「气荒」西欧,押注新型储能和虚拟电厂

元气资本

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· 9月15日

“忘掉洗澡吧……要么饱腹,要么保暖。”

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「气荒」西欧,押注新型储能和虚拟电厂

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图片来源@视觉中国

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钛媒体注:本文来源于微信公众号元气资本(ID:yuanqicapital),作者 | Yini Lin,钛媒体经授权发布。  

核心内容

1、英国“燃料贫困”人口翻番,欧洲公民只能二选其一——高昂的能源要么用于做饭,要么用于供暖;截至目前,美国面对能源危机显然更具创造力,例如保卫“民主”守护中东油源,又例如支持“人权”放缓脱碳进程。

2、为了提升太阳能利用率,光伏装机量需要持续提升。随着装机量提升,这种供电波动也随之放大。发电源多元化意味着更高的建设成本,发电调节力度加强进一步增加了电力系统的维护成本。光伏发电的经济价值可能随着太阳能普及率的提高而缩水。

3、虚拟电网将发电效率最大化,并实现面向终端用户的高效能源分配,“智能电网之于欧洲,就像页岩气之于美国”。尽管成本高昂、储能时间较短、寿命有限使得电池被视为可调度电源的“弱替代品” ,但是得益于价格竞争力和供应链成熟度优势,电池仍在新型储能市场占据主导地位。储能技术的成本效益将是克服可再生能源供电波动的关键。

元气资本此前详细阐述了70年代石油危机何以推动气候问题突破科学界并成为全球共识,以及经济可行性作为能源转型的关键指标如何使得风电光伏产业增长出众。事实上,根据Swanson's Law(斯旺森定律)长期来看,太阳能电池板的累计产量每增加一倍,其成本就会下降大约20%。在截至2016年之前的二十年间,全球光伏年产量年增长率高达近40%。

太阳能作为能量来源,其潜力几乎是无限的——太阳每小时散发的能量足够地球使用一年有余。不过,正如元气资本前文所述,“过去人们在火的精准控制方面显得力不从心,如今,电的应用也让人们面临新的挑战——电力难以大规模储存。这一挑战将光伏风电等新能源置于困境”。

与核电、水电、风电相比,太阳能对气候和地理环境要求相对较低。但是,由于光伏发电效率受限于阳光照射强度和时长,时间(白天/黑夜)天气(晴天/阴天)均对光伏发电功率造成影响。Varun Sivaram在(驯服太阳)中警示,由于太阳能供电的不稳定性,人们尚未对该能源的广泛应用作好充足准备。

能源需求调控以及新型储能技术研发与商业应用探索的意义便在于此。

「忘掉洗澡吧……要么饱腹,要么保暖」

自俄乌冲突以来,西方对俄经济制裁引发的能源供应短缺加之极端高温天气带来的需求高涨共同推高能源价格。8月29日,Reuters如此描述欧洲通胀危机,“忘掉洗澡吧,欧洲公民只能二选其一——高昂的能源要么用于做饭,要么用于供暖”。据悉,欧洲基准天然气价格在过去12个月中已经攀升550%

事实上,此次能源危机较上世纪70 年代和80年代更为严重——“在1982年石油危机最严重的时候,英国公民能源支出的收入占比为9.3%”。然而,Carbon Brief估算数据显示,今年冬天,这一占比或将高达10%,英国家庭能源支出将是2021年的两倍。IEA(国际能源署)的家庭通胀调整指数表明,2022年初欧洲主要经济体家庭天然气价格已经超出上世纪70 年代、80 年代以及本世纪初能源危机的峰值。  

△ 英国公民平均10%的家庭收入将被用于购买燃气、电力、其他取暖燃料,以及汽油或柴油(来源:Reuters)

能源危机直接触发电力危机。2021 年,英国近四成电力由燃气生成,其余六成为家庭及企业供暖、提供热水,或用于储存。Financial Fairness Trust的研究结果显示,能源危机迫使三分之一的英国家庭减少了炊具和烤箱的使用,三分之一的英国家庭减少了淋浴次数。Ofgem曾于8月26日表示,英国消费者能源成本将从10月起上涨 80%。英国慈善机构National Energy Action认为,这或使890万英国家庭陷入“燃料贫困”,较去年10450万的燃料贫困人口几乎翻番。 

上世纪70年代,两次石油危机促成英美工业衰退。如今,在欧洲民众面临生活成本危机的同时,飙升的能源账单使“欧洲工业引擎”德国的钢铁、零部件、化学品等厂商陷入困境。周六,英国制造游说组织 MakeUK指出,在过去 12 个月中,42%的英国制造商电费上涨了100%,32% 的制造商煤气费翻了一番,“平均每10家英国制造企业,便有6家面临关闭的风险

△ 2000年至今英国天燃气价格(来源:BBC)

早在8月底,欧洲天然气价格已比过去十年平均水平高出约10倍。在俄乌冲突爆发之前,欧盟高达40%的天然气源自俄罗斯,这一数字在德国更是高达55%

△ 2021年各国天然气出口量排名(来源:BBC)

9月3日,Gazprom(俄罗斯天然气工业股份公司)宣布北溪一号无法按计划恢复天然气输送,欧洲电价再创新高,能源危机进一步恶化。9月5日(周一)上午,欧洲基准天然气价格进一步飙升 28%,英国天然气期货上涨了三分之一。以上自今年6月以来,由于维护问题以及因西方对俄制裁导致的涡轮机丢失争议,Gazprom已将北溪一号输送量削减至产能的20%

能源危机对经济活动的潜在冲击直接导致市场对欧元区或将提前到来的经济衰退担忧加剧。9月5日,欧元跌破0.99美元,创二十年新低。英镑触及1.14美元,为1985年以来最低。此前,Credit Suisse董事总经理兼全球 STIR 战略负责人Zoltan Pozsar将本轮能源危机比作欧洲的“明斯基时刻”。从德国、奥地利、瑞典,到芬兰、瑞士,欧洲各国政府纷纷出台纾困基金。

事实上,IMF(国际货币基金组织)早于9月2日发布数据显示,在摆脱英国殖民统治75年之际,印度在2021年最后三个月超过英国成为世界第五大经济体。根据预计,印度经济总量将在五年后超出英国20这一事实在增强印度民族自信的同时,无疑对英国公民对经济抱有的信心造成新一轮冲击。

正如英国前首相Boris Johnson在面对居高不下的食物价格时曾于6月呼吁英国公民“减少食物摄入能够减肥”,9月6日,法国总统Emmanuel Macron敦促法国公民节约能源——与第一次石油危机中的美国如出一辙。

△ 左图:石油危机促使许多美国报纸刊登广告呼吁节约能源;右图:1974 年Bureau of Engraving and Printing印刷的汽油配给邮票,虽未投入使用(来源:V&A,National Postal Museum)

美国「灵活」应对能源危机

虽然美国天然气价格也已飙升至2008年以来的最高水平,但是在所有发达经济体中,欧洲处境似乎最糟。IEA数据显示,在过去40年中,美国家庭为天然气支付的平均价格较欧洲家庭更高,然而,这一现象已经今年第一季度被颠覆。

△ 1978年-2022年Q1欧洲五国、美国与OECD天然气价格比较(来源:Reuters)

除了对俄能源依存度存在本质区别,欧洲在能源危机“比惨运动”中的领先地位或与盟友美国应对通胀危机更为“灵活”的解决方式有关

根据Alaraby UK,自2017年9月起,被称为“自卫队”的“叙利亚民主力量” 在美国的支持下持续扩张并控制了该国90%以上的油田和约45%的天然气生产。叙利亚国家通讯社SANA披露,“在叙利亚所谓‘民主力量’的帮助下,美国占领军继续从叙利亚东北部掠夺和窃取叙利亚的财富,包括粮食、石油、文物和牲畜”。

8月8日,叙利亚石油部指出,“仅在今年1-6月,美国及其雇佣军便在该国盗采6.6万桶石油,约占叙利亚石油产量的80%.……报告期内,叙利亚石油产量为1450万桶,日均产量为8.03万桶,其中交付给炼油厂的石油总量近为1.43万桶”。

此外,放缓能源转型进程也是美国借以应对电力缺口的战略之一。高企的天然气价格与极端高温推升的电力需求,加之光伏发电项目的延时,迫使美国公用事业公司延长燃煤电厂的使用寿命。今年以来,美国延迟“退役”的燃煤电厂已达8家,仅在8月便新增3家。

值得注意的是,美国光伏发电项目的延时与监管障碍有关,而监管的核心在于抵制中国太阳能电池板进入美国市场。由于美国严格调查进口商(中国)是否逃避东南亚太阳能电池板进口关税(此前,美国对华关税迫使一些中国光伏厂商转而通过东南亚市场使零部件流入美国),美国公用事业公司和光伏产业开发商在采购零部件方面面临重重困难。咨询公司Wood Mackenzie认为,今年美国公用事业规模光伏装机容量将新增8.7GW——仅为去年水平的一半左右。

光伏发电的「价值通缩」 

正如70年代石油危机推进西方世界——尤其是西欧国家的能源转型进程,本轮能源危机与电力危机或进一步拉动清洁能源在欧洲市场的渗透率。今年以来,欧洲在加速实现“完全摆脱化石燃料”方面彰显雄心。一项新的欧盟目标旨在于2030年之前将该地区可再生能源的电力份额提高至63%,远超出此前55%的目标

笔者认为,短中期看来,美国市场对于中国清洁能源产业出口厂商未必有利可图。美国近日通过《通胀削减法案》拨款3740亿美元用于脱碳,同时支持在风能、光伏、电池以及绿氢领域的本土制造业,以大幅削减对华依赖。此外,除了美国对华监管限制,相较于欧洲市场,美国能源转型的政策延续性更值得怀疑。尽管与中国不同,欧美能源政策均为“危机心态”主导,但是欧洲较美国更大的能源进口依赖决定了美国能源解决方案更容易停留于权宜之计

因此,欧洲或将成为中国新能源厂商在中国本土市场以外得以成长的广袤天地,而新能源产业必然拉动储能以及能源需求管理产业的相应增长——风电光伏供电的不稳定性决定了二者与新兴储能以及能源需求管理解决方案往往携手并进。

以太阳能为例,云层遮蔽等气候现象影响光伏电网的瞬时供电——以风电光伏为首的可再生能源因而被称为间歇性能源。为了提升太阳能利用率,光伏装机量需要持续提升。然而,随着装机量提升,这种供电波动也随之放大。为了“配合”光伏发电,多种电源需要被接入电网,而这种多样性意味着更高的建设成本。同时,光伏发电占比越高,发电系统波动范围越宽,随之加强的发电调节力度进一步增加了电力系统的维护成本。

Varun Sivaram将此称为太阳能潜在的“价值通缩”——光伏发电的经济价值可能随着太阳能普及率的提高而缩水

由此可见,光伏产业的健康发展并非仅仅关于提升装机量、提升电池效率或者提高渗透率,开发高效的调峰解决方案和能量存储技术迫在眉睫

虚拟电厂「削峰填谷」 

元气资本此前提到,“或是由于石油进口依赖程度不同,欧洲对能源转型呈现出的热情远远超出美国。2020年上半年,风电光伏在德国、英国电力市场渗透率分别高达42%和33%,这一数字在美国仅为12%”。事实上,德国便是开拓Virtual Power Plant,即虚拟电厂的先驱。早在2008年至2012年间,德国联邦经济事务和能源部门便已资助一项名为eTelligence的早期虚拟电厂研究项目

Virtual Power Plant,即虚拟电厂,是一种基于“云”和“小型分布式能源集群”的调峰解决方案。这种能源管理系统的能源结构往往包括可调度或不可调度、可控负荷或灵活负荷(CL或FL)的分布式发电系统。这意味着,无论屋顶太阳能电池板、小型风力发电厂 (WPP),还是大部分时间处于闲置状态的备用发电机,都能通过被聚合并作为单个发电厂运行

互连单元通过虚拟电厂中央控制系统(VPP 软件)进行调度,但在操作和所有权方面保持独立,并且能够在能源市场上进行智能交易。Pike Research分析师Peter Asmus将虚拟电网称为“能源互联网”

△ 虚拟电厂能源结构通常涉及微型热电联产、天然气往复式发动机、小型风力发电厂、光伏、径流式水力发电厂、小型水电、生物质能、备用发电机和储能系统等(来源:Power Mag)

△ 分布式供能系统(来源:西安交通大学能源与动力工程学院)

由于分散的发电单元和VPP软件之间能够实现实时通信,虚拟电厂得以聚合、控制、监控和优化分布式能源 (DER) 的分布式能源生产,从而调节负载波动。在此过程中,发电单元成为一个可调度资源,这种联网为发电单元提供了发电灵活性。通过优化电力生产、电力消费,以及电力存储,虚拟电网将发电效率最大化,并实现面向终端用户的高效能源分配

CNBC曾于2012年指出虚拟电厂北美模式与欧洲模式的区别,“由于美国的需求响应市场更加成熟,包括EnerNOC和Constellation Energy在内的北美虚拟电厂由需求驱动;而欧洲虚拟电厂则由供给驱动,这是因为欧洲大陆拥有大规模风能和太阳能等间歇性电力资源”。

虚拟电厂能为公用事业部门和聚合商带来效率跟高、利润更高的商业模式。欧盟能源联盟副主席Maroš Šefčovič曾于2015年表露电网改革对欧洲能源独立的决定性意义,“智能电网之于欧洲,就像页岩气之于美国……截至目前,实现电网智能化能为我们减少30%的供电容量”。

新型储能技术调和「间歇性能源」供电波动

随着可再生能源在整体能源结构中所占份额的增加,电力供应的间歇性和可调度性问题正在成为脱碳电网的核心问题。储能的意义在于,在清洁能源输出功率高时,将多余电力转换为其他能源形式加以储存,并在输出功率下降时释放,以弥补电力缺口。一些学者认为,当渗透率低于电网需求的20%,可再生能源通常不会严重改变经济状况;当渗透率超过20%,储能变得极其重要

△ 储能使得负荷转移成为可能,从而提高供电效率(来源:EOS)

能量存储技术来通常能被归为以下几种类型——机械存储(e.g. 飞轮,压缩空气)、热能存储(e.g. )、化学能存储、电化学能存储(e.g. 电池)和电能存储。能量储存往往意味着将能量从难以储存的形式转换为更方便或更经济地储存形式。可充电电池储存化学能,易转化为电能;水电大坝将能量作为重力势能储存在水库中;化石燃料储存远古生物从阳光中获得的能量。

△ 储能技术分类(来源:European Commission)

能量存储设施的主要技术特征通常以容量、功率和响应时间三大维度衡量。一些技术能够实现短期能量存储,例如飞轮或电池,而另一些技术则能延长存储时长,例如储氢。截至目前,大容量储能仍由抽水蓄能水电主导。抽水蓄能的限制在于较高的地形(高度差)要求,极高的占地面积和相对较低的功率。

△ 2015年储能技术放电时间及容量比较(来源:RMIT University School of Engineering)

 

△ 2018年储能技术放电时间及容量比较(来源:化学工业出版社)

相比之下,电池存储的优势在于其模块化和分布式的部署方式。不过,成本高昂、寿命有限使得电池被视为可调度电源的“弱替代品” 。此外,电池无法填补可再生能源长达数天、数周甚至数月的供电间隙。Varun Sivaram认为,储氢具有较大潜力——太阳能生产的多余电力能够将水分子分解成氧气和氢气。

西安交通大学教授何雅玲认为,相较于电化学和机械能存储技术,热能存储技术在使用寿命、成本和安全性方面具有优势,具有推广潜力。其中,显热储热成本较低、技术成熟,但是储热能力有限,潜热储热储热能力较强,但是目前受限于储热材料材料选择;热化学储热储热能力较大,但是技术尚未成熟。

尽管如此,截至目前,得益于价格竞争力和供应链成熟度方面占有优势,电池仍在新型储能市场占据主导地位。电池技术进步——尤其是锂离子电池的成本下降,正在推动储能市场发展。2021 年,磷酸铁锂(LFP)在固定存储的应用中首次超过镍锰钴(NMC)化学品。BNEF预计,电池在新型储能市场的主导地位将至少持续至本世纪30年代,“2021年至2030年,全球新增储能容量将超过日本2020年总发电量,中美两国将主导储能市场,二者全球储能装置占比在2030年将超五成”。

△ 2010年-2035年锂离子电池价格变化及预测(来源:BNEF)

今年以来,持续高涨的大宗商品价格加剧了电池储能成本压力。在此背景下,BNEF将2022年美国储能部署规模预测下调29%至5.4GW/11.7GWh。

△ 2022年美国储能部署预测规模降幅高达29%(来源:BNEF)

事实上,在今年4月在纽约举行的BNEF峰会上,Trina Storage北美市场负责人Trina Storage指出,早在通胀危机之前,储能行业便面临供应链限制——由于产业市场规模导致的订单体量差异,顶级电池制造商倾向于优先考虑电动汽车客户而不是储能系统客户

△ 锂离子电池需求结构(来源:BNEF)

中国正在制定规则以吸引基于电池的新能源存储设施投资以加速脱碳进程。自新冠疫情爆发以来,中国固定存储市场增长迅速。一项BNEF于2020年开展的关于固定存储系统电池供应商原产国的调查结果显示,中国固定存储系统电池全球市占率从2019年的35%攀升至2020年的69%,同期,第二大原产国韩国市占率从39%萎缩至22%,美国市占率从17%收缩至3%,这一占比在日本更是从9%骤降至微不足道的2%。

△ 2019年和2020年固定存储系统电池市场结构(来源:BNEF)

除了公共事业规模(Utility-Scale)储能,建于住宅和商业等客户端分布式电池也被纳入储能装置范围内。BNEF认为,到2030年,基于家庭和企业的储能将占全球储能装置的四分之一。截至目前,德国和日本为该领域主要市场。

△ 基于功率输出计算的委托储能结构(来源:BNEF)

值得注意的是,V2GVehicle-to-grid),即车电联网,能够使电动汽车——电池电动汽车(BEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)以及氢燃料汽车,作为本地化储能单位向电网销售需求响应服务。不过,由于V2G需要配备诸如双向逆变器等专用硬件,电池充电周期数有限,增长的循环次数可能导致电池退化并且影响电池寿命。因此,V2G的经济可行性取决于电池磨损是否超过其创造的经济效益

整体而言,储能技术的成本效益将是克服可再生能源供电波动的关键

后能源危机时代,能源依赖带来的危机心态,以及清洁能源不断凸显的价格竞争力,或将加速西方经济体脱碳进程。随着清洁能源在供电系统中的渗透率持续提升,电网调峰和电力储能需求势必随之增加,而这将为中国光伏储能制造厂商带来更为巨大的产业机遇。

△ 2010年-2021年清洁能源发电成本降幅(来源:IRENA)

△ 可再生能源与化石燃料发电价格(来源:IRENA)

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