張思藝 EV Connect
呂皖寧 Tesla
近日,最新IPCC全球氣候變化報告出爐,再度向全世界發(fā)出警報。儲能作為“雙碳”背景下構(gòu)建零碳電網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分,終于迎來爆發(fā)性的發(fā)展機遇。大多數(shù)人印象中的儲能,主要是放電時長較短(<10hr) 的抽水蓄能或以鋰電池為主的電化學(xué)儲能系統(tǒng),占全球儲能總裝機93% 。隨著電力結(jié)構(gòu)不斷革新,長時儲能(long-duration energy storage) 這一概念逐漸受到關(guān)注,它是否會是下一個顛覆性儲能技術(shù)方向?我們且從定義、應(yīng)用、商業(yè)化進程等多個角度一探究竟。
長時儲能是什么?
迄今為止,長時儲能的時長尚無明確定義,美國能源部將其歸類在額定功率下連續(xù)放電10小時或以上。不過脫離了使用場景僅關(guān)注于充放電時長,是沒有太大意義的。業(yè)界比較認可的說法是可實現(xiàn)跨天、跨月,乃至跨季節(jié)充放電循環(huán)的儲能系統(tǒng)。
在最為熱鬧的電化學(xué)儲能賽道,長時儲能明星公司Form Energy近日發(fā)布鐵-空氣電池,與世界上最大的鋼鐵制造商ArcelorMittal達成戰(zhàn)略合作,第一個項目將于2023年在明尼蘇達州投入運行。斯坦福大學(xué)崔毅教授也在2020年成立了EnergyVenue,主打航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的金屬氫電池,計劃與香港中華煤氣公司開展試驗項目 。液流電池也是一個長時儲能商業(yè)技術(shù)路徑,Zinc8, Primus, Invinity等歐美電池創(chuàng)業(yè)公司主攻鋅液流電池。住友電工、融科、普能等亞洲能源企業(yè),則以釩液流電池為主要技術(shù),目前已經(jīng)開始和主流鋰電池廠商在4-8小時的儲能項目上角逐。
當(dāng)然,長時儲能涵蓋了電化學(xué)以外的各類儲能方式。機械儲能領(lǐng)域中,除了最為經(jīng)濟高效的傳統(tǒng)抽水蓄能外,還涌現(xiàn)了一批專注于壓縮空氣、重力儲能等新興儲能新技術(shù),并在未來兩三年上線百兆瓦級別的示范項目,如Hydrostor,Highview,Energy Vault等。此外,熱儲能(例如熔鹽儲能公司Malta),化學(xué)儲能(氫、氨)等技術(shù)也逐漸進入人們的視野。
長時儲能仍處于百家爭鳴的中早期研發(fā)示范階段,孰勝孰劣尚未揭曉。目前看來,電化學(xué)儲能由于動力電池產(chǎn)業(yè)推動,不受地理環(huán)境的制約,處于比較有利的競爭地位。
為什么需要長時儲能?
首先為了實現(xiàn)碳中和目標(biāo),火電廠將逐步退出歷史舞臺,預(yù)計將占發(fā)電總量為10%甚至?xí)?。?dāng)這類穩(wěn)定的基礎(chǔ)負載發(fā)電資源日益減少,長時儲能+大型風(fēng)光項目將大概率替換化石能源成為基礎(chǔ)負載發(fā)電廠,對零碳電力系統(tǒng)中后期建設(shè)的影響深遠。
其次,隨著光能風(fēng)能不斷深入,其發(fā)電的間歇性對電網(wǎng)負面影響將愈發(fā)嚴重,部分水電站也面臨著生態(tài)系統(tǒng)破壞后越來越長的枯水期,無法保證出力。而要解決這個問題,光靠建造更多輸電網(wǎng)絡(luò)遠遠不夠。長時儲能可憑借長周期、大容量特性,在更長時間維度上調(diào)節(jié)新能源發(fā)電波動,在清潔能源過剩時避免電網(wǎng)擁堵,負荷高峰時增加清潔能源消納。
頻繁的自然災(zāi)害(如得州嚴寒、加州山火、鄭州暴雨等)不僅會造成大規(guī)模停電影響日常生活,還會加速輸配電設(shè)備老化,增加電網(wǎng)運營成本。其他外部不可抗因素如天然氣管道運輸阻塞、煤炭供應(yīng)短缺等能源資源多日乃至季節(jié)性的供應(yīng)緊張,也會導(dǎo)致電價水漲船高。長時儲能的另一大應(yīng)用就是能夠在極端天氣下保障電力供應(yīng),降低社會用電成本。
來源:Guerra, Nature.
長時儲能距商業(yè)化有多遠?
雖然長期需求可觀,長時儲能這筆經(jīng)濟賬仍不好算。
長時儲能如果單單沿用短時儲能的盈利模式,經(jīng)濟效益有限。長時儲能與短時儲能相比最大優(yōu)勢系就是其容量邊際成本 (Marginal Cost per kWh),功率和容量可以相對獨立擴展,避免了未使用功率產(chǎn)生的附加成本,具有不同應(yīng)用場景之間切換疊加的高度靈活性。而目前大部分電力輔助服務(wù)市場、峰谷電價套利空間,對2-4小時短時儲能系統(tǒng)基本足夠。因此,長時儲能要想突破短時儲能的商業(yè)壁壘,必須要解決短時儲能技術(shù)當(dāng)前所無法解決的痛點,展示其在更長時間維度的經(jīng)濟價值。
來源:ARPA-E's DAYS 2020
想要直觀精準(zhǔn)地測算出長時儲能在更長時間維度上的經(jīng)濟價值并不容易?,F(xiàn)有的電網(wǎng)定容規(guī)劃模型(capacity expansion planning)是上世紀傳統(tǒng)電網(wǎng)運營模式下的產(chǎn)物,只會從全年抽取幾段有代表性的時間段做電網(wǎng)仿真模擬分析,再計算各類能源配比下系統(tǒng)可靠性,缺乏對極端天氣、靈活性的考量,自然無法體現(xiàn)出長時儲能的長期價值。
以加州公共事業(yè)委員會(CPUC) 慣用的長期新能源擴容規(guī)劃模型RESOLVE為例,該模型采樣了37個典型日逐一進行電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬,每個單日樣本沒有任何時間連續(xù)性,儲能機組充放電只能在24小時內(nèi)完成,這制約了長時儲能在多天情境下靈活響應(yīng),也無法準(zhǔn)確量化極端氣候?qū)﹄娋W(wǎng)的影響——而恰恰是這些小概率的“黑天鵝”事件直接推動了重大項目的投資決定。其次,RESOLVE模型只支持鋰電子儲能、液流儲能和抽水儲能三種儲能系統(tǒng)設(shè)計,沒有充分考慮到其他新型能源,導(dǎo)致成本估算偏高。為解決這個問題,越來越多的公司和研究機構(gòu)推出了自己的模型,如Form Energy的Formware、Vibrant Energy的WIS:dom,Energy Exemplar 的 Plexos、麻省理工-普林斯頓的開源軟件GenX等。
除了不甚明朗的經(jīng)濟效益,長時儲能的成本也是其商業(yè)化進程中的攔路虎。
近期麻省理工大學(xué)的研究團隊在Nature Energy上深入探討了長時儲能的成本和其他技術(shù)特性對零碳電網(wǎng)整體發(fā)電成本的影響。研究表明,長時儲能的價格至少要達到 $50/kWh才會被更廣泛地應(yīng)用;如要大幅降低整體發(fā)電成本 (>10%),成本必須落在$1/kWh - $10/kWh這個區(qū)間。除了長時儲能本身的充放電效率和造價,還有眾多可以提供穩(wěn)定電力服務(wù)的能源組合(核能、化石能源+碳捕捉與封存技術(shù)、氫能等)可以與之競爭,這些技術(shù)未來發(fā)展和成本,也會左右長時儲能在電網(wǎng)中可以占有多大的位置。與其他硬科技一樣,長時儲能從研發(fā)、示范、落地到規(guī)?;宦飞媳貙⒚媾R產(chǎn)能、供應(yīng)鏈、建設(shè)、運營等多方面挑戰(zhàn),必須嚴格控制每一環(huán)的風(fēng)險,才能實現(xiàn)既定的成本目標(biāo)。
長時儲能還面臨著巨大的融資挑戰(zhàn)。要獲得項目融資,必須向投資人證明儲能資產(chǎn)的性能和可靠性。目前通用的做法是進行第三方審核 (Third-party Engineering report),出具長期保修協(xié)議 (O&M)、容量保證協(xié)議(Capacity Maintenance)。然而,長時儲能技術(shù)尚未擁有大規(guī)模實際運營數(shù)據(jù)支撐,難以提供全方面保證。就算企業(yè)拍胸脯做了保證,投資方仍會心存疑慮:長達30年的項目周期,公司一旦倒閉,誰來接盤?LightSail Energy, Nikola 等多個曾經(jīng)炙手可熱的新能源初創(chuàng)公司因技術(shù)欺詐而跌落神壇,增加了投資者對未知技術(shù)的疑慮,也必然加大了長時儲能的落地難度。
以美國為首的多國政府已經(jīng)開始加碼對長時儲能技術(shù)的扶持,作為全球新能源政策風(fēng)向標(biāo)的加州,近期公布了高達50GW的長時儲能擴容計劃,以實現(xiàn)2060碳中和目標(biāo)。加州八家社區(qū)聯(lián)合電力管理機構(gòu)早在2020年底就發(fā)出了標(biāo)書采購500MW/4GWh明確超過8小時的儲能系統(tǒng)。美國能源部已開始提供低息貸款,力爭在未來10年將長時儲能的成本降低90%。比爾蓋茨所帶領(lǐng)的Breakthrough Energy Venture也豪擲15億美金與能源部以公私合作的投資模式加速長時儲能的商業(yè)化進程。
穿越產(chǎn)品死亡之谷
來源:Bridging the Battery "Valley of Death" - by Intercalation Station
長時儲能在中國:現(xiàn)狀與啟示
國內(nèi)儲能業(yè)在多年耕耘摸索下終于迎來增長機遇。短時儲能的經(jīng)濟性在分時電價、電力市場等利好政策下剛剛有所轉(zhuǎn)機。實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的號角剛剛吹響,構(gòu)建深度低碳電網(wǎng)(2030-2050)還需時日。此時大談長時儲能,是否有些“好高騖遠“呢?
在筆者看來,當(dāng)前正是加大長時儲能投入力度的時機。目前火電占全國總發(fā)電量的68%,2030年火電發(fā)電占比需下降近20%,新增電量全部由清潔能源滿足,加之火電廠的退役和固碳改造,極端天氣加劇,意味著未來三五年內(nèi)必將面臨區(qū)域性電網(wǎng)供應(yīng)的持續(xù)性波動。長時儲能在五年內(nèi)商業(yè)化,將對中國2030碳達峰有著重要意義。
來源:碳達峰碳中和技術(shù)路徑及實踐探討-舒印彪
如何合理測算長時儲能的經(jīng)濟效益,也是中國同樣面臨的挑戰(zhàn)。目前電科院等電力研究機構(gòu)都有著自己的生產(chǎn)模擬軟件。這些電力規(guī)劃分析的結(jié)果,將會直接左右長時儲能在中國的規(guī)模化速度。我們已面臨一個跨區(qū)域、多種發(fā)電類型、市場與計劃雙軌并行、分布式集中式混合的復(fù)雜電力系統(tǒng),因此,必須加速電力規(guī)劃方面的升級改造,在模型中考慮更多持續(xù)性極端天氣,給儲能設(shè)定合理的經(jīng)濟技術(shù)參數(shù)。對海量電網(wǎng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量嚴格把控,進行全年8760小時持續(xù)模擬,并以模型數(shù)據(jù)開源、學(xué)術(shù)產(chǎn)業(yè)結(jié)合等方式集思廣益,甄選出最經(jīng)濟可靠的電源儲能配置方案。
此外,還需要穩(wěn)步推進對長時儲能技術(shù)的市場機制和政策扶持。國內(nèi)長時儲能技術(shù)以液流電池為主,非電化學(xué)技術(shù)路線的長時儲能公司更是寥寥無幾。隨著地緣政治博弈加劇,我們需要對本國的創(chuàng)業(yè)公司多一些樂觀和耐心,在做好盡調(diào)的基礎(chǔ)上,以公私合作、政策市場頂層設(shè)計等多種形式協(xié)助長時儲能技術(shù)走出資金窘境,應(yīng)該落實儲能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),鼓勵更多電力企業(yè)對長時儲能需求做出更加科學(xué)系統(tǒng)的規(guī)劃,在標(biāo)書中明確儲能的用途及時長需求。
未來的電力系統(tǒng)必將是多能互補的,新能源+儲能這一模式將迎來歷史性的機遇,長時儲能也會成為碳中和戰(zhàn)略中不可缺少的一部分。過去十年,寧德時代靠著技術(shù)創(chuàng)新和刻苦精神坐上了儲能、動力電池領(lǐng)域中當(dāng)仁不讓的頭把交椅。未來十年,長時儲能領(lǐng)域里,來自中國領(lǐng)跑者們或許也會沖在時代的最前沿。
Utility Dive 2021. NREL details cost declines needed for long-duration storage to displace nuclear, gas with CCS
Greentech Media, 2020. Long Duration Breakthrough? Form Energy’s First Project Tries Pushing Storage to 150 Hours
EnergyVenue, 2021.EnerVenue Announces Distribution Partnership