长时储能技术综述

内容来源: 华夏气候

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人们通常把能够储存约 8 小时到数天甚至数周能量的技术称为长时储能 (Long Duration Energy Storage，LDES)。

在过去五年中，投资到长时储能的资金从 1 亿美元增加到 23 亿美元，增长了 36 倍。尤其是 2021 年，它为长时储能的回归奠定了基础，与前一年相比，投资资金增加了约 300%。

1. 技术方向

LDES 技术通常属于这三类之一：机械能（Mechanical）、电化学能（Electrochemical）或热能（Thermal）。

1.1 机械能

机械能技术通常将能量储存为势能或动能。

1.1.1 压缩空气（Compressed Air）

压缩空气技术将空气压缩到地下洞穴中（充），随后在涡轮机中重新膨胀做功进行发电（放）。

• 持续时间：6-100 小时
• 创业公司代表：Hydrostor、Green-Y、Cheesecake Energy、Apex CAES

1.1.2 液态空气（Liquid Air）

液态空气技术有时也被称为低温技术，通过压缩和冷却将空气冷却至低温（充），然后使用冷热储罐使其膨胀做功（放）。

• 持续时间：4-24 小时
• 创业公司代表：Innovatium、Highview Power

1.1.3 液态 CO2（Liquid CO2）

液态二氧化碳技术将 CO2 压缩成液态（充），然后被蒸发和加热，以膨胀形式做功（放）。

• 持续时间：3-16+ 小时
• 创业公司代表：EnergyDome

• 

1.1.4 基于重力（Gravity-based）

基于重力的技术通过提升活塞或重物（充），随后落下（放）。

• 持续时间：8-24 小时
• 创业公司代表：Energy Vault、Renewell、Gravitricity、Ares、EnergyBank、Gravity Power

1.1.5 抽水蓄能（Pumped Hydropower）

抽水蓄能技术是用水泵将水提升到上游（充），然后将水释放到下游（放）。

这个技术最近也出现了新形式，那就是将水被打入地下并在高压下储存（充），直到地面上的阀门打开，水流出推动涡轮做功（放）

• 持续时间：10-1,000+ 小时
• 创业公司代表：Quidnet、MineStorage、RheEnergise

1.2 电化学能

电化学能就是利用不同的化学物质来储存能量，主要由阴极、阳极和电解质组成。

1.2.1 金属-空气（Metal-Air）

金属-空气技术所采用的阳极由纯金属（例如铁）制成，当金属阳极氧化（放）时会与环境空气发生反应，然后利用电流将铁锈转化回铁（充）。

• 持续时间：8-100 小时
• 创业公司代表：Form Energy、EnZinc、Zinc8

1.2.2 新型化学材料（Novel Chemistries）

新型化学材料技术具有传统阳极-阴极电池结构，但使用其它材料代替锂。

• 持续时间：4-16 小时
• 创业公司代表：Eos、Ambri、EnerVenue、e-Zinc、Enerpoly

1.2.3 液流电池（Flow batteries）

液流电池是一种电化学电池，两种化学成分溶解在液体中并通过膜两侧的泵进行循环。

• 持续时间：8-24 小时
• 创业公司代表：ESS、VRB Energy、Invinity、CellCube、Primus Power、H2 Inc.、Redflow

1.3 热能

热能技术将能量储存在各种材料中，如水、熔盐和矿物质。一般来说，将电能转化为热能再转化回来会面临巨大的损失，但当系统的输入或输出都是热能时，其效率要高得多。

1.3.1 潜热（Latent Heat）

潜热技术是将能量用于储存于介质的相变中（充），然后将其还原成原来的形态以释放热量（放）。

• 持续时间：8-24 小时
• 创业公司代表：StorWorks、Azelio

1.3.2 显热（Sensible Heat）

显热技术是将能量用于加热存储介质（充），然后通过热交换器吸收，或用于另一种工质的膨胀做功（放）。

• 持续时间：8-24 小时

• 创业公司代表：KraftBlock、Kyoto Group、Hyme、EnergyNest、1414 Degrees、SaltX、Malta

2. 技术指标

以下指标常被用于判断某个 LDES 技术是否能成功。

• 持续时间（Duration）： 已经有多个 LDES 技术可以进行 100MWh 的部署，其输出功率不仅能与锂电池媲美，还在占地面积上不会输。
• 成本（Cost）： 前期的资本支出可能比锂电池更贵，但增加额外的 MWh 输出能力的边际成本会非常低。
• 使用寿命（Lifetime）： 锂电池通常可运行 2-3,000 次循环，或大约六年。预计大多数 LDES 能运行 20-50 年。
• 输入/输出（Input/Output）： LDES 解决方案将容量和输出解耦，在获得额外的容量的同时，无需付出更多就能得到功率输出。
• 可扩展性（Scalability）： 许多 LDES 技术不需要关键矿物或没有地质限制，并且扩展起来非常便宜。
• 安全性（Safety）： 锂电池火灾频发。LDES 解决方案可以避免因使用锂电池而需要的额外基础设施投资和运营成本（更高的保险费），尤其是在持续时间极长的情况下。
• 安全供应链（Secure Supply Chains）： 基础设施供应商对波动性敏感。远离不稳定的地缘政治和高隐含碳排放原材料的创业公司能够在这个领域更容易成功。
• 产品化，而不是项目化（Productized, not projectized）： 锂电池很便宜，因为可以规模生产。如果 LDES 技术必须是按项目单独打造，那将面临极大的挑战。

• 合理的 LCOS 假设（Reasonable LCOS Assumptions）： 复杂多变的因素使得投资者和客户很难完全信任或公平比较 LDES 初创公司提出的平准化储能成本 (LCOS) 。
  

3. 套利机会

长时储能既可通过容量市场获得收入，也可以提供辅助服务得到补偿。

• 日内（<24小时）： 提供单日储能服务，用于削峰填谷和电网稳定服务。最常见是现货市场，用于填补任何供需不平衡。由于定价原因，锂电池可能会在该领域占据主导地位，但 LDES 技术仍然可以通过相对较快的调度获得创收机会。
  
• 多日/周（24-100小时）： 提供 24-100 小时的储能服务。这对于夜间电力需求和可再生能源发电低的时期很重要。电力公司通常通过火力发电厂和拉闸限电来解决。LDES 有可能填补其中的许多空白，通过日前市场获利。
  

• 季节性（100 小时以上）： 考虑到季节之间风光的自然变化以及日益频繁的极端天气事件，LDES 可以帮助淘汰电网中一些最昂贵的电力设施：天然气调峰发电厂。这些电厂每年可能只运行几百小时，燃烧的天然气比基电的 CHP 发电机要多 50%。

来源： Guerra, Nature.

长时储能距商业化有多远？

虽然长期需求可观，长时储能这笔经济账仍不好算。

长时储能如果单单沿用短时储能的盈利模式，经济效益有限。长时储能与短时储能相比最大优势系就是其容量边际成本 (Marginal Cost per kWh)， 功率和容量可以相对独立扩展，避免了未使用功率产生的附加成本，具有不同应用场景之间切换叠加的高度灵活性。 而目前大部分电力辅助服务市场、峰谷电价套利空间，对2-4小时短时储能系统基本足够。因此，长时储能要想突破短时储能的商业壁垒， 必须要解决短时储能技术当前所无法解决的痛点 ，展示其在更长时间维度的经济价值。

来源：ARPA-E's DAYS 2020

近期麻省理工大学的研究团队在Nature Energy上深入探讨了长时储能的成本和其他技术特性对零碳电网整体发电成本的影响。研究表明，长时储能的价格至少要达到 $50/kWh才会被更广泛地应用；如要大幅降低整体发电成本 (>10%)，成本必须落在$1/kWh - $10/kWh这个区间。除了长时储能本身的充放电效率和造价，还有众多可以提供稳定电力服务的能源组合（核能、化石能源+碳捕捉与封存技术、氢能等）可以与之竞争，这些技术未来发展和成本，也会左右长时储能在电网中可以占有多大的位置。 与其他硬科技一样，长时储能从研发、示范、落地到规模化，一路上必将面临产能、供应链、建设、运营等多方面挑战， 必须严格控制每一环的风险，才能实现既定的成本目标。