美《長(cháng)時(shí)儲能商業(yè)起飛之路》概要

2023年3月，美國能源部發(fā)表《商業(yè)起飛途徑》系列報告[1]，旨在就關(guān)鍵清潔能源技術(shù)的商業(yè)“起飛”途徑建立共同的事實(shí)基礎，并與私營(yíng)部門(mén)進(jìn)行持續對話(huà)，目的是在整個(gè)技術(shù)價(jià)值鏈上促進(jìn)更迅速和協(xié)調的行動(dòng)。本文是其《長(cháng)時(shí)儲能商業(yè)起飛之路》[2]的概要。截至2022年9月29日，麥肯錫公司根據與政府合同號DE-AC02-06CH11357和分包合同2J-60009，為這份報告自定義建模。

長(cháng)時(shí)儲能(LDES)簡(jiǎn)論

為了應對新出現的環(huán)境和社會(huì )挑戰，實(shí)現拜登政府2050年凈零排放和2035年100%無(wú)碳污染電力的目標，電力部門(mén)需迅速擴大規模和轉型。目前，電力部門(mén)的排放量占國內總排放量的三分之一。成功脫碳需要從不受控制的化石燃料發(fā)電資產(chǎn)轉向無(wú)碳能源，如可再生能源(風(fēng)能、太陽(yáng)能……)和核能。電力部門(mén)需要同時(shí)過(guò)渡到新的電力資源，并迅速擴大規模，以滿(mǎn)足下游新的電氣化用途。由于多變的可再生能源不能像基于化石燃料發(fā)電資產(chǎn)那樣開(kāi)啟/停閉，滿(mǎn)足高峰需求，電網(wǎng)需要用新的方式提供靈活性和可靠性。

新的選擇，如長(cháng)時(shí)儲能(Long Duration Energy Storage, LDES)，將是未來(lái)脫碳電力系統中提供這種靈活性和可靠性的關(guān)鍵。LDES包括一系列不同的技術(shù)，它們的共同目標是長(cháng)周期儲能，供未來(lái)調度。不同的技術(shù)，儲能和釋放能量的形式以及調度的持續時(shí)間變化很大。

本報告的重點(diǎn)是LDES系統在電力方面的應用(如儲能，之后再以電的形式進(jìn)行調度)。為了評估LDES在美國的商業(yè)可行性，本報告參考了廣泛的現有探索[3]，還模擬了美國電力部門(mén)的脫碳路徑，其中包括不同的脫碳和技術(shù)方案，以評估LDES在電力部門(mén)的作用以及影響LDES部署路徑的各種因素。集成的建模方案有三個(gè)目的：

1. 估算“一切照舊”軌跡：一切照舊(BAU)場(chǎng)景代表當前的發(fā)展路徑，包括2022年《通貨膨脹削減法》(IRA)的影響，但不包括額外的商業(yè)化干預措施。

2. 預測實(shí)現脫碳目標的最低成本途徑：凈零脫碳方案預報，在不同﹑多變的可再生能源和輸電能力的約束下，到2050年實(shí)現凈零方案所需的條件。它預報了到2035年實(shí)現和沒(méi)有實(shí)現過(guò)渡期臨時(shí)清潔電力的各種場(chǎng)景。

3. 探索技術(shù)潛力：特定技術(shù)敏感性代表不同運行參數和競爭技術(shù)條件下(例如，沒(méi)有LDES的凈零排放)，采用不同類(lèi)型LDES的條件。

根據這個(gè)分析，到2060年，美國電網(wǎng)可能需要225～460 吉瓦(百萬(wàn)千瓦)的LDES容量，用于電力市場(chǎng)應用，以實(shí)現凈零經(jīng)濟，相當于3300億美元的累積資本。雖然這需要大量的投資，但分析表明，到2050年，與不部署LDES的途徑相比，部署LDES的凈零途徑每年可節省100億至200億美元的運營(yíng)成本，也避免了資本支出。這項商業(yè)化工作的重點(diǎn)是了解LDES在2030年前實(shí)現技術(shù)“起飛”的挑戰、解決方案和潛在的長(cháng)期效益。“起飛”的定義是，LDES行業(yè)在很大程度上不依賴(lài)于大量的公共資本，而是以廣泛的風(fēng)險吸引私人資本，成為自我維持的市場(chǎng)。“起飛”的特點(diǎn)是技術(shù)和運營(yíng)參數的顯著(zhù)提高，LDES的全部?jì)r(jià)值得到市場(chǎng)認可，實(shí)現工業(yè)規模的制造和部署能力。LDES需要這些改進(jìn)，才能與其他技術(shù)競爭。

技術(shù)發(fā)展趨勢

這個(gè)報告，按照電力環(huán)境調度的持續時(shí)間，規定LDES市場(chǎng)的不同部分，這是整個(gè)行業(yè)定義LDES，討論不同儲能類(lèi)型最標準的方法。但因許多新技術(shù)專(zhuān)注LDES類(lèi)別，現有的許多分類(lèi)把儲能技術(shù)分為兩類(lèi)(日間的和季節性的)，因此本報告使用了四種儲能類(lèi)別(短期、日間、多日/多周以及季節性的LDES)。這個(gè)報告專(zhuān)注中間的兩個(gè)持續時(shí)間市場(chǎng)段落，即日間LDES和多日/多周LDES。

·日間LDES定義為電力轉換10～36小時(shí)，包括幾乎所有的機械儲能技術(shù)和某些電化學(xué)技術(shù)(例如液流電池)。這類(lèi)技術(shù)把一天的某個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生的多余電力轉移到同一天或第二天的另一時(shí)刻，以滿(mǎn)足市場(chǎng)的日常需求。

·多日/多周LDES，指36～160小時(shí)以上的電力轉移，包括許多熱能和電化學(xué)技術(shù)。某處/時(shí)(連續多日低風(fēng)﹑少太陽(yáng)能或彈性應用)電力短缺可能會(huì )持續很長(cháng)時(shí)間，而且每年可能會(huì )出現多次，就需用它來(lái)滿(mǎn)足這種市場(chǎng)和終端客戶(hù)的需求。這類(lèi)LDES還可支持多變的可再生能源，削減必要的棄電/互連“過(guò)度”建設。

值得注意的是：這個(gè)報告沒(méi)有直接涵蓋另外兩個(gè)存儲市場(chǎng)，即短期和季節性平衡。“短期”定義為電力轉移不到10小時(shí)，通常通過(guò)鋰離子電池儲能(主要在0～4小時(shí)范圍內，而其他儲能比如抽水儲能為4～10小時(shí))。“季節性平衡”定義為一段較長(cháng)時(shí)間內的能量傳輸，主要在幾個(gè)月內(例如從夏季到冬季)，可能需要由基于燃料的技術(shù)(例如，制氫或具有碳捕獲的天然氣)填充。無(wú)論短期的或者季節性的儲能，都被認為是競爭性的技術(shù)，必須在日間LDES和多日/多周LDES的各種商業(yè)案例加以證明和否定。

“起飛”的價(jià)值主張和要求

LDES有潛力在美國電力系統脫碳中發(fā)揮重要作用，包括大容量電力的彈性和電表后應用。按照這個(gè)報告概述的路徑，隨著(zhù)多變可再生能源的發(fā)展，LDES技術(shù)可能成為為電網(wǎng)提供穩定性和靈活性的成本最低的選擇。此外，在極端天氣事件日益頻繁的情況下，LDES可能是提高當地和區域彈性的最佳解決方案，同時(shí)還可以降低電網(wǎng)擴張的成本和風(fēng)險?？紤]所需資本投入的預期規模以及最終用途應用和商業(yè)模式的多樣性，LDES代表對投資者有吸引力的未來(lái)資產(chǎn)類(lèi)別。最終用途應用足夠廣泛，可以使多種LDES技術(shù)成為凈零排放解決方案的一部分。這些技術(shù)通常是模塊化和靈活的，降低了長(cháng)期的投資風(fēng)險。雖然LDES技術(shù)為一系列使用案例提供了高潛質(zhì)的脫碳方法，但也有其他技術(shù)在競爭相同的使用案例(例如，鋰離子電池用于日間應用，天然氣與碳管理技術(shù)相結合用于多日使用)。通過(guò)節省系統運營(yíng)成本(減少可再生能源棄電和燃料支出)，減少公司可調度發(fā)電的資本投入，部署LDES的路徑比不部署LDES的路徑便宜100～200億美元。

要充分發(fā)揮LDES的潛力并在凈零電網(wǎng)中發(fā)揮主導作用，就必須實(shí)現其技術(shù)“起飛”。如上所述，起飛是由于三方面的發(fā)展，達到私人資本可以“接辦”的狀態(tài)：技術(shù)成本和運營(yíng)規范顯著(zhù)改善;通過(guò)增加薪酬和其他措施，市場(chǎng)認可LDES全部?jì)r(jià)值;工業(yè)規模的制造和部署能力(詳見(jiàn)附圖)。

附圖：2030-2035年前“起飛”，需要改進(jìn)技術(shù)、降低成本、監管支持并開(kāi)發(fā)供應鏈。

注：PUC，公用事業(yè)公司委員會(huì );RA，資源充足率。1. “起飛”定義為L(cháng)DES行業(yè)在很大程度上成為可“自持”市場(chǎng)的時(shí)間點(diǎn);2. 在兩種鋰離子方案中，仍然需要多日/多周LDES技術(shù)，積極進(jìn)取的鋰離子技術(shù)能降低供應鏈建設的需求;3. $/kW的年度變化因地區而異。

LDES在長(cháng)期凈零經(jīng)濟中的份額取決于近期能否實(shí)現重大里程碑，這需要LDES公司、監管機構、投資者和各個(gè)組織在整個(gè)LDES生態(tài)系統中集中與協(xié)調的努力。關(guān)鍵的里程碑描述如下：

必須改善技術(shù)性能和成本曲線(xiàn)，以吸引持續投資。在商業(yè)規模的項目演示和部署中，早期的公共和私人投資支持對于產(chǎn)生規模經(jīng)濟和制造改進(jìn)是必要的，能推動(dòng)LDES成本和性能進(jìn)一步改善，而不僅僅是在實(shí)驗室中可能實(shí)現。到2028～2030年，這些技術(shù)的成本曲線(xiàn)必須比目前領(lǐng)先技術(shù)的成本下降45～55%，并且LDES技術(shù)的性能和工作壽命必須得到改善[4, 5]。到2030年，日間LDES技術(shù)必須將成本從$1100～1400/kW降至$650/kW，并將啟閉效率(RTE)從2022年同類(lèi)最佳技術(shù)的69%提高到75%左右。同樣，到2030年，多日LDES技術(shù)必須從目前的成本$1900～2500/kW﹑啟閉效率45%提高到$1100/kW和55～60%。示范和部署項目，主要由公用事業(yè)公司、開(kāi)發(fā)商、獨立電力生產(chǎn)商在外部資金的支持下部署;實(shí)現技術(shù)性能和成本曲線(xiàn)的改進(jìn)，并使LDES成為凈零途徑的競爭選擇至關(guān)重要(詳見(jiàn)第4a i節)。未來(lái)十年，這些改進(jìn)可能來(lái)自何處，因技術(shù)而異：有些技術(shù)，傳統的研究和開(kāi)發(fā)可以推動(dòng)所需的成本下降很大部分。然而，大多數技術(shù)會(huì )通過(guò)開(kāi)發(fā)大型標準化裝置和釋放制造效率降低成本。這類(lèi)經(jīng)驗取決于大規模示范和商業(yè)化項目。

需要實(shí)現經(jīng)濟和可靠性效益補償的范圍。州、地區和國家的干預，可以確保LDES因其為能源市場(chǎng)和基礎設施利用提供的效益受到重視：例如，動(dòng)態(tài)容量市場(chǎng)、差異化容量產(chǎn)品，承認儲能在發(fā)配電系統中的雙重作用。LDES系統可以提供許多可靠性和傳輸優(yōu)勢，但市場(chǎng)尚未完全補償。LDES資源充足性收益的可預測補償，是支持投資商業(yè)案例的直接途徑之一?？紤]其他潛在能源市場(chǎng)的支付薪資，到2030年，大約相當于每年增加$50～75/kW[6]。這種報酬可直接來(lái)自市場(chǎng)參與，也可作為競爭能源市場(chǎng)之外綜合資源規劃過(guò)程的一部分，在其選擇過(guò)程中間接加以評價(jià)。監管和市場(chǎng)的變化要求，除了貨幣補償之外，還需要識別對更長(cháng)持續時(shí)間、可靠、可調度電力的差異化需求。例如，根據市場(chǎng)需求，從4～6小時(shí)的穩定容量產(chǎn)品擴展到更長(cháng)的持續時(shí)間，如12小時(shí)和24小時(shí)。

為了實(shí)現這一價(jià)值和需求，許多行政轄區要求改變綜合資源規劃的建模方法(例如，受監管的公用事業(yè)公司獲得批準，將LDES作為最低成本系統的一部分進(jìn)行部署)、資源充足性研究及其相關(guān)的方法，以評估可靠和可變資源，以及傳輸規劃?？赡苓€需要新的、更透明的市場(chǎng)產(chǎn)品和更公開(kāi)的采購程序。如要支持LDES經(jīng)濟學(xué)，就需發(fā)展市場(chǎng)和監管機制;需要優(yōu)先權干預措施，以增加市場(chǎng)確定性，提高調整風(fēng)險的回報(詳見(jiàn)第4a ii節)。

電力市場(chǎng)，如獨立系統運營(yíng)商(ISO)/區域傳輸組織(RTO)需要調整補償和規劃方法，以便在其資源充足性研究中評估可靠性資源的不同類(lèi)型，如每小時(shí)能源特性認證、節點(diǎn)和位置的定價(jià)。

監管機構，如公用事業(yè)委員會(huì )(PUC)需要調整系統建模，以說(shuō)明綜合和長(cháng)期的凈零需求，如資源規劃、資源充足性研究，以及超越典型的15年的傳輸規劃。它們也可能需要普遍/標準化地確認，儲能就是一種發(fā)電、傳輸和配電的資產(chǎn)。

必須遵循上述兩個(gè)里程碑，快速構建供應鏈。到2030年，至少具備每年3 吉瓦的LDES制造和部署能力(相比之下，2022年不足1 吉瓦)，到2035年達到10～15 吉瓦。供應鏈擴張的時(shí)機與可再生能源的占比有關(guān)。隨著(zhù)美國部分地區可再生能源發(fā)電達到拐點(diǎn)，更廣泛市場(chǎng)需要增加提供電網(wǎng)整合和靈活性服務(wù)，迅速擴大LDES的潛在市場(chǎng)。供應鏈需要應對2030年代LDES的預期增長(cháng)，它幾乎是2020年代LDES部署數量的10～20倍。規劃這個(gè)擴張，需要勞動(dòng)力培訓(或再培訓)計劃，也要當地制造設施的支持。在30年的發(fā)展周期內，這種規模的擴展，在工程和建筑等領(lǐng)域，可能需要150～210萬(wàn)個(gè)全年“直接”就在現場(chǎng)的就業(yè)，而且可能與可再生能源勞動(dòng)力有很大的重疊，會(huì )加速供應鏈規模擴大。此外，建造吉瓦規模的設施，LDES供應鏈還需經(jīng)受融資選擇。

要實(shí)現這一增長(cháng)，技術(shù)參與者與政府實(shí)體和融資人，必須構成吉瓦規模主導技術(shù)的供應鏈，在上述項目演示和部署階段進(jìn)行跟蹤。降低與供應鏈形成相關(guān)的成本，就要重復部署相同的技術(shù)，暗示需要盡早識別主導技術(shù)，以實(shí)現規?；a(chǎn)。對于主導技術(shù)，需要確定原材料、子組件、制造和組裝，以及勞動(dòng)力開(kāi)發(fā)的供應鏈風(fēng)險和干預措施(詳見(jiàn)第4a iii節)。

勞動(dòng)力會(huì )成為部署的最大風(fēng)險，因為大多數的LDES都是工程和建造高度密集型的。這種勞動(dòng)力時(shí)間安排要與2050年實(shí)現凈零排放，滿(mǎn)足可再生能源、核能、碳捕集利用與封存(CCUS)、制氫和其他清潔技術(shù)建設所需工作進(jìn)展保持一致。積極規劃以消除這類(lèi)的“差距”，如擴大在職培訓和注冊學(xué)徒計劃、項目混合和模塊化項目部署是必要的，以支持這種規模項目需求LDES所需的年度建造工作。

結論

LDES可以在美國脫碳能源系統中發(fā)揮關(guān)鍵作用。LDES技術(shù)是一種選擇，可以補充易變的可再生能源的擴展，提高當地和區域的彈性，同時(shí)降低電網(wǎng)擴張的成本和風(fēng)險。為了實(shí)現這個(gè)未來(lái)的愿景，需要采取許多干預措施，而且必須反映現有市場(chǎng)支持、物質(zhì)資源和基礎設施方面的區域差異。盡管存在這些差異，但仍需要為每個(gè)利益相關(guān)者提供一套相對較小的優(yōu)先行動(dòng)，以支持LDES的項目部署、收益機制和供應鏈擴展。

除了繼續為L(cháng)DES技術(shù)提供研發(fā)資金外，聯(lián)邦政府還可在以下三個(gè)方面提供可能的幫助：(1) 從基于實(shí)驗室的新型技術(shù)研究到商業(yè)規模進(jìn)行的示范項目，為單個(gè)項目提供有針對性的財政支持(贈款/貸款);(2) 為監管機構、國際標準化組織和商業(yè)客戶(hù)提供教育課程、建模工具和評估框架，以評估其電表后和電網(wǎng)規模的應用;(3) 提高技術(shù)成本和性能的透明度，以便投資者、監管者和決策者快速調整他們的投資組合。在DOE，從“儲能的嚴重挑戰”、“長(cháng)時(shí)儲能?chē)L試”到“清潔能源示范辦公室”，首個(gè)幫助已經(jīng)啟動(dòng)。后兩個(gè)方面，將得到國家實(shí)驗室的大力支持，其中包括技術(shù)審核和部署就緒認證研究。除了政府公開(kāi)可用的工具和市場(chǎng)補償標準之外，還可為生態(tài)系統中的所有其他參與者提供“真相來(lái)源”。

見(jiàn)解與思考

1. 應對新的環(huán)境和社會(huì )挑戰，實(shí)現政府的凈零排放和100%無(wú)碳污染電力的目標，電力部門(mén)需迅速擴大規模和轉型。由于多變的可再生能源逐漸轉變成為國家的主要發(fā)電資產(chǎn)，但不能像基于化石燃料那樣開(kāi)啟/停閉，滿(mǎn)足峰期需求，需要用新的方式提供靈活性和可靠性，這是儲能特別是“長(cháng)時(shí)儲能”的使命。

2. 能源，特別是電力行業(yè)固有“壟斷”或“半壟斷”特質(zhì)，儲能系統建模﹑基礎科學(xué)與技術(shù)研發(fā)以及設施部署應以“國有”和“地方國有”為主，而且不能完全按照行政區域分割。這是政府主管部門(mén)的責任，但“供應鏈”建設應走“市場(chǎng)化”道路，充分發(fā)揮民營(yíng)資產(chǎn)的作用。

3. 我國的可再生能源建設走在世界先列，儲能產(chǎn)業(yè)是能源結構轉型的關(guān)鍵和推手。加快儲能產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)，對推動(dòng)經(jīng)濟發(fā)展和建設健康的能源產(chǎn)出與消費體系具有重要意義[7]。

4. 不同時(shí)期，“長(cháng)時(shí)儲能”的時(shí)間范圍和采用的技術(shù)要做出調整?？稍偕茉窗l(fā)電占比越高，所需儲能時(shí)長(cháng)越長(cháng)。“風(fēng)光”與“長(cháng)時(shí)儲能”是一場(chǎng)“雙向奔赴”，只有這樣，才能破解“結構性錯配”的難題[8]。

注釋與參考資料

[1] US DOE, DOE Releases New Reports on Pathways to Commercial Liftoff to Accelerate Clean Energy Technologies, MARCH 21, 2023.

[2] US DOE, Pathways to Commercial Liftoff: Long Duration Energy Storage, March 2023.

[3] 包括能源部和國家實(shí)驗室的研究以及交叉技術(shù)研究報告，如白宮凈零之路、普林斯頓凈零美國、國家可再生能源實(shí)驗室(NREL)清潔電力以及長(cháng)時(shí)儲能 (LDES) 委員會(huì )的報告。

[4] 報告中概述的技術(shù)改進(jìn)與補償目標與現有的能源部?jì)δ艽筇魬?(ESGC) 目標一致，長(cháng)期固定應用為0.05/kWh。

[5] 相對于2021年報告的成本，更新的公司可能需要降低成本高達75%。

[6] 基于15～20%無(wú)杠桿內部收益率(IRR)計算的。有關(guān)模型的更多詳情，請參閱原文附錄4。

[7] 徐錠明，我國能源規劃重點(diǎn)問(wèn)題思考和解析，零碳智庫，2023-07-24。

[8] 存不下，送不出，青海綠電如何破解“結構性錯配”難題?儲能研究院，2024-01-11。