【储能及长时储能情报追踪9】电池储能高效整合可再生能源

电池存储高效实现可再生能源整合 2023年1月 关于可再生能源研究所 可再生能源研究所是一个非营利性水库，旨在建立一个基于可再生能源的可持续，富裕的社会。它成立于2011年8月，在福岛第一核电站事故之后，由其创始人，软银集团董事长兼首席执行官孙正义先生以自己的资源成立。 作者 RomainZissler，可再生能源研究所高级研究员 编辑器 石田雅也，可再生能源研究所商业联盟高级经理。 确认 作者要感谢全球能源投资经济数据权威机构BloombergNEF，他允许可再生能源研究所在本报告的一些关键插图中使用BloombergNEF的数据。 建议引用：可再生能源研究所，电池存储以有效实现可再生能源整合（东京：REI，2023），58页。版权所有©2023可再生能源研究所 www.renewable-ei.org/en/ 免责声明 尽管我们已采取一切可能的措施确保本报告所含信息的准确性，但可再生能源研究所对因使用本报告所含信息而对用户造成的任何损害概不负责。 表的内容 介绍4 第一章:电池存储的作用太阳能和风能的未来6 1)未来电力系统——电池的主要贡献6 2)电池的四个主要应用13 3)七个说明性的电池项目17 第二章:部署加快与经济竞争力23 1)2021年创纪录的增长和领先的市场23 2)大幅降低成本，提高电力行业的竞争力26 第3章技术进步与改进来34 1)短时间锂离子压倒性统治34 2)长期储能滞后36 第四章:支持政策40 1)进一步加速增长的七大强大可能性40 2)目标40 3)授权41 4)投资税收抵免42 5)拍卖43 6)市场设计44 7)再保险证书乘数44 8)按使用时段45折现率 第5章：关键矿物的集中度和制造能力解决方案47 1)关键矿物和制造能力的集中度问题47 2)来自欧洲、美国和日本的解决方案49 结论56 列图表 图1：2010-2021年按发电技术划分的平准化度电成本6 图2：2000-2021年核能、太阳能和风能发电总发电量7 图3：可再生能源在发电中的份额2021年成就和2050年预测8 图4：可视化100%可再生能源电力系统可能功能的简单插图10 图5：100%可再生能源电力系统24小时运行的虚构示例11 图6：100%可再生能源电力系统每周运营的虚构示例12 图7：2021年按应用划分的世界固定式储能项目（%）14 图8：CAISO每小时电力系统运行情况2022年10月24日14 图9：住宅客户安装电池+太阳能光伏的虚构示例15 图10：商业客户安装电池+太阳能光伏的虚构示例16 图11：电动汽车电池在EPEXSpot22中交易灵活性的移动公司图12：2010-2021年世界固定式储能累计容量功率和能源产出 ............................................................................................................................................................ 图13：2021年各国固定式储能累计产能份额（%）25 图14：2011-2021年锂离子电池平均电池包价格27 图15：公用事业规模电池（4小时）的平准化度电成本和竞争替代品（2022年H128） 图16：公用事业规模电池的平准化度电成本和竞争替代品的更详细：美国、中国、日本和英国2022年H1.29 图17：2022年按国家/地区划分的公用事业规模电池（4小时）+RE的平准化度电成本和竞争替代品H130 图18：公用事业规模电池+RE的平准化度电成本和竞争替代品的更多详细信息：美国、中国、日本和英国2022年H131 图19：按国家/地区划分的公用事业规模电池+RE和独立电池的LCOE值（2022年H132） 图20：住宅电池+太阳能光伏LCOE与加州、日本和德国的家庭电价2019-202133 图21：2021年按技术划分的世界公用事业规模固定式储能项目（%）34 图22：液态锂离子电池和固态锂离子电池的示意图35 图23：不同固定式储能技术的典型放电持续时间36 图24:压缩空气蓄能37的基本原理图25：固定式储能目标选定示例41 图26：美国固定式储能项目ITC结构202242 图27：2021-2022年德国创新拍卖中获奖储能+太阳能项目43 图28：英国动态遏制服务运作情况说明44 图29：韩国存储+RE的RE证书乘数的两个示例2020年12月 ............................................................................................................................................................ 图30：受南方启发的电池存储ToU折扣率的虚构插图46 图31:锂离子电池组成47岁 图32：2021年各国锂钴产量和储量48 图33：截至2022年9月21日各国锂离子电池制造能力（%）49 图34：欧盟委员会设想的电池价值链50 图35：美国两党基础设施法电池材料加工和电池制造与回收选定项目10月202253 名单表 表1:选择有远见的电力系统7 表2：太阳能、风能固定电池和脱碳热装机容量20509 表3：电池的主要应用说明13 表4:选择电池项目17 表5：选定国家固定储能累计容量与太阳能+风能累计容量之比202126 表6：公用事业规模的独立电池和竞争替代品的主要功能28 表7：锂离子电池和钠离子电池的主要特性35 表8：选定的长效储能技术摘要主要特征38 表9：选定的固定式储能支持政策示例40 表10：欧盟委员会电池战略行动计划六大目标51 表11：美国能源部国家锂电池蓝图五大目标52表12：日本经济产业省电池产业战略三大目标54 图片列表 图1:Hornsdale动力储备电池18 图2：莫斯着陆电池-第一阶段设施19图3:Minami-Hayakita电池20 图4:奥尔电池21 图5：美国新月沙丘聚光太阳能发电厂，内华达州39 的缩写列表57 尾注58 介绍 截至2023年初，到本世纪中叶实现全球碳中和看起来像是一场长达30年的马拉松，应该以短跑的速度进行。 好消息之一是太阳能和风能的爆炸性增长。但是，这两种技术的输出会根据天气条件而波动。因此 ，还应了解，还应迅速开发其他清洁能源技术，以确保电力供应的持续质量。 可再生能源研究所认可了五种可持续和互补的技术解决方案，以提高电力系统的灵活性，从而实现太阳能和风能的平稳整合：电网互连、电池、脱碳热能（使用基于绿色氢等可再生能源的燃料）、需求响应和抽水蓄能水电。 在这些技术中，电池是有前途的创新解决方案，扩展速度特别快，鉴于加快碳中和努力的紧迫性，这一点至关重要。 本报告旨在阐明电池的巨大潜力及其面临的挑战。为实现这一目标，报告包含五个章节，包括以下主要发现： 第一章描绘了一个世界，太阳能和风能将主导未来的发电，这要归功于它们基于无与伦比的经济竞争力和技术简单性的爆炸性增长。分析了近期具有里程碑意义的能源展望，提出了与碳中和目标兼容的有远见的电力系统。研究发现，为了实现高份额的太阳能和风能（占总发电量的70-90%）的顺 利整合，电池存储的关键贡献被明确强调。还发现，在电池的四个主要有价值的应用中，能量转移是并且将继续特别有用。还展示了七个具体的电池项目，灵感和兴奋的源泉，从理论到现实。 第二章强调2021年不包括抽水蓄能（即主要是电池）的固定式储能容量的创纪录年增长率：接近 +10吉瓦，使全球累计容量超过27吉瓦。值得注意的是，虽然固定式储能的累计容量比抽水蓄能（165吉瓦）小六倍，但其年增长速度现在快了两倍。不包括抽水蓄能水电的固定式储能的四个主要市场是：美国、欧洲、中国和韩国（占全球累计容量的80%以上）。加速固定式储能增长的一个关键因素是其广泛采用电动汽车带来的经济竞争力，在过去十年中大幅降低了成本（-86%）。研究发现，今天对于0.11-0.22美元/千瓦时的灵活调峰服务，新的公用事业规模独立电池可能会胜过新的需求响应，气体往复式发动机， 开式循环燃气轮机和抽水蓄能水电站。还发现，对于可调度发电，在0.10美元/千瓦时或以下的新公用事业规模电池+太阳能光伏和电池 +陆上风电可能胜过新的和现有的煤炭、联合循环燃气轮机和核能。此外，据观察，在住宅一级，小型电池+屋顶太阳能光伏价格为0.17美元/千瓦时，可能超过家庭电价，例如在美国加利福尼亚州或德国。 第三章强调短期锂离子电池在公用事业规模的固定式储能项目中（即放电持续时间为0.5-6小时，通常为4小时）的压倒性主导地位：96%基于2021年的功率输出（不包括抽水蓄能水电）。据认为 ，为了补充这种短期储能解决方案并进一步促进太阳能和风能的整合，长期储能解决方案（即超过6小时）肯定会是有益的。然而，人们发现，除了抽水蓄能之外，这一领域的进展滞后，大多数技术都成本高昂，而且技术上尚未得到证实。 第四章提出七项强有力的支持政策，以世界各地的例子为灵感，进一步加速固定式储能的发展。确定今后几年和几十年要实现的部署目标的目标（即自愿）和任务规定（即强制性）是强调的头两项支助政策。然后强调了投资税收抵免、拍卖、市场设计、可再生能源证书乘数和使用分时折扣率， 这是实现部署目标的五项扶持政策。 第五章强调了锂离子电池目前面临的地理集中问题。首先发现，2021年，全球约75%的锂钴（即锂离子电池的两种关键原材料）生产和储量仅集中在澳大利亚、智利和刚果民主共和国三个国家，全球近80%的锂电池制造能力集中在一个国家：中国。为了应对这一能源安全问题，随后提出了欧盟 、美国和日本提出的解决方案。这些解决方案包括开发国内锂提取、国内制造能力和回收利用。 第1章电池储能在太阳能和风能未来中的作用 1)未来电力系统–电池的主要贡献 由于大幅降低成本（图1）和技术简单性（可实现快速部署），太阳能和风能具有无与伦比的经济竞争力，因此将主导未来的发电。 图1:LCOE通过生成技术2010-2021 0.25 0.248 0.20 0.15 美元/ 0.124 0.167 核煤 0.1110.108 0.10 0.096 0.082 气体 陆上风力太阳 0.05 0.060 0.038 0.036 能光伏 0.00 资料来源：Lazard，平准化能源成本分析–版本15.0（2021年10月）。 在2021年，这两项技术的总发电量已经超过了成熟的核电（即可再生能源（RE）的主要低碳替代品）——这是20年前不可想象的历史成就（下一页图2）。 图2：2000-2021年核能、太阳能和风能发电总发电量 20002002200420062008201020122014201620182020 3,000 2,500 2,000 TWh 1,500 1,000 太阳能风能核能 500 0 资料来源：BP，《2022年世界能源统计评论》（2022年6月）。 近年来，世界各地的组织类型不同：政府间组织、政府组织、非政府组织、电力部门企业先进 的各种具有里程碑意义的能源展望，展示了有远见的电力系统。 下文将提及其中四种近期能源展望，并在每份展望中选择一个碳中和兼容情景（表1）。 表1:选择有远见的电力系统 组织(国家) 类型的组 织 出版年 前景的标题 选择场景 (缩写) 客观的 国际能源机构(世界) 政府间 2022 2022年世界能源展望 零排放 (“NZE”) 2050年全球能源系统碳中和 美国能源部(曼联州) 政府 2021 太阳能期货研究 脱碳与电气化(“子E”) 美国电力行业碳中和 到2050年 可再生能源研究所（日本）/AgoraEnergiewende（德国）/LUT大学（芬兰） 智库/智库/学术 2021 实现气候中和的可再