儲能成本下降：實現100％可再生能源發電的路徑

孫一琳

眾所周知，實現100%可再生能源發電要求電網具備很大的靈活性，需要用多種方式去平衡風電和太陽能發電的波動。目前來看，有多種提升電網靈活性的有效途徑，增加儲能設備是其中之一。但就現有的儲能技術而言，高成本是其在可再生能源領域發揮作用的巨大掣肘。未來，儲能有希望通過新材料、新技術、新形式等的研發，成本達到預期水平，從而推動100%可再生能源的實現。

一項新的研究

近日，麻省理工學院研究人員Jessika Trancik帶領他的團隊為此展開了一項研究。傳統的建模方法一般考慮特定的需求并假設一個技術成本，而該研究的創新之處在于，Trancik的團隊首先構建了一個場景，即100%可再生能源，然后反推要想成為最經濟的選擇，儲能的成本需要降至多少。

團隊選擇了四個地點：亞利桑那州、愛荷華州、馬薩諸塞州和德克薩斯州，并收集了20年的數據。在一個較長的時間跨度內測試可再生能源是很有必要的。太陽能和風能除了每天和每周的波動，還可能有每年甚至多年的波動。事實上，通過回顧過去20多年，研究團隊發現了幾個罕見的現象，其中風能和太陽能都在異常長時間內處于較低的水平。這些罕見的事件導致了所需存儲量的激增。對這部分的規劃會使純可再生能源系統的成本大大增加。

對于這四個州，Trancik的團隊模擬了一個可再生能源+儲能系統，其“等效可用性系數”（EAF）為100%。這意味著該系統將精確地匹配供求關系，在20多年的時間里，每天每小時都能提供基本負載、中間負載和峰值功率。

這是一個很高的標準：該系統能提供足夠的存儲空間，以適應未來20年風能和太陽能的任何可能波動。

該研究表明，可再生能源+儲能系統的儲能成本必須降至20美元/千瓦時左右，才能在為美國提供100%可再生能源的任務上具有成本競爭力。現實比理想更樂觀

這些都是極其艱巨的成本目標——不是超出了可能的范圍，而是遠遠超出了大多數主流預測的邊緣。從表面上看，該系統依賴于技術成本近乎“夢幻”般的下降，這似乎證實了一個完全的可再生能源+儲能系統是不現實的。但是再進行深入探討，這個結果遠比看上去的更加樂觀。

研究團隊設定了一個極高的標準：一個完全由可再生能源構成的系統，完全由存儲來靈活處理，以滿足20年來每天每時每刻的需求。只要稍微放寬這些限制，儲能必須達至0的成本目標就會上升到更容易控制的水平。

首先，必須明確的一點是，沒有一個電力系統是百分之百可靠的，電力管制和調峰任何時候都存在。100%的等效可用性系數是不切實際的。Trancik團隊發現，如果等效可用性系數的目標從100%降低到95%，那么儲能的成本目標就能降低到150美元，千瓦時。在現有技術的范圍內，這個數字更容易實現。

為什么降低一點點等效可用性系數能緩解如此大的儲能壓力？主要是由于那些罕見的長時間低風速、低光照的氣象事件。在20年的時間里，它們不會經常發生，但是當它們發生時，預備足夠的儲能系統來處理它們，導致成本加倍。實際上，有一些其他的手段可以處理那些罕見的事件。

其次，該團隊正在為一個系統建模，其中儲能幾乎承擔了所有的靈活性需求。事實上，電網靈活性還有其他來源，比如負載的靈活性。這是一種能夠及時轉移、分散電力需求側需求的模式。來自電網的長距離輸送也可以增加電網靈活性，將可再生能源從生產地區輸送到需要的地區。另一種是可調度的可再生能源，如順流而下的水力和先進的地熱等。所有這些措施都能有效增加電網的靈活性，推動可再生能源的發展。

再次，隨著可再生能源的成本下降，實現可再生能源+儲能系統也會變得更容易。Trancik的團隊對數據的選擇非常保守。例如，他們研究選取1美元，千瓦時的電價數據。這個電價并不符合實際情況。因此，如果可再生能源能大幅降低成本，那么擴大可再生能源的規模將變得更便宜、更容易，進而將緩解儲能壓力。

簡而言之，儲能系統的20美元/千瓦時成本目標肯定比現實世界的要求更為嚴格。即使是95%的等效可用性系數所需的150美元，千瓦時也過于苛刻。在現實世界中，儲能將得到其他提高電網靈活性形式的幫助，成本可能會比任何人預測的都要低。不同儲能技術的安裝成本

儲能技術的發展也有力地推動著可再生能源+儲能系統的成本下降。國際可再生能源署（IRENA）于2017年發布了一份報告，預測到2030年，定置型鋰離子電池的總安裝成本將下降到145～480美元，千瓦時，中間的波動取決于電池的化學成分。鋰離子電池僅僅是研究人員通常選取的一個參考，將存儲技術的原材料成本作為其總成本的下限。除此之外，還有很多其他種類的儲能方式可供選擇。

該報告稱，2016年，兩種主流電池技術，即全釩氧化還原液流電池和鋅溴液流電池的總安裝成本在315～1680美元/千瓦時之間。預計到2030年，成本將降至108～576美元，千瓦時。目前有液流電池公司聲稱現有技術已經可以做到。

鈉硫電池和鈉，氯化鎳電池已經出現了一段時間。報告數據顯示，至02030年，鈉硫電池的安裝成本將下降到120～330美元，千瓦時，鈉，氯化鎳電池的安裝成本可能會達到130～200美元，千瓦時。

壓縮空氣蓄能設備的基本安裝成本約為50美元/千瓦時，如果現有水庫可用，則會降到40美元，千瓦時。

此外還有蓄熱方案，比如越來越受歡迎的將電以熱能形式儲存在熔融鹽中的方案，據稱其成本將低至50美元，千瓦時。

有一個比較有意思的設想是，未來將會有數百萬千瓦的電動汽車電池被廢棄，人們可以將這些廢舊電池收集起來搭建一個儲能網絡，這部分儲能的成本是極低的。

儲能正在迅速發展，技術呈現多樣化，成本也在下降。其與太陽能發電、風電的結合推動著可再生能源系統開始在成本上與化石燃料展開直接競爭。隨著可再生能源和儲能成本的降低，這套系統將具備更大的競爭力。只要價格足夠低，100%可再生能源將成為現實。