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长时储能商业起飞之路
在 2023-11-03 发布

美国能源部于今年3月发布了题为《长时储能商业起飞之路》的报告,旨在加速下一代长时储能技术的开发和商业化部署。中关村储能产业联盟长期跟踪长时储能技术的技术进展和市场需求,同时也注意到国内对于长时储能愈发重视,因此将该报告的要点进行总结和归纳,供产业同仁参考。

一、美国发展长时储能的背景

为了应对新的环境问题和社会可持续发展的挑战,并实现美国2050年净零排放和2035年100%零碳电力的目标,电力部门需要迅速转型。

目前,美国电力领域的碳排放量占全国总排放量的三分之一。成功脱碳需要将化石燃料发电资产转向零碳能源,如可再生能源(风能、太阳能)和核能。电力部门需要一方面过渡到新的零碳电力供应结构,另一方面需要迅速扩大电力生产规模,以满足下游电气化带来的新的用电需求。由于间歇性、波动性的可再生能源无法像化石燃料发电机组那样可控并满足高峰用电需求,电网将需要一种新的方式来提供灵活性和可靠性,如长时储能(LDES)。长时储能将是在未来脱碳电力系统中提供这种灵活性和可靠性的关键技术。长时储能包括一系列不同的技术,这些技术的共同目标是长时间储存能量以供未来调度。不同的技术储存和释放能量的形式以及调度的持续时间存在很大不同。


二、长时储能技术与市场现状


报告指出储能技术根据电力环境中的调度持续时间划分成短时储能、日间LDES、多日/周LDES和季节性储能。LDES技术有效填补了日间(10-36小时)和多日/周(36-160小时以上)的两类应用场景。报告重点对日间LDES(10-36小时)和多日/周LDES(36-160小时以上)两个细分领域进行了分析。


(一)长时储能技术现状

本报告对12种LDES技术进行了评估。这些技术类型是根据其持续时间(日间LDES和多天/周LDES)和能量存储形式(机械、热或电化学)进行划分的。(锂离子不作为本分析的一部分,因此将其排除在电化学长时储能范围之外)。


表1:LDES技术现状

备注:数字越大技术成熟度越高


•LDES技术根据物理特性分为三大类:机械长时储能、长时储热和电化学长时储能。截至2022年底,这些技术的成熟度取决于在实验室之外部署的技术就绪度。

•日间LDES主要以机械类储能技术为主。机械类技术是最成熟的,有些已经处于商业示范阶段,但示范规模门槛规模要求相对较高,大约50-100MW,成本约1亿美元以上。

•多日/周LDES主要以储热和电化学储能技术为主。其中储热技术正在进入商业示范阶段,也需要建设大型示范项目。电化学技术还处于“实验室”或试验阶段(规模<10MW),可以在较小的分散式的项目中进行部署和测试,也可与许多技术结合使用。与其他技术相比,这可能会有更快的迭代和创新。


(二)长时储能市场现状

在市场应用方面,长时储能系统具备三个主要优势:


1.LDES技术通过赋予电网更高的可靠性和灵活性来支持间歇性可再生能源进行大规模并网与消纳。

虽然可再生能源是发电边际成本最低的能源形式之一,但其间歇性意味着电网需要一种可调度的能源形式来平衡供需,同时还要满足电力高峰需求。此外,新的间歇性可再生能源发电站并网,可能需要电网升级或扩容。电网升级是一项资本密集的工作,需要长时间的准备和流程,且经常因不满足许可要求而被推迟。因此,如何满足可再生能源大规模并网和消纳所带来的电网升级和扩容需求是实现中长期净零排放目标的关键挑战之一。LDES因其部署灵活,对地理条件要求不高,可降低电网扩容的成本。另外,随着交通和建筑负荷电气化程度正趋高,与传统负荷增长相比,这些负荷可能更难预测,而储能规划与部署的灵活性将因能够应对这种难以预测的负荷变化,而变得更有价值。


2.LDES可以增强电网弹性,减少对天然气发电机组新增容量的需求。

目前,大多数可靠性和电网弹性服务都是由抽水蓄能和化石燃料发电机组提供的。未来,无论是否采用碳捕获存储技术(CCS),天然气调峰机组都可以继续提供调节服务,但LDES技术具有更高的利用率和适应性,以适应不断变化的电网需求。公用事业公司在考虑脱碳的同时,又要部署天然气机组以满足峰值负荷,其可以部署LDES来完成脱碳目标,同时部署LDES不会有系统成为搁浅资产的风险。图1显示,在“2050年净零”情景下,大多数燃气机组是现有存量资产,在没有LDES的情况下,需要构建新燃气机组系统。根据燃气机组退役水平,在净零情景下,多日/周LDES技术(即持续时间36-160小时)可能会取代超过200GW新增燃气调峰机组容量。

图1:在2050年净零情景下,多日/周LDES容量预测

图2:2050年实现BAU和Net Zero脱碳目标下的LDES预测


3.净零场景下,长时储能需求量大

本文考虑了两类路径,分别是“一切照常”(BAU)和“净零”(Net Zero) 。“一切照常”(BAU)情景代表了当前的轨迹,包括2022年《通货膨胀减少法案》(IRA)的影响,但没有额外的商业化干预。“净零”(Net Zero)情景代表了在间歇性可再生能源和输电能力的不同限制下,到2050年实现净零排放。

通过综合建模显示,到2050年,尤其是2030年至2040年之间在“一切照常”(BAU)和“净零”(Net Zero)两种途径中,当电网达到高比例可再生能源渗透率时,预计部署的储能容量将迅速增加(图2)。

根据图2显示,到2050年,在间歇性可再生能源高渗透率情景下,可能部署60-460GW的LDES,以实现到2050年BAU路径和Net Zero路径下的脱碳目标(BAU代表一切照常)。

到2050年,LDES的部署规模非常大。在BAU方案中,仅部署了60MW的多日LDES;然而,在净零情景中,可能会部署225~460GW的LDES。这一部署水平与美国的长期战略是一致的,即,要满足美国的气候目标,储能(包括LDES)需要大幅增长。

未来的市场规模预测表明,尽管有长期的市场基本面,但本地化政策和市场支持对于确保一些公司和技术扩大规模并创造一个可行和可持续的市场是非常重要的。


4.LDES可以使美国国内储能供应链多样化。

开发一系列LDES技术可能需要各种新的产业供应链要素,许多LDES技术(例如,机械储能技术)几乎不依赖于难以获得的原材料。


(三)竞争格局

报告指出,锂离子电池可能会与LDES技术竞争日内市场。如果锂离子电池的成本降低大大超过预期,大约85%的日内LDES市场将与锂离子电池竞争。

如果锂离子电池变得非常具有成本竞争力,LDES技术将在持续时间(10小时左右)内直接与锂离子电池竞争;如果锂离子电池的成本进一步大幅降低,大约85%的日间LDES市场将使用锂离子电池。LDES技术需要比锂离子电池具有更高的风险回报率,才能在这部分市场中获得市场份额。因此,与锂离子电池相比,LDES系统的建设和并网数量对其价格以及能源市场的补偿规则设计高度敏感。

图3详细描述了已部署LDES项目的数量、类型与锂离子电池成本降低之间的关系。LDES技术的部署取决于它们能否在成本和性能上超越锂离子电池,如果锂离子成本下降幅度不大,则会降低日间LDES系统的平均时长,因为将有超过10小时的LDES系统上线。然而,如果锂离子电池成本大幅降低,锂离子电池将取代10小时的LDES系统,而具有成本优势的LDES系统将持续更长时间(20小时以上)。

图3:LDES部署与锂离子电池成本较低之间的关系


考虑到锂离子电池和LDES技术的成本轨迹以及补偿机制的不确定性,报告考虑了两种锂离子电池部署方案:


场景1:锂离子成本和性能适度改善

在场景1中,锂离子电池的成本和性能将以适度的速度分别降低和提升(即,到2030年,成本将降低54%,到2050年,相对于2021年的价格,总成本将降低65%),LDES技术将继续与锂离子电池在日间应用场景中直接竞争。因此,到2050年,将部署约274GW的日间LDES,而锂离子仅有40GW。这些日间LDES系统的平均持续时间仍然相对较低(约13小时),反映了该技术在一些短时工况下胜过锂离子电池的能力。此外,多日/周LDES的部署率低于日间LDES(即186GW和274GW)。为了在日间市场上具有竞争力,LDES技术必须持续实现一定的充放电速率(60%以上,尽管75-80%是理想范围)和较长的系统寿命(至少20-25年)。


场景2:锂离子电池成本和性能分别大幅下降和提升

在场景2中,锂离子电池的成本和性能都得到了大幅改善,与情况1相比,电池等能量相关部件的成本进一步降低了50%。这些改进使锂离子技术在许多日间应用场景中胜过LDES技术。因此,与317GW的锂离子相比,部署了35GW的日间LDES。部署的日间LDES的平均持续时间约为35小时,这反映了锂离子电池在较短的持续时间内是一种更具成本效益的解决方案。多日/周LDES解决方案在更长的持续时间内仍然是最有效的选择,预计部署约197GW。预测表明,在所有情况下,即使其他技术的成本和技术性能改进速度比LDES更快,也需要能够持续放电30小时以上的LDES解决方案。为了达到部署目标,这些持续时间较长的技术必须在2035年之前达到足够的技术准备水平(TRL)、技术性能和成本成熟度。

除了与锂离子电池竞争外,LDES市场还存在着采用何种技术的竞争问题。报告认为有六个技术指标将影响哪些技术被部署:(1)额定放电时间:在其最大额定功率下放电时长。(2)充放电速率:在规定时间内充放的电流值。(3)响应时间:从0到额定功率放电所需的时间。(4)长时储能平准化成本:以每兆瓦时美元计算。(5)最小建设规模:技术上可行的最小规模。(6)占地面积:项目建设所需用地。

图4针对这六个竞争因素分析了主要的LDES应用场景。关键性能标准因LDES应用场景而异。

图4:LDES在不同用例中所需关键性能标准


日间和多日/周LDES主要应用在以下领域:

1、用电负荷管理。用电大户(工业,数据中心等)可以利用LDES对用能进行管理。

2、电力购买协议(Power Purchase Agreement,PPA)。PPA买家可以用LDES购买24小时全天候零碳电力。

3、微网韧性。LDES能保障孤岛或离网地区的用电安全。

4、电力资源规划。电力公司可以将LDES作为电力资源来进行电力平衡的长期规划。

5、推迟输配电网建设。作为输配电网的替代方案,LDES在保证用电需求的同时,降低成本。

6、参加电力市场。LDES可以削峰填谷,可以提供辅助服务(调频,黑启动等)

从应用场景上讲,LDES在用电负荷管理,电力购买协议,微网韧性和电力资源规划等应用场景与锂电有较强的竞争关系,而在推迟输配电网建设和参加电力市场方面的竞争关系相对较弱。

图5:LDES竞争力分析


三、实现长时储能商业化应用的途径


预计在2030年之前,LDES领域至少需要90-120亿美元的投资来支持研发、商业部署和供应链扩展。而从2021年到2050年,实现最雄心勃勃的脱碳目标可能需要累计投资约2320-3360亿美元(图6)。

图6:脱碳目标下的LDES投资预测


为了使LDES能够支撑2050年实现净零排放承诺的目标,2030年LDES的发展必须同时满足三个条件(图7):

  1. 技术性能和成本降低:LDES系统的成本必须降低45-55%,系统循环效率提高7-15%;

  2. 政策支持:对LDES提供的资源充裕度进行充分性补偿,到2030年大约相当于每千瓦50-75美元,以支持投资的商业项目。

  3. 建立LDES专用产品供应链: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,因此需要构建长时储能产业链和专用产品供应链。

    图7:2030-2035年的商业起飞所需条件

    备注:图中PUC代表公共事业委员会,RA代表资源充足。起飞点被定义为LDES行业成为一个很大程度上自我维持的市场;在锂离子电池竞争的情况下,仍然需要多日/周的LDES技术,而积极的锂离子电池将减少供应链建设的需求。


    在美国由于不同的电网条件、政策和市场结构,LDES部署的就绪程度各不相同。报告指出:有两个因素可以用来评估市场LDES的就绪程度:电网条件、政策和市场结构。一是电网条件。衡量LDES在特定状态下的可获得性和相对可行性,以及整体发电组合。影响因素包括间歇性可再生能源的渗透率百分比、输配电投资缺口、SAIDI/SAIFI得分衡量的电网弹性以及互联的难易程度。二是政策和市场结构。衡量地方政策和收入结构对在该州部署具有有利风险调整回报预期的LDES的有利程度。影响因素包括可再生能源投资组合标准(RPSs)、是否有容量支付以及支付的水平等。通过评估,可以得出加利福尼亚、德克萨斯、纽约、缅因州、爱荷华州和康涅狄格州在近期内具有很高的潜力(图8)。


图8:LDES部署准备情况因州而异


四、推动长时储能规模化商业化应用的建议


报告最后建议可以制定如下五类干预措施来改善LDES的部署:

1.长期市场与政策信息。信息有利于解决利益相关者的不确定性,对投资者尤其有价值。这些信息包括税收抵免、碳定价、温室气体减排目标,以及支持可再生能源或解决人口密集地区瓶颈问题的输电基础设施扩容。

2.提高投资者对部署LDES信心的收益机制。收益机制包括引入容量市场或其他支持长期企业可调度电力部署的市场产品、长期双边合同以及针对企业排放目标的24/7虚拟购电协议。

3.分析有助于提高透明度,减少利益相关者之间的不确定性,从而实现长期规划。

4.直接的技术支持和扶持措施。包括直接赠款、技术转让奖励和贷款担保等扶持措施将促进LDES市场的发展。

5.利益相关者的支持。利益相关者可以通过增加特定州用于可再生能源或储能的人数和资金来确保了LDES的长期可行性。

长时储能是稳定电力系统不可或缺的一环,业内对长时储能技术路线格外关注。我国长时储能发展现状如何?未来我国长时储能该走向何处?


文 | 中关村储能产业技术联盟

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