商用落地路径：长时储能

商业升空之路：长期储能 2023年3月| 本报告是作为美国政府一个机构赞助的工作的说明而编写的。美国政府或其任何机构或其任何雇员均不对所披露的任何信息、设备 、产品或过程的准确性、完整性或有用性作出任何明示或暗示的保证，也不承担任何法律责任或责任，或声明其使用不会私下侵权拥有的权利。此处通过商品名称、商标、制造商或其他方式提及任何特定的商业产品、流程或服务，并不一定构成或暗示美国政府或其任何机构的认可、推荐或偏袒。 作者在此表达的观点和意见不一定陈述或反映美国政府或其任何机构的观点和意见。 评论 能源部欢迎对本商业升空之路的内容提出意见和反馈。请将所有查询和意见直接发送给liftoff@hq.doe.gov。输入和反馈不应包括业务敏感信息、商业秘密、专有或其他机密信息。请注意，所提供的意见和反馈受《信息自由法》的约束。 作者 商业升空的长持续时间储能途径的作者： 办公室的技术转换:Katheryn(凯特)斯科特,斯蒂芬·Hendrickson办公室的政策:妮可•瑞安 办公室的清洁能源示范:肯尼斯·安德鲁•道森Kort办公室的电:本杰明ShragerVinodSiberry 能源效率和可再生能源办公室：保罗Spitsen阿贡国家实验室:周苏Babinec,帕特里克·洋之 能源部在商业升空之路努力方面的跨领域领导： 办公室清洁能源示范凯利:大卫起重机,康明斯,梅丽莎Klembara办公室的技术转换陈:凡妮莎,卢西亚田 贷款项目办公室瓦格纳:诉讼,约拿 确认 作者要感谢阿贡国家实验室和麦肯锡公司的分析支持;以及在准备本商业升空途径期间提供的宝贵指导和投入： 办公室清洁能源示范：凯瑟琳·克拉克、卡罗琳·格雷、杰森·芒斯特、布莱恩·奥唐查达 办公室的技术转换：马科斯·冈萨雷斯·哈沙、汉娜·默多克、詹姆斯·弗里茨、安娜·西夫肯、埃里克·哈德兰 贷款项目办公室：朱莉·科泽拉基、拉姆齐·法斯、凯文·约翰逊、卡罗琳·戴维森、莱斯利·里奇、克里斯托弗·克里德 办公室的政策：卡拉·弗里施、史蒂夫·卡帕纳、埃尔克·霍德森、科林·坎利夫、拉万·萨马蒂、杰伊·万甘卡、派珀·奥基夫 办公室的能源效率和可再生能源：亚历杭德罗·莫雷诺、考特尼·格罗夫纳、山姆·鲍德温、保罗·斯皮森、黛安·鲍尔、徐昌元、山姆·博肯豪尔、马修·鲍尔、苏妮塔·萨蒂亚帕尔、希瑟·克罗托、劳伦·博伊德、杰弗里·鲍曼、肖恩·波尔斯、天阳 办公室的电:基因罗德里格斯,埃里克·谢办公室秘书:凯特·戈登 办公室的经济影响和多样性:Shalanda贝克 能源办公室工作琼斯:水苏属植物,克里斯蒂Veeder国际事务办公室:朱莉Cerqueira,马特·曼宁 总法律顾问办公室:名叫Avi莱文,AmiGrace-Tardy布莱恩•拉莱柱 制造业和能源供应链的办公室大卫•豪厄尔:杰克病房,马洛里阴核 科学办公室：阿斯梅雷特·阿塞法·伯赫，克雷格·亨德森，约翰·韦特拉诺 阿贡国家实验室范宁:Aymeric卢梭,汤姆 表的内容 ld执行概要1 第1章:介绍和目标6 6 7 7 7 8 第2章LDES技术与市场现状9 9 11 15 16 21 第三章:通路商业规模23 23 24 第4章商业化的挑战和潜在的解决方案28 28 第4.a.i节：克服近期挑战以提高技术性能和成本 30 曲线 33 35 39 第五章:指标和里程碑40 40 41 附录42 42 52 65 66 68 70 72 附录8-能源和环境正义问题73 引用74 ld:执行摘要 这些商业升空之路报告旨在建立一个共同的事实基础，并与私营部门就关键清洁能源技术的商业升空之路进行持续对话。他们的目标是在整个技术价值链中促进更快速和协调的行动。 ld概论 为了应对新出现的环境和社会挑战，并实现拜登政府到2035年实现2050年净零排放和100%无碳污染电力的目标，电力部门需要迅速扩大规模和转型。目前，电力部门占国内排放量的三分之一。成功脱碳需要从不受控制的基于化石燃料的发电资产过渡到可再生能源等无碳能源 （例如，风能、太阳能）和核能。电力部门将需要同时过渡到新的电源，并迅速扩大规模，以满足新的电气化下游用途。由于可变可再生能源无法像基于化石燃料的发电资产那样打开和关闭以满足峰值需求，因此电网将需要一种新的方式来提供灵活性和可靠性。 新的选择，如长期储能（LDES），将是在未来脱碳电力系统中提供这种灵活性和可靠性的关键。LDES包括一组不同的技术，这些技术的共同目标是长时间储存能量以备将来调度。储存和释放的能量形式以及调度的持续时间因技术而异。 本报告重点介绍LDES系统在电力方面的应用（例如，能量被储存起来，然后在以后以电力的形式发送）。为了评估LDES在美国的商业可行性，这项工作咨询了广泛的现有研究。1并模拟了具有不同脱碳和技术情景的美国电力部门脱碳路径，以评估LDES在电力部门中的作用以及影响LDES部署路径以满足电力需求的因素。集成建模方案有三个用途： 1.估计“一切如常”的轨迹:一切照旧（BAU）情景代表了当前的轨迹，包括2022年通胀降低法案（IRA）的影响，但没有额外的商业化干预。 2.预测实现脱碳目标的最低成本途径：净零脱碳情景预测了在可变可再生能源和输电能力的不同限制下，到2050年实现净零排放需要什么。我们预测到2035年实现和没有实现临时清洁能源的情况。 3.探索技术潜力:特定技术的敏感性表示在不同操作参数和竞争技术条件下（例如，没有LDES的净零排放）下吸收不同类型的LDES的条件。 在此基础上分析,到2060年，美国电网可能需要225-460吉瓦的LDES容量用于电力市场应用，以实现净零经济，累计资本为3300亿美元.虽然这需要大量的投资，分析表明，到2050年，部署LDES的净零路径将产生$10-20B我每年节省运营成本并避免资本支出与没有途径（到2050年）相比。这项商业化工作的重点是了解LDES到2030年实现技术“起飞”的挑战，解决方案和潜在的长期利益。“升空”被定义为LDES行业成为一个基本上自给自足的市场的时间点这并不依赖于大量的公共资本，而是吸引了具有广泛风险的私人资本。“Liftoff”的特点是技术和运行参数的显着改善，市场对LDES全部价值的认可，以及实现工业规模的制造和部署能力。LDES需要这些改进才能与其他技术竞争。 1包括能源部和国家实验室的研究，以及跨技术报告，包括白宫净零排放途径、普林斯顿净零美国、NREL清洁电力和长期储能（LDES）委员会 技术景观 此报告按电源环境中的调度持续时间定义LDES细分市场—这是在整个行业中定义LDES以讨论不同存储类型的最标准方法。许多现有的分类将存储技术分为两类（昼夜和季节性），但本报告使用四种存储分类（短、日间LDES、多天/周LDES和季节性），因为许多新技术都集中在LDES类别上。本报告重点介绍这两个中间持续时间的细分市场——日间和多天/周LDES. •日间LDES被定义为将功率转移10-36小时，包括几乎所有机械存储技术和一些电化学技术（例如液流电池）。这些技术主要通过将一天中某一点产生的多余电力转移到同一天或第二天的另一个点来满足昼夜市场需求。 •多天/周LDES被定义为36-160+小时的变化功率，包括许多热和电化学技术。它满足了市场和最终用途客户的需求，其中每年数次可能存在长期电力短缺（例如，多天的低风能和太阳能或弹性应用）;多天/周LDES还可以减少所需的限电/互连过度建设，以支持可变可再生能源。 注：本报告未直接涵盖存储的另外两个细分市场，即短期存储和季节性平衡.持续时间短被定义为将功率转移不到10小时，通常通过锂离子存储 （主要在0-4小时范围内，而抽水蓄能水电等其他存储竞争4-10小时）。季节性平衡 被定义为长时间移动能量，主要是几个月（例如，夏季到冬季），并且可能需要由基于燃料的技术（例如，具有碳捕获的氢气或天然气）来满足。短期存储和季节性存储都被视为竞争技术，以在日间LDES和多天/每周LDES的各种业务案例中证明和反驳。 “发射”的价值主张和要求 LDES有可能在美国电力系统的脱碳中发挥重要作用-从大容量电力到弹性和电表后应用。通过遵循本报告中概述的路径，LDES技术可能是成本最低的选择，可以在可变可再生能源扩展时为电网提供稳定性和灵活性。此外，LDES可能是提高当地和区域弹性的最佳解决方案，随着极端天气事件频率的增加，同时还可以降低电网扩展的成本和风险。鉴于所需的预期资本投资规模以及最终用途应用和商业模式的多样性，LDES对投资者来说是一个有吸引力的未来资产类别。最终用途应用足够广泛，可以使多种类型的LDES技术成为净零解决方案的一部分。这些技术通常是模块化和灵活的，可以降低长期的投资风险。虽然LDES技术提供了使一系列用例脱碳的高潜力方法，但还有其他技术在竞争相同的用例（例如，用于日间使用的锂离子电池，用于多日使用的天然气与碳管理技术配对）。部署LDES的途径便宜10-200亿美元我与那些不基于系统节省运营成本（减少可再生能源弃电和燃料支出）以及减少可调度公司生成的资本投资相比。 为了充分发挥其潜力并在净零电网中发挥主导作用，LDES必须实现技术“起飞”。如上所述，“升空”是私人资本可以接管的状态，由于在三个领域的发展：技术成本和运营参数的显着改善，市场对LDES全部价值的认可-通过增加补偿或其他手段-以及工业规模的制造和部署能力（图1） 实现发射1到2030-2035年需要改进技术、降低成本、监管支持和供应链发展 技术性能和成本曲线 供应链的发展和 规划 1 3 发射阈值 2 市场和监管机制 50-75美元/kW-3 市场上的资源充足性补偿或通过每年50-75美元/千瓦的PUC估值将激励私人 融资。其他政策和监管机制（例如，剥离、碳支付）将减少对直接RA补偿的需求。 如果锂离子技术更积极地改进 ，性能和补偿改进将需要更加加速和显着2 10-15千瓦 到2035年所需的年度制造和部署能力，以支持大规模成熟技术部署。规 划（例如，劳动力培训、减税或制造设施贷款）将是未来5年的优先事项 。 45-55%减少资本支出 到2030年，LDES系统的成本需要下降，以及往返7-15%提高效率为了与锂离子存储和氢气竞争。相当于6-15兆瓦的项目部署到2030年。 202220302035时间 图1：到2030-2035年的升空需要技术改进、成本下降、监管支持和供应链发展。注：PUC代表公用事业委员会，RA代表资源充足性。1升空被定义为LDES行业成为一个基本上自我维持的市场;2在两种锂离子场景中，对多天/每周LDES技术的需求仍然存在，而积极的锂离子将减少对供应链建设的需求。3美元/kW-不同的地理位置。 LDES在长期净零经济中的份额取决于在短期内达到重要的里程碑，这需要LDES公司，监管机构，投资者和组织在整个LDES生态系统中集中和协调努力。这些关键里程碑描述如下： 必须改善技术绩效和成本曲线，以吸引持续投资。早期公共和私人投资支持商业规模的项目示范和部署对于创造经济是必要的 规模和制造改进将推动LDES成本和性能的进一步改善，超出实验室所能达到的范围。与当今领先技术报告的成本相比，到2028-2030年，这些技术成 本曲线必须下降45-55%，并且LDES技术的性能和使用寿命都必须提高。2,3到2030年, 日间LDES技术必须将成本从每千瓦1，100-1，400美元降低到每千瓦650美元，并将往返效率（RTE）从2022年同类最佳技术的69%提高到~75% 。同样，多日技术必须从 到2030年，每千瓦1，900-2，500美元和45%RTE，到2030年每千瓦1，100美元和55-60%RTE。示范和部署项目——主要由公用事业、开发商、独立电力生产商在外部资金的支持下部署——对于实现技术性能和成本曲线改进以及使LDES成为净零路径中的竞争选择至关重要（第4a.i节）。未来十年这些改进可能来自哪里因技术而异;在某些技术中，传统研究和开发