NREL：可靠性和土地利用“阻礙”美國2035年實現(xiàn)清潔能源目標(biāo)

美國能源部所屬的國家可再生能源實驗室(NREL)日前在發(fā)布一份調(diào)查報告指出，美國需要制定規(guī)劃來確定采用什么樣的長時儲能術(shù)，并獲得足夠的土地和資源，以實現(xiàn)美國總統(tǒng)拜登所提出的到2035年實現(xiàn)凈零排放的目標(biāo)。

該實驗室在報告中詳細(xì)介紹了到2035年實現(xiàn)凈零排放目標(biāo)而完全采用清潔能源的四條可行性途徑和假設(shè)，并指出其收益將會超過成本。

但利益相關(guān)方承認(rèn)，該報告并沒有解釋如何獲得足夠的土地以實現(xiàn)90%以上的清潔能源的普及率，也沒有解釋之后將如何提高電力系統(tǒng)的可靠性。

美國能源部首席能源分析師、該研究報告的共同主要作者Paul Denholm表示，如今的清潔能源技術(shù)可以幫助美國減少約90%的碳排放，因為降低了成本，而且人們對可再生能源和儲能技術(shù)的理解也越來越成熟，但不知道提高電力系統(tǒng)的可靠性需要什么資源和多少資源。

儲能分析師一致認(rèn)為，能源市場可能會解決長時儲能技術(shù)在可靠性的不確定性。但環(huán)保人士表示，要解決當(dāng)?shù)爻掷m(xù)反對新建輸電基礎(chǔ)設(shè)施的問題，需要更明智的規(guī)劃。

美國自然保護(hù)協(xié)會(TNC)項目負(fù)責(zé)人Nicole Hill對此表示贊同。她說，“大多數(shù)人還沒有預(yù)見到未來的開發(fā)規(guī)模以及地方許可和選址面臨的挑戰(zhàn)，美國自然保護(hù)協(xié)會(TNC)新的規(guī)劃方法更加有效，能夠更快實施，可以實現(xiàn)氣候和保護(hù)目標(biāo)。”

美國能源部的Denholm和其他分析師表示，所需的能源基礎(chǔ)設(shè)施的全面增長可能難以想象，但美國聯(lián)邦、各州和公用事業(yè)長時儲能系統(tǒng)的技術(shù)投資和擬議的規(guī)劃政策創(chuàng)新正在面臨不確定性。

100%可再生能源的開發(fā)途徑

美國國家可再生能源實驗室(NREL)在報告中聲稱，到2035年實現(xiàn)采用100%清潔能源的目標(biāo)有四種途徑和假設(shè)，即使交通和建筑電氣化的需求增加66%，也可以在2050年實現(xiàn)凈零排放經(jīng)濟(jì)。

報告指出，第一個假設(shè)是所有零排放能源技術(shù)(包括碳捕獲技術(shù))的成本和性能都得到改善。第二個假設(shè)是通過“改進(jìn)的輸電技術(shù)”和“新的許可和選址方法”來提高輸電能力，第三個假設(shè)是受到發(fā)電和輸電限制而提高成本，最后一個假設(shè)是有限的碳捕獲。

這項研究的重點(diǎn)是通過大規(guī)模的能源供應(yīng)來滿足電力需求，但另一種途徑可以使用更多的能源效率和需求端的靈活性。該研究稱，依靠這些替代能源而不是建設(shè)大規(guī)模的電力基礎(chǔ)設(shè)施，這將使美國的年負(fù)荷增長從3.4%降低到1.8%，并在交通、工業(yè)和發(fā)電行業(yè)中使用更多的清潔氫氣。

美國國家可再生能源實驗室(NREL)在報告中指出，其研究建模包括2021年的美國聯(lián)邦和各州和政策，但不包括2022年通過的《削減通脹法案》(IRA)和2021年通過的《兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法案》。研究發(fā)現(xiàn)，在這些法律的推動下，加上其他計劃安裝的可再生能源，到2030年，可以使美國整體排放量在2005年的基礎(chǔ)上降低40%，清潔能源發(fā)電量增長60%～81%，但到2035年，電力系統(tǒng)減少的碳排放量不到78%。

根據(jù)該實驗室的預(yù)測，到2035年，美國累計安裝的風(fēng)力發(fā)電和光伏系統(tǒng)的總裝機(jī)容量為2TW，大約是到2020年累計安裝的3倍，其發(fā)電份額占到總發(fā)電量的60%～80%。預(yù)計到2030年，安裝的光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量將每年增長43 GW～90 GW，風(fēng)力發(fā)電每件增長70GW～145GW，是目前的四倍多。

報告指出，隨著能源效率和安裝的分布式能源裝機(jī)容量的提高，到2035年，四種假設(shè)的情況下的總裝機(jī)容量(包括新增5 GW～8 GW的水力發(fā)電設(shè)施和新增3 GW～5 GW的地?zé)岚l(fā)電設(shè)施)可能會減少16%至20%。

美國國家可再生能源實驗室(NREL)估計，為了實現(xiàn)全年全天候供電的可靠性，到2035年，總共需要安裝120GW到350GW的持續(xù)時間為2小時到12小時的長時儲能系統(tǒng)。這些儲能系統(tǒng)可能是電池儲能系統(tǒng)、抽水蓄能發(fā)電設(shè)施或仍在開發(fā)中的儲能技術(shù)。根據(jù)電力系統(tǒng)中可變可再生能源滲透率非常高的情況下，將需要安裝100GW到680GW的長時儲能系統(tǒng)。

研究發(fā)現(xiàn)，在美國國家可再生能源實驗室(NREL)的三個假設(shè)情景下，到2035年核能發(fā)電量可能占總發(fā)電量的9%～12%，但在發(fā)電和輸電的選址和許可限制的假設(shè)中，核能發(fā)電量可能增加一倍以上，達(dá)到27%。但Denholm表示，這是不可能實現(xiàn)的，因為投資于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能和輸電設(shè)施的成本效益明顯優(yōu)于核電。

報告估計，為了到2035年實現(xiàn)電力部門的凈零排放，每年將需要建設(shè)1400到10100公里的高壓輸電線路，在分析這些假設(shè)情景時發(fā)現(xiàn)，建造更多的輸電設(shè)施和風(fēng)電系統(tǒng)的平均系統(tǒng)成本最低。

研究建模表明，技術(shù)組合是最主要的不確定性。如果碳捕獲是可行的，那么在2035年的發(fā)電量中，使用所有凈零排放能源的情景包括高達(dá)5%的化石燃料，即660GW。但研究發(fā)現(xiàn)，更高的能源效率和分布式能源使對發(fā)電量的需求減少了約20%，這兩者都減少了土地需求和成本。

美國國家可再生能源實驗室(NREL)估計，到2035年，大量削減化石燃料發(fā)電量所帶來的健康效益可以節(jié)省3900億美元～4000億美元。隨著2020年碳排放的社會成本(SCC)從每噸約80美元上升到2035年的約100美元，相比于預(yù)計的3300億美元至7400億美元的資本、固定和可變電力系統(tǒng)成本，節(jié)約的總成本將達(dá)到9000億美元～1.3萬億美元。如果每噸碳排放的社會成本(SCC)的價格為275美元，凈收益將會顯著增加。

但報告聲稱，在2030年之后，由于清潔能源的發(fā)電份額超過90%，需要滿足日益增長的日間需求和季節(jié)性需求峰值，資源組合和成本的不確定性將會增加。

分子還是電子?

在2030年以后，部署的長時儲能技術(shù)主要是在含有可再生能源和水或天然氣中產(chǎn)生的分子的清潔氫燃料與產(chǎn)生電子的清潔能源項目之間進(jìn)行選擇。

美國清潔能源協(xié)會儲能副總裁Jason Burwen說，“未來的能源組合可能取決于儲存電子的傳輸速度和儲存分子的管道建造速度?！?/span>

研究報告聲稱，到2030年，持續(xù)時間最長可達(dá)10小時的鋰離子電池和持續(xù)時間最長可達(dá)12小時的抽水蓄能設(shè)施，與天然氣發(fā)電廠在成本方面相比越來越具有競爭力，可以解決可再生能源發(fā)電量和負(fù)載用電量之間不匹配的問題。

報告聲稱，長時儲能系統(tǒng)被稱為季節(jié)性儲能系統(tǒng)，在研究中以清潔氫氣燃料為主，但也關(guān)注尚未大規(guī)模驗證的各種儲能技術(shù)，其中包括合成天然氣或氨氣、新型電池、熱儲能、壓縮空氣儲能、抽水蓄能或基于重力的儲能技術(shù)。

長時儲能委員會執(zhí)行董事Julia Souder、國家可再生能源實驗室的Denholm等人表示，隨著清潔能源發(fā)電量的增長和電氣化的發(fā)展，長時儲能系統(tǒng)可以解決夏季和冬季需求峰值增長帶來的季節(jié)性不匹配問題。

Denholm表示，總體而言，長時儲能系統(tǒng)的部署成本高昂，但對于諸如未經(jīng)驗證的大規(guī)?；剂习l(fā)電和碳捕獲等資源，存在太多的不確定性。但他表示，為了實現(xiàn)2035年的目標(biāo)，需要部署某種長時儲能系統(tǒng)，這使得現(xiàn)在對潛在儲能技術(shù)進(jìn)行投資很重要。

燃料供應(yīng)商Ambient Fuels公司首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Jacob Susman和Form Energy公司政策與監(jiān)管副總裁Nidhi Thakar也認(rèn)為，要實現(xiàn)2035年的目標(biāo)，需要采用多種解決方案。Ambient Fuels公司采用可再生能源和水生產(chǎn)綠色氫氣。Form Energy公司開發(fā)了一種持續(xù)時間長達(dá)100小時的鐵空氣電池儲能系統(tǒng)。

長時儲能委員會的Souder補(bǔ)充說，在政策和市場設(shè)計還在形成的時候，電池和綠色氫燃料沒有必要進(jìn)行激烈的競爭，而且現(xiàn)在錯過機(jī)會將在以后失去更多的價值。

利益相關(guān)方一致認(rèn)為，能否獲得足夠的土地是一個更為緊迫的問題，這給實現(xiàn)2035年電力行業(yè)凈零排放目標(biāo)帶來了不確定性。

土地規(guī)劃

美國能源部在研究中發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)2035年的目標(biāo)可能需要以三到六倍的速度開發(fā)新一代能源，而開發(fā)輸電設(shè)施需要兩倍或三倍的建設(shè)用地，需要新建氫氣和二氧化碳捕獲和儲存設(shè)施。

Denholm表示，平衡環(huán)境保護(hù)與碳排放對氣候變化的影響是可行的。

在今年9月通過的關(guān)于政府撥款的持續(xù)決議(H.R.6833)中刪除了許可的措辭，而俄亥俄州共和黨參議員Rob Portman于2021年提出的旨在精簡電力基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的《美國聯(lián)邦許可改革和就業(yè)法案》(S.2324)也沒有取得進(jìn)展。美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會的利益相關(guān)方改革輸電規(guī)劃的程序仍未完成，其中包括簡化審批的建議。但利益相關(guān)者表示，兩者都沒有真正實現(xiàn)真正需要的創(chuàng)新改革。

美國自然保護(hù)協(xié)會(TNC)在發(fā)布的一份研究報告指出，明智的規(guī)劃可以保護(hù)敏感的自然區(qū)域和工作用地，并在2050年前實現(xiàn)凈零排放目標(biāo)。

美國自然保護(hù)協(xié)會(TNC)進(jìn)行的一項研究發(fā)現(xiàn)，如果沒有對規(guī)劃進(jìn)行改進(jìn)，2035年實現(xiàn)目標(biāo)將需要在美國11個州多達(dá)3900萬英畝的土地上新建發(fā)電和輸電基礎(chǔ)設(shè)施，將投資2600億美元。但根據(jù)區(qū)域、州和地方的具體空間規(guī)劃和預(yù)先確定的優(yōu)先可再生能源區(qū)的選址，只需要采用2100萬英畝的土地，因此可以減少將近50%的土地，而所有額外的選址和許可工作只增加了3%的成本，達(dá)到2680億美元。

盡管是美國自然保護(hù)協(xié)會(TNC)獨(dú)立進(jìn)行的研究，但該協(xié)會的預(yù)測很可能是美國國家可再生能源實驗室(NREL)為實現(xiàn)2035年凈零排放而預(yù)計的3300億至7400億美元基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)成本的一大部分。

美國自然保護(hù)協(xié)會(TNC)確定了在哪些地方通過改造升級和使用土地可以節(jié)省一半的土地，例如可以在遠(yuǎn)離野生動物走廊的地方安裝光伏系統(tǒng)，可以在近海建設(shè)風(fēng)力發(fā)電設(shè)施。

美國自然保護(hù)協(xié)會(TNC)的Hill說，“像洛杉磯縣清潔能源聯(lián)盟這樣的電力供應(yīng)商和圣地亞哥縣這樣的地方政府，以及私人項目規(guī)劃者都在使用這種規(guī)劃方法?！彼a(bǔ)充說，這些策略可以在全國范圍內(nèi)應(yīng)用，加州已經(jīng)成功地將可再生能源優(yōu)先區(qū)用于安裝清潔能源發(fā)電設(shè)施，德克薩斯州已在成功地將可再生能源優(yōu)先區(qū)用于安裝清潔能源發(fā)電設(shè)施和輸電設(shè)施。

美國自然資源保護(hù)委員會高級可再生能源政策分析師Nathanae lGreene認(rèn)為，美國自然保護(hù)協(xié)會(TNC)的規(guī)劃方法可以加快美國西南部地區(qū)安裝光伏系統(tǒng)、美國中西部安裝陸上風(fēng)電設(shè)施、美國東海岸安裝海上風(fēng)電力設(shè)施和全國區(qū)域間輸電設(shè)施的發(fā)展。

Greene補(bǔ)充說，《削減通脹法案》至少有8項條款向資源和人員不足的聯(lián)邦許可機(jī)構(gòu)提供15億美元以上的資金，可以改善規(guī)劃，簡化環(huán)境審查。

但根據(jù)《洛杉磯時報》的報道，美國自然保護(hù)協(xié)會(TNC)的做法可能是一種樂觀的展望，低估了當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)對新基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的強(qiáng)烈反對。

美國圣母大學(xué)可持續(xù)能源政策副教授Emily Grubert說，“遭到當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的反對是事實，可能會繼續(xù)使選址和批準(zhǔn)成為一個挑戰(zhàn)，但這個問題是可以解決的?！?/span>

Grubert表示，為了獲得社區(qū)的信任，項目的開發(fā)商應(yīng)該解釋為什么需要安裝這個項目，為什么需要社區(qū)的支持，以及社區(qū)如何能從中受益。

美國能源部發(fā)布的社區(qū)福利協(xié)議用于開發(fā)新的基礎(chǔ)設(shè)施，規(guī)定開發(fā)商將為社區(qū)帶來的利益，也可能對簡化選址和批準(zhǔn)產(chǎn)生強(qiáng)大影響。

美國自然資源保護(hù)委員會的Greene對此表示認(rèn)同。他說，“沒有簽署社區(qū)利益協(xié)議，任何項目都不能進(jìn)行，以確保項目所在社區(qū)獲得真正的利益。但在許多地方，政治兩極分化已經(jīng)把合理的項目開發(fā)問題變成了阻礙性的、錯誤的宣傳。而克服這一點(diǎn)需要做很多工作。”

美國清潔能源協(xié)會(ACP)的Burwen表示，加州立法在2016年啟動了電池儲能系統(tǒng)的增長，其最近的規(guī)劃命令可能會通過呼吁提高電力系統(tǒng)可靠性對于安裝長時儲能系統(tǒng)起到促進(jìn)的作用。

但美國能源效率和可再生技術(shù)中心的執(zhí)行主任V. John White表示，目前，即使是加州先進(jìn)的綜合能源資源規(guī)劃過程也需要更新，需要認(rèn)識到適應(yīng)氣候和極端天氣的必要性。

White指出，加州和美國的長期規(guī)劃現(xiàn)在必須把重點(diǎn)放在加快清潔能源的部署上，因為《削減通脹法案》已經(jīng)改變了人們的立場。他補(bǔ)充說，該機(jī)構(gòu)已將新的資源采購轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可負(fù)擔(dān)的戰(zhàn)略，因為低成本清潔能源設(shè)施越早上線運(yùn)營，天然氣價格就會降低越快，就會降低客戶的電費(fèi)。

NREL的Denholm指出，美國電力系統(tǒng)規(guī)劃仍然過于依賴天然氣，這是2021年2月德克薩斯州停電的根本原因。他補(bǔ)充說：“目前沒有足夠的規(guī)劃來應(yīng)對伴隨電氣化而來的季節(jié)和時間變化的峰值需求，以及即使在選址和許可存在障礙的地方也需要建設(shè)輸電設(shè)施?！?/span>

美國能源部在研究報告中指出，美國需要盡快安裝更多的光伏系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電設(shè)施、儲能系統(tǒng)和輸電線路等項目，致力實現(xiàn)到2035年凈零排放的目標(biāo)。