2022能源储存的未来研究报告英文版

能源储存的未来 麻省理工学院跨学科研究 能源储存的未来 麻省理工学院的跨学科研究 麻省理工学院未来系列中的其他报告： 核能的未来(2003) 煤炭的未来(2007)地热能的未来(2006) 天然气的未来(2011)核电的未来(2009) 电网的未来(2011)核燃料循环的未来(2011) 太阳能的未来(2015) 碳约束世界中核能的未来（2018） 版权所有©2022麻省理工学院。保留所有权利。 结合在封面艺术中的是电池单元的3D概念图，这是一种电化学能量存储形式。©GettyImagesISBN(978-0-578-29263-2) 第二版，2022年6月3日发布。 研究参与者 学习椅 罗伯特·阿姆斯特朗 Chevron教授，麻省理工学院化学工程系麻省理工学院能源倡议主任 研究联合主席蒋明 京瓷材料科学系教授 和工程，麻省理工学院 执行董事 HowardGruenspecht 麻省理工学院能源倡议高级能源经济学家 研究组 FikileBrushett Cecil和IdaGreen麻省理工学院化学工程系副教授 约翰·德奇 麻省理工学院化学系教授 SeijiEngelkemier 麻省理工学院机械工程系博士生 EmreGençer 研究科学家，麻省理工学院能源倡议 罗伯特·贾菲 晨星科学教授，物理系，麻省理工学院 PaulJoskow 伊丽莎白和詹姆斯·基利安经济学与管理学教授，经济学系，麻省理工学院 DharikMallapragada 研究科学家，麻省理工学院能源倡议 艾尔莎·奥利维蒂 Esther和HaroldE.Edgerton副教授，材料科学与工程系，麻省理工学院气候与可持续发展联盟联合主任 RichardSchmalensee 麻省理工学院经济学系名誉教授 麻省理工学院斯隆管理学院院长和霍华德·约翰逊管理学名誉教授 罗伯特·斯托纳 麻省理工学院能源倡议科学和技术副主任 杨志仁 前访问研究员，麻省理工学院能源倡议 撰稿人BjornBrandtzaeg斯隆学校前客座研究员管理，麻省理工学院 帕特里克·布朗 前研究科学家，麻省理工学院能源倡议 凯文·黄 麻省理工学院材料科学与工程系研究科学家 JohannesPfeifenberger 麻省理工学院能源与环境政策研究中心访问学者 研究顾问FrancisO'Sullivan 麻省理工学院斯隆管理学院高级讲师 YangShao-Horn JR东工程学教授，麻省理工学院机械工程系 学生和研究助理 MeiaAlsup 麻省理工学院电气工程与计算机科学系（'20） 安德烈斯·巴德尔 SM，材料科学与工程系（'22），麻省理工学院 MarcBarbar 博士，电气工程和计算机科学系（'22），麻省理工学院 高蔚然 麻省理工学院化学工程系博士候选人 德雷克·埃尔南德斯 SM，技术与政策('21)，麻省理工学院 CristianJunge 麻省理工学院工程与管理理学硕士('22) ThaneerMalaiNarayanan博士，机械工程系（'21），麻省理工学院 KaraRodby 麻省理工学院化学工程系博士（'22） 王凯茜 SM，技术与政策('21)，麻省理工学院 咨询委员会 LindaStuntz-椅子 合伙人，Stuntz，Davis&Staffier，P.C. 诺曼湾 合伙人，WillkieFarr&GallagherLLP 特里波士顿 战略合作伙伴，Acelerex 马克·布朗斯坦 能源、环境保护基金高级副总裁 JudyChang 能源副部长，马萨诸塞州能源和环境事务办公室 ManlioCoviello 总统，TernaPlus 乔治·克拉布特里 Argonne国家实验室联合储能研究中心（JCESR）主任 PhilipDeutch NGP能源技术合作伙伴III创始人兼首席执行官 JulienDumoulin-Smith 美国银行证券美国电力、公用事业和替代能源研究董事总经理兼主管 ElizabethE.Endler 高级首席科学专家（电气化，集成和存储）和首席技术顾问-电力，壳牌国际勘探与生产 安迪·卡尔斯纳 元素实验室联合创始人 ArunMajumdar JayPrecourtProvostialChair教授，斯坦福大学 LucioMonari 世界银行欧洲和中亚基础设施部前任主任 佩德罗·J·皮萨罗 爱迪生国际总裁兼首席执行官 约翰·波德斯塔 美国进步中心董事会创始人兼主席 PraveerSinha 塔塔电力有限公司首席执行官兼董事总经理. FredrickStøa EquinorASAEquinorVentures投资经理 艾伦·威廉姆斯 马里兰大学杰出大学教授 虽然咨询委员会成员向研究小组提供了宝贵的观点和建议，但个别成员可能对报告中涉及的一个或多个事项有不同的看法。他们不被要求单独或集体认可报告的结果和建议。 目录 前言和致谢ix 执行摘要xi 第1章-导言和概述1 第2章电化学储能15第3章-机械储能67第4章热能储存113 第5章化学储能147 第6章-高VRE系统中的存储建模171 第7章对新兴市场的考虑233 和发展中经济体 第8章-脱碳电力系统的治理271 带存储 第9章储能的创新和未来291 附录 附录A-301的成本和性能计算 电化学储能技术 附录B-319的成本和性能计算 热能存储技术 附录C-327的建模分析详细信息 在美国三个地区具有储能功能的高VRE系统 附录D-349的建模分析详细信息 发展中国家市场 缩写词和缩写367 数字列表369 表列表373 词汇表376 “能源储存的未来”研究是麻省理工学院能源计划“未来”系列的第九项，旨在揭示一系列涉及能源和环境的复杂和重要问题。以前的研究集中在核能 ，太阳能，天然气，地热和煤炭（二氧化碳排放的捕获和封存）等技术的作用，以及这样的系统 。 作为美国电网。所有这些研究的核心是理解这些特定技术在全球能源系统的去碳化和满足未来能源需求方面的作用。通过补充可变的可再生能源(VRE) ，如太阳能和风能，能源储存将在实现这两个目标方面发挥重要作用。 这是电力部门脱碳的核心。 该研究将证明有利于政府，行业和学术界的广泛的全球利益相关者，因为他们发展了新兴的能源存储行业，并考虑了电力行业的规划，监督和监管方面的变化，这些变化将大大增加对VRE发电和存储的依赖。该报告是对电力储能技术进行了三年多研究的核心，包括开发低成本，长期存储的机会；评估类型和角色的系统建模研究。 在美国地区和新兴市场，发展中经济体国家的未来，深度脱碳，高VRE电网的存储;以及对电力系统规划的影响 和监管。 这项研究是由一个杰出的外部咨询委员会指导的，该委员会的成员花了大量时间参加多次会议；对我们的初步分析，调查结果和建议发表评论；并从自己的组织提供专家回答问题并为报告的内容做出贡献。我们要特别感谢委员会主席琳达·斯坦茨的明智和干练的领导。由于这种深思熟虑的专家意见，这项研究肯定会更好。然而，这项研究是麻省理工学院研究小组的责任；咨询委员会成员不一定认可所有的。 它的发现和建议，要么单独或集体。 储能研究的未来非常感谢我们的赞助商：核心资金由AlfredP.Sloan基金会和Heising-Simons基金会提供。 MITEnergyInitiative成员壳牌和Equinor提供了额外的支持。与咨询委员会一样，赞助商不负责也不一定认可调查结果和建议。 这一责任完全在于麻省理工学院的研究小组 。 ThisstudywasinitiatedandperformedwithintheMITEnergyInitiative.AlexandraGoodwin,SeniorAdministrativeAssistantatMITEI,providedsupportboththestudyteamandtheAdvisoryCommittee. SpecialthanksareduetotheMITEIeventsteam,specifically CarolynSinnes，行政助理；DebiKedian，活动经理；和 KellyHoarty,EventsPlanningManager,fortheirskiltanddecision.AlsothankstoMITEIcommunicationsteammembersJenniferSchlick,DigitalProjectManager;KelleyTravers,CommunicationsSpecialist;TurnerJackson,CommunicationsAssistant;andTomMelville, 传播总监。还要感谢MITEI执行总监MarthaBroad在使研究取得成果方面的重要作用。最后，我们感谢MarikaTatsutani以出色的技巧和奉献精神编辑报告。 执行摘要 这项跨学科的麻省理工学院研究了能源储存在未来脱碳电力系统中的重要作用，这将是应对气候变化的核心。 发电的深度脱碳以及许多最终用途活动的电气化对于限制气候变化及其损害是必要的。风能和太阳能发电-没有运行的二氧化碳排放，已经经历了重大的成本降低，并且正在全球范围内进行大规模部署-可能会提供很大的份额 未来总世代。与传统发电机不同，这些可变的可再生能源（VRE）资源的输出取决于天气条件 ，而天气条件有时会迅速变化；因此，VRE发电机不能被调度以跟随电力需求的变化。电力存储是本报告的重点，可以在平衡电力供需方面发挥关键作用，并可以提供保持脱碳电力系统可靠和具有成本效益所需的其他服务。 正如我们在本报告中讨论的那样，储能包括一系列技术，这些技术在材料要求和低碳电力系统中的价值方面有所不同。随着电网发展到包括大规模部署存储技术，必须调整政策，以避免对消费者造成过度和不公平的负担，鼓励电气化实现全经济脱碳，并实现强劲的经济增长，特别是在新兴市场发展中经济体国家。制度设计必须包括社会公正和公平。这项研究的时间范围是2050年，与本系列之前的未来研究一致，尽管我们也对可以大规模部署的技术感兴趣。 在2030年的更近的时间框架内。 储能可在不牺牲系统可靠性的情况下，对严重依赖风能和太阳能发电的电力系统进行经济高效的深度脱碳. 假设VRE技术的有利成本降低趋势仍在继续，建模 为这项研究进行的分析确定了脱碳电力系统的经济有效途径-例如，相对于美国2005年的水平，减少了97%-99%的排放-同时保持了电网的可靠性。 Efficientdecarbonizationwillrequiresubstitial-tialinvestmentsinmultipleenergystoragetechnologies,aswellasintransmission,cleangeneration,anddemandflexibility.If“negativeemission”technologies-thatremovecardide-sphere-become天然气发电将成为具有成本效益的净零电力系统的一部分。 储能基础知识 目前，四种基本类型的能量存储（电化学，化学 ，热和机械）可在各种技术准备水平下使用。所有这些都执行核心功能，即在VRE输出充足的时候产生电能，并且在VRE输出稀缺且整体销售价格相对较高的时候，批发价格相对较低。这种灵活性为电力系统提供了一系列益处。 储能设施的特征可以是其最大瞬时功率，以兆瓦 （MW）为单位；其储能容量，以兆瓦时（MWh）为单位；其往返效率（RTE），以用于为储能充电的能量的分数来衡量 Executive摘要xi 功率容量成本($/kW) 图ES.1：基于电力和能源容量成本的三组存储技术 1,400 1,200 1,000 800 600 400 200 0 0 20 40 60 80 100 120140 160 180 200 能源容量成本（美元/千瓦时） 具有高功率和低能量容量成本的蓝色区