电池储能高效整合可再生能源（英文版）

电池存储以高效实现可再生能源集成 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组织，旨在建立一个基于可再生能源的可持续发展的富裕社会。它是在福岛第一核电站事故发生后的2011年8月，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的。 作者 RomainZissler，可再生能源研究所高级研究员 Editor MasayaIshida，可再生能源研究所商业联盟高级经理。 Acknowledgements 作者要感谢全球能源投资经济数据权威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，有效实现可再生能源集成的电池存储（东京：REI，2023年） ，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来确保本报告中包含的信息的准确性，但可再生能源研究所对使用此处包含的信息对用户造成的任何损害概不负责。 目录 Introduction4 第1章：电池存储在一个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)电池的四大应用13 3)七个说明性电池项目17 第2章：经济加速部署竞争力23 1)2021年创纪录的增长和领先的市场23 2)电力部门大幅降低成本和竞争力26 第三章技术进步和改进来吧34 1)短持续时间锂离子压倒性统治34 2)长持续时间储能滞后36 第4章：支持Policies40 1)进一步加速增长的七个强大可能性40 2)具体目标40 3)任务41 4)投资税收抵免42 5)拍卖43 6)市场设计44 7)RE证书乘法器44 8)使用时间折扣率45 第5章关键矿物的浓度和制造能力解决方案47 1)关键矿物和制造能力的问题浓度47 2)来自欧洲、美国和日本的解决方案49 Conclusion56 图表列表 图表1：2010-2021年按产生技术划分的LCOE6 图表2：2000-2021年核能，太阳能和风能的总发电量7 图表3：2021年发电的RE份额成就和2050年预测8 图表4：可视化100%RE电源系统可能运行的简单插图10 图表5：100%RE电力系统24小时运行的虚构示例11 图表6：100%RE电力系统周运行的虚构示例12 图表7：按应用划分的世界固定储能项目2021（%）14 图表8：CAISO小时电力系统运营情况2022年10月24日14 图表9：住宅客户定位电池+太阳能光伏15的虚构例子图表10：商业客户定位电池+太阳能光伏16的虚构例子 图表11：EPEXSpot22的MobilityHouse交易EV电池的灵活性图表12：2010-2021年世界固定储能累积容量电力和能源产出 ............................................................................................................................................................ 图表13：2021年按国家划分的固定式储能累积容量份额（%）25 图表14：2011-2021年锂离子电池平均包价27 图表15：2022年上半年按国家划分的公用事业规模电池（4小时）和竞争替代品的LCOE 图表16：公用事业规模电池和竞争替代品的LCOE进入更多详细信息：美国，中国，日本和英国2022H1 .......................................................................................................................................................................................29 图表17：2022年国家公用事业规模电池（4小时）+RE和竞争替代品的LCOEH130 图表18：公用事业规模电池+RE和竞争替代品的LCOE进入更多详细信息：2022年美国、中国、日本和英国H131 图表19：2022年上半年按国家划分的公用事业规模电池+RE和独立电池的LCOE32 图表20：住宅电池+太阳能光伏LCOEVS。加州、日本、德国家庭电价2019-202133 图表21：按技术划分的世界公用事业规模固定式储能项目2021（%）34 图表22：液态锂离子电池和固态锂离子电池的图解35 图表23：不同固定储能技术的典型放电持续时间36 图表24：CAES37的基本原理 图表25：固定储能目标选定示例41 图表26：2022年固定式储能项目的美国ITC结构42 图表27：德国创新拍卖授予2021-2022年储能+太阳能项目43 图表28：英国动态安全壳服务功能示意图44 图表29：韩国2020年12月存储+RE的RE证书乘数实例 ............................................................................................................................................................ 图表30：南方46启发的电池存储的ToU折扣率的虚构插图图表31：锂离子电池组成47 图表32：2021年国家的锂和钴产量和储量48 图表33：截至2022年9月21日各国家锂离子电池制造产能（%）49 图表34：欧盟委员会预想电池价值链50 图表35：美国两党基础设施法电池材料加工及电池制造与回收精选项目10月202253 表列表 Table1:SelectedVisionaryPowerSystems7 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：选定的电池项目17 表5：选定国家的固定储能累积容量与太阳能+风能累积容量之比202126 表6：实用规模独立电池和竞争性替代品的主要特征28 表7：锂离子电池和钠离子电池的关键特性35 表8：选定的长持续时间储能技术概述关键特征38 表9：选定的固定储能支持政策示例40 表10：欧盟委员会关于电池的战略行动计划六项目标51 表11：美国能源部国家锂电池蓝图五目标52表12：日本经济产业省的电池产业战略三个目标54 图片列表 图1:Hornsdale动力储备电池18 图2:苔藓着陆电池-第一阶段设施19 图3：Minami-Hayakita电池20 图4：Olkiluoto电池21 图5：内华达州美国的新月沙丘集中太阳能发电厂39 缩写列表57 尾注58 Introduction 截至2023年初，到本世纪中叶达到全球碳中和看起来像是一场大约30年的马拉松，应该以冲刺的速度进行。 好消息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情况而波动。然后，据了解，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五种可持续和互补的技术解决方案，以增强电力系统的灵活性，从而实现太阳能和风能的平稳集成：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。 在这些技术中，电池是有前途的创新解决方案，尤其是快速扩展，这一点至关重要，因为迫切需要加快实现碳中和的努力。 本报告旨在揭示电池的巨大潜力及其面临的挑战。为了实现这一目标，报告包含五章，包括以下主要发现： Chapter1描绘了一个世界的图景，在这个世界中，太阳能和风能将主导发电的未来，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。分析了最近具有里程碑意义的能源前景 ，提出了与碳中和目标兼容的有远见的电力系统。研究发现，为了实现太阳能和风能的高份额(占总发电量的70-90%)的平稳整合，电池存储的关键贡献得到了明确的强调。还发现,在电池能量转移的四个主要有价值的应用中,能量转移是并且将仍然是特别有用的。七个具体的电池项目，灵感和兴奋的来源也展示了从理论到现实。 Chapter2强调了固定储能容量（不包括抽水蓄能水电）的创纪录的年度增长。Procedres.2021年 ，主要是电池）：近10吉瓦，使全球累计容量超过27吉瓦。值得注意的是，虽然固定储能的累积容量比抽水蓄能(165吉瓦)小六倍，但其年增长率现在快了两倍。除抽水蓄能水电外，固定储能的四个主要市场是：美国，欧洲，中国和韩国（占全球累积容量的80％以上）。加速固定储能增长的一个关键因素是电动汽车的广泛采用带来的经济竞争力，在过去十年中实现了成本的大幅降低(-86%)。现在已经发现，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超过新的需求响应，气体往复式发动机。 开放式循环燃气轮机和抽水蓄能水电。还发现，对于可调度发电，价格为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 +陆上风能可能会超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，在住宅层面，小型电池+屋顶太阳能光伏发电的价格为0.17美元/千瓦时，可能会超过家庭电价，例如在美国加利福尼亚州或德国。 Chapter3强调短期锂离子电池的压倒性优势(即Procedres.，在公用事业规模的固定式储能项目中 ，放电持续时间为0.5-6小时，通常为4小时）：基于2021年的电力输出（不包括抽水蓄能水电），占96％。人们认为，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集成 ，长期储能解决方案（i。Procedres.,超过6小时)肯定会有好处。然而，人们发现，除了抽水蓄能的主要例外，这一领域的进展滞后，大多数技术在今天都是昂贵的，技术上未经证实。 Chapter4在来自世界各地的例子的启发下，提出了七个强有力的支持政策，以进一步加快固定储能的增长。目标（i.Procedres.，自愿)和授权(i.Procedres.，强制）设定未来几年和几十年要实现的部署目标是突出的前两个配套政策。然后强调了投资税收抵免，拍卖，市场设计，RE证书乘数和使用时间折扣率，这是实现部署目标的五项扶持政策。 第5章强调锂离子电池目前面临的地理集中问题。首次发现，在2021年，全球约75%的锂和钴(即Procedres.，锂离子电池的两种关键原材料）的生产和储备仅集中在澳大利亚，智利和刚果民主共和国三个国家，而全球近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，然后提出了欧盟，美国和日本先进的解决方案。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章电池储能在未来太阳能和风能中的作用 1)未来电力系统-电池的主要贡献 由于大幅降低成本（图表1）带来的无与伦比的经济竞争力以及技术简单-实现快速部署-太阳能和风能将主导发电的未来。 图表1：2010-2021年按生成技术划分的LCOE 0.25 0.248 0.20 $/kWh 0.15 0.124 0.167 核煤 0.1110.108 0.10 0.096 0.082 气体 陆上风能太阳 0.05 0.060 0.038 0.036 能光伏 0.00 资料来源：Lazard，能源成本均衡分析-15.0版（2021年10月）。 到2021年，这两种技术的发电量总和已经超过了成熟的核电（即可再生能源的主要低碳替代品 （RE）），这是20年前无法想象的历史成就（下页图表2）。 图表2：2000-2021年核能，太阳能和风能的总发电量 20002002200420062008201020122014201620182020 3,000 2,500 2,000 TWh 1,500 1,000 太阳风核能 500 0