長時儲能商業(yè)起飛之路

　　美國能源部于今年3月發(fā)布了題為《長時儲能商業(yè)起飛之路》的報告，旨在加速下一代長時儲能技術(shù)的開發(fā)和商業(yè)化部署。中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟長期跟蹤長時儲能技術(shù)的技術(shù)進展和市場需求，同時也注意到國內(nèi)對于長時儲能愈發(fā)重視，因此將該報告的要點進行總結(jié)和歸納，供產(chǎn)業(yè)同仁參考。

　　一、美國發(fā)展長時儲能的背景

　　為了應(yīng)對新的環(huán)境問題和社會可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，并實現(xiàn)美國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，美國電力領(lǐng)域的碳排放量占全國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、波動性的可再生能源無法像化石燃料發(fā)電機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，如長時儲能(LDES)。長時儲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)。長時儲能包括一系列不同的技術(shù)，這些技術(shù)的共同目標(biāo)是長時間儲存能量以供未來調(diào)度。不同的技術(shù)儲存和釋放能量的形式以及調(diào)度的持續(xù)時間存在很大不同。

　　二、長時儲能技術(shù)與市場現(xiàn)狀

　　報告指出儲能技術(shù)根據(jù)電力環(huán)境中的調(diào)度持續(xù)時間劃分成短時儲能、日間LDES、多日/周LDES和季節(jié)性儲能。LDES技術(shù)有效填補了日間(10-36小時)和多日/周(36-160小時以上)的兩類應(yīng)用場景。報告重點對日間LDES(10-36小時)和多日/周LDES(36-160小時以上)兩個細分領(lǐng)域進行了分析。

　　(一)長時儲能技術(shù)現(xiàn)狀

　　本報告對12種LDES技術(shù)進行了評估。這些技術(shù)類型是根據(jù)其持續(xù)時間(日間LDES和多天/周LDES)和能量存儲形式(機械、熱或電化學(xué))進行劃分的。(鋰離子不作為本分析的一部分，因此將其排除在電化學(xué)長時儲能范圍之外)。

　　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：機械長時儲能、長時儲熱和電化學(xué)長時儲能。截至2022年底，這些技術(shù)的成熟度取決于在實驗室之外部署的技術(shù)就緒度。

　　•日間LDES主要以機械類儲能技術(shù)為主。機械類技術(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)模要求相對較高，大約50-100MW，成本約1億美元以上。

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

　　(二)長時儲能市場現(xiàn)狀

　　在市場應(yīng)用方面，長時儲能系統(tǒng)具備三個主要優(yōu)勢:

　　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)升級或擴容。電網(wǎng)升級是一項資本密集的工作，需要長時間的準(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)升級和擴容需求是實現(xiàn)中長期凈零排放目標(biāo)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。LDES因其部署靈活，對地理條件要求不高，可降低電網(wǎng)擴容的成本。另外，隨著交通和建筑負荷電氣化程度正趨高，與傳統(tǒng)負荷增長相比，這些負荷可能更難預(yù)測，而儲能規(guī)劃與部署的靈活性將因能夠應(yīng)對這種難以預(yù)測的負荷變化，而變得更有價值。

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

　　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)電機組提供的。未來，無論是否采用碳捕獲存儲技術(shù)(CCS)，天然氣調(diào)峰機組都可以繼續(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，又要部署天然氣機組以滿足峰值負荷，其可以部署LDES來完成脫碳目標(biāo)，同時部署LDES不會有系統(tǒng)成為擱淺資產(chǎn)的風(fēng)險。圖1顯示，在“2050年凈零”情景下，大多數(shù)燃氣機組是現(xiàn)有存量資產(chǎn)，在沒有LDES的情況下，需要構(gòu)建新燃氣機組系統(tǒng)。根據(jù)燃氣機組退役水平，在凈零情景下，多日/周LDES技術(shù)(即持續(xù)時間36-160小時)可能會取代超過200GW新增燃氣調(diào)峰機組容量。

圖1：在2050年凈零情景下，多日/周LDES容量預(yù)測

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

　　3.凈零場景下，長時儲能需求量大

　　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)達到高比例可再生能源滲透率時，預(yù)計部署的儲能容量將迅速增加(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，可能會部署225~460GW的LDES。這一部署水平與美國的長期戰(zhàn)略是一致的，即，要滿足美國的氣候目標(biāo)，儲能(包括LDES)需要大幅增長。

　　未來的市場規(guī)模預(yù)測表明，盡管有長期的市場基本面，但本地化政策和市場支持對于確保一些公司和技術(shù)擴大規(guī)模并創(chuàng)造一個可行和可持續(xù)的市場是非常重要的。

　　4.LDES可以使美國國內(nèi)儲能供應(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，機械儲能技術(shù))幾乎不依賴于難以獲得的原材料。

　　(三)競爭格局

　　報告指出，鋰離子電池可能會與LDES技術(shù)競爭日內(nèi)市場。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市場將與鋰離子電池競爭。

　　如果鋰離子電池變得非常具有成本競爭力，LDES技術(shù)將在持續(xù)時間(10小時左右)內(nèi)直接與鋰離子電池競爭;如果鋰離子電池的成本進一步大幅降低，大約85%的日間LDES市場將使用鋰離子電池。LDES技術(shù)需要比鋰離子電池具有更高的風(fēng)險回報率，才能在這部分市場中獲得市場份額。因此，與鋰離子電池相比，LDES系統(tǒng)的建設(shè)和并網(wǎng)數(shù)量對其價格以及能源市場的補償規(guī)則設(shè)計高度敏感。

　　圖3詳細描述了已部署LDES項目的數(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，則會降低日間LDES系統(tǒng)的平均時長，因為將有超過10小時的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小時的LDES系統(tǒng)，而具有成本優(yōu)勢的LDES系統(tǒng)將持續(xù)更長時間(20小時以上)。

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)的成本軌跡以及補償機制的不確定性，報告考慮了兩種鋰離子電池部署方案:

　　場景1:鋰離子成本和性能適度改善

　　在場景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，相對于2021年的價格，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)用場景中直接競爭。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)時間仍然相對較低(約13小時)，反映了該技術(shù)在一些短時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)。為了在日間市場上具有競爭力，LDES技術(shù)必須持續(xù)實現(xiàn)一定的充放電速率(60%以上，盡管75-80%是理想范圍)和較長的系統(tǒng)壽命(至少20-25年)。

　　場景2:鋰離子電池成本和性能分別大幅下降和提升

　　在場景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)部件的成本進一步降低了50%。這些改進使鋰離子技術(shù)在許多日間應(yīng)用場景中勝過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)時間約為35小時，這反映了鋰離子電池在較短的持續(xù)時間內(nèi)是一種更具成本效益的解決方案。多日/周LDES解決方案在更長的持續(xù)時間內(nèi)仍然是最有效的選擇，預(yù)計部署約197GW。預(yù)測表明，在所有情況下，即使其他技術(shù)的成本和技術(shù)性能改進速度比LDES更快，也需要能夠持續(xù)放電30小時以上的LDES解決方案。為了達到部署目標(biāo)，這些持續(xù)時間較長的技術(shù)必須在2035年之前達到足夠的技術(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爭外，LDES市場還存在著采用何種技術(shù)的競爭問題。報告認為有六個技術(shù)指標(biāo)將影響哪些技術(shù)被部署:(1)額定放電時間：在其最大額定功率下放電時長。(2)充放電速率：在規(guī)定時間內(nèi)充放的電流值。(3)響應(yīng)時間：從0到額定功率放電所需的時間。(4)長時儲能平準(zhǔn)化成本：以每兆瓦時美元計算。(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：項目建設(shè)所需用地。

　　圖4針對這六個競爭因素分析了主要的LDES應(yīng)用場景。關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)因LDES應(yīng)用場景而異。

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、用電負荷管理。用電大戶(工業(yè)，數(shù)據(jù)中心等)可以利用LDES對用能進行管理。

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

　　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作為電力資源來進行電力平衡的長期規(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，降低成本。

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

　　從應(yīng)用場景上講，LDES在用電負荷管理，電力購買協(xié)議，微網(wǎng)韌性和電力資源規(guī)劃等應(yīng)用場景與鋰電有較強的競爭關(guān)系，而在推遲輸配電網(wǎng)建設(shè)和參加電力市場方面的競爭關(guān)系相對較弱。

　圖5：LDES競爭力分析

　　三、實現(xiàn)長時儲能商業(yè)化應(yīng)用的途徑

　　預(yù)計在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)鏈擴展。而從2021年到2050年，實現(xiàn)最雄心勃勃的脫碳目標(biāo)可能需要累計投資約2320-3360億美元(圖6)。

圖6：脫碳目標(biāo)下的LDES投資預(yù)測

　　為了使LDES能夠支撐2050年實現(xiàn)凈零排放承諾的目標(biāo)，2030年LDES的發(fā)展必須同時滿足三個條件(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LDES提供的資源充裕度進行充分性補償，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)建長時儲能產(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，RA代表資源充足。起飛點被定義為LDES行業(yè)成為一個很大程度上自我維持的市場;在鋰離子電池競爭的情況下，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。

　　在美國由于不同的電網(wǎng)條件、政策和市場結(jié)構(gòu)，LDES部署的就緒程度各不相同。報告指出：有兩個因素可以用來評估市場LDES的就緒程度：電網(wǎng)條件、政策和市場結(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。二是政策和市場結(jié)構(gòu)。衡量地方政策和收入結(jié)構(gòu)對在該州部署具有有利風(fēng)險調(diào)整回報預(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、推動長時儲能規(guī)?；虡I(yè)化應(yīng)用的建議

　　報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.長期市場與政策信息。信息有利于解決利益相關(guān)者的不確定性，對投資者尤其有價值。這些信息包括稅收抵免、碳定價、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)施擴容。

　　2.提高投資者對部署LDES信心的收益機制。收益機制包括引入容量市場或其他支持長期企業(yè)可調(diào)度電力部署的市場產(chǎn)品、長期雙邊合同以及針對企業(yè)排放目標(biāo)的24/7虛擬購電協(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，從而實現(xiàn)長期規(guī)劃。

　　4.直接的技術(shù)支持和扶持措施。包括直接贈款、技術(shù)轉(zhuǎn)讓獎勵和貸款擔(dān)保等扶持措施將促進LDES市場的發(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能的人數(shù)和資金來確保了LDES的長期可行性。

　　長時儲能是穩(wěn)定電力系統(tǒng)不可或缺的一環(huán)，業(yè)內(nèi)對長時儲能技術(shù)路線格外關(guān)注。我國長時儲能發(fā)展現(xiàn)狀如何?未來我國長時儲能該走向何處?

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