中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：前言
《儲(chǔ)能技術(shù)的未來》是麻省理工學(xué)院能源計(jì)劃未來系列研究中的第九個(gè)研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在闡明涉及能源和環(huán)境的一系列復(fù)雜而重要的問題。前幾個(gè)研究項(xiàng)目主要集中在核電、太陽能、天然氣、地?zé)岷兔禾浚ㄌ疾东@和封存二氧化碳排放）等能源技術(shù)的重要作用以及美國電網(wǎng)系統(tǒng)等。這些研究項(xiàng)目的核心是了解這些特定技術(shù)在全球能源系統(tǒng)脫碳和滿足未來能源需求方面可以發(fā)揮的重要作用。通過為太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等可變的可再生能源提供補(bǔ)充，儲(chǔ)能系統(tǒng)將在實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)方面發(fā)揮重要作用，而這些資源是電力部門脫碳的核心。
該研究項(xiàng)目將為政府、行業(yè)和學(xué)術(shù)界提供借鑒和幫助，因?yàn)檫@些部門和機(jī)構(gòu)正在開發(fā)新興的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)，并考慮改變電力行業(yè)的規(guī)劃、監(jiān)督和監(jiān)管，從而顯著增加對可變可再生能源的部署和對儲(chǔ)能系統(tǒng)的依賴。該報(bào)告是對儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行三年多研究的成果——其中包括開發(fā)低成本的長時(shí)儲(chǔ)能的機(jī)會(huì)；并通過建模研究，以評估美國地區(qū)和新興市場和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體國家的未來深度脫碳；在可再生能源發(fā)電量在電網(wǎng)中繼續(xù)增長的情況下的儲(chǔ)能技術(shù)的類型和作用；以及儲(chǔ)能系統(tǒng)對電力系統(tǒng)規(guī)劃和監(jiān)管的影響。
這個(gè)研究項(xiàng)目是在研究機(jī)構(gòu)麻省理工學(xué)院能源倡議（MITEI）發(fā)起和進(jìn)行的，并獲得麻省理工學(xué)院研究人員為主的咨詢委員會(huì)的指導(dǎo)，其成員參加多場研討會(huì)；評論麻省理工學(xué)院的初步分析、調(diào)查結(jié)果和建議；并讓他們的專家回答問題，并為研究報(bào)告的內(nèi)容做出貢獻(xiàn)。
摘要
麻省理工學(xué)院發(fā)布的這項(xiàng)跨學(xué)科研究的報(bào)告，探討了儲(chǔ)能系統(tǒng)隨著電力系統(tǒng)的脫碳成為應(yīng)對氣候變化的核心而在未來發(fā)揮的重要作用，指出發(fā)電系統(tǒng)的深度脫碳以及多個(gè)行業(yè)電氣化對于限制氣候變化及其損害是必要的措施。報(bào)告指出，風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的成本大幅降低，并且正在全球范圍內(nèi)大規(guī)模部署，并且很可能在未來總發(fā)電量中占據(jù)很大份額。與傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)施不同，這些可變可再生能源(VRE)的電力輸出取決于天氣條件，而天氣有時(shí)會(huì)迅速發(fā)生變化，因此可再生能源發(fā)電的調(diào)度難以滿足電力需求的變化。儲(chǔ)能技術(shù)是這份研究報(bào)告的重點(diǎn)，它可以在平衡電力供需方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，并可以提供保持脫碳電力系統(tǒng)可靠和具有成本效益所需的其他服務(wù)。正如研究人員在這份報(bào)告中所討論的那樣，儲(chǔ)能系統(tǒng)包含一系列技術(shù)，這些技術(shù)在材料要求和在低碳電力系統(tǒng)中的價(jià)值方面存在差異。隨著電網(wǎng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)大規(guī)模部署，必須調(diào)整政策以避免對消費(fèi)者造成過度和不公平的成本負(fù)擔(dān)，需要鼓勵(lì)電氣化或經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)的脫碳，并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)勁增長，特別是在新興市場和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)國家。社會(huì)正義和公平必須包含在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。這個(gè)研究項(xiàng)目的時(shí)間跨度一直擴(kuò)展到2050年，與其能源計(jì)劃未來系列之前的研究一致，但也對可以在2030年更近的時(shí)間范圍內(nèi)大規(guī)模部署的能源技術(shù)感興趣。
儲(chǔ)能系統(tǒng)幫助電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)具有成本效益的脫碳目標(biāo)，在不犧牲電力系統(tǒng)可靠性的情況下，將更加依賴風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電。假設(shè)可變可再生能源(VRE)成本降低的有利趨勢一直持續(xù)下去，此項(xiàng)研究項(xiàng)目進(jìn)行的建模分析確定了電力系統(tǒng)脫碳成本效益的途徑——例如相對于美國在2005年的碳排放量的基礎(chǔ)上減少97%至99%的排放量，同時(shí)保持電網(wǎng)運(yùn)營可靠性。而電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高效的脫碳需要對多種儲(chǔ)能技術(shù)以及輸電、清潔發(fā)電和需求靈活性進(jìn)行大量投資。如果采用“負(fù)排放”技術(shù)（即從大氣中去除二氧化碳的技術(shù)），那么少量天然氣發(fā)電設(shè)施也將成為具有成本效益的凈零電力系統(tǒng)的一部分。
多種儲(chǔ)能技術(shù)的基本知識(shí)
目前有四種基本類型的儲(chǔ)能技術(shù)（電化學(xué)、化學(xué)、熱能和機(jī)械能）處在不同的技術(shù)發(fā)展水平。在可變可再生能源(VRE)發(fā)電量充足且批發(fā)供應(yīng)價(jià)格相對較低時(shí)，以及發(fā)電量不足批發(fā)價(jià)格相對較高時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)都可以發(fā)揮重要功作用電。儲(chǔ)能系統(tǒng)的這種靈活性為電力系統(tǒng)提供了一系列好處。
儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)?？梢酝ㄟ^其裝機(jī)容量（最大瞬時(shí)功率）來表征，以兆瓦(MW)為單位；其儲(chǔ)能容量以兆瓦時(shí)(MWh)為單位；以及往返效率（RTE）用于衡量充放電的效率。
儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量與裝機(jī)容量的比值就是持續(xù)時(shí)間，以小時(shí)為單位——這是儲(chǔ)能系統(tǒng)從充滿電開始提供最大功率的時(shí)間長度。目前大多數(shù)部署的電池儲(chǔ)能的持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)或更短；大多數(shù)現(xiàn)有抽水蓄能(PSH)設(shè)施的持續(xù)時(shí)間為8到12小時(shí)或更長時(shí)間。儲(chǔ)能技術(shù)的能量密度也有所不同（能量密度是單位體積可以存儲(chǔ)的最大能量）。具有高能量密度的電池技術(shù)特別適用于電動(dòng)汽車(EV)和移動(dòng)電子產(chǎn)品；盡管如此，能量密度較低的電池技術(shù)仍可用于電力系統(tǒng)應(yīng)用中的存儲(chǔ)，而在這些應(yīng)用中，空間的有效利用通常不太重要。儲(chǔ)能技術(shù)在其他屬性上也有所不同，包括特定儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模經(jīng)濟(jì)的程度（地理足跡和模塊化）以及其性能隨使用而下降的程度。
該報(bào)告中考慮的技術(shù)根據(jù)其電力和能源容量成本分為三大類（見圖1）。一般來說，儲(chǔ)能容量成本較低和裝機(jī)容量成本高（圖中藍(lán)色區(qū)域）的儲(chǔ)能技術(shù)最適合作為長時(shí)儲(chǔ)能（持續(xù)時(shí)間最多可達(dá)數(shù)天），這些儲(chǔ)能技術(shù)的充放電不太頻繁，例如熱儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、金屬空氣電池和抽水蓄能設(shè)施等。而棕色區(qū)域的儲(chǔ)能技術(shù)（其中包括鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)），更適合持續(xù)時(shí)間較短的儲(chǔ)能應(yīng)用（持續(xù)時(shí)間為幾個(gè)小時(shí)）和更頻繁的充放電。具有中等能力的儲(chǔ)能技術(shù)（包括液流電池）處于綠色區(qū)域。
圖1基于裝機(jī)容量和儲(chǔ)能容量成本不同的三種儲(chǔ)能技術(shù)
電力系統(tǒng)采用的儲(chǔ)能技術(shù)
這項(xiàng)研究從電化學(xué)、熱儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)以和機(jī)械儲(chǔ)能四個(gè)方面考察和研究儲(chǔ)能技術(shù)。但沒有對這些類別中的所有選項(xiàng)進(jìn)行編目，更不用說進(jìn)行評估。與其相反的是，研究人員重點(diǎn)放在每個(gè)類別中儲(chǔ)能技術(shù)的示例上，并試圖突出這些儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的問題。研究團(tuán)隊(duì)考慮的一些儲(chǔ)能技術(shù)都經(jīng)過驗(yàn)證，可用于商業(yè)部署，例如鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、抽水蓄能發(fā)電設(shè)施和一些熱儲(chǔ)能系統(tǒng)。而另一些儲(chǔ)能技術(shù)則需要進(jìn)一步的研究、開發(fā)和示范，直到本世紀(jì)30年代或20世紀(jì)40年代才有可能大規(guī)模上市或應(yīng)用。表1總結(jié)了對近期（到2030年）各種儲(chǔ)能技術(shù)和儲(chǔ)能支持技術(shù)及實(shí)踐可用性的評估。在這份研究報(bào)告中考慮的儲(chǔ)能技術(shù)都可能在2050年前實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營。
表1 選定儲(chǔ)能技術(shù)當(dāng)前創(chuàng)新狀況調(diào)查結(jié)果摘要
能源技術(shù)和其他與制造相關(guān)的技術(shù)的成功創(chuàng)新通常要經(jīng)過五個(gè)階段：創(chuàng)意、研發(fā)、中試、演示和測試、部署。表1展示了各種儲(chǔ)能技術(shù)的當(dāng)前階段。私營企業(yè)為儲(chǔ)能技術(shù)（特別是用于汽車的鋰離子電池）提供了大量風(fēng)險(xiǎn)投資。正如這個(gè)研究項(xiàng)目中所討論的那樣，電動(dòng)汽車電池的開發(fā)顯著地改善了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的采用。到目前為止，長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)還沒有得到其他市場驅(qū)動(dòng)因素的類似幫助。當(dāng)可變可再生能源（VRE）滲透率較低時(shí)，長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)（持續(xù)時(shí)間大于12小時(shí)）的應(yīng)用價(jià)值較低，但隨著脫碳要求變得更加嚴(yán)格和對可變可再生能源（VRE）發(fā)電的依賴增加時(shí)，長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)顯然變得更有價(jià)值。如果電網(wǎng)運(yùn)營商在淘汰天然氣燃料發(fā)電設(shè)施（有或沒有碳捕獲和儲(chǔ)存）的情況下尤其如此。長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)在高度脫碳的電力系統(tǒng)中所能提供的價(jià)值表明，政府部門應(yīng)根據(jù)不同技術(shù)所達(dá)到的創(chuàng)新階段，并加大對各種長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的支持力度。
當(dāng)前的政策重點(diǎn)是相對短期的脫碳目標(biāo)，這促使公眾和私人都關(guān)注涉及相對成熟技術(shù)的下游技術(shù)示范和部署。美國能源部（DOE）可以在這一領(lǐng)域發(fā)揮有益的作用，但其參與應(yīng)該反映出從過去的演示和部署工作中吸取的兩個(gè)重要教訓(xùn)。首先，美國政府應(yīng)允許更多的行業(yè)聯(lián)合技術(shù)示范項(xiàng)目，不受《聯(lián)邦收購條例》和其他限制技術(shù)開發(fā)和示范的商業(yè)條款的限制。對技術(shù)示范和早期部署活動(dòng)進(jìn)行公共投資的目的是傳播知識(shí)，這與要求分?jǐn)偝杀疽該Q取知識(shí)產(chǎn)權(quán)等政策不符。
其次，加速任何商業(yè)技術(shù)部署的努力應(yīng)該依賴于獎(jiǎng)勵(lì)成功但不干預(yù)項(xiàng)目管理的激勵(lì)和機(jī)制。美國政府提出了一系列儲(chǔ)能技術(shù)的稅收抵免政策，此外還有輸電和各種清潔發(fā)電技術(shù)的稅收抵免政策，其中包括風(fēng)電設(shè)施和太陽能發(fā)電設(shè)施。發(fā)電技術(shù)可以將基于績效的付款（如生產(chǎn)稅減免）與發(fā)電指標(biāo)直接掛鉤，對儲(chǔ)能系統(tǒng)等非發(fā)電能源技術(shù)的基于性能的支持必須基于預(yù)設(shè)的開發(fā)和運(yùn)行測試措施。
電化學(xué)儲(chǔ)能
電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)包括這個(gè)研究項(xiàng)目中討論的現(xiàn)有電池以及新電池，通常比機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)和熱儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更高的能量密度，但比化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更低的能量密度。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電往返效率范圍廣泛，從鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的95%到金屬空氣化學(xué)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的40%。而緊湊的占地面積以及獨(dú)立于水文和地質(zhì)資源的特點(diǎn)，使電池成為一種用途廣泛、高度可擴(kuò)展的儲(chǔ)能技術(shù)，其尺寸可以適用于從發(fā)電廠到住宅的各種儲(chǔ)能應(yīng)用。因此該研究報(bào)告得出了幾個(gè)關(guān)鍵結(jié)論。
鋰離子電池具有高能量密度、高功率密度和高往返效率，有助于其在電動(dòng)汽車中幾乎無處不在的使用，并在短時(shí)儲(chǔ)能（通常持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)或更短）應(yīng)用場景中廣泛使用。鋰離子電池在快速增長的電動(dòng)汽車市場中的主導(dǎo)作用吸引了私營部門的大量投資，并支持美國電池制造能力的快速擴(kuò)張。目前用于電池制造的關(guān)鍵材料價(jià)格和可用性導(dǎo)致鋰離子電池成本較高，可能會(huì)限制在未來的部署，從而激發(fā)開發(fā)商轉(zhuǎn)向采用更豐富元素的化學(xué)物質(zhì)。鋰離子電池正在大力尋求的其他進(jìn)步也將支持成本和性能的改進(jìn)。鑒于這些趨勢，鋰離子電池將繼續(xù)成為電動(dòng)汽車和短期儲(chǔ)能系統(tǒng)的領(lǐng)先技術(shù)，但其在儲(chǔ)能容量方面，其成本不太可能降到其他成本低廉的長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)（>12小時(shí)）的程度。
為了讓長時(shí)儲(chǔ)能的應(yīng)用更加經(jīng)濟(jì)，美國能源部應(yīng)該支持研究、開發(fā)和示范，以推進(jìn)依賴豐富材料替代的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本、壽命和制造規(guī)模要求有利于探索新型電化學(xué)技術(shù)，例如氧化還原液流電池和金屬空氣電池，這些電池使用廉價(jià)的材料和更適合長時(shí)儲(chǔ)能的電池設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。雖然幾種新型電化學(xué)技術(shù)已經(jīng)顯示出良好的發(fā)展前景，但在關(guān)鍵科學(xué)、工程和制造挑戰(zhàn)方面仍存在知識(shí)差距，這表明政府部門協(xié)調(diào)支持具有很高的價(jià)值。其他國家（尤其是中國）正在積極尋求這些技術(shù)的創(chuàng)新。
熱儲(chǔ)能
熱儲(chǔ)能 (TES)具有適合長期存儲(chǔ)能量的屬性，包括在低成本材料中有效存儲(chǔ)熱量的能力。這份研究報(bào)告討論了幾種通用的熱儲(chǔ)能 (TES)策略，這些策略反映了不同程度的技術(shù)水平。
一種可能的熱儲(chǔ)能 (TES)方法側(cè)重于通過在現(xiàn)有發(fā)電廠重新使用蒸汽輪機(jī)并增加儲(chǔ)熱和蒸汽發(fā)生器來代替現(xiàn)有的采用化石能源的燃料鍋爐，從而降低將熱能轉(zhuǎn)化為電能的成本，這是熱儲(chǔ)能 (TES)系統(tǒng)主要的成本組成部分。這種改造現(xiàn)在可以使用經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)來完成，它可能對工廠和當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)很有吸引力，因?yàn)樗梢宰鳛橐环N使用資產(chǎn)的方式，否則這些資產(chǎn)會(huì)隨著電力系統(tǒng)的脫碳而被廢棄。
化學(xué)儲(chǔ)能
氫氣被廣泛認(rèn)為是一種領(lǐng)先的化學(xué)儲(chǔ)能介質(zhì)，因?yàn)樗梢栽诤唵蔚牟襟E中直接從電力中生產(chǎn)出來，并作為發(fā)電燃料或其他工業(yè)過程的原料或熱源使用。因此該研究項(xiàng)目在化學(xué)儲(chǔ)能部分重點(diǎn)介紹氫氣。
氫氣作為電力部門的一種儲(chǔ)能形式，其作用可能取決于氫氣在整體經(jīng)濟(jì)中的使用程度和在未來的生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存的成本，以及氫氣用途的創(chuàng)新速度。氫氣目前作為許多工業(yè)過程的原料生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售。如今，主要的制氫技術(shù)依賴化石燃料生產(chǎn)，并會(huì)產(chǎn)生碳排放。而利用低碳電力通過電解水生產(chǎn)低碳?xì)錃獾哪芰Γ梢灾С止I(yè)和運(yùn)輸?shù)茸罱K用途部門以及電力部門的脫碳。圖2展示了在可再生能源發(fā)電量較低的時(shí)期，通過電解產(chǎn)生的氫氣如何作為工業(yè)和發(fā)電的低碳燃料。將電解槽用作電力系統(tǒng)的可調(diào)度負(fù)荷，還可以通過提高可再生能源資源的容量利用率來降低電力系統(tǒng)脫碳成本。
圖2 氫氣在電力行業(yè)的耦合示意圖
研究團(tuán)隊(duì)致力支持美國能源部為制定解決氫氣生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存問題的國家戰(zhàn)略所做的努力。特別是，現(xiàn)有的天然氣輸送管道是否能夠在不受影響的情況下輸送氫氣，無論是在減壓下，還是在氫氣與天然氣或其他化合物混合的情況下，安全性仍然是一個(gè)懸而未決的問題，需要美國能源部和美國交通部開展政府支持的研究。朝著這個(gè)方向邁出的重要一步是最近的立法呼吁美國至少建立四個(gè)氫氣生產(chǎn)樞紐。
機(jī)械儲(chǔ)能
電能可以轉(zhuǎn)化為重力勢能、動(dòng)能等多種形式的機(jī)械能；電能也可用于壓縮氣體（例如空氣）。其中一些形式的機(jī)械能適用于大規(guī)模和長時(shí)間的儲(chǔ)能。作為一個(gè)類別，機(jī)械儲(chǔ)能包括多種技術(shù)。然而，所有這些技術(shù)的一個(gè)共同特點(diǎn)是它們的能量密度遠(yuǎn)低于化學(xué)儲(chǔ)能或電化學(xué)儲(chǔ)以技術(shù)的能量密度。因此，機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)往往占地面積大，并且對地理位置和條件的要求較高，因此它們不太適合在小型設(shè)施中使用。
抽水蓄能設(shè)施(PSH)將能量存儲(chǔ)在上游水庫的中。抽水蓄能設(shè)施(PSH)是一種廣泛部署的成熟儲(chǔ)能技術(shù)，占全球各地和美國目前存在的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能容量的90%以上。然而，自從上世紀(jì)90年代以來，抽水蓄能發(fā)電設(shè)施(PSH)的部署在美國和其他國家顯著放緩。除了其他因素之外，這一趨勢反映了由于更多地使用靈活的天然氣發(fā)電而導(dǎo)致日內(nèi)能源套利價(jià)值降低。此外，抽水蓄能設(shè)施(PSH)項(xiàng)目的初始投資成本高，規(guī)模和選址要求不靈活；從歷史上看，這些項(xiàng)目也經(jīng)歷了漫長的建設(shè)周期和重大的成本超支。
雖然不是嚴(yán)格意義上的電能存儲(chǔ)技術(shù)，但現(xiàn)有的傳統(tǒng)水電設(shè)施可以在平衡嚴(yán)重依賴可再生能源的電力系統(tǒng)供需方面發(fā)揮更大的作用。在具有巨大潛力發(fā)揮這一作用的地方，電力系統(tǒng)規(guī)劃者應(yīng)該考慮增加水庫用于平衡電力系統(tǒng)的水量。
先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)系統(tǒng)將壓縮空氣儲(chǔ)存在地下洞室或地上儲(chǔ)罐中；一些先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)系統(tǒng)還可以存儲(chǔ)壓縮空氣時(shí)產(chǎn)生的熱量。這項(xiàng)技術(shù)已被廣泛討論為潛在的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，但它面臨大規(guī)模部署的重大障礙。盡管先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)的成本估算存在多種不確定性，但該技術(shù)的成本通常高于未來可用儲(chǔ)能技術(shù)的成本。
將儲(chǔ)能系統(tǒng)與正在退役的現(xiàn)有電廠共址部署，可以通過共享使用現(xiàn)有電網(wǎng)互連設(shè)施以及在某些情況下其他電廠設(shè)施來降低儲(chǔ)能成本。使用現(xiàn)有的互連設(shè)施將節(jié)省時(shí)間和成本。此外，如上所述，現(xiàn)有化石燃料渦輪機(jī)可以在熱儲(chǔ)能系統(tǒng)中重復(fù)使用，該系統(tǒng)使用零排放熱量或燃料為現(xiàn)有渦輪機(jī)提供動(dòng)力。美國能源部應(yīng)該調(diào)查熱儲(chǔ)能技術(shù)的成本和系統(tǒng)影響，以及其他有望重用現(xiàn)有資產(chǎn)的方案，以及鄰近社區(qū)對此類重用策略的社會(huì)接受度，并應(yīng)在適當(dāng)?shù)那闆r下贊助示范項(xiàng)目。
具有儲(chǔ)能功能的高效可再生能源電力系統(tǒng)：建模結(jié)果、對治理和政策的影響
本節(jié)探討了儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)達(dá)國家和新興市場發(fā)展中經(jīng)濟(jì)國家背景下的潛在作用。美國和印度三個(gè)不同地區(qū)的結(jié)果分別說明了這兩個(gè)國家的儲(chǔ)能部署情況。
（1）發(fā)達(dá)國家的建模結(jié)果：美國三個(gè)地區(qū)
研究團(tuán)隊(duì)對美國電力部門的建模集中在三個(gè)地區(qū)：東北部地區(qū)（紐約州和新英格蘭地區(qū)）、東南部地區(qū)以及德克薩斯州在2050年最新部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)。這些地區(qū)在電力需求概況、風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電資源以及水電和現(xiàn)有核電資源的可用性方面存在顯著差異。這些差異會(huì)影響在沒有碳排放限制的情況下成本最低的發(fā)電組合以及實(shí)現(xiàn)不同程度脫碳的成本。圖3顯示了2050年每個(gè)地區(qū)在兩種政策情景下的年發(fā)電量、可交付能源容量和電力系統(tǒng)電力成本的模擬預(yù)測：無碳限制和排放限制在5克碳排放量/kWh。如果2050年的電力需求與2018年的水平相同，那么將美國電力部門的平均碳強(qiáng)度降低到5克碳排放量/kWh，將使2050年的碳排放量與2005年相比降低99.2%。另一方面，如果2050年用電量增長的需求大于2018年，正如該項(xiàng)研究用于模擬儲(chǔ)能系統(tǒng)影響的電力需求情景中所預(yù)測的那樣。美國各行業(yè)的平均碳排放量與2005年相比，電力部門排放量減少了98.7%。圖3說明結(jié)果來自僅假設(shè)鋰離子電池和抽水蓄能的情景可用，研究團(tuán)隊(duì)對美國地區(qū)的建模評估了廣泛的其他儲(chǔ)能技術(shù)。
圖3 相對于電力需求的年發(fā)電量
儲(chǔ)能技術(shù)能夠替代或補(bǔ)充電力系統(tǒng)的所有其他要素（包括發(fā)電、輸電和需求響應(yīng)），再加上氣候變化對電力需求和供應(yīng)的不確定性影響，意味著需要采用更復(fù)雜的分析工具。需要規(guī)劃、操作和規(guī)范未來的電力系統(tǒng)，并確保電力系統(tǒng)的可靠性和效率。重要的關(guān)注領(lǐng)域包括電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和調(diào)度（包括在系統(tǒng)調(diào)度和批發(fā)市場中實(shí)現(xiàn)分布式存儲(chǔ)和發(fā)電資產(chǎn)的參與和補(bǔ)償）、資源充足性和零售率設(shè)計(jì)。新分析工具的開發(fā)必須伴隨著對監(jiān)管機(jī)構(gòu)補(bǔ)充人員配備和技能提升計(jì)劃的額外支持。這項(xiàng)工作應(yīng)由美國能源部與獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商和區(qū)域輸電組織(ISO/RTO)合作開展。
在深度脫碳的電力系統(tǒng)中，每小時(shí)批發(fā)價(jià)格或能源邊際價(jià)值的分布將會(huì)發(fā)生變化，與目前的批發(fā)市場相比，電力的零價(jià)格或極低價(jià)格的時(shí)間要多得多，高價(jià)格的時(shí)間也要多得多。
這是因?yàn)椋c目前主要依賴火力發(fā)電設(shè)施的電力系統(tǒng)相比，以可再生能源為主的部署儲(chǔ)能系統(tǒng)的電力系統(tǒng)將具有相對較高的固定投資成本和相對較低的邊際運(yùn)營成本。圖4比較了德克薩斯州電力可靠性委員會(huì)(ERCOT)的電力系統(tǒng)中2018年和2019年的每小時(shí)批發(fā)電價(jià)格分布，該電力系統(tǒng)幾乎覆蓋了德克薩斯州的所有地區(qū)，以及2050年的情景。圖中的條形代表無限制和受碳限制的德克薩斯建模案例的價(jià)格分布。增加對可再生能源發(fā)電設(shè)施的依賴，邊際成本為零。隨著碳限制變得更加嚴(yán)格（即允許的排放量逐漸降低），這種影響會(huì)增加。在價(jià)格最高的時(shí)段，如柱形頂部和圖中的分解部分所示，模擬價(jià)格明顯高于當(dāng)前德克薩斯州電力可靠性委員會(huì)(ERCOT)市場的價(jià)格。
圖4 德克薩斯州每小時(shí)能源邊際批發(fā)價(jià)格
相對較高的資本成本和價(jià)格非常低的更長時(shí)間相結(jié)合，將為可再生能源的發(fā)電和存儲(chǔ)帶來融資挑戰(zhàn)，特別是因?yàn)楸O(jiān)管機(jī)構(gòu)可能會(huì)繼續(xù)限制（就像他們目前所做的那樣）極高的價(jià)格，否則這些價(jià)格可能會(huì)支持成本回收。批發(fā)電價(jià)的未來模式和通過脫碳電力電氣化使其他行業(yè)脫碳的目標(biāo)，也強(qiáng)化了采用零售定價(jià)和零售負(fù)荷管理選項(xiàng)的好處。
允許在具有更好的位置增加可再生能源的部署，并通過平衡連接區(qū)域之間的資源間歇性和減少可再生能源供需地理差異的影響來改善可再生能源集成，這對于具有成本效益的脫碳也很重要。目前，具有成本效益的輸電項(xiàng)目將具有豐富可再生能源的地區(qū)的電力帶到主要負(fù)荷中心的可能性將面臨延長的延誤或取消，這表明需要進(jìn)行法律和監(jiān)管變革以減少輸電擴(kuò)展的障礙。輸電容量的不足可能會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)在未來發(fā)揮更大的作用以及電力系統(tǒng)在未來更高的成本。
（2）新興市場、發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體國家的建模結(jié)果：印度
研究表明，依賴燃煤發(fā)電的新興市場和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體無法獲得豐富的低成本天然氣基礎(chǔ)設(shè)施，例如印度代表了儲(chǔ)能技術(shù)電力系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)非常龐大且重要的未來市場。該項(xiàng)研究的建模表明，儲(chǔ)能系統(tǒng)將主要部署在輸電層面，在城市配電網(wǎng)絡(luò)中還有重要的附加應(yīng)用。整體經(jīng)濟(jì)增長（尤其是空調(diào)在印度的迅速普及）將成為儲(chǔ)能部署的主要驅(qū)動(dòng)力。假設(shè)技術(shù)成本持續(xù)下降，發(fā)現(xiàn)從成本的角度來看，印度的可再生能源發(fā)電設(shè)施在中長期內(nèi)與燃煤發(fā)電廠競爭具有優(yōu)勢，但現(xiàn)有燃煤發(fā)電廠仍然缺乏碳定價(jià)，如圖5左側(cè)所示。圖5右側(cè)顯示了假設(shè)印度可以使用低成本儲(chǔ)能系統(tǒng)和可再生能源發(fā)電技術(shù)的場景的建模結(jié)果。這些結(jié)果表明，與基線預(yù)測相比，印度電力系統(tǒng)的系統(tǒng)成本和模擬二氧化碳排放量均顯著降低（見左圖）。無論碳排放是否有上限或稅收，電力系統(tǒng)成本和二氧化碳排放都會(huì)降低。這一結(jié)果突出了降低儲(chǔ)能成本的全球環(huán)境效益。
圖5 鋰離子電池儲(chǔ)能成本預(yù)測對印度大容量電力系統(tǒng)演進(jìn)的影響
其他研究主題
除了該研究中討論主題之外，還有幾個(gè)與儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)的主題值得關(guān)注。其中包括：（1）制造和供應(yīng)鏈趨勢，對儲(chǔ)能技術(shù)的可用性和成本以及美國競爭力的影響；(2)經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)脫碳的經(jīng)濟(jì)和監(jiān)管政策框架的穩(wěn)定性與實(shí)現(xiàn)凈零碳電力部門所需的時(shí)間之間的關(guān)系；(3)建立對報(bào)廢電池回收和再利用的期望；(4)環(huán)境鑒定，特定儲(chǔ)能系統(tǒng)的健康和安全方面；(5)負(fù)載靈活性和需求響應(yīng)的實(shí)際可用范圍，以減少儲(chǔ)能需求和相關(guān)成本。 （未經(jīng)許可，嚴(yán)禁轉(zhuǎn)載，未完待續(xù)）
