探索存储设计空间中的不同场景和变量，研究人员发现创新、低成本、长持续时间的能量存储的参数组合可能会在更经济、更可靠的能量转换中产生巨大影响。功劳:能源和环境中心“对我来说，总的问题是如何以最经济的方式去碳化社会，”16岁的博士内斯特·塞普尔维达·SM说。作为麻省理工学院的博士后和麻省理工学院能源倡议(MITEI)的研究员，他与一个团队合作了几年，研究什么样的能源组合可能最能实现这一目标。该小组的初步研究表明，“需要开发比锂离子电池更具成本效益、使用时间更长的储能技术，”MITEI的研究科学家Dharik Mallapragada说。在《自然能源》杂志上发表的一篇新论文中，塞普尔韦达、马拉普拉加达和麻省理工学院及普林斯顿大学的同事对长期储能技术在能源系统转型中的作用进行了全面的成本和性能评估。LDES这个术语涵盖了一类多样化的新兴技术，可以对可再生能源的可变输出做出反应，几天甚至几周释放电子，为准备大规模部署太阳能和风能的电网提供弹性。
“如果我们想压倒性地依靠风能和太阳能发电——这越来越成为减少碳排放的最经济实惠的方式——我们就必须应对它们的间歇性，”机械和航空航天工程助理教授、普林斯顿大学能源和环境安德林格中心(Andlinger Center for Energy and Environment)的杰西·詹金斯(Jesse Jenkins)说，他曾是MITEI的研究员。
在他们的论文中，研究人员分析了LDES与可再生能源和短期储能选项(如锂离子电池)的结合是否真的能为向脱碳电网的大规模和经济转型提供动力。他们还调查了长期可再生能源是否甚至可能消除对可按需获得的或可靠的低碳能源的需求，如核电和具有碳捕获和封存功能的天然气。
“这里的信息是，创新和低成本的LDES技术可能会产生巨大的影响，使深度脱碳的电力系统更加负担得起和可靠，”主要作者塞普尔韦达说，他现在是麦肯锡公司的顾问。但是，他指出，“在我们的选择中，保留坚实的低碳能源仍然会更好。”
除了Jenkins和Mallapragada之外，该论文的合著者还包括Aurora Edington SM '19，他在进行这项研究时是MITEI的研究助理，现在是卡德摩斯集团的顾问；以及麻省理工学院日本钢铁工业教授兼副教务长、前核科学与工程系主任理查德·k·莱斯特。
莱斯特说:“随着世界开始更认真地关注如何在未来几十年实现深度脱碳目标，从这些系统级研究中获得的见解至关重要。“研究人员、创新者、投资者和政策制定者都将从这项工作提出的成本和技术性能目标的知识中受益。”
性能和成本
该团队着手评估LDES解决方案在反映现实世界条件的假设电力系统中的影响，在现实世界中，技术不仅通过其独立属性，还通过其与其他能源相匹配时的相对价值进行审查。
塞普尔韦达表示:“我们需要以社会负担得起的成本进行脱碳，我们想知道，考虑到其他技术在该领域的竞争，LDES是否能提高我们的成功概率，同时降低整体系统成本。
为了追求这一目标，该团队部署了一个电力系统容量扩展模型——GenX，该模型是由詹金斯和塞普尔维达在麻省理工学院时开发的。这一模拟工具有可能评估利用可再生能源发电技术的潜在系统影响，包括目前正在开发的技术和其他可能开发的技术，用于未来不同的低碳电网场景，其特点是可再生能源发电的成本和性能属性、不同类型的公司发电以及替代电力需求预测。詹金斯说，这项研究是“首次广泛使用这种实验方法，应用大规模参数不确定性和长期系统级分析来评估和确定新兴长期储能技术的成本和性能目标。”
在他们的研究中，研究人员调查了一系列长期技术——其中一些得到了美国能源部高级研究项目局-能源(ARPA-E)项目的支持——以基于五个关键参数定义未来LDES系统的合理成本和性能属性，这些参数包括一系列机械、化学、电化学和热学方法。其中包括抽水蓄能、钒氧化还原液流电池、含水硫液流电池和耐火砖电阻加热蓄热等。
詹金斯解释说:“想象一个浴缸，其中能量储存能力的参数类似于浴缸的容积。继续类比，另一个重要的参数，充电功率容量，是注满浴缸的水龙头的大小，和放电功率容量，排水管的大小。在LDES技术的最一般化版本中，系统的每个属性都可以独立调整大小。詹金斯说，在优化能源系统时，LDES技术发挥了“对低成本、无碳电网具有经济吸引力的贡献者”的作用，研究人员发现，最重要的参数是储能容量成本。
“为了全面评估LDES技术设计及其对脱碳电网的经济价值，我们评估了近18，000个独特的案例，”Edington解释道，“涵盖了负荷和可再生资源可用性的变化、南北纬度气候、LDES技术和LDES设计参数的不同组合，以及竞争企业低碳发电资源的选择。”
研究者严谨分析中的一些关键要点:
如果储能容量cos t(增加浴缸尺寸的成本)保持在20美元/千瓦时的阈值以下，LDES技术可以将深度脱碳电力系统的成本降低10%以上。如果未来技术的能源容量成本降低到1美元/千瓦时，该值可能会增加到40%，对于空间中建模的最佳参数组合，该值可能会增加到50%。为了进行比较，目前电池的储能容量成本约为200美元/千瓦时。考虑到当今普遍的电力需求模式，替代核电的LDES能源容量成本必须降至10美元/千瓦时以下；对于LDES来说，要完全取代所有公司的电力选项，成本必须降至1美元/千瓦时以下。在交通运输和其他终端用途广泛电气化以实现全经济深度脱碳目标的情况下，在已知低密度聚乙烯技术成本和效率性能范围的任何可能未来组合下，在北纬度地区取代公司发电将更具挑战性。这主要是由于寒冷气候下的供暖需求导致高峰电力需求增加。可行的见解
虽然聚变能源、下一代核能或碳捕获方面的突破很可能会动摇他们的模型，但研究人员相信，他们研究中的见解现在就能产生影响。
“与LDES合作的人可以看到他们的技术在未来电力组合中的位置，并问:“从系统的角度来看，它有经济意义吗？“马拉普拉加达说。”这是一个在政策和创新投资方面采取行动的呼吁，因为我们展示了技术差距在哪里，以及我们认为LDES技术开发研究突破的最大价值在哪里。"
并不是所有的LDES技术都能在这个设计领域扫清障碍，也不能依赖LDES作为在短期内迅速发展风能和太阳能的唯一手段，或者在2050年实现向零碳经济的完全过渡。
塞普尔韦达说:“我们展示了LDES技术的前景。“但我们也表明，这些技术不是唯一的解决方案，它们补充了公司的资源，我们仍然会过得更好。”
詹金斯立即发现了LDES的利基市场机会，比如部署了大量风能和太阳能的地方，以及限制传输以出口这些电力的地方。在这些地方，当传输达到极限时，存储空间可能会被填满，然后在最大限度地利用电力线容量的同时输出电力。但他认为，LDES技术必须做好准备，在21世纪30年代末和21世纪40年代产生重大影响，到那时，如果脱碳要取得成功，各经济体可能需要完全摆脱对天然气的依赖。
“我们必须在这十年内开发和部署LDES并改进其他低碳技术，这样我们才能向决策者和电力系统运营商展示真正的替代方案，”他说。
鉴于这一迫切需求，普林斯顿大学的詹金斯和麻省理工学院的马拉普拉达正在评估和推进存储和能源领域最具潜力的技术，以加速实现零碳目标。在ARPA-E和MITEI的帮助下，他们正在使最先进的GenX电力系统规划模型成为公共使用的开源工具。塞普尔韦达说，如果他们的研究和建模方法能够向开发人员和政策制定者展示什么样的设计最有影响力，“如果我们做得对，我们可以拥有一个比今天的系统更便宜的脱碳系统。”
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