中國儲能網訊：三、對未來電力系統的靈活性需求進行建模
長時儲能技術需要在未來20年內大幅擴大部署規(guī)模，以實現凈零的電力系統。
而研究中的建模表明，在凈零情景中，到2040年累計的部署長時儲能的裝機容量可能達到1.5到2.5TW。能源轉移、容量提供和輸配電優(yōu)化等服務將占絕大多數。
到2040年，長時儲能的市場規(guī)模可能超過1萬億美元。長時儲能可以在建模中沒有考慮的一系列不同的并網和離網應用中創(chuàng)造更多的價值，到2040年累計創(chuàng)造的價值將增長到1.3萬億美元。
長時儲能在所有模擬情景中都發(fā)揮著重要作用，但對能量的吸收和存儲對成本、替代技術的性能以及廣泛的脫碳步伐很敏感。在其他假設情景下，長時儲能部署可能會降低40%。
長時儲能有望在實現大容量電力系統和其他專業(yè)應用的經濟高效脫碳方面發(fā)揮重要作用。本文提供了基于建模結果的長時儲能潛在市場的概述。以下概述的潛在市場規(guī)模是電力系統遵循成本最優(yōu)的凈零軌跡，并沒有考慮已宣布的可再生能源政府目標或政策措施。其數據范圍是指中心情景和漸進情景。
1、到2040年，長時儲能的潛在市場規(guī)?？蛇_到1.5至2.5TW，以實現凈零電力系統所需的靈活性
根據預計的成本最優(yōu)的凈零軌跡，建模結果表明，隨著電力系統接近凈零，長時儲能將在提供靈活性方面發(fā)揮主導作用。
長時儲能可能從2025年開始大規(guī)模部署（30GW～40GW或1TWh），隨著可再生能源滲透率的提高，到2030年部署量將加速增長(150GW～400GW 或 5到10TWh)。到2025年，95%以上的部署將由非大容量電網應用推動的，例如孤島電網、遠程電網、不可靠的電網以及企業(yè)的可再生能源購電協議(PPA)。然而，隨著大容量電力系統從2030年起出現高可再生能源滲透率（約60%至70%），長時儲能的裝機容量可能在2040年加速達到1.5至2.5TW（如圖13所示）。這將達到當今全球累計部署的總儲能容量8到15倍。
圖13長時儲能總潛在市場和按年累計資本支出投資
在未來五年，全球需要大量投資來促進長時儲能的大規(guī)模部署，并實現低成本的脫碳途徑。據估計，到2025年，全球將需要投資500億美元來部署數量足夠的試點項目和商業(yè)化項目，以實現早期脫碳，同時實現降低成本。這筆資金可以來自私人來源以及一些政府部門的資助?？傮w而言，到2040年實現部署所需的累計投資預計將在全球范圍內達到1.5到3萬億美元。雖然這一金額很驚人，但這個數字只是與全球每2到4年對輸配電網絡的投資相當。
2、長時儲能可以在一系列不同的并網和離網應用中創(chuàng)造價值
長時儲能預計的技術和經濟特性使它們能夠服務于各種用途。已經確定了五個創(chuàng)造價值的主要部分（如圖14所示），其中包括：
圖14能源轉移、產能供應和輸配電優(yōu)化
?能源轉移、容量提供和輸配電優(yōu)化。
?為電網偏遠或不可靠的行業(yè)優(yōu)化能源。
?孤島電網優(yōu)化。
?確定電力采購協議（PPA）。
?提供穩(wěn)定服務
（1）能源轉移、容量提供和輸配電優(yōu)化
預計大容量電力系統的能源轉移、容量提供和輸配電優(yōu)化將導致最大比例的部署（2040年為80%至90%）；然而，其他應用也可以在確保電力系統完全脫碳的同時增加顯著價值（如圖15所示）。此外，預計2025年的市場發(fā)展將受到偏遠/離網或不可靠電網（50GW）行業(yè)的供應優(yōu)化、購電協議（30GW）和孤島電網優(yōu)化（15GW）的推動。以下簡要介紹不同的應用，而以下將深入解釋能源轉移、容量提供和輸配電優(yōu)化。
圖15 到2040年按應用劃分的長時儲能潛在市場和累計價值
（2）為電網偏遠或不可靠的行業(yè)優(yōu)化能源
長時儲能對于啟用現場可再生能源和確保在需要的地方（例如在工廠生產線中）持續(xù)供電至關重要。可能需要清潔、可靠、具有成本效益的電力供應的相關用戶，其中包括大型離網用戶（如礦山、農業(yè)綜合企業(yè)和軍事基地）和電網可靠性較低的工業(yè)用戶（如經濟條件較差的化工廠和鋼鐵廠）。在這些情況下，長時儲能在更短的交貨時間和更少的地理限制方面比電網擴展具有優(yōu)勢。
總體而言，到2030年，為相關應用部署的長時儲能累計容量可能達到60GW（儲能容量為1.5TWh），到2040年將達到110GW（4TWh）左右。
而長時儲能創(chuàng)造的價值（減少化石燃料消耗、增加運營正常運行時間，替換化石燃料發(fā)電設施等），到2030年可能達到200億美元至300億美元，到2040年達到約1200億美元。
為了估計長時儲能市場規(guī)模，根據特定的行業(yè)和地理范圍確定了不同的離網和備用長時儲能的價值主張，每個價值主張的規(guī)模都經過量身定制的分析。每個應用程序的持續(xù)時間很大程度上取決于特定用例和地理特征。氣候變化的影響（包括森林火災風險增加及其對電網可靠性或企業(yè)目標的影響）可能會進一步加速部署長時儲能系統。
（3）孤島電網優(yōu)化
長時儲能可以支持離網或微電網設施（包括孤島運行的電力系統）供電的穩(wěn)定和安全。例如，這些技術可以通過最大限度地減少對柴油發(fā)電機和化石能源的依賴，來幫助島嶼和偏遠社區(qū)脫碳。此外，連接到孤島運行電力系統的社區(qū)也可以從長時儲能慣性提供和其他服務中受益。
到2030年，構建孤島電網的長時儲能累計裝機容量可達15GW（150GWh）；到2040年，這可能會增加到90到100GW（大約3TWh）。長時儲能的潛在價值來自化石燃料和碳排放的成本節(jié)約，到2040年將節(jié)省300億美元。
具有加速脫碳路徑孤島電網可以增加長時儲能的部署，并為這些電力系統創(chuàng)造更多價值。離網或孤立社區(qū)也可能具有巨大潛力，特別是在電力需求仍未部分或全部滿足或依賴柴油發(fā)電的發(fā)展中國家。
（4）確定可再生能源購電協議
長時儲能允許保護具有特定基本負載要求的電力采購協議（PPA）。私營公司和公共組織越來越有興趣使用可再生能源的電力，以此來降低運營成本、降低波動的化石燃料價格和碳排放成本以及實現企業(yè)環(huán)境目標。而雄心勃勃地承諾減少碳排放的企業(yè)通常依賴可再生能源原產地保證（通常集成到電力采購協議中）來獲取零排放電力。然而，可再生能源購電協議通常不足以使其電力脫碳；因此，企業(yè)經常用在碳排放市場上購買的碳信用額來抵消剩余的排放量。長時儲能使企業(yè)能夠將其實際可再生能源供電增加到接近100%，同時為電網運營提供彈性。同樣，公用事業(yè)公司可以使用長時儲能向其客戶提供此類100%可再生能源購電協議。
到2025年，全球用于固定可再生能源購電協議的長時儲能系統累計部署10GW（0.5TWh），到2040年將增加到40GW（2TWh），在可再生能源和碳信用方面的成本節(jié)約累計價值高達100億美元。該應用主要被視為近期機會，因為到2030年之后，大容量電網中的可再生能源滲透率將顯著增加，以全天候提供可再生能源電力。因此，企業(yè)為確定可再生能源購電協議支付儲能儲溢價的意愿可能會下降。
為確保近100%的可再生能源的電力供應，這一應用所需的持續(xù)放電時間預計將超過24小時。然而，其持續(xù)放電時間將取決于電網的現有容量組合。
（5）提供穩(wěn)定服務（慣性或合成慣性）
長時儲能技術可以提供廣泛的輔助服務來維持電網穩(wěn)定性（具體的服務因技術而異）。其中一項服務是慣性，隨著可再生能源滲透率的增長，其需求也在增長。長時儲能用于傳統發(fā)電廠的一個不同之處在于，長時儲能可以提供慣性，同時確保100%的可再生能源供應。此外，機械儲能和熱儲能技術還可以在沒有并網逆變器的情況下提供慣性，這會提高系統的總成本。
合適的長時儲能技術可以從慣性中獲取價值，并將其與容量提供等其他有償服務疊加。到2030年，長時儲能可利用的慣性創(chuàng)造的總價值估計為5億美元，到2040年，全球范圍內的總價值估計為50億美元至100億美元，考慮到采用成本更低的替代方案（即同步冷凝器與飛輪相結合）的成本。然而，慣性和穩(wěn)定性服務不太可能證明獨立部署長時儲能是合理的。在獨立部署的基礎上，同步調壓器是更具成本效益的慣性解決方案。
互連有限的電網系統預計在市場初期特別受關注，因為它們具有較少的電網穩(wěn)定性替代來源。這項服務的試點已經開始：例如在英國，2020年簽訂了為期六年的慣性服務招標。
3、深入探討：能源轉移、產能供應和輸配電優(yōu)化
長時儲能預計將在大容量電力系統中發(fā)揮獨特的雙重作用，避免使用氫能設施來滿足峰值電力需求，同時滿足日內和多日充放電需求。在夏季和冬季的需求峰值期間，長時儲能可以連續(xù)幾天釋放能量，以提供關鍵的清潔能源和容量儲備；在需求淡季，長時儲能可以主要執(zhí)行日內和多日能量轉移。在非常長的持續(xù)時間范圍內，按照目前預計的系統成本，氫能設施和長時儲能的組合可能是成本最優(yōu)的方案。然而，更快速地降低成本或更慢地降低氫氣成本將影響產能組合。
在潛在市場方面，可再生能源密集型電力系統的能源轉移和固定容量供應將是長時儲能的最大市場，占2040年部署量的80%至90%。輸配電擴展優(yōu)化可產生3000億美元的額外累積價值到2040年將達到6500億美元，主要是通過補充、延期或替代投資較高的配電網絡。
減少削減的能源和未提供的能源可以進一步增加價值。長時儲能還具有提供分布式容量以滿足當地需求的潛力，同時還為冗長的輸配電建設提供了一種具有成本效益的替代方案。雖然目前未在潛在市場中考慮，但考慮到熱儲能的能量損失較高，分布式熱儲能應用可能在同時存在加熱需求的情況下特別有吸引力。
如果成本預測按預期展開，長時儲能可能會占產能組合的很大一部分。例如在美國，到2040年，長時儲能可以存儲大約10%到15%的總發(fā)電量，取代部分鋰離子電池儲能系統和氫能設施，并達到比這兩種技術更高的份額（如圖16所示）。靈活性持續(xù)時間的平衡組合到2040年將需要長時儲能。
圖16 美國在2040年完成凈零目標和不同成本開發(fā)情景下的產能結構
鑒于可再生能源在總發(fā)電組合中的份額較低，在2030年之前，靈活性需求的最大份額可能會來自持續(xù)時間為24小時以下的儲能系統。盡管如此，在24小時或更長時間范圍內的長時儲能系統的早期部署也將受到當地條件和特定應用（例如低電網可靠性區(qū)域的備份或高可用性電力采購協議）的推動。兩種儲能系統都可能在不久的將來出現商業(yè)需求。
（1）到2040年，長時儲能靈活性持續(xù)時間的平衡組合將是必要的
到2030年，預計部署的持續(xù)放電時間為8到24小時長時儲能的裝機容量可能占長時儲能總裝機容量的80%以上。提供超過24小時靈活性的長時儲能可能會在2030年后出現顯著增長，這主要是由于可再生能源發(fā)電量的增加。到2040年，持續(xù)時間更長的長時儲能技術可能占總儲能容量的80%。由于這樣的長時儲能系統在能總成本中的權重更大，預計不同持續(xù)時間的儲能系統所需的投資將遵循與電力容量部署類似的模式（如圖17所示)。
圖17 不同類型長時儲能潛在市場
（2）可再生能源增長和電氣化可能導致所有市場對長時儲能系統的需求增加
長時儲能有可能支持所有市場的大容量電力的成本優(yōu)化脫碳（如圖18所示）。在模擬的地點中，美國對長時儲能系統的需求最大，這主要是由于美國的輸電連接有限。在這個市場中，長時儲能將有助于減少棄電和電網擁塞，同時提高輸電效率。歐洲和日本的需求可能主要受到2035年至2040年的峰值容量驅動，平均持續(xù)時間更長（超過50小時）。澳大利亞和智利等可再生能源資源豐富且太陽能普及率高的地區(qū)，可能主要需要持續(xù)時間較短的大容量電力服務。
圖18 按模型劃分的各國市場
新興市場的長時儲能需求不僅受到可再生能源發(fā)電設施替代化石燃料發(fā)電設施的推動，還受到電力需求增加的推動，預計未來幾年電力需求將顯著增長。然而，長時儲能系統將提供全方位的靈活性持續(xù)時間，包括日內和多日需求，隨著可再生能源發(fā)電量的增加，短期內需要更短的持續(xù)時間的儲能系統。
政策措施和政府目標可能會影響部署速度，并導致比預期更早的部署。例如，印度到2030年部署450GW可再生能源的目標可能會在2030年之前導致對儲能容量的高需求，從而加速長時儲能的部署。同樣，美國到2035年實現零排放電力的新承諾，以及中國到2030年實現1,200GW可再生能源的目標，也可能會產生積極影響。
4、潛在市場對成本和性能、替代技術和脫碳發(fā)展最敏感
根據定義，電力市場的未來是不確定的。公共和私人參與者的承諾和行動、新的市場設計和技術發(fā)展，都是高度相互關聯的，并將最終決定是否實現氣候目標。長時儲能也存在類似的不可預測性，此外還存在技術成熟度的風險。
因此，長時儲能部署的預測對不同的假設高度敏感，如圖19所示（這些數字適用于美國市場，但其行為代表了世界其他國家和地區(qū)）。
圖19美國電力市場規(guī)模對不同參數變化的敏感性
預計的潛在市場對于預計的長時儲能成本和性能發(fā)展最為敏感。如果企業(yè)僅滿足平均投資降低的軌跡，則可以通過進一步部署鋰離子電池儲能系統和氫能設施（到2040年在美國達到120 GW至250GW）來減少長時儲能的使用量。如果8到24小時長時儲能系統的充放電效率(RTE)不超過70%，則可能需要部署大約65GW的鋰離子電池儲能系統。另一方面，對更長持續(xù)時間的影響將是最小的，只有15GW的長時儲能系統被氫能設施取代。
替代品成本預測的偏差可能會顯著影響長時儲能的采用。如果氫氣成本降低，則可以額外產生90TWh的氫能，取代超過170GW的長時儲能容量。然而，鑒于低成本氫氣需要可能受到高度限制的基礎設施或地理條件，預計這將有局限性。更激進的鋰離子電池儲能方案將取代大約40GW持續(xù)時間較短的長時儲能系統（即8至24小時的長時儲能系統）。與其相反，成本降低較慢的鋰離子電池儲能將使長時儲能的市場規(guī)模在24小時以下增加約50GW（如圖20所示）。
最后，長時儲能的部署與脫碳率和可變可再生能源發(fā)電的部署密切相關。到2050年緩慢過渡到凈零電力或到2040年減排90%，到2040年可能只部署了1.5至2.5TW的長時儲能的25%至40%。盡管在這種情況下，長時儲能系統的部署可能會被推遲而不是完全消除。
圖20不同成本敏感性下儲能系統的產能組合
未完待續(xù)
