3 长时储能技术的成本和竞争力

即使在高温环境下，热储能系统也可以实现大多数热能应用。热储能涵盖了大量的技术，包括各种持续时间 (从白天到季节性)和温度范围宽泛(从零下到2400℃)的技术。

(资料图)

根据2022年长时储能委员会的基准，热储能系统可以实现广泛使用的热应用(即蒸汽和热空气)，可以经济高效地实现储能和脱碳。其基准结果还表明，当最终需求为热能时，热储能比电转热更具有成本效益。此外，包括热储能在内的长时储能系统的成本在未来15年将大幅下降。并且随着市场的成熟，长时储能技术的成本竞争力将越来越强。

1、2022年长时储能委员会的资本支出基准提供了最新的电力长时储能和热储能技术成本展望

长时储能委员会2022年资本支出基准提供了长时储能成本的最新视角，并为相关业务案例提供信息。与任何新技术一样，具有竞争力的成本和性能对于储能技术的广泛采用至关重要，与其他储能技术相比，长时储能系统需要更具成本效益。对于长时储能系统来说，需要考虑的一些关键参数是储能容量成本(美元/MWh)，装机容量成本(美元/MW)，运行和维护成本(美元/MW))，长时储能系统的充放电效率(RTE)，以及热储能的系统效率。这些参数包括在长时储能委员会的成本基准中，本节给出了下列结果：

（1）基于电力的长时储能系统。长时储能委员会2022年资本支出基准提供了基于电力的长时储能系统资本支出和两种持续时间的长时储能原型(8至24小时以及24小时或以上)充放电效率(RTE)的视角，如2021年长时储能净零电力报告所示。更新后的基准基于21个长时储能委员会技术提供商部署的这两种储能系统的成本。其基准测试结果将在稍后的经济优化建模中使用(参见第5章)，可以模拟部署不同的长时储能系统。

（2）热储能。本报告扩大了2022年长时储能委员会资本支出基准范围，将热储能技术包括在内。该基准展示了热储能的资本支出和系统效率在四种热应用类型的前景。该基准测试基于11个长时储能委员会技术供应商的运营数据。

2、基于电力的长时储能系统更新的基准数据证实了成本将在2040年下降的观点

基于电力的长时储能系统基准数据表明，到2040年，长时储能系统的成本可能下降25%`50%。对于持续时间8～24小时和24小时以上的长时储能系统，其部署成本可能分别下降到26万美元/MW和148万美元/MW (如图7所示)，其中包括充放电设备和工厂成本平衡在内的电力资本支出，预计8～24小时长时储能系统的成本将整体下降35%～50%，24小时或以上长时储能系统的成本将下降约25%。

对于24小时或更长时间的长时储能系统和8～24小时的长时储能系统，储能成本预计将分别降至6000美元/MWh和22000美元/MWh。

图7基于电力的长时储能系统支出预计将在2040年大幅下降

持续时间较短的长时储能系统通常被优化为在较短的持续时间和较高的充放电次数方面具有竞争力。这可以从8～24小时长时储能资本支出中看出来。然而，由于电力资本支出成为主要成本，且在不同原型和场景中差异更大，这种优势往往会随着持续时间的延长而减少。24小时或更长时间的储能系统的单位储能成本要比8～24小时储能系统低得多 (大约是其三分之一)，这使得这些长时储能系统的设计适合持续时间更长的应用。

更多的案例为基于电力的长时储能系统基准提供了更广泛的技术基础。与2021年电力资本支出基准的差异主要是由于长时储能委员会成员提交的样本数量翻了一番，这增加了样本数量。同样的情况也适用于储能资本支出。

3、热储能基准根据热应用原型的不同而不同

·热储能技术分为三类: 显热、潜热和热化学热。显热通过提高固体或液体介质的温度来储存热能；潜热通过改变材料的相来存储和产生热量。热化学热通过吸热和放热的化学反应来存储和产生热量。每个类别的介质材料都具有其独特的特性，导致不同的工作温度和持续时间。因此，不同的热储能技术将适合不同的应用，这取决于它们的温度、规模、持续时间和其他因素，例如储热形式、占地面积和流程集成。

热储能技术可以覆盖热需求的时间和温度范围。许多不同的材料（例如石墨、岩石、水和冰等）可以覆盖广泛的温度和持续时间(如图8所示)。例如，地下水系统，如含水层、钻孔和水坑可以存储0℃到100℃的热量长达数月的时间，而石墨系统可以存储高达2400℃的热量。热储能技术（包括微囊化金属、石蜡和吸收系统）处于不同的发展阶段，从最初的商业测试和试点设置到其他已经部署的热储能技术。最后，一些热储能技术(如钢铁和液态金属)还处于发展的早期阶段，可以扩大热储能技术在不同温度和持续时间范围内的可用性。

图8 热储能技术可支持广泛的温度范围和持续时间

热储能应用原型是基于温度要求的。多种热储能技术可以覆盖许多低温到高温的用例(例如石墨、陶瓷和微囊化金属)。因此，热储能可以支持最常见的工业用例，通常涉及热水、蒸汽或热空气。例如，100℃以下的热能(以热空气或热水的形式)可以用于干燥过程。典型的蒸汽使用情况从较低的压力和温度(例如食品加工的灭菌和清洗)到较高的压力和温度(例如在金属精炼、石油加工和工业蒸汽)。热气体通常用于高温使用情况(例如，乙烯裂解炉的温度为800℃至900℃)。

热储能基准还考虑了不同热应用的特殊性。与其他基准测试一样，热储能基准测试是一个将产品生产和使用成本与行业参与者和行业标准进行比较的过程。目前热储能技术并不没有一个基准，因此长时储能委员会在麦肯锡公司的支持下在制定热储能基准时，必须考虑与热储能系统面临相关的多重挑战：

•不同的加热能力和生产设施，如蒸汽和热水需要不同的工业过程。

•热量来源的多样性，如电加热器、热泵、传统燃料和废热，通常是不可比较的。

•整合成本取决于站点，无法在项目之间进行比较。

•热储能系统的总成本受到许多辅助组件的影响。

考虑到热储能储热和放热的差异，这一基准假设热储能系统使用电加热器充电，并以不同压力下以饱和蒸汽或450℃的热空气排放。由于所选的热储能技术可以使用热泵进行储热(主要用于蒸汽系统)，所以排放系统的成本是基准的一部分。在距离热储能设备两侧约一米的空间内，所有的混凝土、管道、电气、绝缘、油漆和支撑结构都需要考虑人工和材料的成本。此外，在建模中假定与蒸汽网络与热空气管道可以直接连接的，以及包括锅炉给水泵的设备。但降压变压器和其他辅助设备不包括在基准中。

表1 热储能类别、温度和持续时间用例和技术成熟度

4、储能目前已经成为一种具有成本竞争力的蒸汽脱碳解决方案

长时储能委员会2022年热储能资本支出基准用于评估不同蒸汽脱碳替代品的竞争力。长时储能委员会根据最新的热储能成本估算，利用跨技术和用例的6000个数据点，对蒸汽应用进行了行业基准测试。三废使用的主要基准指标是热量平均成本(LCOHA)。基准测试结果表明，与燃气锅炉相比，采用热储能系统的电锅炉的热量平准化成本(LCOHA)可低至约5/MWh～10美元/MWh。这主要是由于较低的资本支出和能源价格的潜在差异，基于三种具体的脱碳气体锅炉方法:

•通过碳捕获和碳储存的脱碳具有有限的成本优势。增加碳捕集与封存（CCS）可以减少约80%～90%的碳排放量。然而，它通常会增加成本，因为从避免的碳成本或绿色溢价中获得的收益无法抵消其设备所需的资本投资和运行设备的费用。

•采用氢气或生物质代替天然气脱碳可能需要大幅降低燃料成本才能具有竞争力。尽管减少碳排放获得回报(每吨二氧化碳约100美元)，但这被电解槽较高的资本支出和氢燃料的电力成本（比燃气锅炉高54%～63%)和生物质燃料的成本(比燃气锅炉高8%～13%)所抵消。根据目前的成本估计，所采用的氢气或生物质这样的清洁燃料没有竞争力。为了提高成本竞争力，可能需要通过技术改进或降低燃料成本来大幅度降低电解槽的资本支出。

•目前，通过电气化进行脱碳具有成本竞争力，特别是与热储能结合使用时。在这一范畴内考虑两种电气化方案：电锅炉和热泵。这些可以与锂离子电池储能系统或热储能解决方案结合使用。与氢气、生物质和其他燃料成本相比，储能系统电气化的价值主要由能源成本驱动。能源价格的区域变化意味着，如果不支付灵活性费用，工商业附加费的成本竞争力可能在地域上受到限制。与电池储能系统和氢气解决方案相比，由于储能设备寿命周期内的资本支出较低(热储能为25年，锂离子电池为10至15年)和更高的系统效率(热储能的效率约为96%，锂离子电池为80%～85%，氢电解槽为60%～70%)，热储能在成本上更具竞争力。根据目前的成本估算，如果采用热储能系统可以具有成本竞争力，可能实现比燃气锅炉更低的成本(如图9所示)。

图9来自电锅炉和热储能系统的清洁蒸汽可能比传统锅炉和其他低碳解决方案更便宜

5、预计到2040年，热储能资本支出将进一步下降

到2040年，蒸汽发电的资本支出预计将减少15%到30%，热空气的资本支出将减少5%。预计蒸汽解决方案的资本支出将减少14000/MWth～44000美元/MWth（MWth是指蓄热的能力），热空气解决方案的资本支出将减少6000美元/MWth左右(如图10所示)。这些成本的数据由不同的长时储能委员会成员提供。由于每个成员都在专门研究储能应用的一些子集，因此每种储能技术的基准成本可能来自不同技术提供商，因此代表了广泛的技术选择。

图10热储能系统资本支出将大幅下降

由于蒸汽发电和热空气技术是很成熟的技术，预计不会有显著的成本降低。在采用热空气解决方案的情况下，主要的排放方案包括一个简单的解决方案，例如热风鼓风机。因此，成本降低不超过5%。蒸汽技术也很成熟，然而热储能系统和蒸汽之间的能量交换方式可以进一步优化，因此热储能系统仍有一些改进的空间。对于蒸汽发电，包括锅炉、给水泵在内的所有设备都已在现场可用，不需要额外投资。

各种类型热储能的能源资本支出预计将下降15%到70%。到2025年将降到7000美元/MWth～14000美元/MWth，到2040年将降到3000美元/MWth～11000美元/MWth。纵观不同的热储能类型，成本将降低70%。值得注意的是，2025年至2030年期间减排速度很可能是由规模的扩大所推动的，而这些技术目前可能仍处于示范或试点项目的水平。

总结

·随着市场的成熟，长时储能技术的成本竞争力将越来越强。

•根据目前的成本估算，如果结合采用热储能，电气化将具有成本竞争力，有可能实现低于燃气锅炉的热量平准化成本( 低于30/MWth～60美元/MWth)。

•当最终需求是热能时，储热比储电力更节能。

热储能较高的系统效率使其成为热应用的一个有吸引力的储能解决方案。在采用基于电力的长时储能系统的情况下，为了产生热能，需要首先从储能系统中提取电力，其效率最高为57%～61%之间。而将电力换成热能有一个转换过程，通常效率在95%以上，使总效率降到54%～58%。

在采用热储能系统的情况下，首先电力转化为热能，然后储存起来，其效率在95%以上。然后，可以直接排放热能，其效率通常在95%以上。由于能量以热量的形式储存，并且从一种热量转换到另一种热量时的转换损失是最小的，因此系统效率可以超过90%(如图11所示)。

图11热储能系统的系统效率高于基于电力的长时储能系统

（未完待续）