麻省理工學院能源計劃未來研究報告：儲能技術的未來（一）

麻省理工學院能源計劃未來研究報告前言

《儲能技術的未來》是麻省理工學院能源計劃未來系列研究中的第九個研究項目，該項目旨在闡明涉及能源和環境的一系列復雜而重要的問題。前幾個研究項目主要集中在核電、太陽能、天然氣、地熱和煤炭（碳捕獲和封存二氧化碳排放）等能源技術的重要作用以及美國電網系統等。這些研究項目的核心是了解這些特定技術在全球能源系統脫碳和滿足未來能源需求方面可以發揮的重要作用。通過為太陽能發電和風力發電等可變的可再生能源提供補充，儲能系統將在實現這兩個目標方面發揮重要作用，而這些資源是電力部門脫碳的核心。

該研究項目將為政府、行業和學術界提供借鑒和幫助，因為這些部門和機構正在開發新興的儲能產業，并考慮改變電力行業的規劃、監督和監管，從而顯著增加對可變可再生能源的部署和對儲能系統的依賴。該報告是對儲能技術進行三年多研究的成果——其中包括開發低成本的長時儲能的機會；并通過建模研究，以評估美國地區和新興市場和發展中經濟體國家的未來深度脫碳；在可再生能源發電量在電網中繼續增長的情況下的儲能技術的類型和作用；以及儲能系統對電力系統規劃和監管的影響。

這個研究項目是在研究機構麻省理工學院能源倡議（MITEI）發起和進行的，并獲得麻省理工學院研究人員為主的咨詢委員會的指導，其成員參加多場研討會；評論麻省理工學院的初步分析、調查結果和建議；并讓他們的專家回答問題，并為研究報告的內容做出貢獻。

麻省理工學院能源計劃未來研究報告摘要

麻省理工學院發布的這項跨學科研究的報告，探討了儲能系統隨著電力系統的脫碳成為應對氣候變化的核心而在未來發揮的重要作用，指出發電系統的深度脫碳以及多個行業電氣化對于限制氣候變化及其損害是必要的措施。報告指出，風力發電和太陽能發電的成本大幅降低，并且正在全球范圍內大規模部署，并且很可能在未來總發電量中占據很大份額。與傳統發電設施不同，這些可變可再生能源(VRE)的電力輸出取決于天氣條件，而天氣有時會迅速發生變化，因此可再生能源發電的調度難以滿足電力需求的變化。儲能技術是這份研究報告的重點，它可以在平衡電力供需方面發揮關鍵作用，并可以提供保持脫碳電力系統可靠和具有成本效益所需的其他服務。正如研究人員在這份報告中所討論的那樣，儲能系統包含一系列技術，這些技術在材料要求和在低碳電力系統中的價值方面存在差異。隨著電網中的儲能系統大規模部署，必須調整政策以避免對消費者造成過度和不公平的成本負擔，需要鼓勵電氣化或經濟范圍內的脫碳，并實現經濟的強勁增長，特別是在新興市場和發展中經濟國家。社會正義和公平必須包含在系統設計中。這個研究項目的時間跨度一直擴展到2050年，與其能源計劃未來系列之前的研究一致，但也對可以在2030年更近的時間范圍內大規模部署的能源技術感興趣。

儲能系統幫助電力系統實現具有成本效益的脫碳目標，在不犧牲電力系統可靠性的情況下，將更加依賴風力發電和太陽能發電。假設可變可再生能源(VRE)成本降低的有利趨勢一直持續下去，此項研究項目進行的建模分析確定了電力系統脫碳成本效益的途徑——例如相對于美國在2005年的碳排放量的基礎上減少97%至99%的排放量，同時保持電網運營可靠性。而電網實現高效的脫碳需要對多種儲能技術以及輸電、清潔發電和需求靈活性進行大量投資。如果采用“負排放”技術（即從大氣中去除二氧化碳的技術），那么少量天然氣發電設施也將成為具有成本效益的凈零電力系統的一部分。

多種儲能技術的基本知識

目前有四種基本類型的儲能技術（電化學、化學、熱能和機械能）處在不同的技術發展水平。在可變可再生能源(VRE)發電量充足且批發供應價格相對較低時，以及發電量不足批發價格相對較高時，儲能系統都可以發揮重要功作用電。儲能系統的這種靈活性為電力系統提供了一系列好處。

儲能系統的規?？梢酝ㄟ^其裝機容量（最大瞬時功率）來表征，以兆瓦(MW)為單位；其儲能容量以兆瓦時(MWh)為單位；以及往返效率（RTE）用于衡量充放電的效率。

儲能系統的儲能容量與裝機容量的比值就是持續時間，以小時為單位——這是儲能系統從充滿電開始提供最大功率的時間長度。目前大多數部署的電池儲能的持續時間為4小時或更短；大多數現有抽水蓄能(PSH)設施的持續時間為8到12小時或更長時間。儲能技術的能量密度也有所不同（能量密度是單位體積可以存儲的最大能量）。具有高能量密度的電池技術特別適用于電動汽車(EV)和移動電子產品；盡管如此，能量密度較低的電池技術仍可用于電力系統應用中的存儲，而在這些應用中，空間的有效利用通常不太重要。儲能技術在其他屬性上也有所不同，包括特定儲能系統規模經濟的程度（地理足跡和模塊化）以及其性能隨使用而下降的程度。

該報告中考慮的技術根據其電力和能源容量成本分為三大類（見圖1）。一般來說，儲能容量成本較低和裝機容量成本高（圖中藍色區域）的儲能技術最適合作為長時儲能（持續時間最多可達數天），這些儲能技術的充放電不太頻繁，例如熱儲能、化學儲能、金屬空氣電池和抽水蓄能設施等。而棕色區域的儲能技術（其中包括鋰離子電池儲能系統），更適合持續時間較短的儲能應用（持續時間為幾個小時）和更頻繁的充放電。具有中等能力的儲能技術（包括液流電池）處于綠色區域。

圖1基于裝機容量和儲能容量成本不同的三種儲能技術

電力系統采用的儲能技術

這項研究從電化學、熱儲能、化學儲以和機械儲能四個方面考察和研究儲能技術。但沒有對這些類別中的所有選項進行編目，更不用說進行評估。與其相反的是，研究人員重點放在每個類別中儲能技術的示例上，并試圖突出這些儲能技術應用的問題。研究團隊考慮的一些儲能技術都經過驗證，可用于商業部署，例如鋰離子電池儲能系統、抽水蓄能發電設施和一些熱儲能系統。而另一些儲能技術則需要進一步的研究、開發和示范，直到本世紀30年代或20世紀40年代才有可能大規模上市或應用。表1總結了對近期（到2030年）各種儲能技術和儲能支持技術及實踐可用性的評估。在這份研究報告中考慮的儲能技術都可能在2050年前實現商業化運營。

表1 選定儲能技術當前創新狀況調查結果摘要

能源技術和其他與制造相關的技術的成功創新通常要經過五個階段：創意、研發、中試、演示和測試、部署。表1展示了各種儲能技術的當前階段。私營企業為儲能技術（特別是用于汽車的鋰離子電池）提供了大量風險投資。正如這個研究項目中所討論的那樣，電動汽車電池的開發顯著地改善了電池儲能系統在電力系統的采用。到目前為止，長時儲能技術還沒有得到其他市場驅動因素的類似幫助。當可變可再生能源（VRE）滲透率較低時，長時儲能系統（持續時間大于12小時）的應用價值較低，但隨著脫碳要求變得更加嚴格和對可變可再生能源（VRE）發電的依賴增加時，長時儲能技術顯然變得更有價值。如果電網運營商在淘汰天然氣燃料發電設施（有或沒有碳捕獲和儲存）的情況下尤其如此。長時儲能系統在高度脫碳的電力系統中所能提供的價值表明，政府部門應根據不同技術所達到的創新階段，并加大對各種長時儲能系統的支持力度。

當前的政策重點是相對短期的脫碳目標，這促使公眾和私人都關注涉及相對成熟技術的下游技術示范和部署。美國能源部（DOE）可以在這一領域發揮有益的作用，但其參與應該反映出從過去的演示和部署工作中吸取的兩個重要教訓。首先，美國政府應允許更多的行業聯合技術示范項目，不受《聯邦收購條例》和其他限制技術開發和示范的商業條款的限制。對技術示范和早期部署活動進行公共投資的目的是傳播知識，這與要求分攤成本以換取知識產權等政策不符。

其次，加速任何商業技術部署的努力應該依賴于獎勵成功但不干預項目管理的激勵和機制。美國政府提出了一系列儲能技術的稅收抵免政策，此外還有輸電和各種清潔發電技術的稅收抵免政策，其中包括風電設施和太陽能發電設施。發電技術可以將基于績效的付款（如生產稅減免）與發電指標直接掛鉤，對儲能系統等非發電能源技術的基于性能的支持必須基于預設的開發和運行測試措施。

電化學儲能

電化學儲能系統包括這個研究項目中討論的現有電池以及新電池，通常比機械儲能系統和熱儲能系統具有更高的能量密度，但比化學儲能系統具有更低的能量密度。電池儲能系統的充放電往返效率范圍廣泛，從鋰離子電池儲能系統的95%到金屬空氣化學電池儲能系統的40%。而緊湊的占地面積以及獨立于水文和地質資源的特點，使電池成為一種用途廣泛、高度可擴展的儲能技術，其尺寸可以適用于從發電廠到住宅的各種儲能應用。因此該研究報告得出了幾個關鍵結論。

鋰離子電池具有高能量密度、高功率密度和高往返效率，有助于其在電動汽車中幾乎無處不在的使用，并在短時儲能（通常持續時間為4小時或更短）應用場景中廣泛使用。鋰離子電池在快速增長的電動汽車市場中的主導作用吸引了私營部門的大量投資，并支持美國電池制造能力的快速擴張。目前用于電池制造的關鍵材料價格和可用性導致鋰離子電池成本較高，可能會限制在未來的部署，從而激發開發商轉向采用更豐富元素的化學物質。鋰離子電池正在大力尋求的其他進步也將支持成本和性能的改進。鑒于這些趨勢，鋰離子電池將繼續成為電動汽車和短期儲能系統的領先技術，但其在儲能容量方面，其成本不太可能降到其他成本低廉的長時儲能系統（>12小時）的程度。

為了讓長時儲能的應用更加經濟，美國能源部應該支持研究、開發和示范，以推進依賴豐富材料替代的電化學儲能技術。長時儲能系統的成本、壽命和制造規模要求有利于探索新型電化學技術，例如氧化還原液流電池和金屬空氣電池，這些電池使用廉價的材料和更適合長時儲能的電池設計應用程序。雖然幾種新型電化學技術已經顯示出良好的發展前景，但在關鍵科學、工程和制造挑戰方面仍存在知識差距，這表明政府部門協調支持具有很高的價值。其他國家（尤其是中國）正在積極尋求這些技術的創新。

熱儲能

熱儲能 (TES)具有適合長期存儲能量的屬性，包括在低成本材料中有效存儲熱量的能力。這份研究報告討論了幾種通用的熱儲能 (TES)策略，這些策略反映了不同程度的技術水平。

一種可能的熱儲能 (TES)方法側重于通過在現有發電廠重新使用蒸汽輪機并增加儲熱和蒸汽發生器來代替現有的采用化石能源的燃料鍋爐，從而降低將熱能轉化為電能的成本，這是熱儲能 (TES)系統主要的成本組成部分。這種改造現在可以使用經濟可行的技術來完成，它可能對工廠和當地社區很有吸引力，因為它可以作為一種使用資產的方式，否則這些資產會隨著電力系統的脫碳而被廢棄。

化學儲能

氫氣被廣泛認為是一種領先的化學儲能介質，因為它可以在簡單的步驟中直接從電力中生產出來，并作為發電燃料或其他工業過程的原料或熱源使用。因此該研究項目在化學儲能部分重點介紹氫氣。

氫氣作為電力部門的一種儲能形式，其作用可能取決于氫氣在整體經濟中的使用程度和在未來的生產、運輸和儲存的成本，以及氫氣用途的創新速度。氫氣目前作為許多工業過程的原料生產、運輸、銷售。如今，主要的制氫技術依賴化石燃料生產，并會產生碳排放。而利用低碳電力通過電解水生產低碳氫氣的能力，可以支持工業和運輸等最終用途部門以及電力部門的脫碳。圖2展示了在可再生能源發電量較低的時期，通過電解產生的氫氣如何作為工業和發電的低碳燃料。將電解槽用作電力系統的可調度負荷，還可以通過提高可再生能源資源的容量利用率來降低電力系統脫碳成本。

圖2 氫氣在電力行業的耦合示意圖

研究團隊致力支持美國能源部為制定解決氫氣生產、運輸和儲存問題的國家戰略所做的努力。特別是，現有的天然氣輸送管道是否能夠在不受影響的情況下輸送氫氣，無論是在減壓下，還是在氫氣與天然氣或其他化合物混合的情況下，安全性仍然是一個懸而未決的問題，需要美國能源部和美國交通部開展政府支持的研究。朝著這個方向邁出的重要一步是最近的立法呼吁美國至少建立四個氫氣生產樞紐。

機械儲能

電能可以轉化為重力勢能、動能等多種形式的機械能；電能也可用于壓縮氣體（例如空氣）。其中一些形式的機械能適用于大規模和長時間的儲能。作為一個類別，機械儲能包括多種技術。然而，所有這些技術的一個共同特點是它們的能量密度遠低于化學儲能或電化學儲以技術的能量密度。因此，機械儲能系統往往占地面積大，并且對地理位置和條件的要求較高，因此它們不太適合在小型設施中使用。

抽水蓄能設施(PSH)將能量存儲在上游水庫的中。抽水蓄能設施(PSH)是一種廣泛部署的成熟儲能技術，占全球各地和美國目前存在的電網規模儲能容量的90%以上。然而，自從上世紀90年代以來，抽水蓄能發電設施(PSH)的部署在美國和其他國家顯著放緩。除了其他因素之外，這一趨勢反映了由于更多地使用靈活的天然氣發電而導致日內能源套利價值降低。此外，抽水蓄能設施(PSH)項目的初始投資成本高，規模和選址要求不靈活；從歷史上看，這些項目也經歷了漫長的建設周期和重大的成本超支。

雖然不是嚴格意義上的電能存儲技術，但現有的傳統水電設施可以在平衡嚴重依賴可再生能源的電力系統供需方面發揮更大的作用。在具有巨大潛力發揮這一作用的地方，電力系統規劃者應該考慮增加水庫用于平衡電力系統的水量。

先進壓縮空氣儲能(CAES)系統將壓縮空氣儲存在地下洞室或地上儲罐中；一些先進壓縮空氣儲能(CAES)系統還可以存儲壓縮空氣時產生的熱量。這項技術已被廣泛討論為潛在的電網規模儲能系統，但它面臨大規模部署的重大障礙。盡管先進壓縮空氣儲能(CAES)的成本估算存在多種不確定性，但該技術的成本通常高于未來可用儲能技術的成本。

將儲能系統與正在退役的現有電廠共址部署，可以通過共享使用現有電網互連設施以及在某些情況下其他電廠設施來降低儲能成本。使用現有的互連設施將節省時間和成本。此外，如上所述，現有化石燃料渦輪機可以在熱儲能系統中重復使用，該系統使用零排放熱量或燃料為現有渦輪機提供動力。美國能源部應該調查熱儲能技術的成本和系統影響，以及其他有望重用現有資產的方案，以及鄰近社區對此類重用策略的社會接受度，并應在適當的情況下贊助示范項目。

具有儲能功能的高效可再生能源電力系統：建模結果、對治理和政策的影響

本節探討了儲能系統在發達國家和新興市場發展中經濟國家背景下的潛在作用。美國和印度三個不同地區的結果分別說明了這兩個國家的儲能部署情況。

（1）發達國家的建模結果：美國三個地區

研究團隊對美國電力部門的建模集中在三個地區：東北部地區（紐約州和新英格蘭地區）、東南部地區以及德克薩斯州在2050年最新部署的儲能系統。這些地區在電力需求概況、風力發電和太陽能發電資源以及水電和現有核電資源的可用性方面存在顯著差異。這些差異會影響在沒有碳排放限制的情況下成本最低的發電組合以及實現不同程度脫碳的成本。圖3顯示了2050年每個地區在兩種政策情景下的年發電量、可交付能源容量和電力系統電力成本的模擬預測：無碳限制和排放限制在5克碳排放量/kWh。如果2050年的電力需求與2018年的水平相同，那么將美國電力部門的平均碳強度降低到5克碳排放量/kWh，將使2050年的碳排放量與2005年相比降低99.2%。另一方面，如果2050年用電量增長的需求大于2018年，正如該項研究用于模擬儲能系統影響的電力需求情景中所預測的那樣。美國各行業的平均碳排放量與2005年相比，電力部門排放量減少了98.7%。圖3說明結果來自僅假設鋰離子電池和抽水蓄能的情景可用，研究團隊對美國地區的建模評估了廣泛的其他儲能技術。

圖3 相對于電力需求的年發電量

儲能技術能夠替代或補充電力系統的所有其他要素（包括發電、輸電和需求響應），再加上氣候變化對電力需求和供應的不確定性影響，意味著需要采用更復雜的分析工具。需要規劃、操作和規范未來的電力系統，并確保電力系統的可靠性和效率。重要的關注領域包括電力系統穩定性和調度（包括在系統調度和批發市場中實現分布式存儲和發電資產的參與和補償）、資源充足性和零售率設計。新分析工具的開發必須伴隨著對監管機構補充人員配備和技能提升計劃的額外支持。這項工作應由美國能源部與獨立系統運營商和區域輸電組織(ISO/RTO)合作開展。

在深度脫碳的電力系統中，每小時批發價格或能源邊際價值的分布將會發生變化，與目前的批發市場相比，電力的零價格或極低價格的時間要多得多，高價格的時間也要多得多。

這是因為，與目前主要依賴火力發電設施的電力系統相比，以可再生能源為主的部署儲能系統的電力系統將具有相對較高的固定投資成本和相對較低的邊際運營成本。圖4比較了德克薩斯州電力可靠性委員會(ERCOT)的電力系統中2018年和2019年的每小時批發電價格分布，該電力系統幾乎覆蓋了德克薩斯州的所有地區，以及2050年的情景。圖中的條形代表無限制和受碳限制的德克薩斯建模案例的價格分布。增加對可再生能源發電設施的依賴，邊際成本為零。隨著碳限制變得更加嚴格（即允許的排放量逐漸降低），這種影響會增加。在價格最高的時段，如柱形頂部和圖中的分解部分所示，模擬價格明顯高于當前德克薩斯州電力可靠性委員會(ERCOT)市場的價格。

圖4 德克薩斯州每小時能源邊際批發價格

相對較高的資本成本和價格非常低的更長時間相結合，將為可再生能源的發電和存儲帶來融資挑戰，特別是因為監管機構可能會繼續限制（就像他們目前所做的那樣）極高的價格，否則這些價格可能會支持成本回收。批發電價的未來模式和通過脫碳電力電氣化使其他行業脫碳的目標，也強化了采用零售定價和零售負荷管理選項的好處。

允許在具有更好的位置增加可再生能源的部署，并通過平衡連接區域之間的資源間歇性和減少可再生能源供需地理差異的影響來改善可再生能源集成，這對于具有成本效益的脫碳也很重要。目前，具有成本效益的輸電項目將具有豐富可再生能源的地區的電力帶到主要負荷中心的可能性將面臨延長的延誤或取消，這表明需要進行法律和監管變革以減少輸電擴展的障礙。輸電容量的不足可能會導致儲能系統在未來發揮更大的作用以及電力系統在未來更高的成本。

（2）新興市場、發展中經濟體國家的建模結果：印度

研究表明，依賴燃煤發電的新興市場和發展中經濟體無法獲得豐富的低成本天然氣基礎設施，例如印度代表了儲能技術電力系統應用的一個非常龐大且重要的未來市場。該項研究的建模表明，儲能系統將主要部署在輸電層面，在城市配電網絡中還有重要的附加應用。整體經濟增長（尤其是空調在印度的迅速普及）將成為儲能部署的主要驅動力。假設技術成本持續下降，發現從成本的角度來看，印度的可再生能源發電設施在中長期內與燃煤發電廠競爭具有優勢，但現有燃煤發電廠仍然缺乏碳定價，如圖5左側所示。圖5右側顯示了假設印度可以使用低成本儲能系統和可再生能源發電技術的場景的建模結果。這些結果表明，與基線預測相比，印度電力系統的系統成本和模擬二氧化碳排放量均顯著降低（見左圖）。無論碳排放是否有上限或稅收，電力系統成本和二氧化碳排放都會降低。這一結果突出了降低儲能成本的全球環境效益。

圖5 鋰離子電池儲能成本預測對印度大容量電力系統演進的影響

其他研究主題

除了該研究中討論主題之外，還有幾個與儲能系統相關的主題值得關注。其中包括：（1）制造和供應鏈趨勢，對儲能技術的可用性和成本以及美國競爭力的影響；(2)經濟范圍內脫碳的經濟和監管政策框架的穩定性與實現凈零碳電力部門所需的時間之間的關系；(3)建立對報廢電池回收和再利用的期望；(4)環境鑒定，特定儲能系統的健康和安全方面；(5)負載靈活性和需求響應的實際可用范圍，以減少儲能需求和相關成本。 （未經許可，嚴禁轉載，未完待續）

麻省理工學院能源計劃未來研究報告

麻省理工學院能源計劃未來研究報告：儲能技術的未來（一）

麻省理工學院能源計劃未來研究報告：儲能技術的未來（二）

麻省理工學院能源計劃未來研究報告：儲能技術的未來（三）

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麻省理工學院能源計劃未來研究報告：儲能技術的未來（五）

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