季节性储能在能源系统脱碳中的作用

王欣荣rhdvlfqi 2023-05-17 发布于北京

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储能需要可靠和可持续地将可再生能源整合到能源系统中。多样化的存储技术选择对于应对不同时间尺度上能源生产和需求的变化是必要的，从几秒钟到季节性变化。然而，只有少数技术能够抵消可再生能源发电与能源需求之间的长期（季节性）不匹配。在这里，我们概述了季节性储能在能源系统脱碳方面的作用和潜力。

储能正在成为将可变可再生能源整合为脱碳能源系统的重要元素 - 传统上包括电力部门，但也包括通过部门耦合的供热和运输。在以分散和“分散”的可再生能源为特征的城市能源系统领域，能源工程师已经就实现低二氧化碳排放所需的技术“解决方案”组合达成了共识。

虽然电力和天然气网等现有系统还有很长的转型之路，但大多数国家还关注以下技术组合功能，以拥抱能源系统脱碳：

大规模可再生能源扩张主要通过太阳能光伏（PV）和风能。
逐步采用储能技术以提供可再生能源整合服务，例如匹配能源生产和需求，这反过来又提高了自给自足和弹性（电池为德克萨斯州的一些人节省了一天的时间）。
分别用热泵和电动汽车使供热和运输部门电气化。

图 1 显示了最佳城市能源系统的示例，其中上述三个特征被整合到不同技术的混合物中，构成了从最低成本到最小二氧化碳排放的范围。这两个能源系统提供了类似的能源生产技术组合，最低成本设计依赖于可再生能源（今天已经盈利）以及电力和天然气网。然而最低二氧化碳排放情景显示了一个关键的补充：对短期（通过蓄热和电池）和季节性（通过电制氢，PtH2）存储提高自给自足并使系统脱碳。

季节性储能是一项多方面的技术，可能涉及各种能量载体（氢气、氨、甲烷等）、转换技术（“Power-to-X”，取决于载体）和存储介质（储罐、盐穴等）。虽然一些技术有可能抵消可再生能源发电的季节性变化，并且没有明显的赢家出现（Wulf 等人，2020 年），但储氢被认为是最现实和最有前途的解决方案之一（美国国家科学院工程医学，NASEM）。电制氢是一个系统，由一个用于通过电力制氢的电解槽、一个用于将氢气转化为电能和热量的燃料电池以及一种将两者连接起来并使发电和需求脱钩的储氢技术组成。

图 1：最小成本和最小二氧化碳排放量多能源系统拓扑的广义比较。电制氢（PtH₂）系统由电解槽（EC）、燃料电池（FC）和储罐组成（Petkov 和 Gabrielli 2020）。

季节性储能重要性的两个原因

目前的科学文献和媒体主要关注电池存储。一方面，这是因为能源部门尚未达到需要季节性储能的可再生能源发电和脱碳水平。另一方面，即使考虑完全基于可再生能源的未来能源系统，也很少研究季节性储能（Hansen 等人，2019 年）。然而，储能技术组合将是必要的（Guerra等人，2020年，Sepulveda等人，2021年），季节性储能应该是脱碳讨论的一部分，至少有两个原因。

首先，有必要根据可再生能源可用性和能源需求的长期不匹配，在不同的时间尺度上储存能源（见NASEM和DNV的建议）。我们在图2a中显示了太阳能光伏主导的能源供应情况的长期不匹配。虽然风能等其他可再生能源将大大减少长期不匹配的问题，但深度脱碳仍然需要季节性储存。

其次，存储技术的往返（充电/放电）效率不是一个静态的概念。往返效率是自放电引起的时间函数，随着时间的推移自然会发生。这就是为什么作为能源工程师，我们需要考虑能量存储多长时间，以确定最佳的存储技术。往返效率和自放电的权衡如图2b所示。

然而，对存储效率的动态进行建模可能很复杂，大多数科学论文都没有在新兴领域解决这个问题（Beuse 等人，2020 年，Sepulveda 等人，2021 年）。重要的是，考虑动态往返效率的能量模型表明有必要补充但超越传统（锂离子）电池，这不会解决我们脱碳路径中能源系统的所有问题（Gabrielli 等人，2020 年，Petkov 等人，2021 年）。 考虑到这些原因，将根据成本-排放权衡做出不同的存储技术投资选择。

图2：（a）欧洲电力需求与太阳能发电（每周平均数）之间的长期不匹配。（b）短期（例如电池、绿线）和长期（例如 PtH2、蓝线）存储技术的往返效率示意图（Gabrielli 等人，2020 年）。

如何、何时、何地安装季节性储能

我们最近的科学发现说明了上述两个原因，这些发现表明，在城市规模的系统中，二氧化碳排放量可以在没有季节性储能的情况下减少多达 90%。尽管如此，要实现零二氧化碳排放，季节性储能作为“最后一英里”的 5% 至 10% 减排技术是必要的，尽管与最低成本系统相比成本要高得多。

季节性储能的作用在季节性热电需求比率较高的地区很明显，通常在寒冷的气候中发现。事实上，实现零二氧化碳需要大量具有高自我消耗（50% 至 90%）的可再生能源发电，这可以通过热泵和燃料电池实现完全的热电气化。通过电气化供暖实现的部门耦合对城市能源系统的影响值得注意，因为它导致净电力需求的显着增加。

专注于氢和电池存储之间的关系，在图3中我们演示了它们的运行，显示了（i）夏季充电和冬季放电的季节性偏移（ii）以PtH为单位的存储能量的最佳大小;2和电池，分别平均占年能源需求的5%和2%左右;以及（iii）电池的短期波动。在这里，电池的循环持续时间通常约为 3 周，最长为 3 个月，而 PtH2系统通常在冬季（11月）之前达到储存高峰，并在早春（3月）完全排放。

图 3：以 PtH 为单位的存储能量范围2（紫色）、电池（绿色）和储热（底部红色）在中欧城市能源系统中超过 1 年。每种技术的设计尺寸中位数显示为一行单独的颜色。

这表明蒲氨酸2实现零二氧化碳排放的成本最优.PtH的高成本2主要是由于用于生产和转化氢气的技术 - 电解槽和燃料电池 - 而不是存储本身。对于大型储能装置，制氢和转化技术的成本相对不那么相关，PtH2变得具有成本竞争力。换句话说，蒲氨酸2与其他形式的储能相比，允许更好的能量和电力解耦.

氢作为季节性储能的媒介

与其他化合物（例如甲烷）相比，由于工艺布局更简单，氢气可实现更高的往返效率。同时，与大型热力装置相比，氢气允许更好的扇区耦合，因为可以用于发电，并直接用于运输。

有多种形式的储氢可用，即中型近地表散装储存和大规模地下储氢（Kruck等人，2013）。管道存储和储罐可以提供近地表存储，从而实现高度的操作灵活性 - 图 4 显示了 PtH 的示例2德国的项目。然而，近地表系统的成本竞争力低于地下储氢。在大规模地下储存的各种选择中，盐洞被认为是最相关的，在英国和美国有现有的运营单位（荷兰企业局，2017年）。盐沉积物对高压气体几乎不渗透，盐环境阻止了生化反应的发生，否则生化反应可能会消耗储存的氢气，即导致可以忽略不计的自放电（Gabrielli 等人，2020 年）。

图 4：PtH 示例2设施（RH2 -WKA项目）由德国的风力发电（免费提供的图像 - 链接到图片）。

未来能源系统中季节性储能的障碍和机遇

一般而言，季节性储能部署的主要障碍之一，以及PtH2特别是，与其目前的高成本有关，成本正在迅速下降（IRENA 2020）。对于大型储能装置，这些成本也会降低，这是针对能源部门全面脱碳所必需的。在此框架中，成本最优的解决方案由一系列存储技术提供，以充分利用高比例的可再生能源。在这里，能量通过电池储存的时间较短，通过氢气储存较长时间。

同时，采用多样化的存储技术将有助于缓解与电化学技术退化和可靠性相关的技术障碍。这目前是电解槽和燃料电池的屏障，但它也会影响电池。此外，部署 PtH2在储能产品组合中可能有助于缓解与电池制造所需资源可用性相关的地缘政治问题（美国能源部2020），以及更好地将电力部门与供暖和运输部门结合起来。总体而言，这将实现向完全脱碳能源系统的更可持续和更具成本效益的过渡。