儲(chǔ)能成本下降：實(shí)現(xiàn)100％可再生能源發(fā)電的路徑

孫一琳

眾所周知，實(shí)現(xiàn)100%可再生能源發(fā)電要求電網(wǎng)具備很大的靈活性，需要用多種方式去平衡風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的波動(dòng)。目前來(lái)看，有多種提升電網(wǎng)靈活性的有效途徑，增加儲(chǔ)能設(shè)備是其中之一。但就現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)而言，高成本是其在可再生能源領(lǐng)域發(fā)揮作用的巨大掣肘。未來(lái)，儲(chǔ)能有希望通過(guò)新材料、新技術(shù)、新形式等的研發(fā)，成本達(dá)到預(yù)期水平，從而推動(dòng)100%可再生能源的實(shí)現(xiàn)。

一項(xiàng)新的研究

近日，麻省理工學(xué)院研究人員Jessika Trancik帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)為此展開(kāi)了一項(xiàng)研究。傳統(tǒng)的建模方法一般考慮特定的需求并假設(shè)一個(gè)技術(shù)成本，而該研究的創(chuàng)新之處在于，Trancik的團(tuán)隊(duì)首先構(gòu)建了一個(gè)場(chǎng)景，即100%可再生能源，然后反推要想成為最經(jīng)濟(jì)的選擇，儲(chǔ)能的成本需要降至多少。

團(tuán)隊(duì)選擇了四個(gè)地點(diǎn)：亞利桑那州、愛(ài)荷華州、馬薩諸塞州和德克薩斯州，并收集了20年的數(shù)據(jù)。在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間跨度內(nèi)測(cè)試可再生能源是很有必要的。太陽(yáng)能和風(fēng)能除了每天和每周的波動(dòng)，還可能有每年甚至多年的波動(dòng)。事實(shí)上，通過(guò)回顧過(guò)去20多年，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)罕見(jiàn)的現(xiàn)象，其中風(fēng)能和太陽(yáng)能都在異常長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于較低的水平。這些罕見(jiàn)的事件導(dǎo)致了所需存儲(chǔ)量的激增。對(duì)這部分的規(guī)劃會(huì)使純可再生能源系統(tǒng)的成本大大增加。

對(duì)于這四個(gè)州，Trancik的團(tuán)隊(duì)模擬了一個(gè)可再生能源+儲(chǔ)能系統(tǒng)，其“等效可用性系數(shù)”（EAF）為100%。這意味著該系統(tǒng)將精確地匹配供求關(guān)系，在20多年的時(shí)間里，每天每小時(shí)都能提供基本負(fù)載、中間負(fù)載和峰值功率。

這是一個(gè)很高的標(biāo)準(zhǔn)：該系統(tǒng)能提供足夠的存儲(chǔ)空間，以適應(yīng)未來(lái)20年風(fēng)能和太陽(yáng)能的任何可能波動(dòng)。

該研究表明，可再生能源+儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能成本必須降至20美元/千瓦時(shí)左右，才能在為美國(guó)提供100%可再生能源的任務(wù)上具有成本競(jìng)爭(zhēng)力?，F(xiàn)實(shí)比理想更樂(lè)觀

這些都是極其艱巨的成本目標(biāo)——不是超出了可能的范圍，而是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了大多數(shù)主流預(yù)測(cè)的邊緣。從表面上看，該系統(tǒng)依賴于技術(shù)成本近乎“夢(mèng)幻”般的下降，這似乎證實(shí)了一個(gè)完全的可再生能源+儲(chǔ)能系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的。但是再進(jìn)行深入探討，這個(gè)結(jié)果遠(yuǎn)比看上去的更加樂(lè)觀。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)定了一個(gè)極高的標(biāo)準(zhǔn)：一個(gè)完全由可再生能源構(gòu)成的系統(tǒng)，完全由存儲(chǔ)來(lái)靈活處理，以滿足20年來(lái)每天每時(shí)每刻的需求。只要稍微放寬這些限制，儲(chǔ)能必須達(dá)至0的成本目標(biāo)就會(huì)上升到更容易控制的水平。

首先，必須明確的一點(diǎn)是，沒(méi)有一個(gè)電力系統(tǒng)是百分之百可靠的，電力管制和調(diào)峰任何時(shí)候都存在。100%的等效可用性系數(shù)是不切實(shí)際的。Trancik團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，如果等效可用性系數(shù)的目標(biāo)從100%降低到95%，那么儲(chǔ)能的成本目標(biāo)就能降低到150美元，千瓦時(shí)。在現(xiàn)有技術(shù)的范圍內(nèi)，這個(gè)數(shù)字更容易實(shí)現(xiàn)。

為什么降低一點(diǎn)點(diǎn)等效可用性系數(shù)能緩解如此大的儲(chǔ)能壓力？主要是由于那些罕見(jiàn)的長(zhǎng)時(shí)間低風(fēng)速、低光照的氣象事件。在20年的時(shí)間里，它們不會(huì)經(jīng)常發(fā)生，但是當(dāng)它們發(fā)生時(shí)，預(yù)備足夠的儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)處理它們，導(dǎo)致成本加倍。實(shí)際上，有一些其他的手段可以處理那些罕見(jiàn)的事件。

其次，該團(tuán)隊(duì)正在為一個(gè)系統(tǒng)建模，其中儲(chǔ)能幾乎承擔(dān)了所有的靈活性需求。事實(shí)上，電網(wǎng)靈活性還有其他來(lái)源，比如負(fù)載的靈活性。這是一種能夠及時(shí)轉(zhuǎn)移、分散電力需求側(cè)需求的模式。來(lái)自電網(wǎng)的長(zhǎng)距離輸送也可以增加電網(wǎng)靈活性，將可再生能源從生產(chǎn)地區(qū)輸送到需要的地區(qū)。另一種是可調(diào)度的可再生能源，如順流而下的水力和先進(jìn)的地?zé)岬取Ｋ羞@些措施都能有效增加電網(wǎng)的靈活性，推動(dòng)可再生能源的發(fā)展。

再次，隨著可再生能源的成本下降，實(shí)現(xiàn)可再生能源+儲(chǔ)能系統(tǒng)也會(huì)變得更容易。Trancik的團(tuán)隊(duì)對(duì)數(shù)據(jù)的選擇非常保守。例如，他們研究選取1美元，千瓦時(shí)的電價(jià)數(shù)據(jù)。這個(gè)電價(jià)并不符合實(shí)際情況。因此，如果可再生能源能大幅降低成本，那么擴(kuò)大可再生能源的規(guī)模將變得更便宜、更容易，進(jìn)而將緩解儲(chǔ)能壓力。

簡(jiǎn)而言之，儲(chǔ)能系統(tǒng)的20美元/千瓦時(shí)成本目標(biāo)肯定比現(xiàn)實(shí)世界的要求更為嚴(yán)格。即使是95%的等效可用性系數(shù)所需的150美元，千瓦時(shí)也過(guò)于苛刻。在現(xiàn)實(shí)世界中，儲(chǔ)能將得到其他提高電網(wǎng)靈活性形式的幫助，成本可能會(huì)比任何人預(yù)測(cè)的都要低。不同儲(chǔ)能技術(shù)的安裝成本

儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展也有力地推動(dòng)著可再生能源+儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本下降。國(guó)際可再生能源署（IRENA）于2017年發(fā)布了一份報(bào)告，預(yù)測(cè)到2030年，定置型鋰離子電池的總安裝成本將下降到145～480美元，千瓦時(shí)，中間的波動(dòng)取決于電池的化學(xué)成分。鋰離子電池僅僅是研究人員通常選取的一個(gè)參考，將存儲(chǔ)技術(shù)的原材料成本作為其總成本的下限。除此之外，還有很多其他種類的儲(chǔ)能方式可供選擇。

該報(bào)告稱，2016年，兩種主流電池技術(shù)，即全釩氧化還原液流電池和鋅溴液流電池的總安裝成本在315～1680美元/千瓦時(shí)之間。預(yù)計(jì)到2030年，成本將降至108～576美元，千瓦時(shí)。目前有液流電池公司聲稱現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)可以做到。

鈉硫電池和鈉，氯化鎳電池已經(jīng)出現(xiàn)了一段時(shí)間。報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，至02030年，鈉硫電池的安裝成本將下降到120～330美元，千瓦時(shí)，鈉，氯化鎳電池的安裝成本可能會(huì)達(dá)到130～200美元，千瓦時(shí)。

壓縮空氣蓄能設(shè)備的基本安裝成本約為50美元/千瓦時(shí)，如果現(xiàn)有水庫(kù)可用，則會(huì)降到40美元，千瓦時(shí)。

此外還有蓄熱方案，比如越來(lái)越受歡迎的將電以熱能形式儲(chǔ)存在熔融鹽中的方案，據(jù)稱其成本將低至50美元，千瓦時(shí)。

有一個(gè)比較有意思的設(shè)想是，未來(lái)將會(huì)有數(shù)百萬(wàn)千瓦的電動(dòng)汽車電池被廢棄，人們可以將這些廢舊電池收集起來(lái)搭建一個(gè)儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)，這部分儲(chǔ)能的成本是極低的。

儲(chǔ)能正在迅速發(fā)展，技術(shù)呈現(xiàn)多樣化，成本也在下降。其與太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)電的結(jié)合推動(dòng)著可再生能源系統(tǒng)開(kāi)始在成本上與化石燃料展開(kāi)直接競(jìng)爭(zhēng)。隨著可再生能源和儲(chǔ)能成本的降低，這套系統(tǒng)將具備更大的競(jìng)爭(zhēng)力。只要價(jià)格足夠低，100%可再生能源將成為現(xiàn)實(shí)。