研究 | 光热利用——一个万亿美元级的绿色能源市场?
发布者:lzx | 来源:Heilos | 0评论 | 1291查看 | 2020-08-16 09:27:06    

有行业专家认为,工业用热产生的碳排放约占全球碳排放总量的三分之一,而太阳能热利用技术完全能满足工业用热需求。


目前,由于成本和其他阻碍,太阳能光热在全球能源生产版图上的占比几乎可以忽略不计。行业专家一致认为,太阳能光热行业需要降低成本并克服许多障碍,如果能做到这一点,其市场潜力将是巨大的。但是很难找到相关数据来表明这个市场到底有多大,以及需要以何种价格向市场提供太阳能方能激活这个巨大市场。


热量就是热量,无论它是如何产生的。因此,大多数对价格比较敏感的最终用户都倾向于选择当今最便宜的化石燃料。在本文中,Jakob将尝试估算在欧美市场中与天然气面对面竞争所必须满足的价格条件。他还将估算温度在120⁰C-220⁰C之间太阳能工业用热的市场潜力。在即将发表的文章中,他指出了达到这些价格目标所面临的障碍,并讨论了如何规避其他市场障碍。


首先,看一下截至2050年能源市场的发展情况。请注意,尽管电气化程度不断提高,但低于400⁰C热能的年需求量,依然稳步保持在略高于10,000TWh的水平。


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图:基于到2050年实现100%可再生能源的情景,全球最终总能源消耗


储热系统的作用


太阳能光热利用需要配备储热设施,以完全替代化石燃料。在此之前,太阳能光热解决方案需要与其他化石燃料系统集成在一起工作。一种简单的集成方法是让太阳能产生的热量保存到现有的储热罐中。


对于白天或者夜间存储,可以使用增压水箱,并且可以在大于200℃的温度下工作。如今,一些大型工业企业已经安装了这种储罐,以防止其天然气供应短期中断的风险。


在此温度水平下白天/夜间存储应可满足行业需求的30-40%。覆盖范围取决于光照资源的多少(表示为DNI)。假设DNI<1600,则可满足30%行业需求,DNI在1600-2000之间,则可以满足35%的行业需求,若DNI>2000,则可以满足40%。


市场机会


对市场机会的分析如下:


根据美国国家可再生能源实验室(NREL)的数据,美国工业每年使用大约1500TWh的过程热量(120⁰C-220⁰C的温度范围)。


使用天然气生产这种热量的成本取决于当地的天然气价格。太阳能光热利用最终需要达到天然气的价格。下图2显示了美国各州天然气在2018/2019的价格。


光照越充足,太阳能光热利用就越便宜。每年的光照数据,请参考下图。


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图:美国2018*/2019年工业天然气价格,以及1999-2018年的平均DNI


如果工业用热需求的分布类似于美国的人口分布,并且如果将120⁰C-220⁰C的工业用热需求的30-40%,通过太阳能与压力储水关相结合来满足,那么我们将有290,000MW的市场机会。


假设折旧期25年,资本成本4%,运维成本$5/MWh,而且每个州的市场价格将与每个州的天然气成本相匹配,则在120⁰C-220⁰C范围内产生的工业用热市场的潜力为1800亿美元,能够使成本曲线从加利福尼亚的820,000美元/MW(加州的市场约29,000MW,潜力为240亿美元)下降至俄克拉荷马州的90,000美元/MW,后者市场潜力为$2.85亿。


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图:为了与当地天然气价格与潜在的收入竞争,美国每个州(夏威夷除外)要达到的光场成本目标($/MW),包括运营和维护合同。假设25年,资本成本为4%,运营和维护成本为$5/MWh,白天/黑夜存储的需求覆盖率为30-40%。


随着更具成本竞争性的储热技术的引入,以及利用太阳能产生的热量对高温工艺进行预热的方法的发展,潜在的市场将不断增长。例如,在美国将太阳能用于对火电站的给水进行预热,可能会增加额外的50,000兆瓦的太阳能光热容量,从而增加市场机会,从而为美国的市场潜力增加25至300亿美元。


如果太阳能热解决方案提供商转向美国以外的世界,例如欧洲,那么他们通常将目光投向工业天然气价格更高的市场。下图显示了欧洲大型最终用户的最低天然气价格(以€为单位),同时显示当地日照状况。


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图:欧洲2018*/2019年大型承购人的工业天然气净价格,结合平均DNI图


估计欧洲在120⁰C-220⁰C范围内的工业用热消耗为1860TWh。假设平均DNI1500,天然气平均价格为$35/MWh,并假设其他方面与美国相同,则太阳能光热价格应为$820,000/MW,潜在安装量为370GW,包括服务和维护在内市场潜力为3700亿美元。


终端用户愿意为太阳能光热支付多少?


如果知道太阳能光场的投资和维护成本,所产生的能源价格也就可以确定。面对持续上升的碳排放税,来自关心气候变化的消费者带来的持续压力,以及一旦政府开始考虑颗粒物排放对他们的卫生系统的影响而采取其他征税,同时考虑到能源价格不断波动带来的总体不确定性,许多最终用户愿意支付一定的溢价,以换取确定的能源价格。


例如,2018年美国各州的天然气平均价格为21.2美元/兆瓦时,但自2015年以来,每月平均价格一直在15-25美元/兆瓦时的范围内波动。为了保护自己免受能源价格波动的影响,寻求稳定价格的公司可以购买期货。从2020年到2032年,期货的当前平均价格为8.6美元/MWh。这样的溢价很可能仅对高耗能的公司以及预计价格会上涨的公司具有吸引力。


基于这种推理,Jacob认为美国的最终用户平均愿意为去年的天然气价格支付15%的溢价,以换取固定的能源价格。


市场愿意为太阳能光热支付多少?


太阳能光热的成本在很大程度上取决于光照资源。但是,最终用户只会将太阳能光热的成本与天然气产生的热能相比。如上所述,对于美国而言,这意味着价格在$8-34/MWh的范围内,在欧洲约为$35/MWh。假设在最相关的州中,天然气的平均价格为25美元,在下图中绘制了无补贴的成本目标(以美元/MW为单位)与太阳辐射的关系。


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图:当市场价格为$25/MWh或$35/MWh时,太阳能光场无补贴市场价格($/kW)与太阳辐射(DNI)的函数图。


相信25美元/兆瓦时的目标是可以实现的。要达到这个目标,需要研究土地和热力传输的成本,并调整目前在太阳能光热行业中流行的商业模式。这部分,我们后续再分享。

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