美国能源部发布“储能大挑战”报告

作为美国能源部（DOE）的“储能大挑战”（ESGC）的一部分，美国能源部（DOE）旨在综合和分发最佳可用的储能技术和市场的数据、信息和分析，为决策提供依据并加速技术采用。“储能大挑战”路线图提供了解决技术开发、商业化、制造、估值和劳动力挑战的选项，致力使美国在未来的储能技术领域处于全球领先地位。

本报告提供了对众多动态储能市场的基本了解。通过从最佳公开来源获得的部署、投资和制造数据的集成表示形式，将其纳入“储能大挑战”范围内。

该报告涵盖以下储能技术：锂离子电池、铅酸电池、抽水蓄能、压缩空气储能、氧化还原液流电池、氢储能、建筑热储能，以及长时储能技术。“储能大挑战”路线图中列出的以用户为中心的用例可帮助识别这一报告中包含的市场。反过来，此市场分析提供了这些用例所在市场的独立视图。该报告的未来版本可能会继续发展市场数据和使用案例框架的一致性。

并非所有的储能技术和市场都能在本报告中得到解决。由于能源技术种类繁多，市场壁垒和数据可用性问题，该市场报告只包括精选的一组技术。例如，储热技术定义非常广泛，涵盖了广泛的潜在市场，技术就绪水平和一次能源。在其他领域，数据稀缺性需要对未来的应用程序和新兴科学有更深入的了解。未来的工作将更新本报告中提供的数据，并将扩展到包括其他储能技术。

这种以数据为依据的对储能市场现状的评估对于跟踪实现“储能大挑战”中描述的目标的进展并为广泛的利益相关者的决策提供信息至关重要。同时，通过编写本报告而发现的差距可以指向需要进一步收集和分析数据的领域，从而可以进一步提高对整个市场和技术范围的了解。

最后，正在计划、进行或完成大量补充分析，这些分析将使该报告提供对具体技术和市场的更深入了解。

摘要

作为美国能源部（DOE）的“储能大挑战”（ESGC）的一部分，本报告总结了有关目前和预计的市场的文献资料，这些文献涉及到2030年在交通运输和固定市场在全球部署的七种储能技术。着重于收集有关美国和国际上储能市场预计如何增长的最佳估计。因此，本报告的目的是总结可用数据，而不是提供有关当前和未来储能市场的新分析。

到2030年，用于固定储能和交通运输组合的电池市场估计每年将增长2.5～4 TWh，约为当前市场800 GW的三到五倍。电动动力总成（即车载储能系统）已经得到越来越多的应用，并且已将移动性转变为用户最大的储能需求，这代表着其能量消耗比固定储能系统要高出五到十倍。而电气化运输的融合、电池储能系统成本的快速下降以及可变可再生能源发电的增加，导致储能系统在全球电力和运输行业市场中的部署激增。尽管曾经被视为高水平并网可再生能源电力的缺失环节，但部署固定储能系统不再被视为一种障碍，而是一个真正的市场机会，可以找到最具成本效益的技术来提高电网的可靠性、适应性和需求管理。该报告旨在掌握全球储能市场的最新预测。

随着世界各国政府在许多主要的市场上对消费者的激励措施仍然存在，以及随着制造商增加了制造平台的规模，过去几年电动汽车（EV）的采用有望继续增长。分析师预计，到2030年，对电动汽车这样的移动储能的需求将达到0.8至3.0 TWh，其中轻型电动汽车的需求将主导近期市场。预计中国将成为全球最大的移动储能市场。然而，出乎意料的是，到2020年7月，欧洲xEV市场（以“x”代表轻型、中型和重型汽车的电动汽车）超过了中国，预计今年将超过100万辆。

固定式储能系统的现有容量主要由抽水蓄能设施主导，但是由于价格下降，新部署的储能项目通常是锂离子（Li-ion）电池。到2030年，全球固定储能（抽水蓄能除外）的年度部署预计将超过300 GWh，这意味着电网相关储能部署的复合年均增长率（CAGR）为27％，用于仓库物流等工业应用储能部署的复合年均增长率为8％。中国宣布在2020-2026年间开发和建设装机容量为35GW的抽水蓄能设施，尽管目前尚不在开发阶段，但美国也在探索抽水蓄能设施增长的途径。到2030年，全球固定式储能的最大市场预计将在北美（41.1 GWh）、中国（32.6 GWh）和欧洲（31.2 GWh）、日本（2.3 GWh）和韩国（1.2 GWh）。

大量部署的储能系统通常是持续放电时间4小时的储能系统，与电网规模、商业和工业（C＆I）以及住宅可再生能源（通常是太阳能发电设施）结合在一起。

报告方法和范围

该报告在美国能源部的“储能大挑战”的支持下，总结了在交通运输和固定储能市场中在全球范围内部署精选储能技术的现状和市场预测。提出了用不同的假设已发布的预测，以提供到2030年预计储能系统将如何发展的当前前景。该报告包括了近期和当前有望产生重大影响的活动，包括储能新技术的研究进展和储能应用程序。跟踪预测的变化方式以及市场的实际发展方式可以帮助政府和行业研究与部署策略。

在这个总体框架内，报告首先按部门和地区总结了每个市场。然后分别讨论了每种储能技术，并介绍了它们在适用市场中的当前和预期需求。在可行的情况下，将展示全球制造能力以表征当前市场规模和主要地区。

技术与市场

选择了七种储能技术纳入这份报告：

1.锂离子电池

2.铅酸电池

3.抽水蓄能电站

4.压缩空气储能（CAES）

5.氧化还原液流电池（RFB）

6.氢气（H2）

7.建筑热储能（TES）

本报告涵盖的技术在固定和运输市场均得到解决。尽管消费类电子产品市场也使用了某些技术（主要是锂离子电池），但该市场并未深入介绍。该报告同时研究了这些技术在2015～2030年的历史部署和预计需求。在某些情况下，重要信息可在2015年之前获得，并已包含在背景中。另一方面，在某些情况下，尚无法获得信息来预测到2030年某些储能技术的部署。在可获得的情况下，提供了基于不同假设的预测以进行比较，例如与全球总储能市场进行比较。

该报告着眼于所有储能技术的全球部署。只要有可能，这些信息通过以下区域进行划分：

·美国

·欧洲

·中国

·亚洲其他地区（ROA）

·全球其他地区（ROW）。

本报告涵盖的两个主要市场是固定储能市场和义能运输市场，每个市场又细分为各自的领域。运输有两个主要领域：电动汽车（xEV）或燃料电池电动汽车（FCEV）的机动性，以及燃油汽车起动、照明和点火（SLI）。表1中进一步描述了与每个部门相关的应用。表2中描述了固定储能市场，其中大部分与电网和商业弹性相关。

一、全球储能市场概述

本节总结了当前全球储能市场的预计需求以及每个市场状况。由于信息的可用性，对固定储能应用中与电网相关的部门进行了详细的调查，并按应用场景和区域市场进行了总结，其中包括美国各州和各种应用场合。

图1.全球储能市场（2018年～2030年）

图1是对全球固定储能市场和电池在交通运输市场应用的年度预测。2030年的储能部署与2018年市场相比将增长四倍，电池部署总容量将达2,500GWh以上。这种增长的绝大部分是由于运营电动汽车（xEV）数量增长。实际上，电动汽车（xEV）的应用可能会采用高达4TWh电池。根据交通运输行业部署的假设，用于交通运输行业的电池年度部署是包括抽水蓄能设施（PSH）在内的固定储能系统年度部署的2～10倍。采用当前策略通常是较低的部署（将增长2倍），而较高的部署（将增长10倍）则采用有利于交通运输电气化的策略。这些场景在锂离子电池市场部分有更详细的描述。

抽水蓄能设施（PSH）需要与其余的固定储能系统区分开，因为它通常以MW（而不是MWh）表示，并且其储能时间通常不固定。在这张图中，根据18～24个储能小时的范围，估计其储能时间为21小时。

1.交通部门

铅酸电池目前主要用于SLI（启动、照明和点火）领域，由于它们可用于所有类型的车辆（内燃汽车、电动汽车和燃料电池汽车），因此目前在运输市场上占主导地位。随着全球汽车销量的增长，预计到2030年铅酸电池的销量将会缓慢增长。而移动性储能年度部署（目前仅占SLI的一小部分）可能会在2023年首次超过SLI应用领域，并有望在2030年实现爆炸式增长。移动性储能系统包括车载电池和氢储能。电动汽车和插电式混合动力汽车的蓄电池主要是锂离子电池。混合动力电动汽车可以使用其他种类电池，如镍金属氢化物电池。图2总结了交通运输领域储能的预计增长。

图2.预计的全球年度运输储能部署

2.固定储能市场

图3提供了全球固定储能市场的细分情况，显示2018年的部署储能容量约为150GWh，到2030年的储能容量将增长到380GWh，到2024年将达到535GWh。抽水蓄能设施通常部署为交付周期较长的大型单一储能项目，因此其部署不会遵循平滑的增长曲线。当前，工业应用储能部署的年复合增长率为8％，显著高于与电网相关的部署。工业动力储能（例如叉车）是这个市场很大一部分，其次是UPS电源和电信行业应用。但是，到2030年，基于电网的应用将显著增长（复合年增长率为27％），超过工业应用。

图3.按行业来源划分的全球年度固定储能部署预测

3.电网相关的储能部署

图4总结了按区域划分的与电网相关的全球储能部署量，2019年约为10GWh，预计在2030年将增加15倍，达到近160GWh，在此期间所有地区均显示出得到显著增长，其中中国储能市场增长最为显著，将增长8.6倍，2020年部署的储能容量为3.8GWh，到2030年部署的储能容量将为32.6GWh。而欧洲和美国将在同一时期增长5～7倍，美国将在2030年部署34.3GWh，欧洲将达到31.2GWh，其他国家和地区为11.4GWh。

需要部署储能系统与电网有关的转型是全球性的。世界其他地区是2030年部署量最大的地区，部署的储能容量为45GWh。

图4.按全球各地划分的预计与电网相关的储能年度部署量（2015年～2030年）

彭博新能源财经公司（BNEF）在其2019年长时储能开发展望报告中也研究了与电网相关的应用的储能部署，并汇总在图5中。商业和工业（C＆I）行业中太阳能+储能系统在这一时期的增长最快。彭博新能源财经公司（BNEF）预计该行业领域的年度支出将增长3.5倍，从2020年的86亿美元增加到2030年的301亿美元。

图5.按应用场景划分的全球与电网相关年度储能部署（2015年～2030年）

图6.预计按电力区域划分的与美国电网相关的累计部署量（2015～2022年）

如图6所示，从2019年到2022年，美国固定储能部署将增加两倍以上。预计在加利福尼亚州的储能部署将得到更快增长，而用于满足峰值需求和住宅储能的应用也将显示强劲增长。

图7.按应用场合划分的与美国电网相关的累计储能部署（2015～2022年）

4.行业划分

图8详细介绍了全球工业储能领域的发展情况。该行业包括电信行业备用电源、UPS、数据中心、燃料电池汽车、内燃汽车和叉车等储能应用。预计到2030年，全球工业储能将增长2.6倍，其储能总容量将从60GWh增至167GWh。增长最高的是叉车（复合年增长率为8％），UPS电源和数据中心的增长率适中（复合年增长率为4％），而电信行业备用电源的需求则显示到2030年的增长率最低（复合年增长率为 2％）。

图8.按应用场合预测的全球工业储能部署

数据中心的能源需求对于估算直流市场的规模非常重要。它是真实需求的混合功能，其中包括满足关键任务需求的能力。2020年数据中心的年度能耗估算约为200～1,000TWh。假设数据中心需要满足每天的平均负荷为600TWh，则需要部署23GWh储能系统。如果备份时间更长，则储能需求会增加。

二、锂离子电池技术

锂离子电池广泛应用于固定储能市场和交通运输市场，它们也是消费电子产品中的主要电源。多家琛分析机构预计，锂离子电池在未来10年内仍将占据储能部署的大部分市场份额。

储能技术正在从铅酸电池过渡到具有更长的循环寿命和工作寿命的电池，例如锂离子电池。但是，锂离子电池的易燃性是需要在系统工程设计进行改进的问题。而普鲁士蓝类钠离子电池是另一种提供高功率和极长循环寿命的新型电池，可以满足苛刻的直流应用性能要求。美国能源部为此为开发和生产这种电池的一家初创公司提供了资助。

1.锂离子电池市场

锂离子电池市场是增长最快的可充电电池市场。从2013年至2018年，锂离子电池在所有市场的全球销售额增长了一倍以上。交通运输行业在锂离子电池市场上占主导地位，也是增长最快的行业，各种汽车采用了60％的锂离子电池。根据Avicenne公司发布的调查报告，全球锂离子电池市场规模在2018年为400亿美元，如图9所示，这相当于在全球部署172GWh的电池储能系统，到2019年增至195GWh。

几家分析机构预测未来十年的锂离子市场发展趋势。其基本假设以及分析中包括的市场取决于具体的来源。本节概述了这些分析和假设。

图9.全球锂离子电池在未来10年在各种市场的应用

图10. 彭博社新能源财经公司对锂离子电池在全球各地市场的部署预测

图11. Avicenne公司对锂离子电池在全球各地市场的部署预测

彭博社新能源财经公司（BNEF）和Avicenne公司预测了2030年全球所有市场的锂离子电池部署情况，分别如图10和11所示。彭博社新能源财经公司预测，锂离子电池在全球消费类电子产品、固定储能市场和运输领域的应用将超过2TWh。Avicenne公司的预测涵盖了以下两种情况的市场以及其他市场（例如医疗设备和电动工具），而两项研究中，都认为交通运输行业将采用90％以上的锂离子电池。彭博社新能源财经公司（BNEF）预计到2030年运输行业采用的锂离子电池容量将达到1.8TWh，而Avicenne公司预计到2030年运输行业采用的锂离子电池容量将达到0.7～1.0TWh。

国际能源署（IEA）发布的《2020年全球电动汽车展望》报告只评估了交通运输行业，并按国家和地区预测了混合动力和插电式混合动力电动汽车（xEV）的销量。评估的第一种情况是“既定政策，并基于当前的目标、计划和政策措施。此方案包括各国实现的混合动力和插电式混合动力电动汽车（xEV）部署目标、燃油车辆淘汰计划、购买激励措施，以及针对全球七个主要市场（美国、欧盟、中国、日本、加拿大、智利、印度）。还考虑了原始设备制造商发布的有关扩大混合动力和插电式混合动力电动汽车（xEV）车型范围的计划以及扩大其产量的计划的公告。

根据国际能源署（IEA）发布的STEPS方案，到2030年，全球车辆所需的锂离子电池容量为1.6TWh，这与彭博社新能源财经公司（BNEF）估计的1.8TWh相似。图12和图13分别按移动性细分和区域详细说明了国际能源署（IEA）的STEPS方案。如图12所示，轻型车辆是采用移动式锂离子电池的最大类别。而中国拥有最大的移动锂离子电池市场，如图13所示。

图12.根据国际能源署（IEA）STEPS情景下预计的全球锂离子电池部署量（按车辆类别：电动客车、轻型车辆、中型和重型车辆）

图13.根据国际能源署（IEA）STEPS情景下预计的全球锂离子电池部署量（按地区）

锂离子电池容量是根据全球汽车销售量（按类别）以及每种汽车的典型车载电池尺寸估算得出的。

国际能源署（IEA）还评估了第二种方案“可持续发展方案”，该方案假设混合动力和插电式混合动力电动汽车（xEV）占据了全球轻、中、重型车辆和公共汽车的30％的汽车销售份额。在这种情况下，到2030年可以增加多达3TWh的锂离子电池容量。图14比较了国际能源署（IEA）的这两种情况。

图14. 根据国际能源署（IEA）STEPS情景下，在xEV行业中预计的全球年度锂离子电池部署量

尽管有许多其他预测，但欧洲电动汽车市场规模在2020年首次超过了中国，预计2020年将超过100万辆电动汽车。这种增长与欧洲的持续政策和补贴有关，而中国则减少了其电动汽车补贴。例如，德国已设定了到2030年生产710万辆电动汽车的目标，并为每辆新型电动汽车和混合动力汽车提供最高9000欧元的补贴。德国还将在电池的研究和生产上投资超过15亿欧元，计划到2025年开始扩大生产规模。

为了支持电动汽车市场的快速扩展，许多厂商都在投资电动汽车充电基础设施。全球电动汽车充电端口目前超过了100万个，这是过去三年总和的两倍。欧洲是电动汽车市场扩张的领头羊，其电动汽车充电基础设施在2017年至2020年之间增长了五倍。在同一时期，中国增长了158％，美国的增长了65％。而在氢燃料电池汽车方面进行了大量投资的日本只增长了30％。

与交通运输行业的增长相比，固定储能增长比较平缓。这通常是因为可再生能源通常是成本最低的发电来源，但是需要存储其电力以减缓可变性。而美国是全球固定储能部署的领导者。例如，在太阳能发电设施替代装机容量为9GW的天然气发电设施之后，加州电网估计需要部署装机容量为12GW的储能系统进行平衡。到目前为止，加州公用事业委员会已批准了装机容量总计为5.1GW的电池储能系统，计划到2022年完成部署。

2.锂离子电池的制造

图15.全球锂离子电池生产区域

如图15所示，全球锂离子电池制造的大部分都在中国、美国、亚洲其他国家和欧洲各国。如今，中国以将近全球电池产能80％（电池容量为525GWh）占据市场主导地位。此外，到2025年电池产能将达到1400GWh，其市场占有率超过60％（图16）。相比之下，美国落基山研究所预计2023年全球锂离子电池的生产能力为1300GWh，其中一半在中国。

图16. 计划建设（蓝色）或在建（红色）的锂离子电池制造工厂生产能力

美国是全球第二大电池生产国，其电池生产能力为当前全球电池生产容量的8％，这主要归功于内华达州运营的特斯拉和机松下公司合资的电池工厂。而如今美国正在建设更多的电池生产工厂，而凭借积极的新法规和政府支持的融资，欧洲的电池制造业有望显著增长。

尽管当今中国在电池制造业中已经确立主导地位，但由交通运输行业推动的增长可能会改变未来的全球足迹。欧洲为在本地和区域性增长制定了强有力的政策和激励措施。欧洲电池联盟预测，到2025年，欧洲的电池制造行业规模可能达到2500亿欧元。目前，计划在法国的杜文市和德国的凯撒斯劳滕建设两个大型生产工厂，这些工厂可以为100万辆电动汽车生产电池。法国和德国在电池生产的投资分别为15亿欧元和35亿欧元。

图17和图18总结了锂离子电池的四个主要部分的整体制造能力：阳极、阴极、电解质盐和电解质溶液。目前，锂离子阳极主要由石墨组成，并主要由五个国家生产：中国、日本、美国、韩国和印度，分别占到全球产量的76％、13％、6％、4％和1％。锂离子阴极在9个国家和地区生产，其组成随着新的低钴化学技术的发展而变化。超过一半（58％）在中国制造，其次是日本和韩国，它们分别占近17％。美国生产的阴极不到全球的1％。中国制造占多数。

图17.全球锂离子电池组件制造分布

电池和原料（例如金属）的供应和精炼以及各种锂离子化学物质的分配是锂离子市场上的重要考虑因素，但不在本文档的范围之内。

3.锂离子电池研发

美国能源部车辆技术办公室已经确定了xEV电池（以及12V起停动力电池）的商业化所面临的主要挑战：成本、性能、寿命、耐受性、回收利用和可持续性。针对这些改进的关键研究领域包括：

•快速充电能力

•硅阳极

•高能的低钴阴极

•高压阴极

•高压电解液

•锂金属阳极

•固态电池

•电池回收。

图18提供了xEV锂离子电池的成本和技术发展趋势。图19概述了候选电池技术及其满足美国能源部（DOE）成本目标的可能能力。由于不同电池技术的差异很大，电池研究还包括多个活动的重点是解决整个电池供应链中的高成本领域。

图18.电动汽车锂离子电池的成本和技术趋势

图19.未来各种电池技术成本降低的潜力

三、铅酸电池

铅酸电池如今已经广泛应用在交通运输和固定储能市场用，主要为所有类型的公路和越野车辆提供SLI服务。此外，铅酸电池大量应用在工业部门，其中包括电信行业备份电源、UPS和数据中心以及叉车。如今，用于电网相关储能系统的应用量相对较少。

1.铅酸电池市场

2013～2018年，全球铅酸电池年销售额增长了20％以上，达到370亿美元。目前，铅酸电池占到所有可充电电池市场的70％以上；铅酸电池销售额的75％来自汽车SLI领域。江森自控公司以233亿美元的销售在汽车行业占主导地位。而Enersys公司以142亿美元的销售额在工业行业中领先。图20和图21分别以应用场合和行业销售额（10亿美元）与储能容量（GWh）的比例展现当前的全球铅酸电池市场情况。

图20.按应用划分的2018年全球铅酸电池部署量（％GWh）

图21.按公司划分的2018年铅酸电池销售量

Pillot公司预测，到2030年，铅酸电池需求将以5％的年增长率增长（如图22所示）。尽管铅酸电池目前是固定和运输应用（对于SLI）中最常见的电池，但预计到2025年它们的储能容量（GWh）仍将领先，但可能会滞后于销售额。希望在2020年及以后，轻度混合动力和启停混合动力汽车将成为高级铅酸电池的增长领域。

图22.预计全球所有市场的铅酸蓄电池需求

预计到2025年，新车的销售量将使铅酸电池需求可能小幅增长，届时其增长将趋于平稳（如图23所示）。由于更换电池的时间比较频繁（最短的工作寿命为3年），尽管中型和重型车辆的电池规模更大，但由于它们在总销量中的显著优势，所有SLI应用（GWh）中有70％以上都来自轻型车辆（如图24所示）。

图23.彭博社新能源财经公司预计各地汽车销量中铅酸电池产能的增长

图24.按类别划分的汽车销量预计铅酸电池产能增加量

用于混合动力汽车起停（12V）的铅酸电池是铅酸电池市场潜在的增长领域。微型混合动力汽车比传统汽车节省5％的燃料，其价格比全混合动力电动汽车便宜10倍。

如图25和26所示，2017年是固定储能市场铅酸电池快速增长的元年。图25表明，其增长主要是由中国的强劲市场需求推动的，欧洲也有一些增长，而美国的增长则很少。图26详细说明了应用领域细分情况。在2017年之前，固定市场主要是与电网相关的应用，此外工业用途也推动了爆炸性增长。

铅酸电池行业厂商认为，基于技术进步和市场发展，铅酸电池在未来的固定式储能市场中仍然具有巨大的商机，其中包括：

·投资于电池双极设计以增加能量密度，并降低成本。

·用户侧储能和其他对安全至关重要的应用。

·电信行业将在发展中国家发展，并用于5G技术的部署。

图25全球铅酸电池市场增长主要是由中国的强劲需求推动（2008年～2020年）

图26 铅酸电池在各种领域的应用（2008年～2020年）

2.铅酸电池在美国的生产

在美国，铅酸电池行业的年产值为263亿美元。它们在美国国内生产，并且99％被回收。铅酸电池在美国18个州生产。此外，美国有10个州有电池回收设施，有9个州拥有技术开发设施，还有10个州的公司为铅酸工业提供原材料（例如石墨）或设备。铅酸电池行业已经在美国38个州创造了近25,000个工作岗位（制造。回收、运输、分配和采矿）。图27和28分别显示了美国电池制造设施分布和创造的就业机会。

图27.美国铅酸电池行业及相关产业分布

图28美国各州与铅酸电池行业相关的工作分布

四、抽水蓄能（PSH）

1.抽水蓄能（PSH）市场

抽水蓄能是历史最悠久的储能技术之一。实际上，最早运行的一个抽水蓄能电站（PSH）是1909年在瑞士开通运营的。全球抽水蓄能电站（PSH）的累积部署如图29所示，到2019年的装机容量增长到160GW。如今，大部分抽水蓄能设施在欧洲和亚洲运营。尽管抽水蓄能电站（PSH）的装机容量非常高，但应该注意的是，并不是所有的抽水蓄能设施（PSH）都能应对当今电网面临的挑战。

图29.全球的累积抽水蓄能部署量（GW）

根据国际水电协会 (IHA)发布的调查报告，到2025年，全球357个已经运营的抽水蓄能设施（PSH）的总装机容量为164GW，另有124个抽水蓄能设施正在建设中（正在建设、计划中或宣布中）。预计到2030年抽水蓄能设施的装机容量将增加50％，达到240GW，其中中国有65个新项目，美国有19个、澳大利亚和印度尼西亚各有10个。而根据规模，国际水电协会 (IHA)估算这些抽水蓄能设施（PSH）的储能总容量为17TWh。而这一数值可能被低估了，因为许多抽水蓄能设施并没有报告其水库规模。图30是国际水电协会 (IHA) 2020年数据库快照，显示了全球抽水蓄能设施部署的位置和规模。

图30.全球各地部署的抽水蓄能设施分布情况

全球各地计划建设的抽水蓄能设施如图31所示。这些计划的部署包括正在建设中或计划进行开发并已寻求或获得监管部门批准的项目。如图31所示，每年的抽水蓄能设施部署情况可能会有很大不同，这一项目的可变性通常与较长的开发周期有关。例如，印度Pinnapuram 抽水蓄能项目就是一个交付周期较长的例子，该项目将与一个装机容量为2GW太阳能发电设施和400MW风力发电设施配套部署，并将连接400kV电网。该项目于2018年获得印度政府部门的批准，并在2020年获得250万美元的投资用于下一步设计。

图31. 全球各地计划建设的抽水蓄能设施

中国近期计划部署的抽水蓄能设施装机容量最高。从2020年至2026年，预计中国将部署35GW以上的抽水蓄能设施，都是规模非常大的水电站。例如，中国计划年投资28亿美元建设的丰宁县水电站的装机容量为3.5GW。而在澳大利亚，Genex 电力公司最近与Energy Australia公司签定了一个装机容量250MW抽水蓄能设施合同。

图32. 基于区域能源部署系统（ReEDS）美国抽水蓄能设施的部署潜力

2016年，美国国家可再生能源实验室(NREL)使用区域能源部署系统（ReEDS）模型开发了一组可能的抽水蓄能设施资源可用性开发方案，以作为美国水电开发愿景的一部分。这些方案规模可以从1980年以来向美国联邦能源管理委员会（FERC）提交的所有抽水蓄能项目评估的初始上限估算。而这只是潜在抽水蓄能项目的一部分，因为一些水电所有者和开发商不需要美国联邦能源管理委员会（FERC）授权。基于这些假设，根据美国联邦能源管理委员会（FERC）的估算，美国已经建设的166个抽水蓄能设施的总装机容量为109GW。其ReEDS模型还包括每个区域一个750MW的抽水蓄能项目，以减少过度约束抽水蓄能的扩建或部署，同时允许在所有区域中持续增长。图32显示了没有通过美国联邦能源管理委员会（FERC）批准的101GW的抽水蓄能设施和美国联邦能源管理委员会（FERC）已经批准的109GW的抽水蓄能设施的组合。如果其持续储能时间为12小时的话，其估算值为210GW/2,500GWh。

ReEDS模型选择750MW作为抽水蓄能项目规模是因为这是美国水电开发愿景之前十年提出的抽水蓄能项目装机容量的近似平均值。

图33.美国抽水蓄能设施部署模型ReEDS：技术改进和融资增加

美国水电开发愿景还包括以ReEDS建模的三种情景的结果：先进技术、低成本融资以及两者的结合，其中还包括可持续发展的能源。

五．压缩空气储能（CAES）

压缩空气储能（CAES）设施通过压缩空气进行储能，通常部署在大型地下洞穴中。只适合在固定市场中使用。

1.压缩空气储能（CAES）市场

彭博新能源财经公司(BNEF)的调查报告列出了全球范围内七个委托部署的压缩空气储能（CAES）设施，其中四个在美国。尽管并不是所有的压缩空气储能（CAES）设施都报告了其装机容量，但收集到的信息表明，从2011年到2019年，美国在这两个方面的部署量最大（图34和35）。2011年，在德克萨斯州部署了300MWh时的大型压缩空气储能（CAES）设施。报告还指出，中国有三座大型压缩空气储能（CAES）设施已经获得融资，并正在建设中。所有这些压缩空气储能设施都计划在2019年底或2020年初投入使用，但未找到有关这些项目是否已完成的信息。

图34.全球压缩空气储能设施累积部署量（2011～2019年）

图35.全球各地的压缩空气储能设施累积部署量（2011～2019年）

新方法也在考虑之中；在混合系统中正在研究压缩空气储能（CAES），它可以潜在地平衡其成本和性能。例如在荷兰，压缩空气储能（CAES）最近与锂离子电池储能结合使用，用于辅助服务的混合能源系统。预计这种方法既可以延长锂离子电池储能系统的使用寿命，又可以显著提高其总体使用寿命。

尽管美国在压缩空气储能（CAES）部署方面处于领先地位，但并非所有项目都获得成功或者实现商业化。以下是一些示范和失败项目的示例：

2.压缩空气储能（CAES）成功和失败的项目

-阿拉巴马州：110MW，1991年投入运营

-俄亥俄州First Energy公司：2,7000MW，2018年暂停，洞穴条件不合适

-爱荷华州ISEP：270MW，2011年报废，含水层孔隙率低

-加利福尼亚州PG＆E：300MW，2018年可行性研究结束，项目并不经济。

图36.美国压缩空气储能（CAES）资源估算

在彭博新能源财经公司(BNEF)关于新兴固定储能技术的报告中，压缩空气储能（CAES）被评估成为锂离子电池的竞争对手。彭博新能源财经公司(BNEF)使用下面提到的参数作为主要指标，针对每个独特的电网市场应用分析了压缩空气储能（CAES）系统与锂离子电池储能系统的竞争力，以确定其“可寻址市场”。可寻址市场被定义为在与电网相关的储能领域中的锂离子电池竞争时，在以下三个参数上可利用该技术的市场：技术和经济可行性、位置限制、系统规模。尽管它没有评估特定的设施位置，但在评估中包括其对于经济可行性的需求。

该分析预测，到2030年，在150GWh预计总储能容量中，压缩空气储能（CAES）设施能够与锂离子电池储能系统相竞争的容量约为60GWh。如图37显示，峰值需求和能量转移是压缩空气储能（CAES）最有竞争力的应用场合。

图37. 全球压缩空气储能（CAES）技术的潜在市场规模（2020～2030年）

六．氧化还原液流电池（RFB）

1.氧化还原液流电池（RFB）市场

氧化还原液流电池（RFB）仅在固定市场中使用，通常是水基的。图38和图39分别总结了全球年度部署和累计部署。中国和亚洲其他地区在液流电池（RFB）部署方面处于领先地位。从2008年以来部署的800MWh液流电池（RFB）项目中，75%以上是在过去两年部署的。

图38. 全球各地的液流电池（RFB）年度部署（2011～2019年）

图39. 全球各地的液流电池（RFB）年度累计部署（2010～2019年）

全球规模最大的氧化还原液流电池（RFB）项目（200MW/800MWh）于2016年批准在中国大连建设；它是由中国融科动力和美国UniEnergy Technologies共同开发的。该项目设计用于黑启动、调峰和电网稳定。

图40.全球正在建设的规模最大的钒氧化还原液流电池设施

如上所述，彭博新能源财经公司(BNEF)为几种新兴的固定储能技术开发了一个“可寻址”市场。可寻址市场是指与电网相关的储能领域中的锂离子电池在以下三个参数上竞争时该技术可用的市场：

·技术和经济可行性

·位置限制

·系统规模

针对每种市场应用（例如能源转移）开发了评级系统，并将该技术与相同应用中的锂离子电池储能系统进行了比较。

将所有氧化还原液流电池化学物质归为一组，并假设其平均系统持续放电时间为4小时。如果较短期限的储能系统是可行的，那么可寻址的市场范围将更大。彭博新能源财经公司(BNEF)预测，到2030年，液流电池将与锂离子电池竞争高达69GWh（占所需总容量150GWh的46%）。峰值需求和能量转移是液流电池最具竞争力的应用，如图41所示。为解决钒液流电池的成本问题而开发的铁基液流电池可能会改变这一预测。

图41.按应用场合划分的氧化还原液流电池潜在市场（2020～2030年）

图42. 氧化还原液流电池的全球各地部署情况（2010～2020年）

图42 提供了按部署日期和规模划分的氧化还原液流电池（RFB）的情况。与其他新兴储以技术类似，近年来，氧化还原液流电池（RFB）的部署已经显著增加。

氧化还原液流电池（RFB）可行性的很大决定因素是系统成本，这与电解液活性材料的选择紧密相关。从历史上看，钒液流电池（RFB）由于具有多种吸引人的电化学性能（包括相对较长的使用寿命）而成为首选。但是随着价格下降，锂离子电池如今可以与钒液流电池（RFB）在成本上进行竞争。由于钒液流电池（RFB）的设计从在4～6小时的持续放电时间（这变得越来越重要）中带来了成本优势，因此，为改进活性材料的经济性而进行开发的策略也在不断发展。一些投资者和初创公司正在推出新的液流电池（RFB）技术，如果获得成功的话，这可能会影响未来的部署。例如，一家钒生产商和一家液流电池公司组建了一家合资企业，可以将钒电解质出租给氧化还原液流电池开发商。

铁是一种成本极低的活性材料，并且已经在氧化还原液流电池（RFB）上取得了一些早期的商业成功。例如，一家全铁液流电池公司的设备可以提供长达10小时的持续放电时间，如今该公司扩大了生产能力。它得到了投资者及其未来供应链的支持。

一种溴化锌液流电池已经设计为标准的5小时持续放电时间，其装机容量为25kW。加州能源委员会最近授予这家初创公司一份合同。基于有机活性材料而不是无机活性物质的液流电池具有潜在的成本效益。而下一代氧化还原液流电池将受到广泛的关注。

七.氢气技术

如图43所示，H2 @ Scale公司发布了一份有关氢气市场调查报告。该报告侧重于氢气在固定式储能系统和交通运营的应用，其中也包括使用氢气发电和供热/分布式能源。

图43.氢能经济

氢气市场

氢气作为一种储能技术具有额外的灵活性。氢气可以从电力或其他主要能源（例如天然气）中产生，然后作为燃料或转换成电力。氢气也可以用作生产其他能量载体和燃料（例如氨或碳氢化合物）。

预计到2022年，全球氢气总消耗量将从2017年的7,000万吨增长到8500吨，其中绝大部分是天然气。中国每年约消耗全球氢气的三分之一。当前氢气的主要来源是氨气生产、石油精炼和甲醇生产过程。采用可再生能源电力的电解水制氢在全球范围内继续受到关注，但只占总制氢量的很少一部分。

图44. 全球氢气消耗量（2017年～2022年）

氢燃料电池电动汽车预计会增加，但目前只占新低碳汽车销量的不到1％。全球约有三分之一的燃料电池电动汽在美国运营，其次是中国、日本和韩国。在未来10年中，尽管美国越来越重视将氢燃料电池用于中型和重型车辆，但燃料电池电动汽车的主要增长点预计在亚洲地区。

图45.全球各地的氢气消耗量

氢气可以通过多种方式储存，其中包括物理方法和化学方法。气态氢储存包括盐穴、枯竭气田和岩穴；液态氢在低温容器中高压储存。而氢还可以转化为分子能量载体，例如氨气、甲醇和较重的液态有机物，从而可以在较低的压力和较高的温度的条件下储存和输送。

图46. 氢气在各种条件下的储存

图46总结了加压储存氢气的典型条件。如图中所示，洞穴可储存最大量的氢气。因此，盐穴被用作长期储存大量氢气的选择。

盐穴是一种用于存储大量氢气的低成本方法，这使它们对于长时储能具有吸引力。在以下1000米深度的氢室的典型技术设计参数为：

•容积50万立方米。

•工作压力范围：60～180bar。

•储能容量：140GWh热储能或85GWh的电能。

盐穴储能的装机容量取决于热力学极限和井口配置，但平均为为700MW。氢气通过盐的泄漏率可以忽略不计，并且处于检测极限。

图47.全球各地的主要盐穴分布

图47显示了全球各地可能适合储氢的主要盐穴的位置。当前的大型储氢项目包括：

英国蒂赛德（3个盐穴，每个70,000立方米，地下370米）

德克萨斯州克莱门斯（1个盐穴，580,000立方米，地下1,000～1,300米）

德克萨斯州莫斯布拉夫（1个盐穴，566,000立方米，地下335～400米）。

欧洲（尤其是德国）拥有大量的盐穴和洞穴资源，其中许多用于天然气或氢气的存储。德国目前在大约200个盐穴中存储24％的天然气。他们计划开发更多用于储氢的盐穴。图48和49分别显示了德国和欧洲用于气体储存的盐穴的资源和开发。

图48.德国的盐洞穴分布

图49.欧洲各地的盐穴分布

美国、日本和韩国是燃料电池（FCEV）部署的领导者。部署的大多数燃料电池（FCEV）都用于轻型车辆，但最近（尤其是在中国），燃料电池公共汽车的重要性开始增强。使用燃料电池汽车销售量和每种车辆类别的代表性的车载储氢量，以及氢的热值（LHV），并估算了燃料电池汽车中作为储氢的累积能量，如图50和图51所示。

图50.按车辆类型估算的全球累计储氢量

图51.按地区划分的全球累计储氢量

根据彭博社新能源财经公司对于燃料电池电动汽车的预测，图52和53显示了到2030年的预计部署量。到2030年，每年可以部署超过35GWh车载储氢量。预计中国和亚洲其他国家将部署最多的车载储氢量，而欧洲紧随其后。燃料电池客车和轻型客车燃料电池电动汽车预计对车载储氢有着更大需求。

图52.按全球区域划分的储氢部署计划

图53.按车型划分的车载储氢部署量

在全球范围内，目前只有400多个加氢站，计划再增加170个。欧洲和亚洲（不包括中国）拥有最多的加氢站（300个以上），并且计划建设约150个。尽管尚不了解大多数公共/私有基础设施，但很大一部分是公共加氢站点。图54和55汇总了全球加氢站的数量。

图54.按地区划分的运营和计划建设的加氢站

图55.按地区划分正在运营的公共和私有加氢站

八．热储能（TES）技术

热储能（TES）是一项成熟的储能技术，可以将供热或制冷能量从电力价格较高的峰值需求期间转移到电力价格较低的非峰值期间。冰基或冷冻水这两种类型的热储能系统可以按需求改变夜间供应。本报告只考虑了冰基热储能系统。图56提供了一个典型的热储能周期。图57显示了亚利桑那大学的商业热储能系统。

图56.典型的热储能系统的储能时间（小时）

图57.热储能设施

热储能（TES）市场

2017年，美国目前部署的热储能（TES）设施的装机容量接近100MW。除了2014年的部署大幅跃升之外，但之后的增长很缓慢。美国部署的热储能（TES）设施最多的地区是纽约州和宾夕法尼亚州。

图58.美国各州累计部署的热储能设施

全球热储能（TES）年度供应商收入预测是从两家分析机构提供的：Navigant公司（现为Guidehouse公司）和Grand View公司，并在图59和图60中进行了总结。

图59.全球住宅和工业和商业应用的热储能系统市场分析和预测

图60全球热储能市场规模、份额和趋势

这两个市场研究之间的差异与供应商收入基础的差异以及对增长领域的不同假设有关。图60在其收入预测中包括了维护费用，并假设所有地区的增长率都非常相似。图61预测了亚太地区（尤其是日本、澳大利亚、韩国、中国和印度）的高速增长，并且只包括供应商收入的新部署。

图61按地区划分的能源容量部署

在炎热气候下对冷却的需求不断增加（过去十年来中国的空调需求显著增长，2017年达到全球空调市场问题的三分之一左右）。各国政府减少能源消耗的政策正在不断发展，包括绿色建筑证书计划和节能解决方案的部署。

人们通常认为，采用冰基热储能取决于使用时限电价方案，但热储能系统只会影响热电负载，并且通常比锂离子电池占用更大的占地面积。

九．新兴应用——长时储能（LDES）

美国储能大挑战计划（ESGC）不仅加快采用成熟的储能技术，而且还积极采用新兴的储能技术。长时储能（LDES）是这份报告中包含的新兴市场的一个例子。以下是长时储能（LDES）的描述，描述了其不断发展的概况以及满足重要储能需求的机会。

随着电网上可再生能源发电的增加，提供电网可靠性所需的持续放电时间也增加了。电网中的可再生能源发电量与储能时间之间的关系很复杂，并且取决于可再生能源发电的详细信息。

图62说明了这种关系，并显示了估计的所需储能时间与电网可再生能源渗透率之间的关系。随着电网的电力从化石燃料过渡到可再生能源，将需要大量的长时储能（LDES）（储能时间超过10小时）。对于渗透率非常高（即高于80％）的可再生能源电力，需要120小时以上的储能时间（通常称为季节性储能）。

图62 长时储能技术的成本目标

随着储能时间的增加，储能系统的边际价值下降，因此可负担的总成本也将下降。因此，长时储能技术的竞争力将取决于所需的持续放电时间。其总资本在此定义为安装的成本，其中包括设备和工厂的全部成本。

目前有几种长时储能技术正在开发中，以解决新兴的长时储能需求，其中包括抽水蓄能、液流电池、热储能以及锂离子电池。抽水蓄能是可用于长时储能的现有成本最低的储能技术，抽水蓄能设施可以在12小时内提供最低的储能成本。如今的抽水蓄能设施部署在适合其选址要求的地点，并且很多组织正在评估未来的建设站点。

预计液流电池在6～8小时以上的持续时间内具有成本效益，具体取决于特定的化学反应。钒液流电池的成本很大程度上取决于钒的成本，而钒的价格往往很高。其他使用储量丰富材料的电池可能对于长时储能可能更具竞争力。例如，如上所述，一家生产持续放电时间为10小时的全铁液流电池储能系统的厂商现在正在将装机容量扩展到5MW，并扩大了生产能力。

用于长时储能的储能技术（例如氢气、氨气和某些碳氢化合物）通常需要洞穴存储才能降低成本。因此，很多开发商正在探索合适的地层和地形。由于氨气在商品化学工业中已有庞大的工业基础设施，对于季节性储能（120小时）来说，具有地质存储功能的氢气储能系统和具有碳捕获功能的天然气发电系统可提供当前和未来的最低成本。

热储能技术对于工业过程和电网的长期需求都是可行的。由于增加的成本和热电转换的效率问题，它可能仍将重点放在热-热循环上，而不是热-电循环上。

如今，行业厂商仍在致力开发新型电池技术（例如钠硫电池和全铁液流电池）。对于这些电池技术来说，其能量密度应该大于100Wh/L。一家初创公司最近表示，该公司开发和生产的一种“水性空气”电池可以满足超过50小时的长时储能目标。