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隨著全球能源系統(tǒng)朝著綠色低碳的方向不斷革新，新興的長時儲能技術(shù)將成為大規(guī)模部署可再生能源的關(guān)鍵條件。

作者：Alberto Bettoli、Martin Linder、Tomas Nauclér、Jesse Noffsinger、Suvojoy Sengupta、Humayun Tai和Godart van Gendt

如何控制溫室氣體排放，遏制全球變暖趨勢，已成為各國認(rèn)真思考的重大問題。眾所周知，電力行業(yè)是節(jié)能減排的“主力軍”。電力行業(yè)貢獻(xiàn)了全球碳排放總量的三分之一。與此同時，由于其它行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型很大程度上也依賴于對可再生電力的需求增長（如電動汽車和住宅供暖），電力行業(yè)就顯得更為重要了。

多數(shù)預(yù)測表明，為達(dá)到全球溫控目標(biāo)，電力行業(yè)必須在2040年前全面實現(xiàn)零碳排放。令人振奮的是，全球電力行業(yè)正在通過采用以風(fēng)能和太陽能為主的新能源技術(shù)，來逐步取代化石燃料發(fā)電，在減少碳排方面取得巨大進(jìn)展。

然而，隨著可再生能源在電力結(jié)構(gòu)中的占比不斷上升，新的挑戰(zhàn)也接踵而至。尤其是新的電力來源和可再生能源發(fā)電的間歇性和波動性，都對現(xiàn)有發(fā)電和輸配電基礎(chǔ)設(shè)施造成一系列的結(jié)構(gòu)性壓力，包括供需可能失衡、輸電方式的改變以及系統(tǒng)潛在的不穩(wěn)定性上升。

麥肯錫一份新的行業(yè)報告對此進(jìn)行了深入探討和分析，指出長時儲能技術(shù)（Long-duration energy storage，簡稱“LDES”）是可行的解決方案之一。該報告由長時儲能理事會（LDES Council）撰寫，該理事會是一家由首席執(zhí)行官領(lǐng)導(dǎo)的新成立的機(jī)構(gòu)。報告基于該理事會下屬技術(shù)成員企業(yè)的一萬多組成本和性能數(shù)據(jù)，指出若能在政府支持下適時建立一個長時儲能市場，即使可再生能源在能源系統(tǒng)中占比很大，能源系統(tǒng)也能順利運(yùn)行，從而為各行各業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型做出重大貢獻(xiàn)。

長時儲能包含一系列傳統(tǒng)技術(shù)和前沿技術(shù)，如機(jī)械儲能、熱能儲能、電化學(xué)儲能和化學(xué)儲能等。這些技術(shù)優(yōu)化部署后，可用于長時間能源儲存，并實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的規(guī)?；?，以保證數(shù)天乃至長達(dá)數(shù)周之久的電力供應(yīng)?！?】此外，長時儲能還能增加電力系統(tǒng)的靈活性，即在電力供應(yīng)過剩時儲存電能，在需要時釋放，以此來緩解供需矛盾，調(diào)節(jié)供需波動。由此可見，長時儲能不僅能整合能源系統(tǒng)（包括電能、熱能、氫能和其他形式的能源），還能賦予其靈活性（見圖1）。


當(dāng)前，各種長時儲能新技術(shù)在技術(shù)成熟度和市場可行性上雖然各有千秋，但卻吸引了來自政府、公用事業(yè)行業(yè)和輸電運(yùn)營商前所未有的興趣，且該領(lǐng)域的投資增長迅猛：超過5吉瓦（簡稱GW）的裝機(jī)容量和65吉瓦時的（GWh）儲能容量宣布在建或已投產(chǎn)。

不過，這一切才剛起步。麥肯錫的建模研究結(jié)果表明，到2040年，全球部署的長時儲能裝機(jī)容量有望達(dá)到1.5~2.5太瓦（TW），這是目前全球部署的儲能系統(tǒng)總裝機(jī)容量的8~15倍。同樣，到2040年，長時儲能行業(yè)可以部署85~140太瓦時（TWh）的儲能容量，并且儲存高達(dá)總用電量10%的電能。這對應(yīng)了1.5~3萬億美元的累計投資（見圖2）。


麥肯錫估計，到2040年，通過部署長時儲能技術(shù)，全球每年可實現(xiàn)15~23億噸二氧化碳當(dāng)量的減排，約為當(dāng)今電力行業(yè)排放量的10%~15%。僅在美國，到2040年，長時儲能就可以為電力系統(tǒng)完全脫碳，每年降低約350億美元的總成本。

通過上述數(shù)據(jù)，不僅可以看到長時儲能技術(shù)的多重用途，還可以發(fā)現(xiàn)其在平衡電力系統(tǒng)，提高其運(yùn)行效率方面所發(fā)揮的核心作用，其中包括提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、完善企業(yè)購電協(xié)議，以及為使用遠(yuǎn)距離輸電或電力供應(yīng)不穩(wěn)定的行業(yè)進(jìn)行能源優(yōu)化。然而，到目前為止，預(yù)計長時儲能技術(shù)將主要部署于大容量電力系統(tǒng)中的削峰填谷、容量供給以及輸配電（T&D）系統(tǒng)優(yōu)化等核心領(lǐng)域。

長時儲能的一個主要優(yōu)勢在于其存儲電力的邊際成本較低：它可使存儲的電量與充放電的速度相脫鉤；可廣泛部署及擴(kuò)容；與輸配電電網(wǎng)的升級相比，它的交付周期相對較短。這使得它比鋰離子電池、可調(diào)度型氫能源設(shè)備和抽水蓄能水電等其它能源儲存方式更有競爭力，并且在經(jīng)濟(jì)效益方面優(yōu)于耗資巨大且費(fèi)時費(fèi)力的電網(wǎng)升級。事實上，有證據(jù)表明，在諸多應(yīng)用中，對于持續(xù)時間超過6~8小時的能源儲存而言，長時儲能可能是最具成本競爭力的解決方案。

因此，盡管長時儲能新技術(shù)仍處于萌芽階段，但其部署速度可能在未來幾年迅速加快。麥肯錫模型預(yù)測，在加速脫碳的情景下，到2025年，裝機(jī)容量將達(dá)到30~40吉瓦，儲能容量將達(dá)到1太瓦時。

許多制定了宏大氣候目標(biāo)的國家都希望在2025-2035年間，可再生能源在大容量電力系統(tǒng)中的市場份額達(dá)到60%~70%，這將是長時儲能技術(shù)的重要里程碑。這些國家可能會包括英國、美國和許多在2021年11月格拉斯哥舉行的第26屆聯(lián)合國氣候變化大會之前就已做出“凈零”承諾的發(fā)達(dá)國家。可再生能源的廣泛普及，將促進(jìn)長時儲能技術(shù)作為一種成本最低又兼具靈活性的解決方案得到廣泛部署。

要實現(xiàn)這些目標(biāo)，就必須大幅降低長時儲能技術(shù)的成本。令人欣慰的是，來自長時儲能理事會成員企業(yè)的預(yù)測顯示，大幅降本是可以實現(xiàn)的，并且與過去幾年新興的新能源技術(shù)（如太陽能光伏和風(fēng)力發(fā)電）的學(xué)習(xí)曲線保持一致。反過來，成本降低的幅度將取決于研發(fā)水平的提高、部署數(shù)量的增多以及制造領(lǐng)域規(guī)模效益的實現(xiàn)。同樣，長時儲能技術(shù)的部署規(guī)模與電力行業(yè)減碳進(jìn)度以及不同的可再生能源發(fā)電的部署情況密切相關(guān)。

這就要求在短期和中期階段，政府要果斷采取行動，包括降低成本、調(diào)動必要的投資資本、以及搭建市場生態(tài)系統(tǒng)，使投資者能夠獲得具有吸引力的回報，以此來啟動長時儲能市場。政策制定者可以通過如下三種方式提供助力：

著眼長遠(yuǎn)的系統(tǒng)性規(guī)劃，包括可再生能源在電力結(jié)構(gòu)中所占比重的明確目標(biāo)，以及為維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定所需的基礎(chǔ)設(shè)施，這些對鞏固投資者的信心至關(guān)重要。美國加利福尼亞州和澳大利亞新南威爾士州等地已著手開展這方面的工作。

在長時儲能的早期部署階段，政府的積極支持將有助于投資者規(guī)避市場風(fēng)險，擴(kuò)大市場規(guī)模。針對大型示范電廠的專項支持，將確保這些技術(shù)能夠充分發(fā)揮其在技術(shù)方面和降低成本方面的潛力，并且檢驗新的市場機(jī)制。英國和美國已開展相關(guān)工作。2021年初，為加快商業(yè)化進(jìn)程，英國政府啟動了一個總投資1億美元的長時儲能示范競賽。目前，美國能源部正在監(jiān)督實施一個總投資10億美元的計劃（“Earthshot”），旨在10年內(nèi)將儲能時間超過10個小時的長時儲能系統(tǒng)的成本降低90%。

構(gòu)建支持性的市場機(jī)制，例如容量機(jī)制和能夠獲取長時儲能全部價值的政策，可使投資者在可承受的風(fēng)險范圍內(nèi)獲得投資回報。而這一點目前仍無法實現(xiàn)，因為電力市場大多是短期的，多日和多周的市場信號比單日的市場信號弱很多。而且，碳減排補(bǔ)償方案要么沒有，要么不足以補(bǔ)償投資者的額外出資。但是，一些市場領(lǐng)先者（如美國加利福尼亞州和亞利桑那州）正在為行業(yè)樹立模范——它們已經(jīng)制定了旨在滿足長時儲能需求的法律。其中，亞利桑那州推出了一項激勵計劃，通過對持續(xù)放電時間超過5小時的儲能技術(shù)提供激勵，來鼓勵研發(fā)能提供更長持續(xù)放電時間的儲能技術(shù)。

總之，上述舉措最終將有助于確保以最低的社會成本實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型。麥肯錫的研究預(yù)測表明，通過早期的部署以及搭建配套的市場生態(tài)系統(tǒng)，投資長時儲能可以在2025年前實現(xiàn)遠(yuǎn)高于投資者最低資本回報率的內(nèi)部收益率（IRR）——與當(dāng)前成熟能源項目的基準(zhǔn)內(nèi)部收益率相當(dāng)。

隨著太陽能光伏和風(fēng)能成為主要的發(fā)電技術(shù)，長時儲能技術(shù)的大規(guī)模部署將給全社會帶來明顯的效益：其替代方案成本相對更高；隨著電力結(jié)構(gòu)中可再生能源比重的增加，如果不能在電力系統(tǒng)的靈活性方面進(jìn)行投資，將必然導(dǎo)致電力供應(yīng)出現(xiàn)更為嚴(yán)重的不穩(wěn)定狀況。

此外，所有證據(jù)表明，長時儲能市場對投資者而言極具吸引力：它是一個可提供1.5~2.5太瓦儲能裝機(jī)容量的大型新興產(chǎn)業(yè)，所需要的投資規(guī)模在2040年前可達(dá)到1~3萬億美元，并能獲得很有競爭力的回報。機(jī)會就在眼前，現(xiàn)在是采取行動的時候了！

注釋：

【1】 該項研究主要關(guān)注這種新興的儲能技術(shù)，而非鋰離子電池、可調(diào)度型氫能源設(shè)備和大規(guī)模地面抽水蓄能水電等技術(shù)。 

原標(biāo)題：邁向凈零電力：為可再生電網(wǎng)體系部署長時儲能技術(shù)