NREL：可靠性和土地利用“阻碍”美国2035年实现清洁能源目标

美国能源部所属的国家可再生能源实验室(NREL)日前在发布一份调查报告指出，美国需要制定规划来确定采用什么样的长时储能术，并获得足够的土地和资源，以实现美国总统拜登所提出的到2035年实现净零排放的目标。

该实验室在报告中详细介绍了到2035年实现净零排放目标而完全采用清洁能源的四条可行性途径和假设，并指出其收益将会超过成本。

但利益相关方承认，该报告并没有解释如何获得足够的土地以实现90%以上的清洁能源的普及率，也没有解释之后将如何提高电力系统的可靠性。

美国能源部首席能源分析师、该研究报告的共同主要作者Paul Denholm表示，如今的清洁能源技术可以帮助美国减少约90%的碳排放，因为降低了成本，而且人们对可再生能源和储能技术的理解也越来越成熟，但不知道提高电力系统的可靠性需要什么资源和多少资源。

储能分析师一致认为，能源市场可能会解决长时储能技术在可靠性的不确定性。但环保人士表示，要解决当地持续反对新建输电基础设施的问题，需要更明智的规划。

美国自然保护协会(TNC)项目负责人Nicole Hill对此表示赞同。她说，“大多数人还没有预见到未来的开发规模以及地方许可和选址面临的挑战，美国自然保护协会(TNC)新的规划方法更加有效，能够更快实施，可以实现气候和保护目标。”

美国能源部的Denholm和其他分析师表示，所需的能源基础设施的全面增长可能难以想象，但美国联邦、各州和公用事业长时储能系统的技术投资和拟议的规划政策创新正在面临不确定性。

100%可再生能源的开发途径

美国国家可再生能源实验室(NREL)在报告中声称，到2035年实现采用100%清洁能源的目标有四种途径和假设，即使交通和建筑电气化的需求增加66%，也可以在2050年实现净零排放经济。

报告指出，第一个假设是所有零排放能源技术(包括碳捕获技术)的成本和性能都得到改善。第二个假设是通过“改进的输电技术”和“新的许可和选址方法”来提高输电能力，第三个假设是受到发电和输电限制而提高成本，最后一个假设是有限的碳捕获。

这项研究的重点是通过大规模的能源供应来满足电力需求，但另一种途径可以使用更多的能源效率和需求端的灵活性。该研究称，依靠这些替代能源而不是建设大规模的电力基础设施，这将使美国的年负荷增长从3.4%降低到1.8%，并在交通、工业和发电行业中使用更多的清洁氢气。

美国国家可再生能源实验室(NREL)在报告中指出，其研究建模包括2021年的美国联邦和各州和政策，但不包括2022年通过的《削减通胀法案》(IRA)和2021年通过的《两党基础设施法案》。研究发现，在这些法律的推动下，加上其他计划安装的可再生能源，到2030年，可以使美国整体排放量在2005年的基础上降低40%，清洁能源发电量增长60%～81%，但到2035年，电力系统减少的碳排放量不到78%。

根据该实验室的预测，到2035年，美国累计安装的风力发电和光伏系统的总装机容量为2TW，大约是到2020年累计安装的3倍，其发电份额占到总发电量的60%～80%。预计到2030年，安装的光伏系统装机容量将每年增长43 GW～90 GW，风力发电每件增长70GW～145GW，是目前的四倍多。

报告指出，随着能源效率和安装的分布式能源装机容量的提高，到2035年，四种假设的情况下的总装机容量(包括新增5 GW～8 GW的水力发电设施和新增3 GW～5 GW的地热发电设施)可能会减少16%至20%。

美国国家可再生能源实验室(NREL)估计，为了实现全年全天候供电的可靠性，到2035年，总共需要安装120GW到350GW的持续时间为2小时到12小时的长时储能系统。这些储能系统可能是电池储能系统、抽水蓄能发电设施或仍在开发中的储能技术。根据电力系统中可变可再生能源渗透率非常高的情况下，将需要安装100GW到680GW的长时储能系统。

研究发现，在美国国家可再生能源实验室(NREL)的三个假设情景下，到2035年核能发电量可能占总发电量的9%～12%，但在发电和输电的选址和许可限制的假设中，核能发电量可能增加一倍以上，达到27%。但Denholm表示，这是不可能实现的，因为投资于风力发电、光伏发电、储能和输电设施的成本效益明显优于核电。

报告估计，为了到2035年实现电力部门的净零排放，每年将需要建设1400到10100公里的高压输电线路，在分析这些假设情景时发现，建造更多的输电设施和风电系统的平均系统成本最低。

研究建模表明，技术组合是最主要的不确定性。如果碳捕获是可行的，那么在2035年的发电量中，使用所有净零排放能源的情景包括高达5%的化石燃料，即660GW。但研究发现，更高的能源效率和分布式能源使对发电量的需求减少了约20%，这两者都减少了土地需求和成本。

美国国家可再生能源实验室(NREL)估计，到2035年，大量削减化石燃料发电量所带来的健康效益可以节省3900亿美元～4000亿美元。随着2020年碳排放的社会成本(SCC)从每吨约80美元上升到2035年的约100美元，相比于预计的3300亿美元至7400亿美元的资本、固定和可变电力系统成本，节约的总成本将达到9000亿美元～1.3万亿美元。如果每吨碳排放的社会成本(SCC)的价格为275美元，净收益将会显著增加。

但报告声称，在2030年之后，由于清洁能源的发电份额超过90%，需要满足日益增长的日间需求和季节性需求峰值，资源组合和成本的不确定性将会增加。

分子还是电子?

在2030年以后，部署的长时储能技术主要是在含有可再生能源和水或天然气中产生的分子的清洁氢燃料与产生电子的清洁能源项目之间进行选择。

美国清洁能源协会储能副总裁Jason Burwen说，“未来的能源组合可能取决于储存电子的传输速度和储存分子的管道建造速度。”

研究报告声称，到2030年，持续时间最长可达10小时的锂离子电池和持续时间最长可达12小时的抽水蓄能设施，与天然气发电厂在成本方面相比越来越具有竞争力，可以解决可再生能源发电量和负载用电量之间不匹配的问题。

报告声称，长时储能系统被称为季节性储能系统，在研究中以清洁氢气燃料为主，但也关注尚未大规模验证的各种储能技术，其中包括合成天然气或氨气、新型电池、热储能、压缩空气储能、抽水蓄能或基于重力的储能技术。

长时储能委员会执行董事Julia Souder、国家可再生能源实验室的Denholm等人表示，随着清洁能源发电量的增长和电气化的发展，长时储能系统可以解决夏季和冬季需求峰值增长带来的季节性不匹配问题。

Denholm表示，总体而言，长时储能系统的部署成本高昂，但对于诸如未经验证的大规模化石燃料发电和碳捕获等资源，存在太多的不确定性。但他表示，为了实现2035年的目标，需要部署某种长时储能系统，这使得现在对潜在储能技术进行投资很重要。

燃料供应商Ambient Fuels公司首席执行官兼联合创始人Jacob Susman和Form Energy公司政策与监管副总裁Nidhi Thakar也认为，要实现2035年的目标，需要采用多种解决方案。Ambient Fuels公司采用可再生能源和水生产绿色氢气。Form Energy公司开发了一种持续时间长达100小时的铁空气电池储能系统。

长时储能委员会的Souder补充说，在政策和市场设计还在形成的时候，电池和绿色氢燃料没有必要进行激烈的竞争，而且现在错过机会将在以后失去更多的价值。

利益相关方一致认为，能否获得足够的土地是一个更为紧迫的问题，这给实现2035年电力行业净零排放目标带来了不确定性。

土地规划

美国能源部在研究中发现，实现2035年的目标可能需要以三到六倍的速度开发新一代能源，而开发输电设施需要两倍或三倍的建设用地，需要新建氢气和二氧化碳捕获和储存设施。

Denholm表示，平衡环境保护与碳排放对气候变化的影响是可行的。

在今年9月通过的关于政府拨款的持续决议(H.R.6833)中删除了许可的措辞，而俄亥俄州共和党参议员Rob Portman于2021年提出的旨在精简电力基础设施发展的《美国联邦许可改革和就业法案》(S.2324)也没有取得进展。美国联邦能源监管委员会的利益相关方改革输电规划的程序仍未完成，其中包括简化审批的建议。但利益相关者表示，两者都没有真正实现真正需要的创新改革。

美国自然保护协会(TNC)在发布的一份研究报告指出，明智的规划可以保护敏感的自然区域和工作用地，并在2050年前实现净零排放目标。

美国自然保护协会(TNC)进行的一项研究发现，如果没有对规划进行改进，2035年实现目标将需要在美国11个州多达3900万英亩的土地上新建发电和输电基础设施，将投资2600亿美元。但根据区域、州和地方的具体空间规划和预先确定的优先可再生能源区的选址，只需要采用2100万英亩的土地，因此可以减少将近50%的土地，而所有额外的选址和许可工作只增加了3%的成本，达到2680亿美元。

尽管是美国自然保护协会(TNC)独立进行的研究，但该协会的预测很可能是美国国家可再生能源实验室(NREL)为实现2035年净零排放而预计的3300亿至7400亿美元基础设施开发成本的一大部分。

美国自然保护协会(TNC)确定了在哪些地方通过改造升级和使用土地可以节省一半的土地，例如可以在远离野生动物走廊的地方安装光伏系统，可以在近海建设风力发电设施。

美国自然保护协会(TNC)的Hill说，“像洛杉矶县清洁能源联盟这样的电力供应商和圣地亚哥县这样的地方政府，以及私人项目规划者都在使用这种规划方法。”她补充说，这些策略可以在全国范围内应用，加州已经成功地将可再生能源优先区用于安装清洁能源发电设施，德克萨斯州已在成功地将可再生能源优先区用于安装清洁能源发电设施和输电设施。

美国自然资源保护委员会高级可再生能源政策分析师Nathanae lGreene认为，美国自然保护协会(TNC)的规划方法可以加快美国西南部地区安装光伏系统、美国中西部安装陆上风电设施、美国东海岸安装海上风电力设施和全国区域间输电设施的发展。

Greene补充说，《削减通胀法案》至少有8项条款向资源和人员不足的联邦许可机构提供15亿美元以上的资金，可以改善规划，简化环境审查。

但根据《洛杉矶时报》的报道，美国自然保护协会(TNC)的做法可能是一种乐观的展望，低估了当地社区对新基础设施建设的强烈反对。

美国圣母大学可持续能源政策副教授Emily Grubert说，“遭到当地社区的反对是事实，可能会继续使选址和批准成为一个挑战，但这个问题是可以解决的。”

Grubert表示，为了获得社区的信任，项目的开发商应该解释为什么需要安装这个项目，为什么需要社区的支持，以及社区如何能从中受益。

美国能源部发布的社区福利协议用于开发新的基础设施，规定开发商将为社区带来的利益，也可能对简化选址和批准产生强大影响。

美国自然资源保护委员会的Greene对此表示认同。他说，“没有签署社区利益协议，任何项目都不能进行，以确保项目所在社区获得真正的利益。但在许多地方，政治两极分化已经把合理的项目开发问题变成了阻碍性的、错误的宣传。而克服这一点需要做很多工作。”

美国清洁能源协会(ACP)的Burwen表示，加州立法在2016年启动了电池储能系统的增长，其最近的规划命令可能会通过呼吁提高电力系统可靠性对于安装长时储能系统起到促进的作用。

但美国能源效率和可再生技术中心的执行主任V. John White表示，目前，即使是加州先进的综合能源资源规划过程也需要更新，需要认识到适应气候和极端天气的必要性。

White指出，加州和美国的长期规划现在必须把重点放在加快清洁能源的部署上，因为《削减通胀法案》已经改变了人们的立场。他补充说，该机构已将新的资源采购转变为一种可负担的战略，因为低成本清洁能源设施越早上线运营，天然气价格就会降低越快，就会降低客户的电费。

NREL的Denholm指出，美国电力系统规划仍然过于依赖天然气，这是2021年2月德克萨斯州停电的根本原因。他补充说：“目前没有足够的规划来应对伴随电气化而来的季节和时间变化的峰值需求，以及即使在选址和许可存在障碍的地方也需要建设输电设施。”

美国能源部在研究报告中指出，美国需要尽快安装更多的光伏系统、风力发电设施、储能系统和输电线路等项目，致力实现到2035年净零排放的目标。