研究报告（一）：欧洲2030年及2050年储能目标研究

随着欧洲加快实现2050年的气候中和目标，未来的电力系统的容量和可靠性与当今的电力系统相比将会截然不同。在雄心勃勃的气候目标的推动下，欧洲的电力部门取得了长足的进步，尤其是在采用可再生能源电力以减少温室气体排放方面。然而，风力发电和太阳能发电固有的可变性带来了新的挑战。未来的电力系统需要变得更加灵活，以适应不断增长的可再生能源份额和容量的扩展。风力发电和太阳能发电的可变性意味着用户并不能消除对化石燃料发电设施的依赖，因为还有很多峰值天然气发电厂用于弥补可再生能源发电量的短缺。如果欧盟实现其制定的REPowerEU计划中所述的气候目标，并将整合更高份额的可再生能源，则必须采用替代的低碳排放解决方案取代化石燃料发电设施。

储能系统提供的能量转移和灵活性服务是必不可少的措施，能够应对可再生能源发电量不足以确保电力系统可靠性和能源供应，以及在可再生能源发电过剩时最大限度地存储和利用。虽然其他能源技术也可以提供灵活性服务，但储能系统是唯一能够提供能源转移服务的解决方案，也是减少可再生能源弃电的关键解决方案之一。欧洲将通过充分利用当地的可再生能源、减少对化石燃料进口的依赖以确保其能源经济的自给自足，从而缓解当今不断上涨的电价。REPowerEU计划明确承认这一点以及储能系统在减少电力系统使用化石燃料电力的重要作用。

然而，欧洲如今的储能部署仍然严重滞后于风力发电和太阳能发电设施的部署。因此欧盟可能无法整合快速增长的可再生能源发电量，进而不得不采用化石燃料发电设施作为备份电源。欧洲储能协会撰写的这份研究报告评估了欧洲储能市场的整体需求，并根据现有研究文献、欧盟委员会（EC）的官方文件和相关利益相关者的建议，提出了欧洲2030年和2050年的储能部署目标。调查发现，许多机构和组件的研究报告中并没有涉及所有关键的储能技术和持续时间，往往低估了低排放能源技术和能源转移的重要性，并高估了化石燃料发电设施发挥的作用，尤其是在2030年。许多研究报告基于过时的气候目标，导致低估了电力系统的灵活性需求。此外，快速变化的储能技术和创新格局意味着，当今的电力系统规划需要包括新的成本预测，以准确反映可用技术。

根据欧洲储能协会进行的这项研究，到2030年，欧盟各国的储能系统装机容量需求约为200GW（专注于能源转移技术，包括欧洲现有的约60GW的储能系统）。到2050年，估计欧洲的电力系统至少需要部署600GW的储能系统。这是基于从Power-to-X-to-Power储能解决方案（即能源转移）的双向系统的需求，估计到2050年将部署435GW的储能系统；还将部署165GW的Power-to-X储能系统，以提供单向系统的灵活性。

根据国际能源署(IEA)的调查数据，与到2020年仅部署0.8GW电池储能系统相比，欧洲需要在未来9年内大规模部署储能系统，每年需要部署14GW以上。这是一个雄心勃勃的储能部署目标，例如西班牙计划到2030年实现部署20GW储能系统的目标，并进一步强调了立即部署的迫切需要。而所需的总储能容量将在很大程度上取决于发电组合中可变可再生能源发电在总发电量所占的比例，这意味着欧盟一些成员国在2030年之前就需要部署大量和储能系统。欧盟储能目标和战略需要与当前欧盟气候政策相关的储能部署需求兼容。在承诺有意义的未来政策和法规的支持下，将这些价值观确立为欧盟层面的储能目标，并为储能行业提供了最明确的信号，开始建设降低成本和实现欧盟气候目标所需的大规模储能系统。

1、欧盟为什么需要制定储能目标？

正如REPowerEU计划中所强调的那样，欧盟委员会计划增加电力系统的可再生能源发电份额，并致力实现各行业的电气化。这意味着需要更多的储能系统在电力系统中存储和回馈电力。根据欧盟现有的气候目标和最佳实践设定储能目标至关重要。欧洲储能协会发布的这份研究报告专注于储能系统的关键应用，提供系统灵活性和能源转移服务，这对于实现可再生能源的整合至关重要。在全球市场、技术和成本不确定的背景下，确定储能部署目标将为市场参与者、公用事业公司、投资者和政策制定者提供必要的长期愿景，让他们充满信心地做出战略决策。这样的愿景必须基于全面的理由，同时考虑到脱碳目标以及由此产生的电力系统的结构变化。

1.1、储能系统的定义

在此项研究工作中，欧洲储能协会遵循欧洲议会和理事会指令(EU)2019/944第2(59)条清洁能源给出的储能定义。通过Power-to-X技术区分提供系统灵活性的储能解决方案：（1）单向灵活性，也就是不向电力系统回馈电力，主要是Power-to-X；(2)双向灵活性，即存储电力并回馈给电力系统（能源转移)，主要是Power-to-X-to-Power技术，如图1所示。

图1 提供系统灵活性的储能系统的清洁能源定义，从提供双向灵活性（能量转移）的Power-to-X-to-Powe和提供单向灵活性的Power-to-X解决方案

Power-to-X：包括提供单向灵活性的技术，这意味着电力沿着一个方向流动，不会回馈给电力系统，而是转移到其他负载，然后可以使其他领域脱碳（例如供暖、制冷、运输等）。发挥这一作用的储能技术主要包括：Power-to-X技术，例如Power-to-Gas（P2G，即生产氢气而不重新转换为电力的电解槽）、Power-to-heat（P2H，将电力转换成热量）和V1G（即电动汽车的智能充电，其中电力不会重新注入电网）。

Power-to-X-to-Power（能源转移）：是指将电力转换并存储不同持续时间（秒、分钟、小时、周、月、季节）的储能技术，在需要时将其释放回电力系统。能源转移可以被认为是“双向”的，这意味着转移的电力将被返回给电力系统。更适合提供此服务的技术包括电池、飞轮、超级电容器、超导储能系统（smes）、抽水蓄能(PHS)、重力储能、压缩空气储能（CAES）、液态空气储能（LAES）、车网互连(V2G)、电解槽(P2G2P)、热储能(P2H2P)。图2说明了基于季节性储能案例的能源转移概念，在电力需求低的夏季将产生的多余电力储存起来，并用于满足更高的冬季需求高峰，因此使用储能系统将这些电力从夏季“转移”到冬季。

图2 欧洲一年内的电力需求（黑线）和太阳能发电设施供电（黄线）的季节性相关性。黄色阴影表示使用储能技术存储的多余太阳能发电量，这种电力的使用被“转移”以满足冬季的高需求。

1.2、欧洲加速采用可再生能源对储能意味着什么？

图3显示了欧洲每年风力发电和太阳能发电量的增长（以TWh为单位）：历史轨迹（黑线）和最新的国家能源和气候计划（橙线）都无法以当前的增长率实现到2030年55%的温室气体减排目标。在未来十年，风力发电量和太阳能发电量需要增加将近三倍，才能在2030年之前实现55%的减排目标。这将需要将风能和太阳能发电量大幅提高到93TWh/年～100TWh/年，对应于到2030年，可变可再生能源的份额已经高达69%。鉴于REPowerEU计划，这种可再生能源发电设施的部署将会加速，这意味着电力系统必须变得比现在更加灵活，并且能够进行能源转移，以适应风力发电和太阳能发电的更高份额。

图3 到2030年欧盟实现55%碳排放目标所需增长的风力发电量和太阳能发电量

在电力系统中整合风能和太阳能发电的关键问题是它们不可调度发电和可变的发电量。这意味着电力系统需要能够稳定电力流动的技术，以确保可靠的电力供应。此外，在风力不足或阳光不足的情况下，仅靠可再生能源生产的电力无法满足需求。在这些情况下，通常来自可调度的化石燃料发电设施的电力用于弥补短缺的电力。因此，建造越来越多的可再生能源发电设施本身并不会减少对化石燃料的依赖。随着可再生能源发电份额增长，需要整合可变的发电量。此外，还必须考虑采用清洁能源电力的储能系统发挥的作用。

随着电力系统中采用的可再生能源电力越多，弃电也成为一个日益严重的问题。当在可再生能源发电量过剩，并且对没有更多电力需求或电力系统本身存在容量限制时，一些电力就会被削减。这是对欧盟可再生能源资源的巨大浪费。而储能系统可以为此提供了解决方案，通过实现气候目标最大限度地利用欧盟自身的可再生能源，最大限度地减少弃电，并在不同的时间提供关键的系统灵活性和能源转移服务，从而实现欧盟的能源独立。

图4表明，在欧盟的任何国家和地区，风力发电和太阳能发电在电力结构中的比例越来越高，可再生能源发电量将占到60%。而在超过60%之后，对更多的长时储能系统需求急剧增加。季节性储能系统对于可再生能源发电量超过80%的电力系统中变得更加关键。这意味着到2030年，储能系统对系统灵活性和能源转移的作用将对整合风力发电和太阳能发电的更高份额至关重要。

图4：Y轴显示了确保满足需求所需最长的储能持续时间（对数标度）与区域/地方层面的可再生能源发电设施（风电和太阳能）的年度能源比例。箭头表示限电、输电和电网灵活性的保守（左侧）或激进（右侧）的假设

尽管储能系统为电力系统带来了更多的好处，但欧盟储能技术的部署严重落后于风能和太阳能发电设施的应用。鉴于风力发电和太阳能发电成本将进一步降低，欧洲一些国家甚至可能轻松超过45%的可再生能源目标。例如，西班牙已经计划到2030年在电力部门使用74%的可再生能源，这进一步说明了现在部署储能系统的必要性，因为欧盟一些成员国在可再生能源部署方面已经领先于其他成员国。因此，重要的是在区域/地方层面评估储能需求。如果到2030年实现欧盟采用67%可再生能源的目标，这意味着一些国家的可再生能源发电量将会超过67%，并且根据图4中需要持续数天/数周的储能系统。如果储能部署无法赶上风力发电和太阳能发电设施的部署速度，那么弃电率将会越来越高，欧盟有可能在未来几年陷入化石燃料价格和电价上涨的困境。如果欧洲储能市场保持目前的增长速度，到2030年和2050年将无法满足欧洲可变可再生电力系统的要求。欧盟的储能市场在未来十年加快部署储能系统至关重要。如果没有足够的储能系统，欧盟将只能继续采用化石燃料的电力，并且将继续削减可再生能源发电量，从而导致代价高昂的调度。欧洲的储能部署必须从现在开始，而设定储能目标对于实现这一目标很重要。

1.3、欧盟根据最佳实践来设定储能目标

欧盟制定的储能目标符合当今的最佳实践，因为许多行业都制定了自己的气候目标，例如40%的可再生能源目标、55%的温室气体减排目标等。同样，欧盟层面的储能目标也需要与当前欧盟气候政策相关的储能需求相兼容。其目标将有助于加大投资，降低储能成本并加快部署，就像风力发电和太阳能发电技术一样。欧洲各国的储能目标将为现有的气候目标提供补充，欧盟成员国估计储能需求是国家能源和气候计划(NECP)的一部分，并鼓励发展基于市场的机制。其目标是推动公用事业公司、监管机构和开发商之间的合作，并帮助制定规则和流程的更新，这些规则和流程通常需要将更多的储能系统引入电网。

全球有很多国家和地区已经制定了储能目标，包括加利福尼亚（以及美国其他州）和欧盟西班牙（以及其他成员国）。加州很早就认识到储能部署目标是对该州清洁能源和环境政策的必要补充。他们在2010年成功地为该州的三个投资者拥有的公用事业公司(IOU)制定了到2020年采购或部署1,325MW的储能部目标。西班牙根据其国家能源和气候计划(NECP)中制定的脱碳目标，在其专门的储能部署战略中量化了储能需求。西班牙已经预见到储能系统在支持其可再生能源部署方面的关键作用，并考虑到了电网规模储能系统和分布式储能系统，其目标是到2030年部署20GW储能系统，到2050年部署30GW储能系统，这些目标并不具约束力，是长期计划和战略的一部分，旨在为储能行业提供投资信号。欧盟国家根据其国家能源和气候计划(NECP)有不同的实现脱碳目标的轨迹。当然，这意味着每个成员国的能源组合和可再生能源发电量有所不同，而储能部署需求也不同。尽管如此，在欧盟层面制定储能部署目标将确保采取整体方法来推动储能系统的采用，以支持可再生能源的部署并加快能源转型，就像在欧盟层面制定目标的可再生能源一样。

2、到2030年和2050年欧洲储能需求概览

未来的储能部署需求通常由电力系统和基于不同预定义场景的容量扩展模型确定。这些情景评估政策决策、气候目标（例如碳排放、能源效率、可再生能源份额）、能源需求变化、能源供应变化、能源商品价格和成本预测等对未来的影响电力系统。不同的储能技术可以为高比例的可再生能源的电力系统提供灵活性，包括传统的灵活发电、互连器、需求侧管理和储能技术。部门整合也是解决方案的一部分。考虑到所有这些解决方案存在许多变量和假设，将会使电力系统规划变得极其复杂，这将极大地改变储能容量需求。

影响电力系统所需储能容量的关键驱动因素包括但不限于：（1）可再生能源在电力组合中的份额（以及风力发电与太阳能发电的比率）；(2)考虑采用的不同储能技术；(3)技术成本假设；(4)时间和空间分辨率；(5)来自替代解决方案的竞争；(6)部门整合；(7)电网模型；(8政治目标；(10)天气预报，天气年份的不确定性和变化（特别是对于持续时间较长的储能系统，这一点非常重要）。影响欧洲未来灵活性组合的其他驱动因素也应考虑与电网发展的社会接受度、某些发电技术（例如核电和风电）的社会接受度、需求侧管理的社会接受度以及能源的政治抱负等。基于影响这些模型的众多假设，迄今为止，欧洲储能协会这个研究报告中的2030年和2050年储能系统的装机容量和储能容量需求存在很大差异也就不足为奇了。重要的是根据其基本假设对每项研究报告和文献进行批判性评估，以确定信息可能丢失或过时的领域。

图6和图7概述了当今欧洲储能市场报告中的装机容量值。此处涵盖的报告文献并不详尽，通过研究欧洲以及欧洲以外地区的特定国家/地区市场以了解电力系统规划需求，可以获得很多价值。重要的是，储能技术要根据装机容量(GW)和储能容量(GWh)进行描述。这些报告需要更加清晰和精简，以便更好地比较储能系统容量和应用。研究报告中的储能容量差异很大，具体取决于模型输入，例如可再生能源发电份额、采用的储能技术以及是否包括部门整合，例如在这些研究报告中，每年的发电量从70TWh到1000TWh不等。这种差异使得储能系统的储能容量成为一个难以比较的指标。因此，欧洲储能协会在报告中确定了储能系统 的装机容量(GW)，其假设涵盖了各种储能技术和短期和长期持续时间，如图5所示，该图显示了基于装机容量和持续时间的不同储能技术，其中涵盖秒、小时、天、周和季节性不同的持续时间。

图5 不同储能技术的典型装机容量和持续时间

2.1 2030年的储能需求

图6显示了一些对2030年储能目标研究报告的储能系统装机容量。大多数报告对到2030年部署的储能系统装机容量的预测都在100GW左右。这些研究主要基于风力发电或太阳能发电所主导的电力系统的储能需求，将可再生能源发电份额与储能部署需求相关联。以太阳能发电为主的电力系统通常需要更多的日常灵活性来满足全时候供电（需要部署603GW储能系统），而以风力发电为主的电力系统需要更长的持续时间，以度过可能长达数天甚至数周的风力不足的时期（需要部署268GW储能系统）。欧洲储能协会注意到当今有许多研究报告中存在重大缺陷，这意味着储能需求在这个时间范围内被低估，实际上到2030年欧盟的储能需求将远高于100GW。

图6不同研究报告对2030年欧洲部署储能系统的要求（GW）

2.2 2050年的储能需求

2050年的储能需求更难以建模，因为主要依赖于难以预测的未来几十年的政策决策、市场演变和可再生能源的发展情景。到2050年，欧洲电力系统将以可再生能源电力为主，预计到2050年可再生能源发电量份额将超过85%。这将需要部署大量的能源转移（数天、数周、数月）和足够的长期季节性储能系统，而许多研究2050年储能目标的报告通常没有涉及。此外，还必须认真考虑极端天气条件和可能发生的其他事件，以确保未来电力系统的弹性。而能源的安全性和充足性必须是欧洲保障工业和社会福祉的重中之重。

而目前缺乏涵盖所有可能满足电力系统需求的2050年储能解决方案的情景，这意味着储能容量在许多研究报告中被低估。在不同的报告的预测中，2050年对于储能系统的需求在80～720GW之间，见图7。着眼于2050年储能目标的很多研究报告并没有考虑所有的储能技术，通常仅涵盖氢电解槽、电池储能系统和抽水蓄能设施。2050年的情景绝不仅限于当今被视为具有成本竞争力的能源技术。对于2050年储能目标的研究报告的80～400GW的预测，较低的预测或者没有包括抽水蓄能发电设施，或者没有预见其扩展或包括电网规模将大幅扩展。其中一个研究报告的预测显示了以太阳能发电为主（320～720GW）或以风力发电为主（80～160GW）的电力系统组合的极端情况。这说明了可再生能源发电设施对电力系统灵活性要求的影响。根据欧洲长期情景描述和影响评估，预计风力发电和太阳能发电的组合会更加平衡。尽管如此，可再生能源发电量将用于确定欧盟储能要求和持续时间。