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2030年智慧储能与再生能源用电池的市场与成本
 

【作者: 盧傑瑞】2019年12月12日 星期四

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2015年在巴黎举行的联合国气候变化大会建立了一个共识,在全球的积极推动下,快速地发展再生能源系统,来避免灾难性气候变化的危险。而各国政府所面临的挑战,已经从讨论可行性,变为如何共同实现再生智慧能源系统。


近年来,利用再生能源发电的成本还是相当高,但透过各方技术的提升,已经使得成本大幅地降低,因此让电力产业在减轻碳排放方面获得了相当程度的进展,但是距离高度环保能源利用还是相当远,因此需要加速导入各种再生能源与电力储存技术。再加上,例如在工业,交通,住房和商业建筑等各领域的电力用户,对降低碳排放的进度相当缓慢,因此也必须透过各种技术来加速目标的达成。


这些进展都突显了智慧储能技术,在促进降低碳排放扮演着巨大潜力,因此快速发展如高度智慧性电池等技术的电力储存技术,都能够提高供电环境的灵活性,另一方面,随着可变再生电力(VRE:Variable Renewable Electricity)比例的增加,供电系统的灵活性就成了一项重要优势。


作为更直接的效果,高度智慧蓄能技术能让以电动汽车(EV)为基础的交通运输业得以发展,还能实现高效的住宅太阳能系统,透过智慧储电系统,不必依赖24小时外部电力传输,达到100%可再生,来完成能源微型电网。


再生能源显着增长 电力供应系统需更灵活

电力系统需要透过各种辅助机制才能平稳运行,并具有高可靠性(图一)。为了确保供电品质(恒定电压和频率),必须防止电气设备的损坏,且能稳定的对所有用户提供电力,这时再透过即时且精确的机制来平衡电力供需。


而每个电力系统也都需要一定的灵活性,让电力网路运营商能够应对意料之外的需求波动和巨大的供电损失。因此高度灵活性是电力网路运营商对於快速恢复电力系统平衡不可或缺的工具。



图一 : 电力储存所能提供的各项服务机制(source:IRENA)
图一 : 电力储存所能提供的各项服务机制(source:IRENA)

在当今的电力系统中,太阳能和风力发电尚未对现有电网的运行产生重大影响,但是随着VRE比例的增加,电力系统不仅需要更灵活的服务,还需要适合於快速反应电力储存的不同能源组合。更可能的是,电力系统运行的主要变化,必须包括在能源整体计划之中。


国际再生能源机构(IRENA)最近对G20国家进行一项研究,分析了到2050年能源转换的影响,预估在2050年之後,全球80%以上的电力,将由再生能源提供,而太阳能发电和风力发电预估将占总发电量的52%。


电力储能是能源转型的核心,在整个电力系统价值链中对用电户提供服务。而透过蓄电能力的提升,可以减少电力输送网路的种种限制,并降低对大型基础设施投资需求的急迫性。透过BTM(behind the meter:後端电表)的应用机制,可以让用电户者进行帐务管理,达到在高峰需求期间减少来自电网的用电量,并且转换成增加屋顶太阳能电池板的供电 。


因此利用电力储存计画,不仅可为多种服务和用电户带来效益,还可以透过提供各种服务来产生多种收益流。长时间下,依赖智慧电力的储存,就能够调整和均衡每天、每周和甚至每月的电力供应变化,预计2030~2050年以後,风力发电和太阳能发电的比例就会变得相当高。


除了系统的高度灵活性之外,长期电力储存还需要借助低能耗和低排放率的各种技术,例如泵送系统,或者需要长期且高效率储存电力的创新技术。


新技术开发 电力储存设备采用度越来越高

例如,在最近几年安装的德国小型太阳能发电系统中,约有40%获得政府的补助,来采用电力储存用的固定式电池,并随着整个电池次系统一起导入型太阳能发电系统。在澳大利亚,虽然没有政府资金的支持,在2016年安装仍旧设置了7000个小型电池系统。


长期以来,抽水蓄能一直被应用在电力的供应,从低需求时间转变为高需求时间,来降低发电成本(图二)。而蓄电池和其他机械或热力动力储存系统相较,对於提供动力方面具有重大的成本问题。尽管如此,蓄电池技术目前在经济上仍旧能提供相当广泛的应用,相信随着未来成本的下降,以及性能的提升,被采用的趋势有??继续增加。



图二 : 2017年全球电力储存容量的比例-主要用途与技术别(source:IRENA)
图二 : 2017年全球电力储存容量的比例-主要用途与技术别(source:IRENA)

促进电力储存达到经济化的一个重要挑战,是必需要透过从单一个电力储存系统,提供广泛的服务来获得多个高性价比的能力,进而实现收益的「加乘」效果,并提高获利能力。在许多国家而言,这样的目标是需要改变市场结构和进行监管,或者发展新的补充电网服务市场。


因此在理想情况下,後端电表的应用机制,应该可以进入商业规模的市场,并且电力聚合商可以发挥电池的最大作用。或者,在规范更严谨的市场中,可以利用发电系统的电网辅助服务,来消除电力配送的拥挤,进一步评估让能源转换为储能系统,获得多元化成本的节省,而从将储存选项与替代选项进行比较,获得高可靠度的解决方案。


各电力储存技术都将扮演重要的地位

随着电力储能市场的成长,到2030年之後似??不可能有单一储电技术独占??头。就像锂离子电池目前在电动汽车市场中没有明显的优势。但对於其他储电的应用而言并非如此,因为电力储存技术可以提供各种不同的服务,并且要求非常多元化,而每个电力储存技术的特性也各不相同,因此电力储能领域将发展出各种不同的技术,并将各自找到一个证明各自性能和成本优势的市场,而在2030年之後,应用於固定式的电力储存设备或元件将呈现出多元化的市场。


随着VRE的普及,辅助服务机制((例如高速频率稳定、辅助频率稳定、电压支援、备载容量和备用操作)就会显得特别重要,而这些辅助服务机制具有不同的性能动态,具体取决於市场和季节。就像一些应用需要在短时间内提供高功率(例如快速的频率下具有稳定的响应等),或是需要长期提供功率(例如固定的电源容量)。


这些不同的服务机制意味着需要进行不同的充电/放电周期,一般而言正常的情况是,在周期内进行均匀的充电和放电可能是正常的(例如电源时间偏移),但是必须因应可能突然发生较大变化的充电/放电。


这会影响着某些电力储存技术在最经济的成本下提供服务,例如,暂停运转时「自然放电」率极低,且适合长期储能的抽水蓄能电站;或是暂停运转时的放电率非常大,但对於大功率和快速放电服务(例如频率或电压稳定)有较隹的处理能力。


而现实的各种问题也会影响到选择最合适的电力储存技术。例如,人囗稠密的城市空间相当有限,因此具有高密度电力储存能力的技术就较具优势性,此外在非常热或冷的环境中,电池的性能特性和寿命也会受到影响。(图三)



图三 : 2017年~2030年各电力储存技术的容量成长(source:IRENA)
图三 : 2017年~2030年各电力储存技术的容量成长(source:IRENA)

2030年总储能容量将是能源总量的三倍

2018年的总电力储存容量预估为4.67兆瓦(TWh),假设到2030年再生能源的比例将成长一倍的话,再加上固定和车载应用中对电力储存的需求增加,预计电力储存量将会达到11.89~15.72兆瓦。不过在比例方面,随着其他电力储存技术应用的增加,虽然抽水蓄能发电量在2030年时,将比2017年增加1560~2340 GWh,但是比例将下降到45~51%。


但是,太阳能发电的蓄电量却会大幅度的增加,就像目前集中式太阳能(CSP;Concentrating Solar Power)被采用规模正大幅度的成长中,这显示了对电力系统灵活性的需求不断增长。同时,电池成本降低的因素,也创造了各种的应用机会,再透过各种电池技术和分布式电池的采用,让电力输送网路的服务更为广泛和弹性,从而增加了屋顶太阳能发电的自用能力。


为了满足让再生能源在全球能源供应中,所占的比例能够成长一倍的目标,到2030年时用於固定式的电池供电储能(BES)系统的容量,就必须增加到目前水准的17倍以上,而这种储存容量的激增,所代表的是商业用电和後端电表应用快速增长所驱动的。


到2030年之前,对於固定型用途的电池式电力储能市场,尤其是用於提高屋顶太阳能发电的「後端电表」,预估有相当大的成长机会。而配电和电力生产业者对於电力输送网路也采取了诱因式的管理,来提高新的用户或需求(图四)。



图四 : 2017年~2030年固定式电力储存的电池技容量成长(source:IRENA)
图四 : 2017年~2030年固定式电力储存的电池技容量成长(source:IRENA)

另外,在2030年BES的最大市场,可能是BES系统和新型小型太阳能发电系统的结合。在欧洲等国家,BES在住宅和商业电价方面特别高,其成本结构使太阳能发电更具有竞争力,并且对新配电网络的建设缺乏驱动力量(通常会减少),因此这样的结合模式,可能在未来几年中呈现显着成长。


BES的商业用电市场规模的成长相当强劲,2017年中已经达到10 GWh,预估2018年将会有45 GWh~74 GWh的规模,而REmap Doublebling估算,将高达81到187 GWh。随着越来越多的国家试图透过市场改革来支持更高的VRE率,因此辅助服务的新市场已经变得更加细腻(主要和次要频率储备、备载容量)。更由於储能技术有??更具竞争力,使得辅助服务的新市场将出现采用BSE的机会,同时使用电池供电为储存技术的再生能源容量也将扩大。


2030年後端电表将占BES总能源容量的60-64%

预计到2030年,电池供电储能应用主要会在电力的转换,增加用户自发电使用,以及避免用户在高峰费用时使用外部电力,估计电池供电储能这时大约占再生能源储存总容量的11~14%。


频率稳定是BES的高竞争力原因之一,同时也能够降低电力成本。预估到2030年,以频率稳定需求为主的用户将占BES总容量的10~15%,这些也是BES系统所提供的主要服务之一。在某些情况下,提供多种网格服务的BSE允许某些系统「加乘」多元服务的能力,来获得更高的营收,并改善BES的获利能力(图五)。



图五 : 2017年~2030年主要应用的固定式电力储存的电池技容量成长(source:IRENA)
图五 : 2017年~2030年主要应用的固定式电力储存的电池技容量成长(source:IRENA)

锂离子电池总成本到2030年可能再降54~61%

在2010年至2016年之间,锂离子电池的成本下降了73%。但是固定式锂离子电池的安装成本,还是比电动汽车高,这是因为充电/放电周期中存在许多技术方面的挑战,并且电池管理系统和硬体价格也相当昂贵。不过在德国,小型锂离子电池系统的总成本,从2014年第4季到2017年第2季,已经下降了60%。相信电动汽车采用锂离子电池的规模会持续扩大的背景下,预计到2030年,会使得固定式在采用锂离子电池的成本可能会再下降54-61%。(图六)。



图六 : 2016年~2030年的电力储存用电池成本发展预测(source:IRENA)
图六 : 2016年~2030年的电力储存用电池成本发展预测(source:IRENA)

尽管规模经济和技术进步降低了材料要求,也降低了成本,使得整个制造链中实现了成本降低的目标(图七),预计到2030年,锂离子电池的寿命可以增长约50%,并且完整充放电循环次数可以增加90%。在充电/放电效率也从88%提高到98%。



图七 : 2016年~2030年锂离子的材料降低的可能性(source:IRENA)
图七 : 2016年~2030年锂离子的材料降低的可能性(source:IRENA)

其他电池的电力储存技术也可节省大量成本

液流电池

液流电池技术类似於既是燃料电池又是电化电池,它具有技术上的优势,比如潜在的可分离液体储罐和接近无限的使用寿命。目前的液流电池实现方式相对较少,并需要更复杂的电子设计。液流电池中储存着液体化学溶剂,形成两个次系统,这两个次系统间的连接部份,为发电区,以一个薄膜隔开。这两种化学溶剂,由它们所在容器,流动到发电区,隔着薄膜,产生离子交换,透过这种方式来进行放电或储电。尽管液流电池的能量密度低於锂离子电池,但是如上所述,液流电池在室温附近工作,并且可以独立地缩放能量和功率特性。


液流电池的两种主要技术是钒氧化还原液流和溴化锌,2016年的成本约在315~1680美元/kWh之间。预估到2030年,这一成本将降到108美元/kWh。另外由於电极、液流和薄膜设计的改进,这些特殊液流电池的充电/放电效率也将将从2016年的60-85%提高到2030年的67-95%。


与其他技术相比,采用液流电池虽然初始的投资较高,但完整循环数可以超过1万次,这也是液流电池的研究重点,让电解质的长期稳定性来维持其长寿命。


高温钠硫和镍氯化镍电池

高温电池是使用液体活性物质,并且由β铝制成的固体陶瓷电极来做为电池电极的分隔壁。通常,这些系统中的阴极材料是熔融的钠,并且在阴极利用钠离子通过薄膜的过程进行电力储存和释放能量。就NaS电池而言,使用最广泛的负极材料是熔融硫,不过有部分是采用钠、镍和氯。


NaS电池的优势是拥有相对较高的能量密度,这是锂离子电池的低能量密度无法竞争的,也远高於氧化还原液流和铅酸电池,另一个优点是它是由无毒材料制成的。所以自1990年代以来,NaS电池已经被使用在日本的电力传输系统(风力发电厂的风向平整等),全日本有170多个电厂使用,并且电力储能超过300 MW。例如,东京电力一直用运用在6MW/h/48M/h的系统,来轻东京的负荷。


目前,NaS BES系统的总能源成本约在263~735美元/ kWh间,但有些数据显示,部分系统的采用成本低於400美元/ kWh。虽然NaS电池具有相对较低的成本,来实现高循环寿命的潜力,但也存在一些技术挑战性,就像NaS系统的缺点是相对较高的年度运作成本,用於室内暖气的成本就可能高达40~80美元/KW/Y。为了降低生产成本,必需开发更为坚韧的材料、涂层和接合处,来解决因为腐蚀造成的寿命问题。


预计到2030年,NaS电池的成本可大幅降低75%,达到120~330美元/KWh作又。另外钠、镍和氯等高温电池的能源成本也将从原来的315~490美元/KWh,降到130~200美元/KWh。


飞轮与压缩空气储能

飞轮是利用加速和减速旋转,将旋转动能储存为能量,虽然可以产生相当高的电力,但是产生能源的成本却是很高,从1500~6,000美元/ kWh不等,自放电率为每小时15%,非常适合用在短期电力储存。预估到2030年,飞轮系统的能源成本将降至1000~3900美元/KWh。未来研发的重点是,减少摩擦损失,以及提高材料品质和效率,来延长循环寿命(尤其是磁性轴承)。


压缩空气蓄能(CAES)系统是将能量以压缩空气的概念将能量储存在罐中,并以传统燃气轮机的类似方式运转。充电时,将多馀的或非高峰的电力流向驱动压缩机并储存在储罐中。


放电时,压缩的空气从储罐中释放,过程中在冷却後,再次进行加热。这是利用燃烧室内混合压缩空气和燃料(例如天然气)来完成的,该燃烧室驱动涡轮系统。与抽水蓄能一样,很难准确估算CAES系统的成本,因为成本会因地点而异,并且取决於储罐上的当地环境限制。


一般而言,运作成本估计约为50美元/KWh,但如果利用现有储罐的话,则可以降低至40美元/KWh。缺点是由於相对较低的放电率,和不隹的转换效率而导致高成本。


原物料的产能与回收

随着BES技术被广泛地采用,原物料的供需,例如锂离子电池BES的原物料,就可能影响BES系统的扩充,因此这是近年市场非常关心的议题。


最近的研究显示,锂元素的总需求在2025年时将出现供过於求,需求量虽然来到8万吨,但是总开采量却高达8.8万吨,供应过剩量约为8000吨。虽是如此,供需消长之间仍然存在不确定性,短期内,由於供求不平衡,价格可能会变得不稳定。


此外,钴的生产中可能会发生类似情况,钴被广泛应用於某些类型电池的化学成分中,并且钴通常作为镍和铜开采的??产品而生产,因此供应的增加是可以被预期的。


目前铅酸电池的回收情况是相当乐观的(欧洲的回收率超过99%),而学术界和工业界也正在积极开发包括锂离子在内的其他化学品的回收技术,锂离子电池的回收技术目前还在验证中,因为回收最大的困难性是化学成分的多样性。


**刊头图(source:ecowatch)


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