用更好的长持续时间电量为能源过渡为能源转换提供电源

用更好的存储为能源过渡提供动力

研究人员在存储设计空间中探讨了不同的场景和变量,找到了创新,低成本的长期储能的参数组合,以潜在地对更实惠且可靠的能源过渡产生了很大的影响。学分:保险杠Dejesus / Andlinger能源和环境中心

研究人员评估长期储能技术在固定无碳电网中的作用和价值。

“对我的整体问题是如何以最实惠的方式贬值社会,”Nestor Sepulveda Sm '16,Phd'20说。作为博士后麻省理工学院和MIT能源倡议(MITEI)的研究人员,他与一支在几年内的团队合作才能调查能源的组合可能最能实现这一目标。该集团的初步研究表明,“需要开发能量存储技术,这些技术可以成本有效地部署的持久性比锂离子电池更长的持续时间,”米尼伊的研究科学家Dharik Mallapragada说,Dharik Mallapragada说。

在发表的新文件中自然能源,Sepulveda,Mallapragada和麻省理工学院和同事普林斯顿大学提供全面的成本和绩效评估,对长期储能(LDE)技术在转换能源系统方面的作用。LDES,一个涵盖一类不同的新兴技术的术语,可以响应可再生能源的可变输出,排出电子天数甚至数周,为电网提供抵销,以便在大规模上部署太阳能和风力电力。

“If we want to rely overwhelmingly on wind and solar power for electricity — increasingly the most affordable way to decrease carbon emissions — we have to deal with their intermittency,” says Jesse Jenkins SM ’14, PhD ’18, an assistant professor of mechanical and aerospace engineering and the Andlinger Center for Energy and the Environment at Princeton University and former researcher at MITEI.

在本文中,研究人员分析了与可再生能源和锂离子电池等短持续时间能量存储选项配对的LDE是否可以为脱碳电网提供大量和经济有效的过渡。他们还调查了LDE是否可能甚至可以消除可用需求的需求,或坚定,低碳能源,如核电和天然气,碳捕获和封存。

“这里的消息是,创新和低成本的LDES技术可能会产生很大的影响,使得深度脱碳的电力系统更具实惠可靠,”现在作为麦肯锡和公司的顾问工作。但是,他注意到,“我们仍将更好地留下坚定的低碳能源之间的选择。”

除了Jenkins和Mallapragada之外,这篇论文的同框包括Aurora Edington Sm'19,这项研究时期是一名Mitei研究助理,现在是Cadmus集团的顾问;和理查德K.莱斯特,日本钢铁行业教授和助理公司助理,以及核科学与工程系的前负责人。

“随着世界开始更加认真对待在未来几十年中如何实现深度脱碳目标的重点,这些系统级研究的见解是必不可少的,”莱斯特说。“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绩效目标的知识中受益。”

性能和成本

该团队列出了评估LDES解决方案在反映现实世界条件的假设电气系统中的影响,而不是仅由其独立的属性仔细审查技术,而是当与其他能源相匹配时它们的相对值。

“我们需要以负担得起的成本脱碳,我们想知道LDE是否可以提高成功的可能性,同时还降低了整体系统成本,鉴于其他技术竞争,”Sepulveda说。

为了追求这一目标,该团队部署了电力系统能力扩展模型,Genx,早些时候由Jenkins和Sepulveda在麻省理工学院开发。该仿真工具使得可以评估利用LDE技术的潜在系统影响,包括目前正在开发的技术和可能开发的技术,用于不同的未来低碳电网场景,其特征是可再生代生成的成本和性能属性,不同企业的类型,以及替代电力需求预测。詹金斯说,这项研究是“采用广泛参数不确定性和长期系统级别分析的第一次使用这种实验方法来评估和识别出现长期储能技术的成本和性能的目标目标。”

For their study, the researchers surveyed a range of long-duration technologies — some backed by the U.S. Department of Energy’s Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) program — to define the plausible cost and performance attributes of future LDES systems based on five key parameters that encompass a range of mechanical, chemical, electrochemical, and thermal approaches. These include pumped hydropower storage, vanadium redox flow batteries, aqueous sulfur flow batteries, and firebrick resistance-heated thermal storage, among others.

“想想一个浴缸,其中能量存储容量参数类似于桶的体积,”Jenkins解释道。继续类比,另一个重要的参数,充电电力容量,是龙头的尺寸填充桶,放电功率容量,漏极尺寸。在最广泛的LDES技术版本中,系统的每个属性都可以独立尺寸。在优化LDE技术的能源系统中,詹金斯表示,在LDES技术为“经济上有吸引力的碳网站上的经济上有吸引力的贡献者”中,研究人员发现最重要的参数是能量存储容量成本。

“为综合评估LDES技术设计及其经济价值脱碳网格,我们评估了近18,000个独特的案例,”Edington解释说,“跨越负载和可再生资源可用性,北部和南部纬度气候的变化,LDES技术的不同组合以及LDES技术的不同组合LDES设计参数,以及竞争公司低碳发电资源的选择。“

研究人员严格分析的一些关键外来的外卖:

  • 如果储存能量成本(浴缸大小的成本)保持在20美元/千瓦时的门槛,LDES技术可以提供超过10%的降低减少了10%的降低的碳化电力系统成本。如果未来技术的能量成本将未来技术的能量成本降至1 / kWh,并且在空间中建模的参数的最佳组合,则该值可能会增加到40%。出于比较的目的,电池的电流存储能量成本约为200美元/千瓦时。
  • 鉴于今天的普遍电力需求模式,LDES能量成本必须低于10美元/千瓦时替代核电;对于LDE完全更换所有公司电力选项,费用必须低于1美元/千瓦时。
  • 在具有广泛的交通电气化和其他端用途的情景中,以满足经济广泛的深度脱碳目标,在北部灾区将更具挑战性,以便在已知LDES技术的任何可能的成本组合和效率性能范围内取代坚实的一代。这主要是由于较冷的气候中加热需求的更大峰值需求。

可操作的见解

虽然融合能源的突破,下一代核电或碳捕获可以很好地摇动他们的模型,但研究人员认为他们的研究中的见解现在可以产生影响。

“与LDE一起使用的人可以看到他们的技术适应未来的电力混合,并问:'它是否从系统角度造成经济意义?”“马拉帕拉加地区说。“这是在创新方面的政策和投资方面采取行动的呼吁,因为我们展示了技术差距撒谎的地方,我们看到了LDES技术发展中的研究突破最大的价值。”

并非所有LDES技术都可以清除这种设计空间中的栏,也不能依赖LDE作为在近期迅速地扩展风和太阳能的独家手段,或者通过2050年可以完全过渡到零碳经济。

“我们展示了LDES技术可能是多么承诺,”Sepulveda说。“但我们还表明这些技术不是一个解决方案,而且我们仍然与他们补充坚定的资源更好。”

Jenkins立即为LDES的利基市场机会间谍,如有很多风和太阳能的地方部署和限制传输,以导出该电源。在这样的位置,当传输处于其限制时,存储可以填满,并在最大限度地使用电源线容量的同时导出电量。但是,如果脱碳是取得成功,那么如果脱碳是成功的,他认为,LDES技术必须准备好对20世纪30年代末和2040年代的2040年代来产生重大影响,如果脱碳是成功的,那么当时,可能需要完全断奶自然气体依赖。

“我们必须开发和部署LDE并提高本十年的其他低碳技术,因此我们可以为政策制定者和电力系统运营商提供真正的替代方案,”他说。

鉴于这种迫切需要,普林斯顿的Jenkins和麻省理工学院的詹金斯正在努力评估和推进储存和能源领域最大潜力的技术,以加速零碳目标。借助ARPA-E和MITEI,他们正在制定最先进的Genx电力系统计划模型,用于公共使用的开源工具。如果他们的研究和建模方法可以显示开发人员和政策制定者,Sepulveda说,如果我们做对的话,我们可以拥有一个脱碳系统,这可能是一个脱碳系统,这可能比今天的系统更便宜。“

参考:“脱碳电力系统长期储能的设计空间”由Nestor A. Sepulveda,Jesse D. Jenkins,Aurora Edington,Dharik S. Mallapragada和Richard K. Lester,2021年3月29日,自然能源
DOI:10.1038 / S41560-021-00796-8

该研究得到了国家科学基金会的批准,并由Mitei的电力系统低碳能源中心得到支持。

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