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麻省理工学院能源计划未来研究报告(二十二):储能技术创新

作者:刘伯洵编译 来源:中国储能网 发布时间:2022-06-22 浏览:

中国储能网讯第9章——技术创新和储能技术的未来  

9.1简介  

本章探讨了技术创新在确保储能系统在未来电力系统中发挥的重要作用。出于探讨的目的,研究团队使用“创新”一词来指代新产品或业务实践从创意到商业部署的转变。而能源技术和其他技术的创新过程经历了五个阶段:“创意→研发→中试工程→技术示范→部署。”  

创新并不会以平稳或可预测的方式进行。许多反馈可能要求修改、加速或放慢创新计划。例如,基础研究通常在早期创意创造中发挥决定性作用。但是,需要通过针对性的基础研究克服只在部署中出现的限制。同样,部署新技术时通常会提出值得探索的新想法。

而在市场经济中,成功的创新需要在每个阶段综合考虑技术、经济和监管各方面。该过程的早期阶段通常依赖于“技术推动”,以公共或私人投资的形式对创意和研发进行投资;而在后期,市场拉动的作用越来越大。早期项目主要需要财务支持来支付部署前的开发成本。后期项目必须吸引愿意承担财务风险的投资者的私募股权和债务组合,以期获得基于对项目收入和成本的可靠预测的回报。此类项目的目标是通过展示性能和成本来说服股权和债务投资者相信新技术的商业可行性。因此,需要不同的金融工具或监管要求来鼓励在创新过程的早期和后期阶段取得进展。  

新技术实现商业化的主要风险超出了对困难或成本的乐观估计,还涉及外部因素,例如市场不确定性、监管标准的变化、政府政策的转变、公众的反对以及基于对未来错误假设的规划。对于能源技术,由具有技术、经济、监管和公共宣传专业知识的个人组成的综合项目开发团队的参与,可以帮助预测和应对只有技术专家参与时才能了解的挑战。  

美国具有先进的创新基础设施。其研究经费主要来自美国联邦政府,美国工业行业与高校密切合作促进了基础研究。这项研究是在有效的知识产权制度保护下开展的,促使大量私人资本流入,为各个领域的大量初创企业提供资金。美国在创新方面的比较优势在于早期的创意创造和研发。除了生物医药之外,美国在制造和供应链管理方面不如许多亚洲国家和一些欧盟国家强大。能源创新中的一个标志性例子是太阳能发电技术。在上世纪70年代和80年代,美国能源部(DOE)为材料和仪器的研发提供了大量资金支持,以生产低缺陷的硅晶片的光伏电池。但正是中国和其他亚洲国家(韩国、马来西亚和日本)的相在企业开始大规模和低成本地制造优质光伏组件,从而使他们能够在美国和欧盟的市场竞争中获得优势。  

美国能源部在创新方面的优势是建立多年的成就之上,并将继续支持创意创造和早期能源研发。美国能源部庞大而资金充足的科学办公室是美国物理科学技术的最大支持者。其国家实验室每年获得约100亿美元的资金用于国家安全和能源相关的研发。尽管在鼓励向私营部门转让技术方面做出了出色的工作和努力,但在通过研发创造商业产品方面,其生产力不如大学机构和私营公司。这部分是因为美国能源部国家实验室的创新重点是开发技术和提高性能。因此,很少强调成本、批量制造设计以及满足客户偏好。  

在美国联邦政府支持能源创新方面,最近的一个重要的发展可能是在美国能源部内部建立了一个新机构,即高级能源研究计划署 (ARPA-E)。该机构以美国国防高级研究计划局(DARPA)为蓝本创建,高级能源研究计划署 (ARPA-E)引入了全新的方法来征集、评估和快速资助新企业,同时监督项目进度,旨在更有效地开发颠覆性清洁能源技术。美国政府提议创建一个新机构:ARPA-Climate,但成立该机构的目的和范围以及它与高级能源研究计划署 (ARPA-E)的关系尚不清楚。  

美国能源部在下游产业创新方面的记录显然喜忧参半。它管理的几个大型能源技术示范项目,主要是通过私营公司与美国政府直接谈判的合同实施,这可能导致代价高昂的失败;其典型的例子包括1972年的Clinch River增殖反应堆、2003年的Future Gen碳捕获和封存项目,以及1981年在加利福尼亚州的Barstow太阳能发电塔。下游企业通常涉及寻求美国政府援助的私营部门合作伙伴,以帮助减少生产工厂的初始成本或展示推动政策发展的新技术的成本和性能,以及减少温室气体排放等目标。间接财政激励措施(例如上网电价、生产付款和受监管的公用事业国家赞助的竞争性采购)是创新后期更有效的援助机制,因为它们允许研究项目在商业基础上进行。  

大多数专家家认为,这些激励措施可能更加有效。第一个建议是延长美国国会对多年示范项目拨款的年度周期,因为年度周期会产生不确定性,并经常导致进度中断;第二个建议是,美国能源部应专注于招聘具有制定和监督大型技术示范项目所需经验和技能的专业人员。此外,不应要求此类示范项目遵守美国联邦采购条例(FAR),该条例可能歪曲商业惯例。而一些能源专家怀疑美国能源部或更广泛的联邦政府是否有能力以美国向无碳经济转型所需的速度和规模有效支持创新。  

9.2 储能技术创新的现状  

这项研究重点关注电力行业从化石燃料(煤炭和天然气)向可变可再生能源(VRE)(主要是风能和太阳能)过渡背景下的“储能技术未来”。

这种转变意味着电力系统配置的巨大变化,其中包括电力的产生、传输和存储。实现净零碳排放的电力系统将需要新的政策和法规提供支持,例如麦肯锡公司估计到2035年可能高达2.5万亿美元的额外净投资。此外,为这一转变进行规划还需要对未来电力需求做出假设,未来电力需求将受到电力以外行业(如建筑、工业和交通运输)的经济增长和脱碳的影响。虽然到2035年实现无碳电力是可能的,但原则上,至少有四个理由怀疑这一目标能否在实践中实现。  

首先,需要强调的是,缺乏一个严肃的、全面的、稳定的国家气候政策,这可能加大影响清洁能源转型所有要素的不确定性,尤其是储能系统。这份研究报告的作者认为一种为碳排放定价的经济范围内的机制,该机制为减少碳排放量提供了重要的激励措施(具有补偿经济上处于不利地位的机制社区和个人),以及对输电和电力系统其他关键组成部分选址的决定权力,对于经济高效的过渡是必要的。

采用全面的碳定价政策被广泛认为在政治上是不切实际的。拜登政府宣布计划推行国家清洁电力标准,尽管这样的标准的设计和实施还远未明确。对拜登政府清洁电力标准的反对导致其从目前正在美国国会等待的立法中被删除。相比之下,目前存在的旨在减少碳排放的州和地区计划和补贴计划并不鼓励经济高效的缓解战略和低碳创新。此外,许多州拒绝将快速脱碳作为政策目标。  

其次,到2035年实现电力行业净零碳排放所需的投资规模巨大。如果实现大规模的投资,可能会对美国经济造成意外的干扰,并导致某些行业和地区出现市场混乱。  

第三,将2035年作为实现无碳电力系统的近期目标,无论是务实的还是雄心勃勃的目标,都将美国联邦和各州的直接支持(补贴)和强制性法规转变为有利于近期“准备就绪”的项目,即到2030年可能产生取得可衡量的成果。无论碳排放目标的范围和时间安排如何,一个成功的创新项目或计划都需要一种规范的方法,其中包括对满足技术里程碑、成本目标、监管要求和进度要求的进度的持续评估。成功的创新必须通过满足技术里程碑来驱动,而不是通过满足任意某一时间目标。

第四,正如该项研究表明的那样,储能技术的发展前景很复杂,这是因为储能系统与电力系统的其他要素相关联:需求侧管理、批发市场或调度区地理范围的扩大以及输电容量的增强。最重要的是,无碳电力的目标对扩大技术之间的竞争具有重要意义。例如,通过量身定制的碳捕获和储存(CCS)技术可以减少天然气发电设施的运行,并降低主要基于可再生能源的电力系统的成本,以满足零碳排放的需求。  

最后,为减少温室气体排放而引入的创新应该是可持续的——换句话说,这些创新应该避免或尽量减少新的环境负担。如果电动汽车(EV)的部署按照国际能源署(IEA)的预期到2030年以年均31%~36%的速度增长,并且如果锂离子电池的寿命在预期的使用水平上是10年或更短时间,那么在2030年之后的某个时候,报废的电动汽车(EV)电池数量将会大幅增加,将会出现重复利用的机会,为这些电池找到二次应用,也许是在放电深度规格不太重要的电网规模储能应用中。或者可以回收具有价值的电池材料。美国联邦政府应考虑制定相关政策,以明确电池制造商或购买者是否应负责报废处置。此类政策的一个主要目的是激励电池制造商设计具有报废再利用或回收潜力的电池,而不是最终进入垃圾填埋场。  

9.3 美国联邦政府支持储能系统创新的意义  

上述考虑因素对美国能源部(DOE)和私营部门应如何处理储能技术创新具有影响。应该继续支持早期创意和基础研究,这在历史上一直是美国能源部的强项。该项报告就近期(即2030年之前)和长期市场推出的有前景的储能技术提出了几项建议。表9.1总结了研究团队关于不同储能技术创新的发现。从长远来看,其他技术可能会发挥作用,但这些技术的创新速度和特征存在更大的不确定性。  

表9.1  麻省理工学院能源倡议(MITEI)关于选定当前创新状态的未来储能研究结果总结

一般而言,对于近期技术选项的研发支持没有太大需求。电动汽车市场的快速增长导致锂离子电池的成本不断降低,因此可以广泛应用于部署电网规模电池储能系统。私营部门的反应是为储能技术提供大量风险投资。与其他时代和其他类别的能源技术相比,研发资金不足并不是储能技术创新的主要制约因素。  

正如相关文献中经常强调的那样,成功的创新需要综合考虑经济、监管、技术等因素。美国政府支持可能要到2030年之后才能开发或部署的储能技术的更有力的理由;该项研究的技术章节中提到了几个机会。而时机很重要:例如长时储能技术在未来几乎完全由风力发电和太阳能发电设施供电的低碳电力系统才能发挥重要作用。  

这些技术可能即将出现,但市场需求刚刚发展,美国政府现在应该考虑为研发支持提供支持。  

不确定性和风险当然会影响美国联邦和州政府以及私营部门公司和投资者为实施这份研究报告中提出的许多建议而采取的行动。必须考虑三类实施行动:(1)支持各种储能技术的开发和示范;(2)联邦和州的直接支持(补贴)、强制性法规和公用事业公司的采购义务,以加速电网规模储能技术的部署;(3)私营部门投资。近期行动应设计为在2021年至2030年期间产生可衡量的结果,而长期行动的结果预计在2030年之后。  

到2035年,电力行业的零碳目标将推动公共和私营部门的努力进入技术创新的下游阶段——特别是近期的技术示范和部署,以及更多的私营部门投资。因此,美国能源部的储能创新工作应朝三个方向发展:首先,美国能源部应该赞助更多与工业界的联合技术示范项目。这些项目应不受其他限制技术开发和商业示范的规则的限制。该项研究中提出的一个有趣的例子是探索与小型碳捕集与储存(CCS)设施配套的天然气发电设施的可能性,以缩小高比例可再生能源(VRE)发电与100%可用的可再生能源(VRE)发电之间的差距。技术演示的另一个潜在目标是在电网规模储能系统中使用电动汽车电池。  

在过去,美国能源部坚持要求私营部门合作伙伴分担项目成本。由于社会资本通常被授予知识产权作为回报,这种做法损害了公共支持的技术示范项目的基本目标,即在所有行业参与者之间传播信息,从而为有效竞争创造条件。美国联邦示范项目应包括与尚未成为合作伙伴的其他实体共享信息的明确要求。  

其次,虽然美国最近通过的《整合和投资就业法案》(IIJA)包括对氢能开发的若干激励措施,特别是创建至少四个氢能枢纽,但要开发氢能在电网中发挥重要作用的潜力还有很多工作要做。在零能源经济中,氢气是具有许多潜在应用的能量载体。该项研究的第5章重点关注氢作为可再生能源发电的潜在化学储能介质。但氢气也可用于工业化学应用以及运输和供暖领域,在此类应用中使用氢气可以提高其在电力系统中的价值。在现有天然气管道在减压下或与天然气混合后输送氢气而不会发生脆化的能力仍然是一个需要解决的技术问题,值得在美国能源部和美国交通部的支持下进一步研究。不同的氢气应用需要不同类型的系统集成,而不仅仅是技术开发。然而,所有应用都需要低成本的制氢方法(没有非常高的碳排放费用),这证明美国能源部大力支持研发以降低使用电解槽或甲烷热解器生产氢气的成本是合理的。  

第三,美国联邦政府加速商业技术下游部署的努力应依赖间接激励措施,例如生产付款或上网电价,这些激励措施不会干扰相关示范项目的管理。如果目的是鼓励部署,需求方的激励措施通常比生产方的补贴更有效(成本更低),欧洲(德国和西班牙)的经验证明了这一点。贷款担保们给人一种“超出预算”的错觉,应该避免此类担保,因为它们由财政部门管理。可以理解的是,美国财政部不赞成这种机制并增加了繁多的限制。更重要的是,美国能源部的贷款担保以保护私营部门合作伙伴免于失败,而不是激励成功。与其相反的是,政策制定者应该倾向于为发电资产支付生产费用,因为这些费用是基于实际生产的电力以基准成本计算的。储能系统等非发电能源技术的生产支付必须基于预设的开发要求和运营测试措施。在任何创新努力中,都会出现一些失败。然而当一个项目失败时,整个项目可能成为政治争议的目标,威胁到创新努力。

另外两个不是这项研究重点的创新领域值得一提:储能设备的制造和供应链管理,尤其是电化学电池。 一个相关的问题是美国储能产品与外国制造商相比的国际竞争力,尤其是来自中国和韩国、日本等其他亚洲国家的制造商。

美国能源部的储能计划于2020年1月8日宣布,相应的2020财年拨款请求为1.58亿美元。这个适度的请求包括支持制造和供应链管理的努力。然而,美国能源部在制造援助计划、制造技术中心和公私合作伙伴关系方面收效甚微,其原因是缺乏商业专业知识、美国国会干预以及未能强调竞争技术的价值。美国能源部及其国家实验室在商业市场的制造和供应链管理方面几乎没有经验,发展这种专业知识需要与私营部门参与者和商业市场活动密切合作。  

另一个复杂的因素是美国国会议员对中国的贸易行为普遍存在担忧。美国总统拜登2021年2月关于美国供应链的第14017号行政命令指示美国能源部在100天内提交一份报告,确定包括电动汽车电池在内的高容量电池供应链中的风险。  

2021年6月21日,美国联邦政府发布了一份长达250页的《建立弹性供应链、振兴美国制造业和促进广泛的增长》报告,其中包括一份60页的美国能源部提交的大型文件。美国能源部部分涉及这项研究中涵盖的许多主题。2021年6月报告的其他部分涉及半导体(美国商务部)、关键材料(美国国防部)和药品(美国国家卫生研究院)。  

美国政府的这些报告值得认真关注,至少表明对国外竞争的关注。美国在制造业和供应链管理方面的落后地位仍将在美国国会、政府和商界的议程上占据显著地位。该报告还提出了许多影响深远且代价高昂的建议,但遗憾的是没有确定优先事项或说明它提出的许多新举措将如何得到管理、监督和协调。总体而言,该报告标志着美国采取了新的积极的产业政策。它强调有利于国内生产商的贸易做法和补贴,这可能会在世界贸易中引发许多问题。

美国政府报告中未提及储能未来研究的一项建议,但可能被证明在美国国实现净零电力系统方面具有最大的好处,即建议在美国能源部电力办公室指导下,开发新的开放式接入的建模、模拟和分析工具。这些工具将允许参与评估新电力系统设计的利益相关者探索实现关键目标的替代途径。然后,他们的分析可以为替代方案提供基础,并有望更快地做出决策。  

一套新的建模和分析工具也将对发展中国家大有裨益。 美国可以通过向这些国家提供有关如何收集数据和使用最先进的能源和气候规划工具的技术援助来做出重要贡献。

9.4 要点  

•技术创新过程通常分为五个不同的阶段:创意创造、研发、试点工程、技术演示和部署。  

•美国在创新的早期阶段(创意创造和研发)比较强大,而亚洲国家和一些欧洲国家在制造和供应链管理方面表现出色。

•能源专家普遍怀疑美国能源部或美国联邦政府是否能够以美国向无碳经济转型所需的速度和规模有效支持创新。  

•一般而言,对于近期储能方案的联邦研发支持没有太大需求。对于可能要到2030年之后才能开发或部署的储能技术,联邦政府支持的理由更有说服力。  

•要在2035年之前实现零碳电力系统,就必须加速创新,而创新要想成功,就需要综合经济、监管和技术方面的考虑。  

•美国能源部应赞助更多高校与工业界的联合技术示范项目。

•美国联邦加速任何商业技术下游部署的努力应依赖于间接的激励措施,例如不干扰相关示范项目管理的生产付款或上网电价。  

•在美国政府支持创新的背景下,另外两个领域值得更多关注:储能设备的制造和供应链管理,尤其是电化学电池。  

•美国能源部电力办公室应指导开发新的、开放访问的建模、模拟和分析工具。  

(全文完)

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