大规模电力储能英

大规模储电发行：2023年9月DES8702ISBN：978-1-78252-666-7©皇家社会 本作品的文本根据知识共享署名许可的条款获得许可，允许不受限制地使用，前提是原始作者和来源被记入贷方。 该许可证位于： creativecommons.org/licenses/by/4.0此许 可证不涵盖映像。 此报告可在线查看：royalsociety. org / electricity - storage Contents 警告和进一步工作的途径7 第一章：导言91.11.21.31.4 第二章净零时代的电力需求与供给16 2.12.22.32.42.52.62.7 第三章：对存储需求的建模293.13.23.3 4.14.24.34.44.54.64.7 第五章非化学和热能储存45 5.15.25.3热化学储热495.45.55.6 第六章长期能源合成燃料存储 6.1电燃料526.2液体有机氢载体（LOHC）52 第七章电化学与新型化学储存 7.1电化学存储547.2新型化学储存59 第八章用风能、太阳能和储能为英国供电60 8.1技术选择608.2额外费用608.3由单一类型的商店提供所有灵活电源638.4多种类型的商店678.5使用天然气与CCS 708.6剩余电力的可能用途和价值728.7供应不足时期的应急措施728.8不同层次的需求738.9对英国储存成本的其他研究74 第九章电网、电力市场与协调 9.1网格759.2市场问题759.3可能的改革76 第十章：结论、进一步的步骤和机遇78 10.1结论7810.2进一步的步骤8110.3示威者、部署和机会83 Annexes 附件A:词汇表和缩写84附件B:补充信息的内容89 致谢92 执行摘要 英国政府明确了到2035年实现电力系统脱碳的雄心，并承诺到2050年实现净零排放。由于英国的电力供应是脱碳的，风能和太阳能将提供越来越多的份额，因为它们是最便宜的低碳发电形式。风能和太阳能供应的时间尺度从几秒钟到几十年不等。无论平均供应水平如何高，有时风能和太阳能发电量接近于零，有时足以满足部分需求。 主要结论 •到2050年，英国的电力需求可以通过大规模存储支持的风能和太阳能来满足。 •用储存补充直接风能和太阳能供应的成本与低碳成本相比非常有利替代方案。此外，储存有可能提供更大的能源安全。•风力供应可能会随着几十年的时间尺度而变化，并且需要数十TWs的非常长的持续时间的存储。该规模是英国目前抽水水电提供的1000倍以上，并且远远超过传统电池可以想象的提供。•满足长期储存的需求将需要每单位储存能量非常低的成本。在GB中，领先的候选方案是在溶液开采的盐洞穴中储存氢气，尽管没有广泛分布，但GB具有足够的潜力。回退选项将更加昂贵，是氨。•在本报告的大部分内容中，假设2050年GB的电力需求为570 TWh /年。原则上，所有这些都可以通过氢气支持的风能和太阳能供应以及一些能够快速响应的小规模存储来满足，这是确保输电网稳定性的必要条件。根据该报告的核心假设，这将需要大约60到100 TWh的储氢容量。b（取决于风能和太阳能供应的水平）。在此范围内，可满足需求的电力平均成本变化很小，因为风能和太阳能供应成本的上升被所需存储成本的下降所抵消。 不是所有的需求，以及超过需求的时候。 为了确保始终满足需求，直接送入电网的挥发性风能和太阳能发电必须由其他灵活的低碳源补充，和/或使用已存储的多余风能和太阳能。多余的电能可以以多种方式存储，例如以电化学方式存储在电池中，通过重力将水泵入水坝，机械地通过压缩空气，化学制氢或加热。 Thisreportconsideredtheuseoflarge-scaleelectricitystoragewhenpowerissupplymainlybywindandsolar.Itdrawnonstudiesfromaroundtheworldbutisfocussedontheneedforlarge-scaleelectenergystorageinGreatBritisha(GB)以及如何以及以何种成本最好地满足存储需求。 对存储需求进行建模 •尽管需要一些氢（或氨）存储，但不同类型的存储组合很可能会降低平均电力成本。 为了量化对大规模能量存储的需求,将风能和太阳能供应的逐小时模型与未来电力需求的逐小时模型进行比较。这些模型基于1980年至2016年37年间的真实天气数据，假设需求为570TWh/年。37年不足以提供可能严重影响供应的罕见天气事件的完整样本。 •包括稳定的核（“基本负载”）供应将增加成本，除非核成本接近或低于商业，能源和工业战略部（BEIS）做出的预测范围的底部和/或储存成本接近本报告估计范围的顶部。如果生物能源与碳捕获和存储发电（BECCS）的增加，如果它吸引了100英镑/（节省的吨二氧化碳）或更多的碳信用额度，则可以降低成本，但它不能为GB提供超过50TWh/年没有进口生物质。 风力发电。增加了应急措施，以考虑到这一点，以及气候变化的可能影响。基于不到几十年的天气数据的研究很可能严重低估了对存储的需求，并高估了对其他灵活供应来源的需求。这些低估/高估在仅看个别年份而不是年份序列或检查选定的高压力时期的研究中尤其大。 •使用配备有碳捕获和储存（CCS）的天然气发电来提供灵活性，而不是储存，将导致二氧化碳和甲烷的不可接受的排放，也会导致更高的成本。用作基本负荷，如果添加数量会导致不可接受的排放，它只会明显降低成本；天然气的未来价格低于预期；存储成本很高。 存储技术 为了收回投资，必须经常循环存储每单位能量的资本成本高的存储内容。根据必须循环存储内容的典型时间，本报告中考虑的存储技术可以分为三类： 1.分钟至小时：常规（非流动）电池；2.几天到几周:液流电池、先进的压缩空气储能、卡诺电池、抽水蓄热、抽水蓄能、液态空气储能；或者3.几个月或几年：合成燃料，氨，氢。 •使用储存和天然气以及CCS的组合来提供匹配风能和太阳能供应所需的灵活性，可能会降低成本显着，不一定导致不可接受的排放。无论是降低成本取决于储存、风能和太阳能、天然气加CCS、天然气价格和碳价的成本。它不会消除对大规模长期存储的需求，尽管它将减少存储和风能以及太阳能供应所需的规模。虽然它将提供多样性，但它将使GB的电力成本受到天然气价格波动的影响，并随着GB天然气储量的下降而增加对进口的依赖。 第一类商店通常比第二类商店更有效率，后者比三类商店更有效率。更高的效率可以补偿更高的成本，具体取决于商店的使用方式。 氢提供的所有大规模存储的平均电力成本 在氢和ACAES中添加其他类型的存储器可以进一步降低成本。 Acaseinwhichalldemandismetbywindandsolarenergysupportedbyhydrogenstorage,plus15GWofbatteriesofbatteries(usedtostabilizethegrid),wereanalyzedandusedasabentermineagainsttheotheroptionswereassumbed. 市场和治理问题 The cost of electricity provided by storage will bemany times the cost of wind and solar supply thatis fed directly into the grid. Building the storageneeded to provide this expensible but essentialelectricity will take large financial investment andtime. While 用于2050年的存储成本以及太阳能和风能发电。 在2021年的价格 它的范围从： •£52/MWh-存储和风能加太阳能发电的成本假设较低（£30/MWh）和5％的折现率； 批发和平衡市场的价格差异可能会激励大量短期储存的建设，需要新的机制，包括担保形式，以使大规模、长期储存的投资具有吸引力。为了控制存储成本，发电机和存储所有者必须以前所未有的程度合作，安排不同类型的能源的充电和调度。确保这种合作可能需要彻底的改革。 •£92/MWh-对存储和风能加上太阳能的成本（£45/MWh）和10％的折现率进行了很高的假设。 总的平均成本主要由风能和太阳能的供应成本决定。如果所有的储存都只由氨提供，那么电力的平均成本至少要高出5英镑/兆瓦时。任何其他形式的储存都不可能单独满足所有的需求。 警告和进一步工作的途径本报告重点介绍了2050 年需要的大规模存储（GB）。 虽然考虑了核能和天然气加CCS的可能作用，但该模型并未考虑到燃烧废物和生物质，水电和互连器的持续贡献，或供应，储存和需求的相对位置及其对天然气的影响。 作为比较：在2010年至2020年，电力批发价格徘徊在46英镑/兆瓦时左右，但在此期间超过200英镑/兆瓦时2022年的大部分。 需要进一步研究计划使用不同类型的商店以及其他灵活供应的程序的设计和实现。还需要在风能和太阳能供应的长期变化以及应急需求方面开展更多工作。应研究用于大规模电力存储的氢的需求以及绿色氢的其他用途。这几乎肯定会揭示系统的好处，这将降低成本。 增加其他类型的商店 先进的压缩空气能量存储（ACAES）作为上述第二类中存储的示例进行了详细研究。ACAES与氢存储的组合提供了前者更高的效率和更低的存储成本的好处后者。大型ACAES系统的成本和效率鲜为人知。然而，对于广泛的假设，发现将ACAES与氢气结合可能会降低成本（高达5％，或可能更多），尽管这不能保证。当它们最佳组合时，ACAES的容量比储氢小得多，但ACAES提供更多的能量，因为它更频繁地循环。 关于储存成本以及提供风能和太阳能的基本假设应以详细的工程估算为基础。同时，应该强调的是，报告中的成本估算（以2021年的价格计算）显然对商品价格的上涨和其他形式的通货膨胀敏感，并且严重取决于对风能和太阳能未来成本的估算。 GB将需要大规模的能源存储来补充高水平的风能和太阳能。没有低碳资源可以以可比的成本做到这一点。现在应该开始建设所需的大规模储氢系统。 本报告发现，到2050年将需要建造大量的储氢洞穴来补充高水平的风能和太阳能供应，这将是一项挑战，但似乎是可能的。 更多详细信息和背景信息在补充信息中提供 ，可在royalsociety.org/electricity- storage. Thisincludesadescriptionofunpublishedworkcarriedinsupportofthisreport.Forexample,informationrelevanttosection3.2在中报告，并引用为SI3.2。补充信息的内容可在附件B中找到。 汇率 报告中的成本估算首先以原始来源中使用的货币为美元或欧元，然后转换为£1.00=$1.35=€1.18 Introduction 1.1本报告的范围 1.2.2灵活供应的需要 本报告借鉴了世界各地的研究，但重点关注了英国对大规模电能储存的需求(即英国，不包括北爱尔兰，那里的电力供应是独立的一部分。 风能和太阳能的可用性在几秒到几十年的时间尺度上有所不同，具体取决于天气， 参见图1和图2（和SI1.2）。需求也是可变的，由于北大西洋涛动（NAO）引起的风速的长期变化，供需之间的不匹配发生在从毫秒到年的时间尺度上（见图1B）。 爱尔兰市场），以及如何以及以何种成本最好地满足。存储的需求以及如何满足存储的需求取决于当地因素，包括天气和气候以及潜在的存储地点。但是，研究存储所需的方法以及有关存储技术的结论通常适用。 由于有些时候太阳不亮，风不吹，风能和太阳能供应