研究 | 光熱利用——一個萬億美元級的綠色能源市場?
            發布者:lzx | 來源:Heilos | 0評論 | 2316查看 | 2020-08-16 09:27:06    

            有行業專家認為,工業用熱產生的碳排放約占全球碳排放總量的三分之一,而太陽能熱利用技術完全能滿足工業用熱需求。


            目前,由于成本和其他阻礙,太陽能光熱在全球能源生產版圖上的占比幾乎可以忽略不計。行業專家一致認為,太陽能光熱行業需要降低成本并克服許多障礙,如果能做到這一點,其市場潛力將是巨大的。但是很難找到相關數據來表明這個市場到底有多大,以及需要以何種價格向市場提供太陽能方能激活這個巨大市場。


            熱量就是熱量,無論它是如何產生的。因此,大多數對價格比較敏感的最終用戶都傾向于選擇當今最便宜的化石燃料。在本文中,Jakob將嘗試估算在歐美市場中與天然氣面對面競爭所必須滿足的價格條件。他還將估算溫度在120?C-220?C之間太陽能工業用熱的市場潛力。在即將發表的文章中,他指出了達到這些價格目標所面臨的障礙,并討論了如何規避其他市場障礙。


            首先,看一下截至2050年能源市場的發展情況。請注意,盡管電氣化程度不斷提高,但低于400?C熱能的年需求量,依然穩步保持在略高于10,000TWh的水平。


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            圖:基于到2050年實現100%可再生能源的情景,全球最終總能源消耗


            儲熱系統的作用


            太陽能光熱利用需要配備儲熱設施,以完全替代化石燃料。在此之前,太陽能光熱解決方案需要與其他化石燃料系統集成在一起工作。一種簡單的集成方法是讓太陽能產生的熱量保存到現有的儲熱罐中。


            對于白天或者夜間存儲,可以使用增壓水箱,并且可以在大于200℃的溫度下工作。如今,一些大型工業企業已經安裝了這種儲罐,以防止其天然氣供應短期中斷的風險。


            在此溫度水平下白天/夜間存儲應可滿足行業需求的30-40%。覆蓋范圍取決于光照資源的多少(表示為DNI)。假設DNI<1600,則可滿足30%行業需求,DNI在1600-2000之間,則可以滿足35%的行業需求,若DNI>2000,則可以滿足40%。


            市場機會


            對市場機會的分析如下:


            根據美國國家可再生能源實驗室(NREL)的數據,美國工業每年使用大約1500TWh的過程熱量(120?C-220?C的溫度范圍)。


            使用天然氣生產這種熱量的成本取決于當地的天然氣價格。太陽能光熱利用最終需要達到天然氣的價格。下圖2顯示了美國各州天然氣在2018/2019的價格。


            光照越充足,太陽能光熱利用就越便宜。每年的光照數據,請參考下圖。


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            圖:美國2018*/2019年工業天然氣價格,以及1999-2018年的平均DNI


            如果工業用熱需求的分布類似于美國的人口分布,并且如果將120?C-220?C的工業用熱需求的30-40%,通過太陽能與壓力儲水關相結合來滿足,那么我們將有290,000MW的市場機會。


            假設折舊期25年,資本成本4%,運維成本$5/MWh,而且每個州的市場價格將與每個州的天然氣成本相匹配,則在120?C-220?C范圍內產生的工業用熱市場的潛力為1800億美元,能夠使成本曲線從加利福尼亞的820,000美元/MW(加州的市場約29,000MW,潛力為240億美元)下降至俄克拉荷馬州的90,000美元/MW,后者市場潛力為$2.85億。


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            圖:為了與當地天然氣價格與潛在的收入競爭,美國每個州(夏威夷除外)要達到的光場成本目標($/MW),包括運營和維護合同。假設25年,資本成本為4%,運營和維護成本為$5/MWh,白天/黑夜存儲的需求覆蓋率為30-40%。


            隨著更具成本競爭性的儲熱技術的引入,以及利用太陽能產生的熱量對高溫工藝進行預熱的方法的發展,潛在的市場將不斷增長。例如,在美國將太陽能用于對火電站的給水進行預熱,可能會增加額外的50,000兆瓦的太陽能光熱容量,從而增加市場機會,從而為美國的市場潛力增加25至300億美元。


            如果太陽能熱解決方案提供商轉向美國以外的世界,例如歐洲,那么他們通常將目光投向工業天然氣價格更高的市場。下圖顯示了歐洲大型最終用戶的最低天然氣價格(以€為單位),同時顯示當地日照狀況。


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            圖:歐洲2018*/2019年大型承購人的工業天然氣凈價格,結合平均DNI圖


            估計歐洲在120?C-220?C范圍內的工業用熱消耗為1860TWh。假設平均DNI1500,天然氣平均價格為$35/MWh,并假設其他方面與美國相同,則太陽能光熱價格應為$820,000/MW,潛在安裝量為370GW,包括服務和維護在內市場潛力為3700億美元。


            終端用戶愿意為太陽能光熱支付多少?


            如果知道太陽能光場的投資和維護成本,所產生的能源價格也就可以確定。面對持續上升的碳排放稅,來自關心氣候變化的消費者帶來的持續壓力,以及一旦政府開始考慮顆粒物排放對他們的衛生系統的影響而采取其他征稅,同時考慮到能源價格不斷波動帶來的總體不確定性,許多最終用戶愿意支付一定的溢價,以換取確定的能源價格。


            例如,2018年美國各州的天然氣平均價格為21.2美元/兆瓦時,但自2015年以來,每月平均價格一直在15-25美元/兆瓦時的范圍內波動。為了保護自己免受能源價格波動的影響,尋求穩定價格的公司可以購買期貨。從2020年到2032年,期貨的當前平均價格為8.6美元/MWh。這樣的溢價很可能僅對高耗能的公司以及預計價格會上漲的公司具有吸引力。


            基于這種推理,Jacob認為美國的最終用戶平均愿意為去年的天然氣價格支付15%的溢價,以換取固定的能源價格。


            市場愿意為太陽能光熱支付多少?


            太陽能光熱的成本在很大程度上取決于光照資源。但是,最終用戶只會將太陽能光熱的成本與天然氣產生的熱能相比。如上所述,對于美國而言,這意味著價格在$8-34/MWh的范圍內,在歐洲約為$35/MWh。假設在最相關的州中,天然氣的平均價格為25美元,在下圖中繪制了無補貼的成本目標(以美元/MW為單位)與太陽輻射的關系。


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            圖:當市場價格為$25/MWh或$35/MWh時,太陽能光場無補貼市場價格($/kW)與太陽輻射(DNI)的函數圖。


            相信25美元/兆瓦時的目標是可以實現的。要達到這個目標,需要研究土地和熱力傳輸的成本,并調整目前在太陽能光熱行業中流行的商業模式。這部分,我們后續再分享。

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