不可或缺的一環(huán),業(yè)內(nèi)對(duì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)路線格外關(guān)注。我國(guó)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能發(fā)展現(xiàn)狀如何?未來我國(guó)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能該走向何處?

  文 | 中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟


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