调查报告‖净零热储能：长时储能加速能源系统脱碳（二）-播报

【资料图】

1.长时储能系统在净零能量中的作用

能源系统实现脱碳需要采用一种综合方法，以加强能源基础设施建设。随着如今主要向由可变可再生能源供应的能源系统转变，也需要进行系统性变革。

要在2050年实现全球变暖限制在1.5℃以下的净零目标，预计可再生能源总供应量将增加5倍，总电力需求将增加2倍。此外，早期迹象表明，通过热泵、电解槽或氢锅炉等部门耦合技术，电力、热能和氢气之间的联系越来越紧密。

再加上可再生能源和电气化所占份额的不断增加，进一步增加了能源系统的复杂性。因此，综合办法可以帮助确保成本最优和及时的能源转型。

净零能源系统需要清洁灵活的解决方案

全球能源部门到2050年实现净零排放是将全球变暖控制在1.5℃的关键。要像《巴黎协定》所呼吁的那样，温室气体(GHG)排放量需要在2050年实现净零。能源部门的温室气体排放目前约占总排放量的四分之三。减轻气候变化影响的关键是采用风力发电设施和太阳能发电设施等可再生能源取代污染严重的化石能源，并利用长时储能系统满足能源转移需求，将有助于显著减少碳排放，同时创建一个可靠的能源系统。

太阳能发电量和风力发电量的增长增加了能源供应组合的可变性，并需要清洁灵活的解决方案来保障能源系统的可靠性。随着世界各国致力实现脱碳目标，可再生能源供应的全球份额预计将大幅增长。净零转型情景表明，到2030年和2050年可再生能源发电量分别占全球总体能源发电量的30%和67%。此外，预计到2050年将电力需求增加。因此，对清洁灵活解决方案的需求越来越大，该解决方案可以弥补可再生能源供需缺口，同时确保能源系统可靠性。确保可再生电力的需求与长时储能系统相匹配，有助于提供满足全球净零目标所需的灵活性、供应安全性和弹性。

长时储能系统提供了一种清洁灵活的解决方案

长时储能系统提供能源系统的灵活性。长时储能解决方案能够将能源从高供应时期转移到峰值需求期间，从而帮助保持电力系统平衡并确保其可靠性。长时储能系统可以长时间存储能量，并维持数小时、数天或数周的能量供应。随着可再生能源供应份额的增加，这种长期的灵活性预计将成为稳定供应电力的必要条件。由于技术和经济方面的考虑，长时储能系统可以提供不同的持续时间。

长时储能系统可以通过提高基础设施的利用率来加速可再生能源的部署。长时储能系统的能量转移能力具有多方面的好处。首先，它可以通过促进供应侧的储能来减少能源削减和相关的机会成本。例如氧化铝精炼厂一个用例的初始建模表明，长时储能系统可以将这家工厂对电网电力的需求减少15%至30%。其次，它可以通过供需侧的储能，帮助提高电网的总体利用率，减轻电网的供电压力。因此，长时储能系统可以部署在电网的任何位置，以存储可再生能源的电力。最后，长时储能系统可以提供其他服务，例如提供惯性或频率调节服务。

长时储能系统可以支持电力供应的安全性

能源部门最近面临的挑战使能源安全在全球议程上的地位更加突出，因此，需要确保构建一个负担得起、可靠、清洁的能源系统。受到俄乌冲突和新冠疫情导致全球能源需求上升等多重因素影响，欧洲目前的电力和天然气价格比历史平均水平高出10倍以上。全球天然气市场也受到了影响，导致美国电价在2020年至2022年期间上涨了三倍。

采用长时储能系统有助于增加电力供应的安全性，并为可再生能源创造新的用例。长时储能系统还可以提供短时储能解决方案无法提供的新机会。其中包括:帮助增加可再生能源在能源结构中的发电份额，为不可靠的电网(如在孤岛运营)提供弹性，实现具有成本效益的全天候可再生能源采购协议(PPA)，或为电网运营提供稳定服务。此外，热储能系统可以支持新的供暖用例，即更广泛的热电气化，废热再利用，需求侧管理，以及减少的可再生能源削减量。

对于能源系统的灵活性有不同的选择

在电力部门内，有五种灵活性选项可以帮助实现供需匹配:

（1）储能系统，包括锂离子电池储能系统和可部署的长时储能解决方案。

（2）可调度的容量，例如水力发电设施。

（3）减少可再生能源。

（4）输电网和配电网的扩建

（5）需求方管理

此外，在应对市场供应波动方面，系统的灵活性越来越重要。

热能行业拥有类似于电力行业的清洁灵活性解决方案，尽管采用了清洁热能专用技术：

（1）热储能。

（2）可调度的容量，例如采用清洁燃料的锅炉。

（3）强大的供暖基础设施，如集中供暖。

整合电力和热能部门对于实现清洁灵活性至关重要。电力和热能在历史上是通过传统发电厂的汽轮发电机联系起来的。展望未来，预计电力和热能将通过更多地采用电转热技术(如热泵或电锅炉)，以及可再生能源的热转电技术(例如集中式太阳能热发电)进一步融合在一起。各部门之间的相互联系支持了它们的脱碳和可再生能源的一体化。此外，通过在电力供应过剩时储存能量，在电力供应不足时释放热量等方式，提高行业整合的解决方案。鉴于电和热的相互依赖性日益增强，综合方法对实现净零能源系统越来越有意义。

要点：

•随着可变可再生能源发电份额稳步增长，需要采取清洁灵活的解决方案（例如长时储能系统），以确保能源系统的可靠性。

•长时储能系统对于将全球变暖控制在1.5℃以下至关重要，因为它可以帮助加速可再生能源的发展。

•通过部门耦合的能源系统集成提高了能源供应的灵活性、安全性，从而提高了能源系统的可靠性和弹性。

2.热储能作为热能部门脱碳的促进剂

要在2050年实现能源系统的净零排放目标，热能部门的脱碳至关重要，因为热能部门的碳排放量目前约占所有能源相关碳排放的45%。

热储能可以通过使用各种可再生能源的电力使热能应用脱碳。此外，它还可以优化工业过程中的热量消耗，促进废热再利用或清洁热源的整合。

大多数热能应用可以通过采用电力脱碳

热能应用的碳排放量约占所有能源碳排放的45%。供暖和制冷用例占全球所有能源消耗的50%以上，占全球能源相关二氧化碳排放(不包括电力)的45%左右。工业应用占热能消耗的最大份额，占总热能需求的40%，包括从1500℃以上加热的各种用例。建筑供暖和制冷也是一个重要因素，约占总热能需求的30%，尽管通常在100℃左右或以下的较低温度下。最后，供暖用于烹饪和集中供暖(如图2所示)。

图2全球能源消耗的50%来自加热和冷却应用

工业热能需求严重依赖化石燃料，尤其是高温应用。大多数工业热需求需要在不同温度下的提供热空气或蒸汽实施干燥、煅烧或化学反应等过程。总体而言，70%的工业热量仍由化石燃料提供（如图3所示）。在不同的工业过程中，高温加热应用占碳排放量的最大份额，约占化石燃料相关热需求总量的50%。一个主要驱动因素是这些应用的能源消耗较高，这些应用主要由煤炭供应，导致采用低碳替代品的成本较高。

图3 70%以上的工业热量由化石燃料源产生

电气化是一种脱碳解决方案，适用于大多数工业热应用，包括高温生产过程。对于脱碳工业应用有不同的选择，如电气化、能源效率措施、低碳燃料和碳捕获。在可再生能源成本较低的背景下，将电气化与柔性解决方案相结合，成为一种越来越有吸引力的解决方案，可用于化工、非金属矿物或有色金属等高温工业过程的脱碳(如图4所示 )。其他过程，如炼钢或水泥生产，需要进一步研究和开发或试点，以探索电气化选项。

图4工业能耗主要集中在高温应用领域

根据当地传统的基础设施，建筑物中的热量也可以通过电气化脱碳。在建筑物中，热量主要用于供暖和提供热水，其中50%由化石燃料提供(如图5所示)。在建筑物中脱碳加热和冷却的几种商业选择，如热泵或屋顶太阳能。然而，与传统解决方案相比，前期成本更高，目前阻碍了广泛采用。例如，在英国安装一台热泵的花费是安装一台燃气锅炉的三到七倍。热泵的广泛采用还取决于电网的可用性，以适应电力需求的大幅增加。类似地，集中式解决方案的可行性依赖于传统管道基础设施的可用性。在这种情况下，热储能系统可以通过将能源储存数周或数月来支持集中区域供热网络的脱碳，这取决于可获得的技术，例如地下水。

图5建筑物50%的热量是由化石燃料产生

热储能系统为固热提供清洁灵活的解决方案

清洁灵活的解决方案可通过两个主要选项实现热能部门的脱碳：

转向清洁的替代品，例如清洁电力、太阳能和清洁燃料。

优化热消耗，如废热再利用和提高效率。

像热储能系统这样灵活的清洁解决方案可以支持两种脱碳方案的供需匹配。当然还有其他的脱碳办法，但通常需要更大的投资或涉及推迟减排。

热储能系统使来自可变可再生能源的热量具有成本效益。工业需求通常遵循一个恒定的模式。由于设备损坏和生产损失，能源供应中断(有时只持续几分钟)可能导致数百万美元的损失。同样，建筑对供暖的需求通常遵循与人类活动时间一致的模式，其灵活性有限。在电网完全脱碳的地区，通过电网脱碳热需求是一种有效的选择;然而，在大多数国家，当可再生能源不可用时，电网供电仍然依赖化石燃料。这使得当电网无法提供清洁能源时，热储能系统有必要保持热负荷运行。

此外，热储能系统还提供了用户侧热消耗优化。热储能系统可以通过以下方式在优化用户侧热消耗方面发挥多种作用:

支持自主可变能源(如太阳能)供热一体化。

储存废热，以备工业过程中再利用，从而提高整个过程的效率。热储能系统还可以将内部的热量提供给外部使用，如集中供热网络。

热储能系统通过稳固的清洁热量补充了电力储能系统的覆盖范围。热储能系统能够长时间储存由清洁电力或废热提供的热量。基于电力的长时储能系统实现了电力的长时间存储。它们的最佳使用将由多种因素决定，例如最终使用需求，两者都支持使用低碳降解物来去除能源系统的碳。

要点：

脱碳热是实现能源净零系统的关键组成部分，因为它占全球最终能源消耗的50%和所有能源相关排放(不包括电力)的45%。

电气化为大多数工业热应用(包括高温过程)提供了脱碳替代方案。

热储能系统能够稳固来自可变可再生能源的热量，并可能成为该行业脱碳的关键解决方案。

热储能系统可以有效部署，从可变电价中受益

随着全球经济逐渐淘汰化石燃料发电设施，热储能系统可以帮助提供更大的弹性和效率。在用于蒸汽生产的气电混合装置中，热储能系统可用于应对电力市场价格的波动，并降低能源成本。根据能源价格概况，使用燃气锅炉、电锅炉和热储能系统有三种可能的运行模式(如图6所示)。首先，当天然气的价格比电力便宜时，燃气锅炉会持续提供蒸汽。第二，当燃料价格在发生变化时，运营商可以在任何给定的时间切换到最便宜的能源，或者在电价低时通过热储能系统存储热量，在电价高时排放。最后，当电价低于天然气的价格时，可以通过电锅炉产生蒸汽，并通过充电和排放热储能系统来捕捉电价最低的时刻。

图6热储能系统根据能源价格变化优化运行模式

（未完待续）

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