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麻省理工学院:迪克·施马伦塞教授 (Dick Schmalensee) 畅谈储能的未来

特普生科技 特普生科技 2023-07-21 12 202

本文来源于麻省理工学院:迪克·施马伦塞教授,关于畅谈储能未来的内容。鸣谢自主研制NTC芯片的特普生储能CCS集成温度采集母排,对本文的大力支持,感谢特普生海外技术翻译官林博女士!

美国RFF主持人丹尼尔·雷米 (Daniel Raimi) 与麻省理工学院斯隆管理学院名誉教授、未来资源公司董事会前主席迪克·施马伦塞 (Dick Schmalensee) 进行了对话。Schmalensee 和 Raimi 介绍了 Schmalensee 撰写的一项关于储能未来的最新研究的要点,以及相关见解和对当前和未来政策的影响。他们讨论了储能在净零排放电力系统中的作用、关键储能技术的优缺点以及这些技术可能的成本。

注:RFF 是一家位于华盛顿特区的独立非营利研究机构,其使命在于通过公正的经济研究和政策参与来改善环境、能源和自然资源决策。本文表达的观点仅代表播客嘉宾的观点,可能与 RFF 专家、其官员或董事的观点不同。RFF 不对具体的立法提案表明立场。

名言摘要

· 高效能源存储补充了向可再生能源的过渡:

“随着我们对电力行业以及其他经济领域进行脱碳,大多数计划都要求大幅增加风能和太阳能发电的使用。风能和太阳能发电很可爱,但它们是间歇性的——也就是说,它们的输出随着时间的推移而变化。而且它是不完全可预测的。存储在以风能和太阳能发电为主的系统中发挥着潜在的巨大作用,因为它实际上将发电从一个时间转移到另一个时间。” 

· 通过扩大存储和传输容量实现电网灵活性:

“如果您以人们预测的成本提供长期存储,您就会使用它。它取代了锂离子电池,它取代了发电——基本上,一切都取代了其他一切。传输替代品,因为良好的风能和太阳能站点往往偏远。因此,如果可以建立传输,就可以降低成本。存储替代发电,长期替代短期。” 

· 将旧燃煤电厂改造成实验性储存设施的选择:

“现在,在我们拆除所有这些旧电厂之前,使用其中一两个作为试点项目,以展示这项技术的潜力(如果存在),这一点很重要——将燃煤电厂重新用作储存中心或储存装置,以实现长期储存。” 

丹尼尔·雷米:您好,欢迎来到Resources Radio,这是来自 Resources for the Future (RFF) 的每周播客。我是主持人丹尼尔·雷米。

今天,我们采访了麻省理工学院斯隆管理学院经济与管理学名誉教授、RFF 前董事会主席迪克·施马伦西 (Dick Schmalensee)。迪克是麻省理工学院最近的能源存储未来研究的合著者,该研究评估了能源存储在净零排放电力系统中可能发挥的作用。在今天的对话中,他将帮助我们了解关键技术、它们的相对优势和劣势,以及它们在成本方面的差异。我们将讨论这项研究的主要结果、一些政策影响,以及今天的政策如何最好地支持我们未来几十年所需的技术。

丹尼尔·雷米:迪克,你好,我们今天要讨论您撰写的一份关于能源存储未来的报告。但在此之前,我们总是询问客人他们是如何对能源或环境问题的工作感兴趣的。那么,您是如何来到这个领域的呢?

迪克·施马伦塞:这很有趣。在我的本科生和研究生院中,莫·阿德尔曼(Mo Adelman)因石油研究而闻名,而保罗·麦克沃伊(Paul McEvoy)虽然名气不大,但因天然气研究而闻名。但他们没有引起我的兴趣。当我 1977 年回到麻省理工学院时,这件事才真正发生。当时有很多人在能源相关问题上做着有趣的工作。我有点陷入了这一切。我的同事 Paul Jaskow 有点把我拉进了电力方面的工作。后来,实际上,在华盛顿待了一段时间后,我从根本上开始担心气候变化,这当然会让你立即陷入能源/环境问题。多年来,这一直是我工作的驱动力。

丹尼尔·雷米:是的,那太好了。我的意思是,我们很多人以各种不同的方式接触能源和环境,有时是在生命早期,有时是在生命后期。正如我提到的,我们将讨论麻省理工学院的能源存储未来报告。这是麻省理工学院多年来发布的有关不同能源技术未来的一系列报告之一。首先,您能否帮助我们理解为什么储能可能在未来的能源系统中发挥更大的作用——特别是当我们考虑脱碳时?

迪克·施马伦塞:脱碳就是这项研究的真正推动力。随着我们对电力行业以及其他经济领域进行脱碳,大多数计划都要求大幅增加风能和太阳能发电的使用。风能和太阳能发电很可爱,但它们是间歇性的——也就是说,它们的输出随着时间的推移而变化。而且它是不完全可预测的。存储在以风能和太阳能发电为主的系统中发挥着潜在的巨大作用,因为它实际上将发电从一个时间转移到另一个时间。低买高卖意味着当有大量能源和大量发电输出时,您可以对存储进行充电,而当能源和发电输出不足时,您可以将其输送到系统中。所以说,存储现在没有太多的事情做,但是未来它会有很多事情做。

丹尼尔·雷米:那太好了。您和您的合著者在报告中讨论了相当广泛的技术,我们没有时间讨论所有这些技术。我们当然会鼓励人们阅读该报告,了解其中的所有细节。但是,您能否给我们简要介绍一下您在报告中考虑的一些技术类型,以及它们在存储能量和释放能量等方面的能力如何叠加,以及它们在存储能量和释放能量等方面的能力如何叠加,以及它们在存储能量和释放能量方面的能力如何叠加。他们的成本?

迪克·施马伦塞:成本是关键。我们(当然,我所说的“我们”是指参与该报告的技术人员)考虑了广泛的技术和拟议的技术,对技术感兴趣的人应该查看这些章节。2050 年,也就是我们关注的焦点,似乎有可能发挥作用的技术基本上分为三组。

第一组是锂离子电池,锂离子电池在成本方面非常好,可以扩大其随时提供的电量。当然,您在电动汽车中需要这一点。但与替代方案相比,延长它们提供电力的时间是昂贵的。

现在,我想说的另一组是抽水蓄能,或抽水蓄能水力发电,正如它的术语一样,很奇怪。延长系统供电的持续时间相对容易,因为你基本上是在扩大上坡水库的规模。那是相对便宜的。昂贵的是供电。你必须建造涡轮机和隧道以及所有这些东西。因此,诸如抽水蓄能水力发电和氢气的使用之类的东西就出现了。该类别中的一些蓄热技术相对便宜,能够提供持续时间——能够长时间提供能量。但就随时提供电力而言,其成本昂贵。

然后是中间组,以所谓的液流电池为代表。这在电力成本和存储成本这两个成本维度上都处于中间位置。我应该说存储比生成复杂得多。即使是简单的存储表示也需要七个参数。我描述了其中两个,两个成本参数,但原则上有七个,而且它比描述发电技术复杂得多。人们谈论的事情有很多,比如压缩空气,我们的技术人员说,“不,那不会有任何结果。”这种情况在随意的讨论中经常出现,因为他们建造了两个工厂,但似乎不太可能去任何地方。因此,它在技术章节中进行了讨论,但在我主要涉及的建模章节中没有讨论。

丹尼尔·雷米:我知道您并不关注技术,但我认为对我们的听众来说,更深入地了解其中一些技术可能会有所帮助。您多次提到抽水蓄能以及氢气。对于那些不知道抽水蓄能发电如何工作的人,您能简要描述一下使用它的过程吗?对于氢气来说:在这项研究中,您考虑采用哪些不同的方法来生产氢气?

迪克·施马伦塞:当然。抽水蓄能是一项古老的技术。它可能可以追溯到20世纪20年代,甚至更早。五十年代初期,当人们决定核电将占据主导地位时,它就被部署在这里和欧洲。核能的好处是运行成本便宜。核能的一个缺点是它不容易改变输出以响应需求的变化。因此,我们的想法是,当发电量超过需求时(例如在夜间),我们将使用抽水蓄能发电。我们会利用多余的电力将水从一些低水库抽到高水库。然后,在白天或在需求超过核输出的其他时间,我们将在普通涡轮机中使用这些水来发电以供应电网。

在美国有运营设施。有一些设施在欧洲运营。中国正在建造很多此类设施。其他人都不是。中国正在建造很多此类设施。它们现在在美国没有多大意义,因为我们拥有非常善于应对供需失衡的天然气工厂。因此,我们现在在美国不需要太多抽水蓄能电站,尽管有人建议建造一些。

氢很有趣。氢有人们谈论的各种颜色。现在主要由天然气生产。我们所关注的,我们认为与本世纪中叶相关的,是通过电解分解水产生的氢气,因为你可以用太阳能或风力来做到这一点。因此,您可以生产没有碳排放的氢气。而且储存起来很便宜。储存在罐中很便宜。储存在地下更便宜,所以你可以生产大量,然后随着时间的推移使用它。因此,您可以生产储存数周的氢气,并且扩大储存量相对便宜。问题在于可预见的技术变化。那会很贵。因此,事实证明,使用氢气进行长期储存并不是最佳选择,而这正是氢气的优点。效率相对较低——也就是说,从电力到氢气,然后再回到电力的过程中会损失大量能量。这就是所谓的往返效率。

你会损失很多,但更重要的是:我们探索了未来存储研究和其他出版物中报告的几项研究。假设您在工业用途中使用氢气代替天然气进行实验。模拟地区是德克萨斯州,那里有大量天然气用于供热。“假设,”他们说(我没有参与这些研究的具体细节),假设你可以使用氢气代替。你可以将氢气储存在地下,或者你可以将其储存在储罐中。无论哪种方式,存储起来都很便宜。然后可以通过电解产生氢气。所以你主要用它来代替天然气。但你们正在做的事情是让氢气的生产成为一种灵活的需求。因此,当发电量相对于需求不足时,产生的氢气就会减少。当发电量远高于需求量时,就会产生大量氢气。正是需求的灵活性取代了存储。您不只是将氢循环用作存储介质。您将其用作灵活负载来生产工业用氢气。

事实证明,至少在某些地区,这有很大的希望。再说一次,还有地下洞穴。你可以储存足够的氢气来长时间发电,这非常有用,因为有时会很长时间不刮风或阴天。锂离子电池的使用时间超过几个小时就没有多大意义了。因此,我们发现这非常有趣——正如他们所描述的那样,使用电力以外的氢气作为灵活负载,以帮助解决发电的间歇性问题。

丹尼尔·雷米:这真的很有趣。感谢您的所有这些描述。这一切真的非常有帮助。因此,虽然我们在这里不得不略过了一些细节,我希望我们能够跳转到您和您的合著者从您建模的一些场景中发现的一些关键结果以及这些结果的含义进入未来。

迪克·施马伦湖:当然。让我大致描述一下我们所做的事情,然后谈谈我们认为它意味着什么以及它带来的一些难题。所以技术人员给了我们对2050年所有这些技术的七个维度的成本高、中、低的预测——七个参数。现在国家可再生能源实验室有一些成本预测。因此,我们对本世纪中叶左右的存储技术进行了预测。“那么,那时它们将在电力系统中发挥什么作用?” 要做到这一点,你必须在本世纪中叶对电力系统进行建模。因此,我们对需求进行了预测,假设有大量的电气化,我们对风能和太阳能发电以及天然气以及碳捕获和封存(将二氧化碳封存在地下)进行了成本预测。

因此,我们研究了美国的三个地区。我们研究了德克萨斯州,东北部(纽约和新英格兰),东南部(基本上是佐治亚州、佛罗里达州、阿拉巴马州、密西西比州——其中大部分)。我们说,第一个问题:如果这些系统到 2050 年是有效的,那么在不限制碳排放的情况下它们会是什么样子?他们看起来怎么样?答案是它们非常不同。德克萨斯州即使没有减少二氧化碳排放的压力,也会大量使用风能和太阳能发电,因为众所周知,德克萨斯州拥有良好的风能资源,而且有阳光。因此,即使没有任何碳排放限制,德克萨斯州也会使用大量风能和太阳能。因此有大量的存储空间。

在我居住的东北地区,我们确实有风,但由于人口密度大,很难把风带到陆上。海上风电并不便宜。而且与其他地方相比,这里的阳光并不充足。因此,如果你不去管这个系统,我们的模型是,到 2050 年,它实际上会变得更加碳密集,因为我们认为东北部运行的核能将关闭并被天然气取代。在东南部,我们认为一些核反应堆将保留在原地,虽然没有大风,但阳光充足,到 2050 年,在其他条件相同的情况下,在政策不发生变化的情况下,碳密集度将会降低。

然后我们施加了碳排放限制。这些系统会是什么样子,如果我们开始实施碳排放限制,那么这三个地区的存储会起到什么作用?在建模中这样做的方式基本上是碳税或碳收费。众所周知,这是减少碳排放的最简单的方法,其次也是最便宜的方法。

因此,我们在三个地区中的每一个地区都这样做,并且我们对成本和技术使用不同的假设。第一个结果是,即使您只有锂离子电池,您也可以从这三个系统中去除几乎所有的碳,而不会大幅增加成本,也不会真正影响可靠性。有效的原因(我说“几乎所有”)是,根据我们的假设,在没有阳光和风的时候保留天然气容量是经济的一段时间。所以,你有天然气容量,但你用得不多。要一路实现零排放意味着您必须更换天然气容量。而要在最后几英尺实现零排放的成本非常高。因此,接近零的成本相对较低。

我想稍微谈谈是如何做到的,这本身就很有趣。但另一个结果是,如果您以人们预测的成本提供长期存储,您就会使用它。它取代了锂离子电池,它取代了发电——基本上,一切都取代了其他一切。传输替代品,因为良好的风能和太阳能站点往往偏远。因此,如果可以建立传输,就可以降低成本。存储替代发电,长持续时间替代短持续时间。因此,我希望这作为一个粗略的概述是有意义的。

丹尼尔·雷米:是的,那太好了。我真的可以快速深入研究其中一个主题吗? 所以,关于输电的假设:我近年来看到的所有研究都得出了与你所描述的非常相似的结论——我们可以在电力系统中以相对较低的成本实现接近于零的目标。但我的感觉是,大多数研究都假设我们能够随时随地建立传输。所以,我想知道,如果这在您进行的建模中发挥着重要作用,那么您认为这实际上反映现实的程度如何。

迪克·施马伦湖:它确实发挥了重要作用,而且不同地区有所不同。德克萨斯州从根本上扩大了其内部输电能力,将风能输送到负荷中心。假设德克萨斯州已经完全建成其传输系统并且可以被视为一个区域,那么 2050 年似乎是一个合理的近似值。在新英格兰和纽约,情况就不那么严重了,因为在纽约市建立传输非常困难。如果不考虑建设输电线路的难度和风资源选址的难度,系统为了降低成本,往往会在纽约市建设大量输电线路,并将大量风电放在陆上。我们基本上限制系统不将风能带到陆上,因为在这个地区你无法做到这一点。

顺便说一句,我们假设魁北克将提供水力发电,尽管最近修建一条线路遇到了巨大的困难,但我们并没有假设太多的扩建。我们已经从魁北克获得了水电。我们没有假设扩张。在东北部,当你真正严格限制碳排放时,系统希望建立传输,将风能和太阳能资源丰富的地区与负载较少但负载较多的地区连接起来。

我们认为我们对其建模是合理的。东南部介于这两种情况之间。我们引用的相关研究是作为我们报告的一部分完成的,并在报告考虑更雄心勃勃的输电扩张(可以说是国家电网)之前发布,该扩张将连接德克萨斯州和西方以及其他所有人。该研究和其他研究再次表明,这种传输具有巨大的降低成本的潜力。现在,无论你能否建造它,归根结底都是一个政治问题。我的意思是,在东北部,将水电从魁北克引入,特别是引入马萨诸塞州,是一个激烈的政治问题,因为我们在这里有积极的脱碳目标。如果没有加拿大的水力发电,实现这些目标的成本将非常高。但缅因州的选民封锁了这条基本路线。我们可能会做一些奇特的事情,比如海底布线。目前还不完全清楚如何做到这一点。

丹尼尔·雷米:太好了。我在讨论中让你偏离了轨道。因此,请继续讨论一些关键结果和对存储的影响。

迪克·施马伦湖:嗯,其中一个非常有力的发现,一开始令人惊讶,但一旦我们考虑一下,就不那么令人吃惊了,那就是,当你收紧碳排放限制时,电力的批发价格往往会为零或接近于零。现在,这是一个谜题,对吧?因为当你对碳排放施加更严格的限制时,平均价格就会上涨。但是,对碳排放进行更严格限制的对策之一当然是建造更多的存储设施,这样就可以在风和阳光较少的时期进行发电。但另一种反应,你在边际上进行比较,就是建造更多的一代,对吗?您可以通过在晴天储存能量并在阴天使用它来应对阴天,或者通过建立足够的太阳能容量以适应阴天。

事实证明,两者兼而有之是最佳选择。当你建立更多的风能和太阳能发电能力时,你获得过剩发电的小时数就会增加。这意味着你有很多我们现在看不到的零价格日子。我们没有看到这一点,但这很重要。在零售层面,这可能是一件大事。如果你想使经济电气化并通过使其他部门电气化来脱碳,你希望用户在免费时使用电力。

我经常讲的故事是关于我在夏威夷的儿子,他有一辆电动汽车,他支付每千瓦时 30 或 35 美分的费用来为这辆车充电——即使夏威夷系统正在拼命地试图摆脱多余的电力太阳能发电。用技术术语来说,这太疯狂了。这将成为一个更普遍的问题。

所以,我们发现的,也是我们中的许多人都摸不着头脑的问题是:你们是如何计算零售价的?因为伴随着批发价格接近于零的时间,随之而来的是价格非常高的时间,对吧?平均数必须上升。所以,如果你有很多零,你的价格就会更高。消费者应该看到低价;这是真的。但正如我们在德克萨斯州看到的那样,告诉消费者他们也应该看到高价格是不可行的。

那么,如何提供保险呢?你们如何提供对冲?如何制定鼓励电气化和整个经济脱碳的费率,而又不会给最终消费者带来难以承受的风险?我认为这是一个谜题。我认为这是可以解决的,但这不是一个简单的难题。

丹尼尔·雷米:这太有趣了。我很想就这个问题做一个完整的播客。似乎有一百万个有趣的事情值得深入研究。

迪克·施马伦湖:我希望我们能更深入地探讨一下,因为我没有半小时的时间来回答这个问题,但请给我们时间。

丹尼尔·雷米:好的,太好了。我们会找个时间再请你来讨论这件事。因此,我们的讨论即将结束,我想确保向您提出一个政策问题。我们有很多政策影响,但一个直接的政策问题是:当您考虑政府行为者可以采取的政策来激励存储部署时,我们有不同类型的存储,对吧?我们拥有一些非常成熟的技术,例如锂离子电池,而我们也拥有其他不太成熟的技术。例如,金属空气电池或其中一些绿色氢技术。您认为,在激励成熟技术和激励不太成熟的技术时,我们应该考虑什么正确的政策组合?

迪克·施马伦湖:嗯,锂离子电池的发展是由电动汽车业务推动的。与电动汽车中发生的情况相比,对电力系统中锂离子使用的任何合理预测都将相形见绌。汽车制造商和电池制造商现在有巨大的动力来改进锂离子电池。除了鼓励继续部署电动汽车之外,我认为目前联邦政府在这方面没有发挥任何作用。我们认为其他技术是研发工作和演示应该重点关注的领域。特别是持续时间较长的技术,例如那些涉及氢或一些热技术的技术,谈论起来很有趣,但实际上还没有大规模实施。

技术开发研发的一个例外是使用旧发电厂场地。以燃煤电厂为例,我们将不再使用它来燃烧煤炭,但一旦您决定不这样做,您仍然可以连接到电网。你仍然拥有涡轮机;你还有锅炉。假设你将发电从电网中取出并用它来加热某些东西——岩石。这个世界上有很多石头。用它来加热岩石。如果你做得适当的话,它们会保持一段时间的热度。然后你用这些热量产生蒸汽,在以前的燃煤电厂中发电。我们研究中的许多人探索了这种可能性,并认为它有希望。如果这是正确的,那么现在就很重要了,在我们拆除所有这些旧工厂之前,使用其中一两个作为试点项目来展示其潜力,如果有的话,这项技术——将燃煤工厂重新用作储存中心或储存装置,以进行长期储存。因此,现在将其部署为试点工厂。

对于一些更奇特的东西,我们仍然处于实验室加演示区域。我们也应该如此。急于求成是没有意义的。像抽水蓄能这样的技术,是一种很好理解的技术。现在部署它没有任何意义。电价相对稳定。在我们拥有更多的风能和太阳能之前,我们在 2050 年的模型中不会看到低买高卖的机会。因此,鼓励部署抽水蓄能和太阳能发电是没有意义的。其他确实还没有准备好的技术。我们需要商业化前的研究开发,在某些情况下还需要示范。值得注意的是,这个旧燃煤电厂改造机会需要得到证明。

丹尼尔·雷米:这真的很有趣,特别是对于这项技术,你可以想象它对那些因燃煤电厂关闭而苦苦挣扎的社区、就业和税收等具有吸引力。

迪克·施马伦湖:这一切都会有。我认为,它的工作机会比火电厂要少,但它会有工作机会,而且肯定会对财产税产生影响。

丹尼尔·雷米:是的,绝对是。麻省理工学院的迪克·施马伦西(Dick Schmalensee),这是一次引人入胜的对话。而且,正如我们多次说过的那样,我们实际上只是触及了表面。因此,我鼓励人们查看完整的报告,我们将在本次对话的节目笔记中链接该报告。我们想以我们向所有来宾提出的同样问题来结束对话——推荐一些您读过、看过或听过的、您认为很棒并且您认为我们的听众可能会喜欢的内容。那么,迪克,你的字面或隐喻阅读堆栈的顶部是什么?

迪克·施马伦湖:嗯,我只想提一下我今天早上看到的两件事。第一篇是《纽约时报》上的一篇文章,内容涉及犹他州大盐湖萎缩带来的即将发生的环境灾难。作为干旱的一部分,或者作为席卷西方一段时间的干旱的后果之一,这确实非常、非常令人惊讶和不安。

第二篇是耶鲁大学出版的出版物中的一篇评论文章。我不记得名字了,但我麻省理工学院的一些同事指出,我们现在都在担心乌克兰战争及其对经济增长、通货膨胀和其他一切的影响,这让我们忽视气候问题。气候问题仍然存在——气候问题或多或少确实是一个物种的生存问题。是的,战争很重要,我们需要关注它。但如果我们现在不再关注气候问题,后果可能是灾难性的。所以,今天早上这两件事引起了我的注意。我认为两者都很重要。

丹尼尔·雷米:是的,绝对是。想让大家知道的是,我们将在 6 月 8 日录制,所以当您听到这些建议时,这些建议可能已经过时了一两周,但我们会提供它们的链接。我确信,无论您是在 6 月 15 日或当月晚些时候,还是在夏季的任何时间收听,这些内容仍然具有相关性。

因此,来自麻省理工学院的迪克·施马伦西(Dick Schmalensee)再次非常感谢您来到资源广播电台,帮助我们了解您和您的同事所提出的技术和关键成果以及能源存储的未来。


特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

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