清潔能源轉(zhuǎn)型需要?jiǎng)?chuàng)新能源、創(chuàng)新技術(shù)和投資策略的共同發(fā)展。深脫碳能源系統(tǒng)研究平臺(tái)需要材料科學(xué)在電池技術(shù)上取得進(jìn)展，從而克服風(fēng)能和太陽能發(fā)電間歇性的挑戰(zhàn)。同時(shí)，旨在促進(jìn)電池儲(chǔ)能市場增長和創(chuàng)新的政策，可以補(bǔ)充削減一整套清潔能源技術(shù)的成本。進(jìn)一步整合研發(fā)和部署新的存儲(chǔ)技術(shù)，為高效低耗能電力開辟了一條明確的道路。在這里，我們使用一個(gè)雙因素模型來分析部署和創(chuàng)新，該模型綜合了材料創(chuàng)新投資和技術(shù)部署的價(jià)值，并從一個(gè)涵蓋電池存儲(chǔ)技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)集中進(jìn)行了分析。在電池儲(chǔ)能互補(bǔ)發(fā)展和可再生電力來源對改善脫碳是極其重要的。我們找到一個(gè)可行的路徑以平均1美元每瓦太陽能和100美元每千瓦時(shí)電池存儲(chǔ)，使風(fēng)光儲(chǔ)的組合直接與以燃煤為基礎(chǔ)的電力供應(yīng)相競爭。

預(yù)測未來的儲(chǔ)能價(jià)格

將雙因素模型應(yīng)用于業(yè)內(nèi)頂級(jí)專家的近期生產(chǎn)預(yù)測，并假設(shè)專利活動(dòng)維持在近五年(2011-2015年)平均水平的高度，樂觀估計(jì)消費(fèi)電池價(jià)格在2018年可降至100美元/kWh以下。圖2和表1給出了各類電池的價(jià)格趨勢(見上篇)。該預(yù)測是基于25年的觀察結(jié)果，盡管樣本很少，但它代表了這個(gè)新生市場中最有效的信息。因?yàn)閷＠麛?shù)遵循隨機(jī)泊松過程，未來的專利活動(dòng)和生產(chǎn)水平都會(huì)變化，因此我們補(bǔ)充了一個(gè)詳細(xì)的敏感性矩陣。因?yàn)檫^去舊專利的影響力遠(yuǎn)低于新專利，我們也專利時(shí)效和知識(shí)貶值的因素考慮了進(jìn)去。我們發(fā)現(xiàn)成本的下降低于文獻(xiàn)對于目前的預(yù)測，該文獻(xiàn)曾發(fā)現(xiàn)了對電動(dòng)汽車電池成本下降的低估。我們用“四因素”模型考慮原材料價(jià)格，控制鋰和鈷原料價(jià)格的影響，我們發(fā)現(xiàn)這一模型的學(xué)習(xí)率略低(14.82%)，并將更多的價(jià)格下降歸功于創(chuàng)新而不是部署。然而，原材料價(jià)格對電池成本的影響可能不像鋼鐵價(jià)格對風(fēng)力發(fā)電那樣至關(guān)重要。因?yàn)楸M管鋰和鈷是陰極的重要組成部分，但鋰電池是由多種材料組成的。同時(shí)在“四因素”模型中對原材料價(jià)格的控制(P<0.16)并不像兩因子模型(P<0.001)那樣具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。無論如何，隨著新材料創(chuàng)新的發(fā)展，可持續(xù)性方面的標(biāo)準(zhǔn)對未來的發(fā)展都有指導(dǎo)意義。雙因素模型的一個(gè)潛在偏差可能是補(bǔ)貼的下降，這些補(bǔ)貼通常是專屬的而且很難預(yù)測。該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究將極大地解決技術(shù)和政策創(chuàng)新研究方面的差距。

鋰電池的發(fā)展可能會(huì)促使電動(dòng)汽車的使用。研究表明，假設(shè)汽油價(jià)格維持在2015年水平，當(dāng)電動(dòng)汽車電池價(jià)格降至125-165美元/kWh時(shí)，電動(dòng)汽車將可以在成本上與內(nèi)燃機(jī)汽車相競爭。根據(jù)我們的模型，這個(gè)目標(biāo)最早將在2017年實(shí)現(xiàn)，最晚也可以在2020年完成。除了電池價(jià)格之外，汽油價(jià)格、電費(fèi)以及每年的行駛里程也對電動(dòng)汽車的價(jià)格競爭力有著影響。這些預(yù)測結(jié)果低于先前報(bào)告文獻(xiàn)中的數(shù)值。

通過雙因素模型的結(jié)果，我們還研究比較了通過檢索學(xué)習(xí)和通過部署計(jì)劃的成本變化。檢索學(xué)習(xí)代表了研究-發(fā)展-示范(RD&D)的影響。為了預(yù)估此情況，我們從雙因素模型的當(dāng)前價(jià)格趨勢中減少33%的專利活動(dòng)，我們發(fā)現(xiàn)，要想在2020年實(shí)現(xiàn)跨入100美元/kWh電池儲(chǔ)能的門檻，依賴實(shí)踐學(xué)習(xí)，我們需要在全球增加307GWh的部署。打個(gè)比方，這意味著每年都要新部署一座特斯拉35GWh超級(jí)工廠。專利活動(dòng)是雙因素模型的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。缺乏專利活動(dòng)將提升成本使得電池價(jià)格增長76美元/kWh。在沒有任何新創(chuàng)新的最極端情況下，僅通過部署實(shí)現(xiàn)成本削減目標(biāo)的代價(jià)會(huì)非常高，到2020年將超過1400億美元。這是不可能也是不可行的，因此也強(qiáng)調(diào)了通過雙因素框架實(shí)現(xiàn)以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)成本降低的重要性。然而，最近大部分太陽能光伏和風(fēng)能成本削減，都來自于工藝改進(jìn)以及用部署的利潤進(jìn)一步推動(dòng)企業(yè)創(chuàng)新研發(fā)。如果對儲(chǔ)能來說這是正確的，那么在創(chuàng)新和部署之間的這種反饋限制了我們完全解耦研發(fā)和部署兩個(gè)目標(biāo)的能力。這需要進(jìn)一步的研究，并強(qiáng)調(diào)同時(shí)發(fā)展檢索學(xué)習(xí)和實(shí)踐學(xué)習(xí)的重要性，形成檢索學(xué)習(xí)和實(shí)踐學(xué)習(xí)共同發(fā)展的模式。

此外，公用事業(yè)和住宅規(guī)模的儲(chǔ)能正在逐漸接近與電網(wǎng)平價(jià)。我們發(fā)現(xiàn)以目前的目標(biāo),如果美國太陽能電價(jià)達(dá)到1美元/W的“SunShot”價(jià)格目標(biāo), 到2020年，這樣的價(jià)格趨勢預(yù)計(jì)會(huì)使住宅太陽能和電池儲(chǔ)能在成本上與電網(wǎng)電力相競爭,實(shí)現(xiàn)均化發(fā)電成本(LCOE)逐步降低至約0.11美元/kWh。

目前，基于鋰電池的儲(chǔ)能仍然主要是針對防停電保護(hù)的利基市場，但我們的分析表明這種情況完全可以改變，儲(chǔ)能會(huì)為未來的電力系統(tǒng)提供靈活性和可靠性。這一發(fā)現(xiàn)與最近一研究成果形成了鮮明對比，該研究假定儲(chǔ)能作為脫碳發(fā)電的價(jià)值降低，因此儲(chǔ)能技術(shù)成本會(huì)有所上升。根據(jù)我們的預(yù)測，這些預(yù)言未來儲(chǔ)能悲觀價(jià)格的研究都沒有考慮創(chuàng)新和部署的互補(bǔ)效應(yīng)，以及未來電力系統(tǒng)中能量靈活性和/或能源大規(guī)模存儲(chǔ)的價(jià)值。GW級(jí)電網(wǎng)儲(chǔ)能將改善輸電和配電系統(tǒng)，從而降低未來的投資，以確保電網(wǎng)穩(wěn)定性并提高客戶可靠性。盡管例如勞動(dòng)力和成套設(shè)備組件等因素也是總項(xiàng)目成本的重要組成部分，但模型還是強(qiáng)調(diào)了鋰和非鋰電化學(xué)儲(chǔ)能方案已非常接近該目標(biāo)。

研發(fā)支出對價(jià)格的影響降低

為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)的變革，需要進(jìn)一步的研究來維持專利活動(dòng)水平。公共研發(fā)支出和私人研究項(xiàng)目通過刺激研究和促進(jìn)實(shí)驗(yàn)的高水平直接引發(fā)創(chuàng)新，但美國聯(lián)邦政府的研發(fā)支出卻持續(xù)下降。光伏研究仍是研發(fā)項(xiàng)目推動(dòng)增長和降低成本的最佳例證。然而，在過去的十年里，能源領(lǐng)域的公共研發(fā)支出并沒有跟上能源行業(yè)收入的增長。圖3顯示了美國聯(lián)邦政府在1976年至2015年間的研發(fā)支出。在此期間，美國聯(lián)邦政府的研發(fā)支出總額從GDP的1.2%驟降至0.8%。能源研發(fā)支出比從0.3%降至0.013%。全球能源研發(fā)支出占全球總研發(fā)支出的比重從10%以上降至2013年的3.9%。2015年，美國能源研發(fā)占總研發(fā)的2.1%。目前的能源研發(fā)支出份額并不反映清潔能源技術(shù)部署的重要性及其在實(shí)現(xiàn)全球氣候目標(biāo)方面的作用。在電池技術(shù)方面，迫切需要采取行動(dòng)，增加公共研發(fā)支出，從而推動(dòng)創(chuàng)新，降低儲(chǔ)能成本，從而推動(dòng)價(jià)格有競爭力的可調(diào)度太陽能、風(fēng)能和電力存儲(chǔ)。

圖中是美國聯(lián)邦政府在1976 - 2016年的研發(fā)支出。美國聯(lián)邦政府的研發(fā)支出在過去40年里下降了約1.2%至0.8%。與此同時(shí)，與能源相關(guān)議題的聯(lián)邦研發(fā)支出從0.3%驟降至0.013%。這些深綠色的圓點(diǎn)顯示了與能源相關(guān)的研發(fā)支出在研發(fā)支出中所占份額的相似發(fā)展。在20世紀(jì)70年代后期，能源研發(fā)占研發(fā)總量的10%以上，其中50%以上被分配到全球核能。相比之下，2013年國際社會(huì)將3.9%的研發(fā)資金投入與能源相關(guān)的活動(dòng)。數(shù)據(jù)來自美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)。

材料科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展可能會(huì)促進(jìn)電池能量密度的增加，這對于提高電動(dòng)汽車的行駛里程從而與傳統(tǒng)車輛競爭仍然至關(guān)重要，同時(shí)也可以降低電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用的成本。目前，鋰離子電池的專利活動(dòng)處于一個(gè)高水平，盡管它在過去5年里已經(jīng)停滯不前了。這一模型強(qiáng)調(diào)了政策制定者通過系統(tǒng)地為清潔技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目提供資金，以合理的價(jià)格實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)，從而不斷降低公共研發(fā)支出和能源創(chuàng)新活動(dòng)的重要性，肯定了先前研究的結(jié)果，并不僅延伸到發(fā)電資源，同時(shí)也包括儲(chǔ)能。此外，政策制定者應(yīng)該啟動(dòng)一個(gè)有利于私人風(fēng)險(xiǎn)資本投資于清潔技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化框架。風(fēng)險(xiǎn)資本(VC)被認(rèn)為對清潔技術(shù)行業(yè)至關(guān)重要，研究表明，VC比在專利活動(dòng)方面的(公眾)研發(fā)更有效，因此可以用于實(shí)現(xiàn)電化學(xué)和機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)的目標(biāo)。圖4給出了2009年至2014年期間儲(chǔ)能領(lǐng)域的全球企業(yè)和VC投資。盡管VC支持公司提供的大量貸款擔(dān)保目前仍沒有可觀的收益，但政府的一些舉措，如小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃(SBIR)、大學(xué)研發(fā)項(xiàng)目和大規(guī)模的示范項(xiàng)目，已經(jīng)取得了更大的成功。

圖中全球企業(yè)和風(fēng)險(xiǎn)投資在能源存儲(chǔ)領(lǐng)域的投資。在金融危機(jī)后的2009年、2010年和2011年，投資水平在2014年大幅下降。

討論

根據(jù)我們的兩因素模型，采用激勵(lì)總部署EVs或儲(chǔ)能系統(tǒng)的策略是昂貴的方式。我們估計(jì)，到2018年，在當(dāng)前的五年專利平均水平上，對電動(dòng)汽車來說達(dá)到每千瓦時(shí)125美元的較低的邊界，需要比目前預(yù)測的每年增加兩倍以上的產(chǎn)量。這等于產(chǎn)生了大約300GWh的額外生產(chǎn)能力。特別值得一提的是，用于客戶側(cè)終端的鋰電池在總生產(chǎn)中占有相當(dāng)大的市場份額，而能源應(yīng)用可能會(huì)繼續(xù)滯后。通過搜索來學(xué)習(xí)，或者是創(chuàng)新(通過“研究”來學(xué)習(xí))，很有可能比部署激勵(lì)發(fā)揮更大的作用，可以實(shí)現(xiàn)在更短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更快的成本削減。采納的政策有可能導(dǎo)致對EVs和系統(tǒng)級(jí)儲(chǔ)能的生產(chǎn)或系統(tǒng)級(jí)價(jià)值鏈的成本提高。然而，通過容量目標(biāo)來激勵(lì)部署，可能會(huì)產(chǎn)生重大的風(fēng)險(xiǎn)，在這種情況下，消費(fèi)者不計(jì)后果購買的東西都會(huì)得到激勵(lì)。儲(chǔ)能的部署目標(biāo)可能沒有像研究、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)那樣可以效果好。

我們提出一項(xiàng)戰(zhàn)略，將資金分配到更有成本效益的研究和發(fā)展措施上。政府可以在推動(dòng)研究進(jìn)展和創(chuàng)新方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，從而進(jìn)一步降低成本。未來的研究和法律框架，使分布式能源系統(tǒng)和“車-網(wǎng)”互動(dòng)成為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。另一項(xiàng)研究焦點(diǎn)是了解網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)能有價(jià)值的情況，即提供旋轉(zhuǎn)備用或輔助服務(wù)的操作框架，需求響應(yīng)，以及減少排放的可能。對于汽車儲(chǔ)能的應(yīng)用，激勵(lì)和設(shè)計(jì)一個(gè)緊密嚙合的充電基礎(chǔ)設(shè)施可以減輕范圍的限制。所有這些(不僅是材料研究，而且是部署)的結(jié)果都可以促進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的成本削減。

發(fā)展研究項(xiàng)目不僅要注重材料科學(xué)技術(shù)的電化學(xué)儲(chǔ)存，而且要考慮到新興的機(jī)械存儲(chǔ)應(yīng)用將提高電力系統(tǒng)規(guī)劃的靈活性。一些人宣稱機(jī)械存儲(chǔ)應(yīng)用可能會(huì)以價(jià)格來削弱電化學(xué)存儲(chǔ);然而，兩者可能都有市場。長時(shí)間的大容量存儲(chǔ)容量和高功率設(shè)備的短脈沖可以提供頻率調(diào)節(jié)、輔助服務(wù)，或在某些工況下簡單地向電網(wǎng)注入功率。通過能量密度和降低成本來提高儲(chǔ)能性能的互補(bǔ)性將是車輛和網(wǎng)絡(luò)級(jí)應(yīng)用的必要條件。存儲(chǔ)技術(shù)可以從資產(chǎn)互補(bǔ)借鑒，驅(qū)動(dòng)PV市場增長，并在清潔技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)中找到合適的應(yīng)用，而不僅僅是儲(chǔ)能容量達(dá)到了多少千瓦時(shí)。由于創(chuàng)新和部署驅(qū)動(dòng)的成本削減，多用途存儲(chǔ)應(yīng)用很可能會(huì)出現(xiàn)。

基于雙因素模型，我們建議決策者采取平衡的創(chuàng)新和部署政策。政策組合更有可能成功地推動(dòng)環(huán)境變化，而不是單一的政策。我們注意到，公共研發(fā)支出的相對下降，可能會(huì)阻礙關(guān)鍵的成本削減和電力領(lǐng)域的深度脫碳，并將新材料從實(shí)驗(yàn)室推向市場。通過研究，我們發(fā)現(xiàn)了與通過研發(fā)增加專利投入相關(guān)的重要價(jià)值，而推動(dòng)這項(xiàng)研究的一種方法是通過政府支出，從而實(shí)現(xiàn)能源儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的大幅削減。目前鋰電池材料的多樣性表明，與太陽能光伏或風(fēng)機(jī)不同的是，在儲(chǔ)能技術(shù)方面需要新材料的發(fā)展，以達(dá)到100美元/ kWh的目標(biāo)。

專利活動(dòng)和研發(fā)支出繼續(xù)壓低了電化學(xué)電池存儲(chǔ)技術(shù)的價(jià)格。我們的兩因素學(xué)習(xí)曲線預(yù)測了2019年的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)時(shí)預(yù)測的價(jià)格突破了100美元/ kWh的門檻，與目前的預(yù)測和研究相矛盾。兩因素學(xué)習(xí)曲線上的牢固關(guān)系表明，美國的研發(fā)可以通過投資開發(fā)新電池材料來進(jìn)一步降低成本。設(shè)計(jì)一種部署戰(zhàn)略將降低電網(wǎng)和交通部門的整體成本，這些部門占總二氧化碳排放總量的60%以上。因此，評(píng)價(jià)新技術(shù)的關(guān)鍵仍然是通過材料的選擇來提高安全性、能量密度和成本。促進(jìn)軟邊創(chuàng)新和商業(yè)模式的新研究將加速將電化學(xué)儲(chǔ)能整合到公共市場。進(jìn)一步的政府支持是必要的，以促進(jìn)負(fù)責(zé)任的研發(fā)支出，使太陽能、風(fēng)能和儲(chǔ)能的成本大幅降低，同時(shí)也減少了電力和運(yùn)輸。美國有機(jī)會(huì)成為一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者，而不是一個(gè)落后的國家，在電池儲(chǔ)能制造和發(fā)展方面。我們發(fā)現(xiàn)研發(fā)支出是推動(dòng)創(chuàng)新的有力指標(biāo)。因此，在能源研究領(lǐng)域的研發(fā)支出的增加將促進(jìn)一套多樣化的儲(chǔ)能技術(shù)和材料科學(xué)的進(jìn)步。

博士點(diǎn)評(píng)

本文分上下兩部分：上半部分利用雙因子學(xué)習(xí)曲線模型分析近三十年鋰電池價(jià)格和年度產(chǎn)量、累計(jì)產(chǎn)量以及專利活動(dòng)之間的關(guān)系，得出年度產(chǎn)量以及專利活動(dòng)對鋰電池成本降低具有顯著影響的結(jié)論;下半部分利用雙因子曲線模型預(yù)測未來儲(chǔ)能設(shè)備的價(jià)格走勢，強(qiáng)調(diào)了儲(chǔ)能研發(fā)投入對降低儲(chǔ)能成本的積極作用，并討論了未來幾年儲(chǔ)能成本降至100美元/千瓦時(shí)以下所需的相關(guān)條件，包括探索新型儲(chǔ)能材料，平衡儲(chǔ)能研發(fā)與部署等。

1、大規(guī)模可再生能源的并網(wǎng)必然會(huì)需要足夠量的儲(chǔ)能設(shè)備的部署及精細(xì)化管理。全面綜合地解決此問題，需要科研領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)科交叉(材料、能源、信息等領(lǐng)域)，工業(yè)界的生產(chǎn)創(chuàng)新，政府的積極扶持，以及三者之間不斷的相互迭代。

2、當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備成本降低至一定閾值之下后，儲(chǔ)能加可再生能源的組合將對傳統(tǒng)能源的配置與使用產(chǎn)生根本性影響，并推進(jìn)生產(chǎn)生活工具的轉(zhuǎn)型與更新?lián)Q代，如新型電動(dòng)汽車/交通工具、新型供暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、新型照明系統(tǒng)等。

3、儲(chǔ)能設(shè)備的持續(xù)投入和使用將會(huì)促進(jìn)電能交易與電力市場改革，并刺激電力系統(tǒng)朝著高效、低碳的方向進(jìn)化。電力市場及電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均會(huì)從集中式轉(zhuǎn)向分布式甚至分散式。

4、儲(chǔ)能設(shè)備將作為未來能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及多能互補(bǔ)系統(tǒng)的必備組件，參與到發(fā)電、輸電、用電、能量轉(zhuǎn)化各個(gè)環(huán)節(jié)。

從企業(yè)前景來看，儲(chǔ)能行業(yè)是多學(xué)科融合的朝陽行業(yè)。儲(chǔ)能方向硬件相關(guān)企業(yè)盈利的重要因素在于新型、低成本、高性能儲(chǔ)能設(shè)備的研制，儲(chǔ)能方向軟件相關(guān)企業(yè)盈利的重要因素在于準(zhǔn)確預(yù)測、精確計(jì)算以及精細(xì)控制。