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熱文:調查報告‖凈零熱儲能:長時儲能加速能源系統脫碳(三)

2022-11-21 15:47:28 來源:中國儲能網

3 長時儲能技術的成本和競爭力

即使在高溫環境下,熱儲能系統也可以實現大多數熱能應用。熱儲能涵蓋了大量的技術,包括各種持續時間 (從白天到季節性)和溫度范圍寬泛(從零下到2400℃)的技術。


(資料圖)

根據2022年長時儲能委員會的基準,熱儲能系統可以實現廣泛使用的熱應用(即蒸汽和熱空氣),可以經濟高效地實現儲能和脫碳。其基準結果還表明,當最終需求為熱能時,熱儲能比電轉熱更具有成本效益。此外,包括熱儲能在內的長時儲能系統的成本在未來15年將大幅下降。并且隨著市場的成熟,長時儲能技術的成本競爭力將越來越強。

1、2022年長時儲能委員會的資本支出基準提供了最新的電力長時儲能和熱儲能技術成本展望

長時儲能委員會2022年資本支出基準提供了長時儲能成本的最新視角,并為相關業務案例提供信息。與任何新技術一樣,具有競爭力的成本和性能對于儲能技術的廣泛采用至關重要,與其他儲能技術相比,長時儲能系統需要更具成本效益。對于長時儲能系統來說,需要考慮的一些關鍵參數是儲能容量成本(美元/MWh),裝機容量成本(美元/MW),運行和維護成本(美元/MW)),長時儲能系統的充放電效率(RTE),以及熱儲能的系統效率。這些參數包括在長時儲能委員會的成本基準中,本節給出了下列結果:

(1)基于電力的長時儲能系統。長時儲能委員會2022年資本支出基準提供了基于電力的長時儲能系統資本支出和兩種持續時間的長時儲能原型(8至24小時以及24小時或以上)充放電效率(RTE)的視角,如2021年長時儲能凈零電力報告所示。更新后的基準基于21個長時儲能委員會技術提供商部署的這兩種儲能系統的成本。其基準測試結果將在稍后的經濟優化建模中使用(參見第5章),可以模擬部署不同的長時儲能系統。

(2)熱儲能。本報告擴大了2022年長時儲能委員會資本支出基準范圍,將熱儲能技術包括在內。該基準展示了熱儲能的資本支出和系統效率在四種熱應用類型的前景。該基準測試基于11個長時儲能委員會技術供應商的運營數據。

2、基于電力的長時儲能系統更新的基準數據證實了成本將在2040年下降的觀點

基于電力的長時儲能系統基準數據表明,到2040年,長時儲能系統的成本可能下降25%`50%。對于持續時間8~24小時和24小時以上的長時儲能系統,其部署成本可能分別下降到26萬美元/MW和148萬美元/MW (如圖7所示),其中包括充放電設備和工廠成本平衡在內的電力資本支出,預計8~24小時長時儲能系統的成本將整體下降35%~50%,24小時或以上長時儲能系統的成本將下降約25%。

對于24小時或更長時間的長時儲能系統和8~24小時的長時儲能系統,儲能成本預計將分別降至6000美元/MWh和22000美元/MWh。

圖7基于電力的長時儲能系統支出預計將在2040年大幅下降

持續時間較短的長時儲能系統通常被優化為在較短的持續時間和較高的充放電次數方面具有競爭力。這可以從8~24小時長時儲能資本支出中看出來。然而,由于電力資本支出成為主要成本,且在不同原型和場景中差異更大,這種優勢往往會隨著持續時間的延長而減少。24小時或更長時間的儲能系統的單位儲能成本要比8~24小時儲能系統低得多 (大約是其三分之一),這使得這些長時儲能系統的設計適合持續時間更長的應用。

更多的案例為基于電力的長時儲能系統基準提供了更廣泛的技術基礎。與2021年電力資本支出基準的差異主要是由于長時儲能委員會成員提交的樣本數量翻了一番,這增加了樣本數量。同樣的情況也適用于儲能資本支出。

3、熱儲能基準根據熱應用原型的不同而不同

·熱儲能技術分為三類: 顯熱、潛熱和熱化學熱。顯熱通過提高固體或液體介質的溫度來儲存熱能;潛熱通過改變材料的相來存儲和產生熱量。熱化學熱通過吸熱和放熱的化學反應來存儲和產生熱量。每個類別的介質材料都具有其獨特的特性,導致不同的工作溫度和持續時間。因此,不同的熱儲能技術將適合不同的應用,這取決于它們的溫度、規模、持續時間和其他因素,例如儲熱形式、占地面積和流程集成。

熱儲能技術可以覆蓋熱需求的時間和溫度范圍。許多不同的材料(例如石墨、巖石、水和冰等)可以覆蓋廣泛的溫度和持續時間(如圖8所示)。例如,地下水系統,如含水層、鉆孔和水坑可以存儲0℃到100℃的熱量長達數月的時間,而石墨系統可以存儲高達2400℃的熱量。熱儲能技術(包括微囊化金屬、石蠟和吸收系統)處于不同的發展階段,從最初的商業測試和試點設置到其他已經部署的熱儲能技術。最后,一些熱儲能技術(如鋼鐵和液態金屬)還處于發展的早期階段,可以擴大熱儲能技術在不同溫度和持續時間范圍內的可用性。

圖8 熱儲能技術可支持廣泛的溫度范圍和持續時間

熱儲能應用原型是基于溫度要求的。多種熱儲能技術可以覆蓋許多低溫到高溫的用例(例如石墨、陶瓷和微囊化金屬)。因此,熱儲能可以支持最常見的工業用例,通常涉及熱水、蒸汽或熱空氣。例如,100℃以下的熱能(以熱空氣或熱水的形式)可以用于干燥過程。典型的蒸汽使用情況從較低的壓力和溫度(例如食品加工的滅菌和清洗)到較高的壓力和溫度(例如在金屬精煉、石油加工和工業蒸汽)。熱氣體通常用于高溫使用情況(例如,乙烯裂解爐的溫度為800℃至900℃)。

熱儲能基準還考慮了不同熱應用的特殊性。與其他基準測試一樣,熱儲能基準測試是一個將產品生產和使用成本與行業參與者和行業標準進行比較的過程。目前熱儲能技術并不沒有一個基準,因此長時儲能委員會在麥肯錫公司的支持下在制定熱儲能基準時,必須考慮與熱儲能系統面臨相關的多重挑戰:

?不同的加熱能力和生產設施,如蒸汽和熱水需要不同的工業過程。

?熱量來源的多樣性,如電加熱器、熱泵、傳統燃料和廢熱,通常是不可比較的。

?整合成本取決于站點,無法在項目之間進行比較。

?熱儲能系統的總成本受到許多輔助組件的影響。

考慮到熱儲能儲熱和放熱的差異,這一基準假設熱儲能系統使用電加熱器充電,并以不同壓力下以飽和蒸汽或450℃的熱空氣排放。由于所選的熱儲能技術可以使用熱泵進行儲熱(主要用于蒸汽系統),所以排放系統的成本是基準的一部分。在距離熱儲能設備兩側約一米的空間內,所有的混凝土、管道、電氣、絕緣、油漆和支撐結構都需要考慮人工和材料的成本。此外,在建模中假定與蒸汽網絡與熱空氣管道可以直接連接的,以及包括鍋爐給水泵的設備。但降壓變壓器和其他輔助設備不包括在基準中。

表1 熱儲能類別、溫度和持續時間用例和技術成熟度

4、儲能目前已經成為一種具有成本競爭力的蒸汽脫碳解決方案

長時儲能委員會2022年熱儲能資本支出基準用于評估不同蒸汽脫碳替代品的競爭力。長時儲能委員會根據最新的熱儲能成本估算,利用跨技術和用例的6000個數據點,對蒸汽應用進行了行業基準測試。三廢使用的主要基準指標是熱量平均成本(LCOHA)?;鶞蕼y試結果表明,與燃氣鍋爐相比,采用熱儲能系統的電鍋爐的熱量平準化成本(LCOHA)可低至約5/MWh~10美元/MWh。這主要是由于較低的資本支出和能源價格的潛在差異,基于三種具體的脫碳氣體鍋爐方法:

?通過碳捕獲和碳儲存的脫碳具有有限的成本優勢。增加碳捕集與封存(CCS)可以減少約80%~90%的碳排放量。然而,它通常會增加成本,因為從避免的碳成本或綠色溢價中獲得的收益無法抵消其設備所需的資本投資和運行設備的費用。

?采用氫氣或生物質代替天然氣脫碳可能需要大幅降低燃料成本才能具有競爭力。盡管減少碳排放獲得回報(每噸二氧化碳約100美元),但這被電解槽較高的資本支出和氫燃料的電力成本(比燃氣鍋爐高54%~63%)和生物質燃料的成本(比燃氣鍋爐高8%~13%)所抵消。根據目前的成本估計,所采用的氫氣或生物質這樣的清潔燃料沒有競爭力。為了提高成本競爭力,可能需要通過技術改進或降低燃料成本來大幅度降低電解槽的資本支出。

?目前,通過電氣化進行脫碳具有成本競爭力,特別是與熱儲能結合使用時。在這一范疇內考慮兩種電氣化方案:電鍋爐和熱泵。這些可以與鋰離子電池儲能系統或熱儲能解決方案結合使用。與氫氣、生物質和其他燃料成本相比,儲能系統電氣化的價值主要由能源成本驅動。能源價格的區域變化意味著,如果不支付靈活性費用,工商業附加費的成本競爭力可能在地域上受到限制。與電池儲能系統和氫氣解決方案相比,由于儲能設備壽命周期內的資本支出較低(熱儲能為25年,鋰離子電池為10至15年)和更高的系統效率(熱儲能的效率約為96%,鋰離子電池為80%~85%,氫電解槽為60%~70%),熱儲能在成本上更具競爭力。根據目前的成本估算,如果采用熱儲能系統可以具有成本競爭力,可能實現比燃氣鍋爐更低的成本(如圖9所示)。

圖9來自電鍋爐和熱儲能系統的清潔蒸汽可能比傳統鍋爐和其他低碳解決方案更便宜

5、預計到2040年,熱儲能資本支出將進一步下降

到2040年,蒸汽發電的資本支出預計將減少15%到30%,熱空氣的資本支出將減少5%。預計蒸汽解決方案的資本支出將減少14000/MWth~44000美元/MWth(MWth是指蓄熱的能力),熱空氣解決方案的資本支出將減少6000美元/MWth左右(如圖10所示)。這些成本的數據由不同的長時儲能委員會成員提供。由于每個成員都在專門研究儲能應用的一些子集,因此每種儲能技術的基準成本可能來自不同技術提供商,因此代表了廣泛的技術選擇。

圖10熱儲能系統資本支出將大幅下降

由于蒸汽發電和熱空氣技術是很成熟的技術,預計不會有顯著的成本降低。在采用熱空氣解決方案的情況下,主要的排放方案包括一個簡單的解決方案,例如熱風鼓風機。因此,成本降低不超過5%。蒸汽技術也很成熟,然而熱儲能系統和蒸汽之間的能量交換方式可以進一步優化,因此熱儲能系統仍有一些改進的空間。對于蒸汽發電,包括鍋爐、給水泵在內的所有設備都已在現場可用,不需要額外投資。

各種類型熱儲能的能源資本支出預計將下降15%到70%。到2025年將降到7000美元/MWth~14000美元/MWth,到2040年將降到3000美元/MWth~11000美元/MWth??v觀不同的熱儲能類型,成本將降低70%。值得注意的是,2025年至2030年期間減排速度很可能是由規模的擴大所推動的,而這些技術目前可能仍處于示范或試點項目的水平。

總結

·隨著市場的成熟,長時儲能技術的成本競爭力將越來越強。

?根據目前的成本估算,如果結合采用熱儲能,電氣化將具有成本競爭力,有可能實現低于燃氣鍋爐的熱量平準化成本( 低于30/MWth~60美元/MWth)。

?當最終需求是熱能時,儲熱比儲電力更節能。

熱儲能較高的系統效率使其成為熱應用的一個有吸引力的儲能解決方案。在采用基于電力的長時儲能系統的情況下,為了產生熱能,需要首先從儲能系統中提取電力,其效率最高為57%~61%之間。而將電力換成熱能有一個轉換過程,通常效率在95%以上,使總效率降到54%~58%。

在采用熱儲能系統的情況下,首先電力轉化為熱能,然后儲存起來,其效率在95%以上。然后,可以直接排放熱能,其效率通常在95%以上。由于能量以熱量的形式儲存,并且從一種熱量轉換到另一種熱量時的轉換損失是最小的,因此系統效率可以超過90%(如圖11所示)。

圖11熱儲能系統的系統效率高于基于電力的長時儲能系統

(未完待續)

標簽: 持續時間 解決方案 基準測試

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