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(yáng)能發(fā)電間歇性的挑戰(zhàn),。同時(shí),，旨在促進(jìn)儲(chǔ)能" title="電池儲(chǔ)能" target="_blank">電池儲(chǔ)能市場(chǎng)增長(zhǎng)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(kāi)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(lái)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(lái)源對(duì)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(yáng)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(jìng)爭(zhēng)。

　　預(yù)測(cè)未來(lái)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(cè),，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(lè)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(shì)(見(jiàn)上篇),。該預(yù)測(cè)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(chǎng)中最有效的信息,。因?yàn)閷＠麛?shù)遵循隨機(jī)泊松過(guò)程,，未來(lái)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^(guò)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(duì)于目前的預(yù)測(cè),，該文獻(xiàn)曾發(fā)現(xiàn)了對(duì)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(duì)電池成本的影響可能不像鋼鐵價(jià)格對(duì)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(duì)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(wú)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(duì)未來(lái)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(cè)。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(jìng)爭(zhēng)。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(duì)電動(dòng)汽車的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力有著影響。這些預(yù)測(cè)結(jié)果低于先前報(bào)告文獻(xiàn)中的數(shù)值,。

　　通過(guò)雙因素模型的結(jié)果,，我們還研究比較了通過(guò)檢索學(xué)習(xí)和通過(guò)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(shì)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(zhǎng)76美元/kWh,。在沒(méi)有任何新創(chuàng)新的最極端情況下,，僅通過(guò)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(guò)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(guò)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(yáng)能光伏和風(fēng)能成本削減,，都來(lái)自于工藝改進(jìn)以及用部署的利潤(rùn)進(jìn)一步推動(dòng)企業(yè)創(chuàng)新研發(fā),。如果對(duì)儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)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(guó)太陽(yáng)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(shì)預(yù)計(jì)會(huì)使住宅太陽(yáng)能和電池儲(chǔ)能在成本上與電網(wǎng)電力相競(jìng)爭(zhēng),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(duì)防停電保護(hù)的利基市場(chǎng)，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(lái)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(duì)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(cè)，這些預(yù)言未來(lái)儲(chǔ)能悲觀價(jià)格的研究都沒(méi)有考慮創(chuàng)新和部署的互補(bǔ)效應(yīng),，以及未來(lái)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(lái)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(duì)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(lái)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(guò)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(guó)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(zhǎng)和降低成本的最佳例證,。然而,，在過(guò)去的十年里，能源領(lǐng)域的公共研發(fā)支出并沒(méi)有跟上能源行業(yè)收入的增長(zhǎng),。圖3顯示了美國(guó)聯(lián)邦政府在1976年至2015年間的研發(fā)支出,。在此期間，美國(guó)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(guó)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(jìng)爭(zhēng)力的可調(diào)度太陽(yáng)能,、風(fēng)能和電力存儲(chǔ)。

　　圖中是美國(guó)聯(lián)邦政府在1976 - 2016年的研發(fā)支出,。美國(guó)聯(lián)邦政府的研發(fā)支出在過(guò)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(guó)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(lái)自美國(guó)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(duì)于提高電動(dòng)汽車的行駛里程從而與傳統(tǒng)車輛競(jìng)爭(zhēng)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(guò)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(guò)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(duì)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(méi)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(duì)電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)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(cè)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(chǎng)份額,，而能源應(yīng)用可能會(huì)繼續(xù)滯后,。通過(guò)搜索來(lái)學(xué)習(xí),，或者是創(chuàng)新(通過(guò)“研究”來(lái)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(duì)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(guò)容量目標(biāo)來(lái)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(gòu)買的東西都會(huì)得到激勵(lì),。儲(chǔ)能的部署目標(biāo)可能沒(méi)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(lái)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(duì)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(lái)削弱電化學(xué)存儲(chǔ);然而,，兩者可能都有市場(chǎng),。長(zhǎng)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(jiǎn)單地向電網(wǎng)注入功率,。通過(guò)能量密度和降低成本來(lái)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(chǎng)增長(zhǎng),，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(duì)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(chǎng),。通過(guò)研究，我們發(fā)現(xiàn)了與通過(guò)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(guò)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(yáng)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(cè)了2019年的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),，當(dāng)時(shí)預(yù)測(cè)的價(jià)格突破了100美元/ kWh的門檻,，與目前的預(yù)測(cè)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(guó)的研發(fā)可以通過(guò)投資開(kāi)發(fā)新電池材料來(lái)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(guò)材料的選擇來(lái)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(chǎng),。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(yáng)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(guó)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(guó)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(duì)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(cè)未來(lái)儲(chǔ)能設(shè)備的價(jià)格走勢(shì)，強(qiáng)調(diào)了儲(chǔ)能研發(fā)投入對(duì)降低儲(chǔ)能成本的積極作用,，并討論了未來(lái)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(wèn)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(lái)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(lái)看,，儲(chǔ)能行業(yè)是多學(xué)科融合的朝陽(yáng)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(cè),、精確計(jì)算以及精細(xì)控制,。