麻省理工学院能源计划未来研究报告
第1章 简介和概述
1.1、动机和重点
这是麻省理工学院能源倡议发起的一系列未来研究中一个最新研究，旨在为决策者提供有用的参考，并提供平衡的、基于事实的建议，以改善公共政策，尤其是在美国。本系列的早期研究已经考虑了核电、燃煤发电（捕获和封存二氧化碳排放）、天然气、电网和太阳能发电的未来，而所有这些都是当今能源领域的主要特征。这些研究都关注特定技术或基础设施在经济高效、碳排放受限的世界中发挥的作用，并关注需要采取什么措施来促进这些贡献。这些研究的时间范围是2050年（及以后）；这项研究同样展望到2050年，尽管研究团队也对在2030年更近的时间范围内大规模部署的技术感兴趣。
1.1.1、动机
此项研究考虑了电力系统中储能技术的未来发展。储能技术当然并不是什么新鲜事。抽水蓄能最早出现在在19世纪后期的欧洲，直到2020年，抽水蓄能水电仍占全球电网规模储能系统总储能容量的99%左右。世界各国认识到需要大幅减轻气候变化造成的损害减少经济范围内的温室气体排放，最重要的是减少碳排放量，而这是增加对储能部署的兴趣和投资的根本原因。而缓解气候变化的各种州、地区、国家和国际目标和时间表要求实现净零排放，其时间表范围从2035年到2050年及以后。净零排放允许通过负排放技术抵消未来电力系统中的少量排放，这些技术从大气中去除并存储二氧化碳，而零排放目标则不允许这样的抵消。
要在经济范围内实现极低的碳排放量，就需要所有部门都实现大幅减排。大多数研究得出的结论是，实现极低经济范围碳排放的途径包括使电力部门脱碳，并在运输、工业和建筑行业中尽可能多地用脱碳电力替代化石燃料。这项研究的主要重点是储能系统在以具有成本效益的方式使电力部门脱碳方面发挥的作用。
电力部门当前和可预见的最重大变化是可变可再生能源（即风能和太阳能）在发电中迅速替代化石燃料。图1.1显示了美国和全球风能和太阳能发电量的历史增长率。这些技术的快速发展伴随着成本的降低，如图1.2所示。在全球范围内也观察到了类似的成本趋势。可再生能源的产能扩张和成本降低预计将会持续。
图1.1美国和全球的太阳能发电设施（a）和风力发电（b）的装机容量
图1.2美国太阳能发电设施和风电设施的安装成本
可再生能源渗透率的提高使储能系统更具吸引力，因为可再生能源发电是间歇性的：其电力输出随时间变化且无法完全预测。而应对间歇性的一种方法是使用储能系统来进行能源套利——也就是说，将电能的可用性从充足的时间（较低价格）转移到短缺的时间（较高价格）。在可再生能源渗透率增长的同时，锂离子电池的成本也在迅速下降，如图1.3所示。这种成本降低是主要是由于交通运输领域车辆的电气化程度不断提高，以及锂离子电池在移动消费电子产品中的使用。
图1.3 2010~2021全球锂离子电池价格发展趋势
与其他两个领域的需求相比，电力行业对这些的电池的需求非常小（如图1.4所示），但锂离子电池储能系统在电力行业的部署变得更具吸引力，并且在过去几年中迅速增加。
图1.42011～2021年期间全球电动汽车和电力行业中的储能系统采用的锂离子电池(GWh)
近年来，一系列储能技术也取得了显者进步，其中包括锂离子电池储能系统，旨在提高性能并减少对供应链受限的金属材料的依赖。此外，用于电力储能和化学储能的热储能新方法（例如通过可用于发电的氢气的生产和储存）表明，这些可能是电力系统储能技术的有用补充。这项研究发现，在技术成熟的不同阶段，各种储能技术显示出能够经济可行地应对可再生能源发电的间歇性。
部署储能系统只是有效应对可再生能源间歇性的一种工具。例如，部署足够的可再生能源以满足100%以上的需求可能是最佳选择。由于这种“过度建设”，即使在可再生能源发电量不足的情况下（例如在冬季），可再生能源也可以满足大部分需求，但在其他时候，可再生能源发电量将显著超过需求，需要削减这些发电量。而扩展输电设施的电力容量可以通过容纳更大地理区域的可再生能源发电来缓解其可变性。可调度的清洁能源技术（例如地热或生物质）的进步可能会消除对储能容量的一些需求。此外，提高企业和家庭将电力需求从能源稀缺（价格高涨）时期转移到其他时期的能力，或在能源短缺时期完全减少用电量，将促进可再生能源整合。最后，负排放技术的进步可以提供经济补偿，以促进实现净零排放，同时允许一些化石燃料发电巩固可再生能源发电。具有完全碳捕获和封存(CCS)的天然气发电是可以从经济补偿中受益的技术的一个典型例子。
1.1.2、研究重点
在这项研究中，研究团队将重点限制在电力部门未来的储能机会上。也就是说，只研究电能存储技术，也就是以各种形式存储电量，然后将存储的电能返回电力系统。研究团队详细讨论的技术示例包括锂离子电池、氧化还原液流电池、金属空气电池、抽水蓄能设施、热泵和氢气储能。
如上所述，锂离子电池的成本下降主要是由于它们在电力系统之外的开发和使用，特别是在电动汽车(EV)的应用中。这项研究着眼于其他两种储能技术的类似跨部门耦合的潜在好处：热储能和氢气储能。
虽然这项研究使用热量作为一种储存电力的机制，但热储能的使用范围远远超出了发电范围。在工业领域，高温热源主要用于工业制造行业，例如钢铁制造、水泥制造以及化学和精炼业务。而在建筑领域，环境温度调节和热水需要热量。存储用于火力发电的热量（或通过将电力转化为热量）在跨部门应用中非常具有成本效益，从而可以更有效地利用核能、燃料、地热和可再生能源等热能（通过电阻加热）)通过缓冲来自最终用途的热源（在多个部门）。这种解耦的想法很自然地导致了以后文章中讨论的火力发电厂的热储能改造策略。当然，在这项研究的范围之外，热储能的范围要广泛得多。氢气的生产和使用也说明了跨部门互动的潜在重要性。氢气在电力应用中的一个挑战是，在可预见的未来，电力部门的具有成本效益的储氢量太小，无法通过使用可再生能源来显著降低生产氢气的成本。
此外，氢气目前并未从其他行业的大量需求中受益，就像交通应用的需求使锂离子电池受益一样。因此，研究团队的调查可能受益于廉价的氢气替代天然气作为高温热源的工业部门是否可能发挥这一作用。
该研究主要针对美国电力系统。在研究团队的建模工作中，解决了美国可能影响未来电力系统储能部署的地理差异。这种多样性源于可再生能源和其他资源的区域差异；来自公众对不同发电选择、土地利用和输电选址的态度；从电力需求的性质来看；以及不同的区域脱碳政策和方法。从美国的区域研究中汲取的经验教训，有助于了解储能系统在世界其他国家和地区未来能源系统中可能发挥的作用。该报告瞠特别关注印度背景下的机遇，这在许多重要方面与美国的情况不同，特别是在国内天然气供应不足和电力需求快速增长方面。
除了这项研究中涉及的主题之外，一些与储能相关的主题值得在其他工作中关注：（1）制造和供应链趋势，以及它们对储能的可用性和成本以及美国竞争力的影响；(2)经济范围内脱碳的经济和监管政策框架的稳定性与实现净零碳电力部门所需的时间和成本之间的关系；(3)需要建立对电池报废回收或再利用的期望；(4)确定特定电力储能系统的环境、健康和安全方面；(5)负载灵活性和需求响应的实际可用范围，以减少电网储能需求和相关成本。
1.2、储能系统在电力系统中的作用
储能服务大致可分为四类：能源套利、辅助服务、输配电基础设施服务以及客户能源管理服务。本文将提供储能系统可以提供的服务的定义和示例。在实际使用中，一种储能技术或多种储能技术可能支持多种业务。
能源套利是指将电能从低价值时期转移到高价值时期，是储能系统在当今电力系统中的主要服务，并且很可能成为其未来的主要服务。间歇性可再生能源发电的集成推动了这一机会，随着可再生能源渗透率的增加，能源套利的机会将增加。图1.5显示了覆盖德克萨斯州大部分地区的2021年太阳能发电设施和风力发电负荷的每日和季节性变化。有时风力发电设施的电力可以从白天到黑夜为太阳能发电提供补充（反之亦然），但德克萨斯州有很长一段时间风力发电量很少，例如从2021年6月下旬到7月上旬，。这会导致储能系统的能源套利可以获得显著的的潜在收益，如今储能系统的持续时间通常在4小时或更短的时间内，以及在多天的时间跨度内转移，例如超过12小时的长时储能。研究团队研究了多种储能技术，以了解哪些技术适合在未来能源系统中的这些短时储能和长时储能的角色。
图1.5德克萨斯州风力发电和太阳能发电的每日变化
为电力系统提供辅助服务的储能系统可以在短时间内提供电力，但需要更快的响应时间（从不到一秒到几分钟）。这些辅助服务包括：
频率调节是使用储能系统来抑制由发电和负载需求之间的瞬时差异引起的波动。这通常在每分钟或更短的时间内自动执行。在可再生能源主导的电力系统中，此功能取代了热力发电设施中的旋转涡轮机提供的惯性。
负载跟踪类似于频率调节，是一种管理电力系统波动的连续电力平衡机制。但是在这种情况下，干预的时间范围更长，从15分钟到24小时不等。
电压支持是指维持输配电系统中的电压水平。
黑启动能力是指电站在发生电力系统崩溃的情况下，不依赖输电网络而重新启动的能力。
补充储备可以为电网提供额外的电力（通常是来自额外的发电能力），响应时间不到10分钟（有时满足其他要求）。这些储备的电力可用于在不可预见的负载波动或紧急情况下保持系统频率稳定性。
输配电(T&D)基础设施服务有助于推迟对资本密集型输配电升级或投资的需求，以缓解输配电网络中的临时拥塞或潜在变电站过载。这些服务通过在高峰期在瓶颈和负载之间向电网注入能量来工作。
客户能源管理服务，包括增强的可靠性和减少峰值负载，可以由部署在客户现场的规模相对较小的储能系统提供。
1.3、储能技术的关键属性、成本维度、技术类别以及环境、健康和安全考虑因素
此项研究中考虑的储能技术在技术准备、成本和性能、模块化、组件材料的丰富性和成本、单位体积的能量密度以及环境、健康和安全(EHS)方面具有一系列特征。在这些属性和其他属性中，研究团队主要关注成本特征，因为成本将是电力系统大规模部署的主要因素。例如，小规模的能量密度或效率等因素在储能领域的重要性远低于电动汽车或消费电子应用。研究团队预计，在建模中包含的所有储能技术都可以在2050年之前为商业部署做好准备。
1.3.1、成本维度和技术等级
回顾发电设施的标准成本分析作为更复杂的储能系统分析的背景是有用的。发电设施的容量通常由其最大瞬时功率容量来描述，以兆瓦(MW)为单位。大致而言，发电设施的成本有两个组成部分：装机容量（单位为MW)资本成本（包括不随发电量变化的年度成本）和储能容量成本（单位为MWh)发电的运营成本（包括燃料成本，加上其他随发电量变化的年度成本）。
一些分析师通过使用称为平准化能源成本（LCOE）的数量来总结特定技术的发电成本。计算特定热力发电技术的平准化能源成本（LCOE）需要对典型发电设施的燃料成本和年产量概况做出假设。然后可以将平准化能源成本（LCOE）的计算为仅涵盖典型发电设施的资本和运营成本的发电的平均收入。很明显，平准化能源成本（LCOE）不能地用于比较具有非常不同输出曲线的热电厂的投资吸引力：始终运行以提供基本负荷电力的核电厂和仅用于提供基本负荷电力的燃气电厂。例如，一直运行以提供基本负荷电力的核电厂和仅用于满足峰值需求的天然气发电厂。出于同样的原因，并且由于可再生能源发电量取决于输出电力的时间，因此使用平准化能源成本（LCOE）来比较可再生能源发电设施机和化石燃料发电设施的意义就更小了。在这项研究中并不使用平准化能源成本（LCOE）。
描述储能系统成本比描述发电设施的成本要复杂得多。储能系统容量至少有两个甚至三个容量维度，通常可以独立变化。与发电设施一样，储能系统容量的一个要素是它可以提供给电网的最大瞬时功率（以MW为单位），换句话说是其放电容量。对于某些技术，储能系统可以从电网获取的最大瞬时功率（也称为充电功率容量）可能与其放电容量不同。此外，储能系统的特点是其储能容量（以MWh为单位)。储能系统的储能容量与其最大放电容量的比率是其持续时间，以小时为单位：这是储能系统从完全充电开始可以提供最大功率的时间长度。大多数现有的电池储能系统设施的持续时间为4小时或更短；大多数现有的抽水蓄能(PSH)发电设施的持续时间为12小时或更长时间。
储能系统的往返效率(RTE)定义为可用于放电的能量与充电存储电量之间的比例，通常由所采用的技术决定，并且不随功率或储能容量而变化。最后，使用某些技术存储的能量会随着时间的推移而逐渐损失。这种情况发生的速率称为自放电率。
一些分析师通过计算一个名称为平准化储能成本(LCOS)的数量来总结各种储能技术的成本。要计算特定技术的这一数量，需要指定典型储能系统的持续时间，并假设随时间推移的充电/放电周期以及用于为储能系统充电的电力成本。而计算储能系统的年度成本、运营和维护成本必须添加到其年化容量成本中；这些运维成本可能取决于假设的使用情况并假定电池退化。与平准化能源成本（LCOE）的情况一样，平准化储能成本(LCOS可以计算为每兆瓦时排放的平均收入，仅涵盖储能系统的假设资本和运营成本。因此，任何特定技术的估计平准化储能成本(LCOS)将取决于假设如何使用储能系统，因此无法有效比较可能扮演不同角色的储能技术，例如扮演不同角色的发电技术。此外，平准化储能成本(LCOS)计算很大程度上依赖于关于充电成本的假设，而在该研究中不使用平准化储能成本(LCOS)。与其相反，在描述的建模练习中，使用数学规划来确定可用发电和储能技术的最佳容量和运行，假设成本、区域风能和太阳能发电资源，随着时间的推移对电力的需求以及对碳排放的限制。
该研究报告中考虑的技术根据其单位放电功率和能源容量成本分为三大类（如图1.6所示）。一般来说，能量容量成本低、功率容量成本高的储能技术（图中蓝色区域）最适合长时储能应用（最多长达数天）和不太频繁的充电/放电循环；其中包括热储能和化学储能、金属空气电池和抽水蓄能发电设施。棕色区域中的技术，包括锂离子电池，更适合持续时间较短的应用（几个小时）和更频繁的充放电循环。具有中等能力的技术（包括液流电池）处于绿色区域。
1.3.2、环境、健康和安全注意事项
美国能源开发商通常在投资和运营决策以及创新努力中关注环境、健康和安全(EHS)问题。而意料之外的EHS问题可能会造成长期的项目延误、显著的成本增加以及缺乏公众支持。美国能源行业历史上有几个此类问题的显著例子：Three Mile岛核事故、燃煤发电厂和柴油卡车的颗粒物排放，以及水力压裂技术对空气和水质的影响。EHS问题在2003年核电的未来研究和2007年煤炭的未来研究中得到了突出体现。麻省理工学院能源倡议致力于将EHS方面与技术和经济方面同等纳入其能源和气候主题及相关研究项目的工作中。
在这项储能未来研究的过程中，出现了几个EHS问题。研究团队考虑的储能技术的多样性以及这些技术在脱碳电力系统中可能发挥的不同作用阻碍了构建EHS程序和最佳实践的单一手册。储能系统的EHS管理必须针对储能系统的特定技术、规模、应用和物理位置进行调整，从而导致在很大程度上根据具体情况采取不同的方法。但是，可以预期不同的技术类别将具有特有的EHS问题，这些问题可能会对选址挑战产生影响，告知操作限制，并需要引入辅助系统来安全管理存储设施。
然而，这里有几个与储能系统相关的EHS问题值得一提的例子。也许最重要和影响最深远的涉及钴、镍和钒等金属矿石的开采，必须大幅扩展，以使电化学储能技术在未来的能源系统中发挥重要作用。目前，这些矿石的开采和选矿集中在非洲和拉丁美洲的发展中国家，这些国家可能缺乏足够的监管资源和执法机制来有效管理EHS问题。这些国家缺乏监管能力，加剧了对这些问题的担忧，值得更多关注。其他技术引发了其他潜在的重要问题：其示例包括与锂离子电池相关的可燃性危害、传统天然气管道的氢气导致的风险和氢泄漏的影响，以及抽水蓄能的生态和地质影响。尽管该研究报告并未深入探讨这些或其他与储能技术相关的EHS问题，但重要的是让人们了解这些EHS主题的重要性。
还应该提到的是，在更广泛关注环境、社会和治理(ESG)问题的背景下，ESG问题日益受到关注，这些问题包括气候变化本身以及气候相关政策对社区和收入分配的影响。目前，储能创新、制造和部署对ESG的影响是微妙的，并且取决于挑战广泛评估的项目、技术和位置细节。因此，这份研究报告中关于投资公共资源以改进建模和模拟工具的建议，包括能够更好地了解具有储能的脱碳电力系统的替代方法所带来的环境和经济结果的工具。
1.4、报告的结构
本报告的其余部分由三个主要部分组成：储能技术、系统建模以及对政策和创新的影响。而储能技术部分分为四个章节，每个章节都侧重于对电力行业具有重要意义的四个技术领域之一：电化学储能、机械储能、热储能和化学储能。每一章都对这四类有前途的技术进行高、中和低成本估算，用于分析未来的电力系统。
第2章涉及电化学储能，重点介绍涉及不同化学和形式的三种电池储能技术：锂离子电池、氧化还原液流电池和金属空气电池。还简要介绍了过去已部署用于固定储能的其他电池技术。本章的主要部分涉及材料成本和可用性，因为这些考虑因素可能对电化学储能技术的未来可扩展性和采用产生重大影响。材料的重要性、供应链、采购的多样性和回收考虑都是报告讨论的一部分。
第3章考察了机械储能技术，由两个不同的部分组成。第一个涉及抽水蓄能，它仍然在全球储能市场中占主导地位。本章的第二部分涉及压缩空气储能系统(CAES)。由于压缩空气会产生大量热量，CAES系统可以通过这些热量是被丢弃还是被保存用于重新膨胀压缩空气来区分。只有后者才是真正的储能技术，是第三章后半部分的重点。
第4章、讨论了各种热储能方案。这些技术面临的一个普遍挑战是将热能转化为电能的效率很低。
这种低转换效率涉及利用改造现有火力发电厂的机会。本章还研究了可能在2030年可用的热泵等选项。最后，对2050年的超高温选项进行了研究，这些选项有望更有效地从热能到电能的排放。第4章还探讨了使用成本极低的材料开发热储能的潜力，这可能会导致长时储能的成本极具吸引力。最后，第5章着眼于化学储能的选择。由于大量能量存储在化学键中，化学能量存储具有有利的能量密度，这在空间有限或非常长时间的储能应用中非常有用。此外，这些键的化学稳定性提供了非常低的自放电率，再次使化学品对长时储能具有吸引力。本章以氢气作为化学储能的例子，因为 氢气可以在一个步骤中直接从电力中产生（通过使用电流分解水分子），并且可以作为燃料用于发电或作为其他部门的原料或热源。报告的第二部分使用来自四个技术章节的成本估算和有关其他技术属性的信息，并结合容量扩展模型，在两个不同的背景下分析未来的电力系统：发达国家以及新兴市场和发展中经济体(EMDE)。为了探索发达国家背景下未来脱碳系统的特征，研究了美国的三个地区：东北部、东南部和德克萨斯州；此外，在国家层面展示了结果，尽管其细节较少。印度被用作新兴市场、发展中经济体国家电力系统演进的一个例子。在这些针对国家和地区的研究中，考虑了电力部门碳排放的许多不同限制，在排放下限的严格程度中，将美国电力系统在2018年平均排放量与2005年的实际排放量相比减少99.2%。印度的案例研究很有趣，不仅因为印度可能制定的政策会有所不同，而且因为电力需求印度和其他发展中经济体(EMDE)国家的增长可能比发达国家快得多。与此同时，印度没有重要的国内天然气来源。这意味着印度的储能选择不必像在美国那样激烈地与天然气发电设施竞争。
该研究的最后一节检查技术和建模结果对监管和政策决策的影响。第8章着眼于具有储能功能的脱碳电力系统的治理，并考虑了替代的组织、监管和政策安排如何使存储在这些系统中发挥不同的作用以尽可能低的总成本，并适当注意公平考虑。
这一章还讨论了需要避免的重要安排，因为它们会破坏电网储能系统的有效部署和利用，并且会使其他行业更难用脱碳电力替代化石燃料。研究主要关注美国市场，尽管讨论的一般问题与其他发达地区相关。
第9章探讨了技术创新在确保储能系统可以在未来的电力系统中发挥重要作用。它讨论了为使储能系统对具有大量可变可再生能源的未来电力系统产生积极影响所需的创新性质和步伐。此外，第9章指出了美国推进创新的具体计划，讨论了应该由谁来领导这些计划，并考虑了如何实施这些计划以避免以前的错误。
最后，该研究报告包括几个附录，提供了额外的详细资料、参考数据和计算结果，可能对一些读者有所帮助。
麻省理工学院能源计划未来研究报告
麻省理工学院能源计划未来研究报告：储能技术的未来之抽水蓄能（六）
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麻省理工学院能源计划未来研究报告：储能技术的未来之压缩空气储能（八）
麻省理工学院能源计划未来研究报告：压缩空气储能成本预算（九）
麻省理工学院能源计划未来研究报告：高比例可再生能源的储能系统建模（十三）
麻省理工学院能源计划未来研究报告：高比例可再生能源的储能系统建模分析结果（十四）
麻省理工学院能源计划未来研究报告：高比例可再生能源的储能系统替代电网资源（十五）
