長時儲能商業起飛之路

　　美國能源部于今年3月發布了題為《長時儲能商業起飛之路》的報告，旨在加速下一代長時儲能技術的開發和商業化部署。中關村儲能產業聯盟長期跟蹤長時儲能技術的技術進展和市場需求，同時也注意到國內對于長時儲能愈發重視，因此將該報告的要點進行總結和歸納，供產業同仁參考。

　　一、美國發展長時儲能的背景

　　為了應對新的環境問題和社會可持續發展的挑戰，并實現美國2050年凈零排放和2035年100%零碳電力的目標，電力部門需要迅速轉型。

　　目前，美國電力領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電資產轉向零碳能源，如可再生能源(風能、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結構，另一方面需要迅速擴大電力生產規模，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電機組那樣可控并滿足高峰用電需求，電網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中提供這種靈活性和可靠性的關鍵技術。長時儲能包括一系列不同的技術，這些技術的共同目標是長時間儲存能量以供未來調度。不同的技術儲存和釋放能量的形式以及調度的持續時間存在很大不同。

　　二、長時儲能技術與市場現狀

　　報告指出儲能技術根據電力環境中的調度持續時間劃分成短時儲能、日間LDES、多日/周LDES和季節性儲能。LDES技術有效填補了日間(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)兩個細分領域進行了分析。

　　(一)長時儲能技術現狀

　　本報告對12種LDES技術進行了評估。這些技術類型是根據其持續時間(日間LDES和多天/周LDES)和能量存儲形式(機械、熱或電化學)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長時儲能范圍之外)。

　　表1：LDES技術現狀

　　備注：數字越大技術成熟度越高

　　•LDES技術根據物理特性分為三大類：機械長時儲能、長時儲熱和電化學長時儲能。截至2022年底，這些技術的成熟度取決于在實驗室之外部署的技術就緒度。

　　•日間LDES主要以機械類儲能技術為主。機械類技術是最成熟的，有些已經處于商業示范階段，但示范規模門檻規模要求相對較高，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儲能技術為主。其中儲熱技術正在進入商業示范階段，也需要建設大型示范項目。電化學技術還處于“實驗室”或試驗階段(規模<10MW)，可以在較小的分散式的項目中進行部署和測試，也可與許多技術結合使用。與其他技術相比，這可能會有更快的迭代和創新。

　　(二)長時儲能市場現狀

　　在市場應用方面，長時儲能系統具備三個主要優勢:

　　1.LDES技術通過賦予電網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模并網與消納。

　　雖然可再生能源是發電邊際成本最低的能源形式之一，但其間歇性意味著電網需要一種可調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電站并網，可能需要電網升級或擴容。電網升級是一項資本密集的工作，需要長時間的準備和流程，且經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模并網和消納所帶來的電網升級和擴容需求是實現中長期凈零排放目標的關鍵挑戰之一。LDES因其部署靈活，對地理條件要求不高，可降低電網擴容的成本。另外，隨著交通和建筑負荷電氣化程度正趨高，與傳統負荷增長相比，這些負荷可能更難預測，而儲能規劃與部署的靈活性將因能夠應對這種難以預測的負荷變化，而變得更有價值。

　　2.LDES可以增強電網彈性，減少對天然氣發電機組新增容量的需求。

　　目前，大多數可靠性和電網彈性服務都是由抽水蓄能和化石燃料發電機組提供的。未來，無論是否采用碳捕獲存儲技術(CCS)，天然氣調峰機組都可以繼續提供調節服務，但LDES技術具有更高的利用率和適應性，以適應不斷變化的電網需求。公用事業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，同時部署LDES不會有系統成為擱淺資產的風險。圖1顯示，在“2050年凈零”情景下，大多數燃氣機組是現有存量資產，在沒有LDES的情況下，需要構建新燃氣機組系統。根據燃氣機組退役水平，在凈零情景下，多日/周LDES技術(即持續時間36-160小時)可能會取代超過200GW新增燃氣調峰機組容量。

圖1：在2050年凈零情景下，多日/周LDES容量預測

圖2：2050年實現BAU和Net Zero脫碳目標下的LDES預測

　　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，但沒有額外的商業化干預。“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，當電網達到高比例可再生能源滲透率時，預計部署的儲能容量將迅速增加(圖2)。

　　根據圖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，以實現到2050年BAU路徑和Net Zero路徑下的脫碳目標(BAU代表一切照常)。

　　到2050年，LDES的部署規模非常大。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略是一致的，即，要滿足美國的氣候目標，儲能(包括LDES)需要大幅增長。

　　未來的市場規模預測表明，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擴大規模并創造一個可行和可持續的市場是非常重要的。

　　4.LDES可以使美國國內儲能供應鏈多樣化。

　　開發一系列LDES技術可能需要各種新的產業供應鏈要素，許多LDES技術(例如，機械儲能技術)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技術競爭日內市場。如果鋰離子電池的成本降低大大超過預期，大約85%的日內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技術將在持續時間(10小時左右)內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技術需要比鋰離子電池具有更高的風險回報率，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系統的建設和并網數量對其價格以及能源市場的補償規則設計高度敏感。

　　圖3詳細描述了已部署LDES項目的數量、類型與鋰離子電池成本降低之間的關系。LDES技術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系統的平均時長，因為將有超過10小時的LDES系統上線。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，而具有成本優勢的LDES系統將持續更長時間(20小時以上)。

圖3：LDES部署與鋰離子電池成本較低之間的關系

　　考慮到鋰離子電池和LDES技術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技術將繼續與鋰離子電池在日間應用場景中直接競爭。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系統的平均持續時間仍然相對較低(約13小時)，反映了該技術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技術必須持續實現一定的充放電速率(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，電池等能量相關部件的成本進一步降低了50%。這些改進使鋰離子技術在許多日間應用場景中勝過LDES技術。因此，與317GW的鋰離子相比，部署了35GW的日間LDES。部署的日間LDES的平均持續時間約為35小時，這反映了鋰離子電池在較短的持續時間內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時間內仍然是最有效的選擇，預計部署約197GW。預測表明，在所有情況下，即使其他技術的成本和技術性能改進速度比LDES更快，也需要能夠持續放電30小時以上的LDES解決方案。為了達到部署目標，這些持續時間較長的技術必須在2035年之前達到足夠的技術準備水平(TRL)、技術性能和成本成熟度。

　　除了與鋰離子電池競爭外，LDES市場還存在著采用何種技術的競爭問題。報告認為有六個技術指標將影響哪些技術被部署:(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：在規定時間內充放的電流值。(3)響應時間：從0到額定功率放電所需的時間。(4)長時儲能平準化成本：以每兆瓦時美元計算。(5)最小建設規模：技術上可行的最小規模。(6)占地面積：項目建設所需用地。

　　圖4針對這六個競爭因素分析了主要的LDES應用場景。關鍵性能標準因LDES應用場景而異。

圖4：LDES在不同用例中所需關鍵性能標準

　　日間和多日/周LDES主要應用在以下領域：

　　1、用電負荷管理。用電大戶(工業，數據中心等)可以利用LDES對用能進行管理。

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

　　3、微網韌性。LDES能保障孤島或離網地區的用電安全。

　　4、電力資源規劃。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劃。

　　5、推遲輸配電網建設。作為輸配電網的替代方案，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(調頻，黑啟動等)

　　從應用場景上講，LDES在用電負荷管理，電力購買協議，微網韌性和電力資源規劃等應用場景與鋰電有較強的競爭關系，而在推遲輸配電網建設和參加電力市場方面的競爭關系相對較弱。

　圖5：LDES競爭力分析

　　三、實現長時儲能商業化應用的途徑

　　預計在2030年之前，LDES領域至少需要90-120億美元的投資來支持研發、商業部署和供應鏈擴展。而從2021年到2050年，實現最雄心勃勃的脫碳目標可能需要累計投資約2320-3360億美元(圖6)。

圖6：脫碳目標下的LDES投資預測

　　為了使LDES能夠支撐2050年實現凈零排放承諾的目標，2030年LDES的發展必須同時滿足三個條件(圖7)：

　　技術性能和成本降低：LDES系統的成本必須降低45-55%，系統循環效率提高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年大約相當于每千瓦50-75美元，以支持投資的商業項目。

　　建立LDES專用產品供應鏈：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，因此需要構建長時儲能產業鏈和專用產品供應鏈。

圖7：2030-2035年的商業起飛所需條件

　　備注：圖中PUC代表公共事業委員會，RA代表資源充足。起飛點被定義為LDES行業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，而積極的鋰離子電池將減少供應鏈建設的需求。

　　在美國由于不同的電網條件、政策和市場結構，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：電網條件、政策和市場結構。一是電網條件。衡量LDES在特定狀態下的可獲得性和相對可行性，以及整體發電組合。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得分衡量的電網彈性以及互聯的難易程度。二是政策和市場結構。衡量地方政策和收入結構對在該州部署具有有利風險調整回報預期的LDES的有利程度。影響因素包括可再生能源投資組合標準(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具有很高的潛力(圖8)。