中國儲能網(wǎng)訊：（6）長時儲能可用性的影響
第6章中介紹的美國幾個地區(qū)的模型結(jié)果，以及作為研究團隊在本章第7.2.3節(jié)中評估分布式儲能系統(tǒng)影響的一部分討論的低成本鋰離子電池儲能方案，強調(diào)了獲得低成本的鋰離子電池的重要性，從而用于電網(wǎng)脫碳。預期電池成本的下降趨勢，尤其是長時儲能的成本下降也很重要。在這里，研究團隊探討了從2040年開始的長時儲能技術的可用性如何影響印度電力系統(tǒng)的發(fā)展。在研究團隊的分析中，使用熱儲能作為長時儲能的代表技術，并檢查其在不同碳排放政策情景下的作用，包括假設沒有碳排放政策的參考案例和碳價格從2030年的20美元/噸上漲到接近的情景到2050年的50美元/噸。研究團隊還考慮了長時儲能在替代成本和性能假設下的作用（即中低端成本假設，在2040年和2050年保持不變）。
圖7.17表明，在研究團隊的參考案例中，在印度部署具有儲熱屬性的長時儲能系統(tǒng)，能夠在2050年將可再生能源棄電量減少了76%，并將可再生能源裝機容量增加了70%（假設長時儲能的成本中等）。由于液流電池等長時儲能技術的裝機容量和儲能容量可以獨立擴展，因此可以優(yōu)化這些長時儲能技術以最大限度地提高利用率，從而最大限度地降低成本。將研究團隊的中低成本長時儲能（熱儲能能）案例與參考案例（顯示2020年至2050年間碳排放量增加48%）進行比較，長時儲能的可用性有助于將燃煤發(fā)電量減少53%～58%，碳排放量減少54%～58%，到2050年電力系統(tǒng)成本將增加56%～59%。研究團隊的結(jié)果還表明，到2050年使用長時儲能可以替代更多的鋰離子電池儲能系統(tǒng)，而在中低成本場景下，長時儲能的持續(xù)時間將分別增加到8.6和10.4小時。
圖7.17參考案例（第1列）和中低成本長時儲能案例（分別為第2列和第3列）的模型結(jié)果
盡管取得了這些有利的結(jié)果，但部署的長時儲能系統(tǒng)不足以完全取代新的燃煤發(fā)電設施，并且對現(xiàn)有燃煤發(fā)電廠的影響相對較小。圖7.18表明，相比之下，在碳排放的限制下，到2050年可以使長時儲能系統(tǒng)完全取代新的燃煤發(fā)電，并使發(fā)電成本最優(yōu)。這導致到2050年燃煤發(fā)電的使用量與2020年相比實際上減少了97%，在低成本和中等成本長時儲能（熱儲能）情景下，碳排放量分別減少98%。與沒有部署長時儲能的碳排放政策情景相比，這些情景中的長時儲能系統(tǒng)可用性還將總折扣系統(tǒng)成本降低了56%～62%。這凸顯了在目前依賴燃煤發(fā)電的新興市場和發(fā)展中經(jīng)濟體（EMDE）中，使用長時儲能技術（如熱儲能）可以在電網(wǎng)脫碳方面發(fā)揮關鍵作用。
圖7.18高碳價格案例（第1列）和中低成本儲能系統(tǒng)的模型結(jié)果（分別為第2列和第3列）
7.3 評估儲能系統(tǒng)在供應受限發(fā)展中的作用
在發(fā)電量不足以滿足負荷需求的新興市場和發(fā)展中經(jīng)濟體（EMDE），停電是司空見慣的事情。尼日利亞的發(fā)電量僅占峰值需求的26%。需要可靠電力的商業(yè)和工業(yè)(C&I)客戶通常必須安裝大型備用發(fā)電機（通常是柴油發(fā)電機）或與微電網(wǎng)開發(fā)商簽訂合同。來自微電網(wǎng)的電力通常由太陽能發(fā)電設施與電池儲能系統(tǒng)或柴油發(fā)電機相結(jié)合提供，無論是用戶承包還是擁有這些設施，其電價通常比電網(wǎng)供電貴得多。尼日利亞配電商AEDC公司最近推出了一項名為“AEDC分布式能源解決方案和戰(zhàn)略”(DESSA)的計劃，旨在通過有效地結(jié)合備用電源，為有意愿的客戶提供可靠和低成本的服務，并由第三方提供。根據(jù)DESSA計劃，監(jiān)管機構允許分銷商與第三方簽訂合同，在其服務區(qū)域的一部分內(nèi)向其客戶供電，在一天的約定時間內(nèi)按這些客戶與第三方供應商單獨協(xié)商的電價，必須經(jīng)過監(jiān)管部門批準。分銷商有義務以規(guī)定的電價為客戶供電，并且如果電力中斷，則必須向第三方支付罰款。
在這種情況下，第三方供應商有義務向客戶供貨。根據(jù)停電的可預測性和持續(xù)時間以及負載的時間特性，第三方供應商通常會尋求設計一種發(fā)電組合，以最大限度地降低供應商的固定成本和運營成本。這通常是太陽能發(fā)電設施與電池儲能系統(tǒng)以及柴油發(fā)電機的組合。在目前的情況下，當?shù)谌焦掏ㄟ^電網(wǎng)基礎設施分配電力時，會向第三方供應商收取分布式使用系統(tǒng)(DUoS)費用。AEDC公司目前沒有從第三方供應商購買多余發(fā)電的計劃。
研究團隊的分析只關注發(fā)電設施的設計和成本。在這里，研究團隊研究了各種電網(wǎng)中斷模擬下的混合發(fā)電組合，以評估儲能系統(tǒng)在尼日利亞等供應受限供電環(huán)境中的作用，在該環(huán)境中，配電級別的負載無法滿足通常是由于電力供應不足電網(wǎng)擁塞，不像在印度的大城市那樣。研究團隊沒有討論輸電層面的儲能系統(tǒng)，因為儲能系統(tǒng)不能有效地緩解整體供應短缺。
7.3.1 方法
研究團隊使用基于運營的設計優(yōu)化模型來確定不同電網(wǎng)可用性情景下成本最低的小型電網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)模?？紤]的資源是太陽能發(fā)電設施、電池儲能系統(tǒng)、備用柴油發(fā)電機。該模型的目標函數(shù)包括上述資源的年投資和運營成本。這些成本受到太陽能和電網(wǎng)供應資源可用性和電池儲能系統(tǒng)操作相關的限制。研究團隊在模型中包含以下費用：(1)DUoS費用，是項目開發(fā)商為使用配電網(wǎng)絡向公用事業(yè)公司支付的電力費用；(2)開發(fā)商費用是指開發(fā)商從公用事業(yè)公司購買電力為消費者供電或為電池儲能系統(tǒng)充電。電網(wǎng)可用性構建為每小時時間序列，包括隨機模擬頻率和持續(xù)時間的停電。對于每個投資期，在給定電網(wǎng)可用性的情況下，生成的程序會生成一個確定性的解決方案。為了探索小型電網(wǎng)設計和資源組合隨著時間的演變，研究團隊對2020年、2025年和2030年三個投資期進行了優(yōu)化。為了研究不確定電網(wǎng)中斷的影響，研究團隊對描述的電網(wǎng)可用性配置文件集合采用了蒙特卡羅模擬方法。研究團隊報告了集成中最常出現(xiàn)的系統(tǒng)設計。
7.3.2 儲能在并網(wǎng)微型電網(wǎng)中的作用：來自尼日利亞的見解
在研究團隊的案例研究中，研究團隊使用尼日利亞首都阿布賈市Wuse市場的負載曲線作為參考。Wuse市場是一個當?shù)氐穆短焐唐泛褪称肥袌?，?,155家商鋪，并在2019年產(chǎn)生了993kW的峰值需求。這個峰值通常發(fā)生在下午1點到4點之間。當市場在晚上關閉時，負載大幅減少（能耗主要來自共用的冷藏室）。2018年Wuse市場負載能耗占電網(wǎng)總需求的10%。使用上述方法，研究團隊對該市場采用的太陽能發(fā)電設施和鋰離子電池儲能系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)的成本優(yōu)化設計進行建模，考慮到第三方發(fā)電設施的費用和柴油發(fā)電機成本，以及預計到2030年Wuse市場的電力需求增長。研究團隊發(fā)現(xiàn)，在這些假設下，成本最優(yōu)的發(fā)電組合主要來自太陽能系統(tǒng)和電池儲能系統(tǒng)，可以將供電服務延長到下午晚些時候。圖7.19展示了研究團隊的參考案例結(jié)果，其中電網(wǎng)供應可用性對應于AEDC公司對2020年和2025年期間計劃電網(wǎng)中斷的預測。預計到2030年將不會出現(xiàn)電網(wǎng)中斷的情況。
圖7.19 沒有模擬電網(wǎng)中斷的小型電網(wǎng)設計結(jié)果
在經(jīng)濟調(diào)度下，如果有其他資源以較低的成本可用，微電網(wǎng)開發(fā)商可能會選擇不采用電網(wǎng)的電力來滿足電力需求，而是使用電網(wǎng)的電力為電池儲能系統(tǒng)充電，如圖7.20所示。柴油發(fā)電主要服務于夜間需求，并可在預定的電網(wǎng)中斷期間作為發(fā)電來源。經(jīng)濟可行的微電網(wǎng)在2020年的發(fā)電和運行系統(tǒng)成本為0.3美元/kWh，而柴油發(fā)電機的平準化成本在36%和16%的容量系數(shù)下分別在0.3美元/kWh和0.6美元/kWh之間。柴油發(fā)電機相對較低的成本使它們對小型電網(wǎng)開發(fā)商具有吸引力，以滿足夜間需求并在電網(wǎng)中斷期間提供備用電源。
圖7.20 沒有模擬電網(wǎng)停運的微電網(wǎng)調(diào)度情況（參考案例）
因此，即使在采用低成本儲能系統(tǒng)的情景中，研究團隊發(fā)現(xiàn)柴油發(fā)電機也可以包括在內(nèi)，盡管儲能容量比參考案例低68%，但擴大太陽能發(fā)電設施的部署，減少了對電網(wǎng)電力的需求。在現(xiàn)行電價下，由于很少使用的配電網(wǎng)絡的固定運營和維護成本，電網(wǎng)的電力在一天中的某些時間與微電網(wǎng)的電力（通過儲能系統(tǒng)放電）相比競爭力減弱，這可以應用在Wuse市場。需要注意的是，電網(wǎng)在正常運行條件下從規(guī)模經(jīng)濟中獲利，因此比微電網(wǎng)更加經(jīng)濟可行。然而，由于電力短缺，與AEDC公司談判的電價必然更高。
為了了解電網(wǎng)中斷如何影響儲能系統(tǒng)的作用和價值，研究團隊研究了在電網(wǎng)供應不確定的情況下的最佳系統(tǒng)運行和規(guī)?！獡Q句話說，當電力中斷是隨機而不是預定時。圖7.21突出顯示了與參考案例相比的三個模擬結(jié)果：(1)不頻繁的電網(wǎng)中斷；(2)頻繁的電網(wǎng)中斷；(3)電網(wǎng)中斷（即沒有電網(wǎng)可用性）。電網(wǎng)中斷以每個建模周期遞減的速率進行模擬。圖7.21表明，計劃外的電網(wǎng)中斷往往更適合采用柴油發(fā)電機，因為它是可調(diào)度的并且資本成本低。此外，在建模中不同的電網(wǎng)中斷方案中，與參考案例相比，部署儲能系統(tǒng)有所減少。著眼于第一個時期（2020年），當對微電網(wǎng)的初始投資發(fā)生在每個建模時期的最高停電頻率和最長停電時間時，研究團隊注意到更頻繁的電網(wǎng)中斷導致更多的柴油發(fā)電和更少的儲能容量（圖7.21）。
當電網(wǎng)斷開連接時，儲能系統(tǒng)為太陽能發(fā)電設施提供了補充。在低儲能成本假設下，上述和圖7.21所示的電網(wǎng)-柴油-儲能之間的關系保持不變。研究團隊得出的結(jié)論是，鑒于電網(wǎng)供應的不確定性，電池儲能系統(tǒng)在短期內(nèi)為工商業(yè)微電網(wǎng)客戶提供備用電源方面的作用有限。此外，由于預計電網(wǎng)供電會隨著時間的推移而改善，儲能系統(tǒng)并不是一種經(jīng)濟可行的解決方案，因為隨著電網(wǎng)供電的價格將會降低，作為備用電源解決方案的儲能系統(tǒng)投資回報將會下降。在電力供應受限的環(huán)境中，儲能系統(tǒng)的作用僅限于為可再生能源發(fā)電提供補充。需要注意的是，AEDC公司的情況可能與德里配電公司的情況相似，一旦電網(wǎng)供應充足，儲能系統(tǒng)可以作為一種非線纜替代方案來推遲電網(wǎng)升級。
7.4 結(jié)論和要點
本章在新興市場和發(fā)展中經(jīng)濟體(EMDE）的三個不同典型用例的背景下考慮部署儲能系統(tǒng) ：
（1）需求驅(qū)動國家（例如印度）的配電系統(tǒng)需要部署更多的儲能系統(tǒng)，在這些國家，儲能系統(tǒng)可以作為一種非線纜替代方案來推遲成本高昂的配電系統(tǒng)升級，否則這些升級是應對快速增長的峰值負載所必需的措施，主要是由空調(diào)負載需求增長的驅(qū)動。
（2）需求驅(qū)動型國家的發(fā)電和輸電系統(tǒng)的儲能應用，電力需求的整體增長和對可變的可再生能源發(fā)電依賴的轉(zhuǎn)變推動了儲能系統(tǒng)的采用。
（3）在供應受限的國家（例如尼日利亞）的應用，在這些國家，滿足電力需求的電網(wǎng)可用性的持續(xù)時間和供電不確定性，是儲能系統(tǒng)作為使用柴油發(fā)電機的替代方案的關鍵驅(qū)動因素。
研究團隊對印度配電系統(tǒng)儲能系統(tǒng)應用的分析得出以下主要結(jié)論：
?印度與許多其他新興市場和發(fā)展中經(jīng)濟體（EMDE）一樣，正在經(jīng)歷持續(xù)而快速的電力需求增長。在峰值需求增長速度快于總體需求的住宅配電系統(tǒng)中，需要為峰值負載提供電力服務，這為儲能問罪提供了一個重要的用例。
?與發(fā)達國家相比，印度交通電氣化在推動預計的高峰需求增長方面的作用要小得多。這主要反映了兩輪和三輪電動汽車在印度的作用。
?根據(jù)對印度四個特大城市的分析，具有成本效益的電池儲能系統(tǒng)可以推遲配電系統(tǒng)的升級，否則這些升級對于滿足迅速上升的住宅峰值電力需求是必要的措施。研究團隊的分析表明，到2040年，印度四個特大城市的配電系統(tǒng)應用需要部署高達140GWh的短時儲能系統(tǒng)（鋰離子電池儲能系統(tǒng)）。與印度相比，有幾個因素解釋了儲能系統(tǒng)在印度電力系統(tǒng)應用發(fā)揮相對較大的作用。：
–一般而言，印度的城市電t系統(tǒng)比發(fā)達國家更加擁塞。例如在德里，可用的電力支線數(shù)據(jù)表明，28%的電力支線平均負載量為60%或更多。相比之下，美國馬薩諸塞州國家電網(wǎng)服務區(qū)域的饋線平均負載量為34%。
–印度的高融資成本增加了儲能系統(tǒng)的相對價值，以推遲配電網(wǎng)絡中的電力線路升級。
–空調(diào)是預計印度主要城市電力需求增長的主要驅(qū)動力。此外，在印度等發(fā)展中國家，空調(diào)使用的特點（例如主要采用分體式空調(diào)）使其使用不如發(fā)達國家那樣靈活，并導致電力需求峰值更高、更集中。
研究團隊對印度電網(wǎng)儲能系統(tǒng)應用的分析得出的主要結(jié)論：
?到2050年的額外需求可以通過可再生能源發(fā)電設施和短時儲能系統(tǒng)（鋰離子電池儲能系統(tǒng)）的組合在很大程度上得到滿足，同時大幅減少對燃煤發(fā)電或天然氣發(fā)電的依賴。這將需要部署更多的可再生能源發(fā)電設施。新的和現(xiàn)有的燃煤發(fā)電繼續(xù)作為2050年主要的發(fā)電來源，除非受政策限制。
?輸電層級的短時儲能系統(tǒng)（鋰離子電池）可以經(jīng)濟高效地部署，而到2050年印度將部署更多的可再生能源發(fā)電設施。短時儲能需求與空調(diào)的電力需求密切相關。
?由于規(guī)模龐大，到本世紀中葉，印度很可能成為鋰離子儲能系統(tǒng)的主要市場。例如，在這項研究評估的鋰離子儲能系統(tǒng)的成本、天然氣價格和空調(diào)高需求的不同情景中，到2040年，印度部署的電網(wǎng)規(guī)模鋰離子儲能系統(tǒng)的裝機容量和儲能容量可能分別高達668GW和4,716GWh。
?如果能夠比鋰離子電池儲能系統(tǒng)具有更高的充電和放電率、更高的儲能容量以及更低的資本成本，那么長時儲能可以在2050年大幅取代新的燃煤發(fā)電設施，并減少電網(wǎng)碳排放。將這種碳排放政策與其他技術方案相結(jié)合，例如低成本的鋰離子儲能系統(tǒng)以及更低的天然氣價格或者部署具有上述特征的長時儲能技術，可以在2050年之前淘汰燃煤發(fā)電設施，并實現(xiàn)近乎完全的電網(wǎng)脫碳，同時還可以部分降低電力系統(tǒng)由于碳排放限制而增加的成本。
研究團隊對儲能系統(tǒng)在供應受限的電力系統(tǒng)中的作用的分析得出的主要結(jié)論：
?在發(fā)電供應不足的國家的輸電或配電系統(tǒng)中，電池儲能系統(tǒng)提供了一種潛在的重要手段，可以提高短期停電的電力服務可靠性，減少住宅和商業(yè)消費者的柴油消耗量，并降低這些消費者的電力成本（包括用于備用柴油發(fā)電機）。
?在一些住宅和商業(yè)環(huán)境中，當電網(wǎng)中斷頻繁且持續(xù)時間較短（幾個小時）時，可以預測具有儲能系統(tǒng)和太陽能發(fā)電設施的微電網(wǎng)可以與備用柴油發(fā)電機進行競爭。然而，如果停電是不可預測的并且可能持續(xù)很長時間，那么采用備用柴油發(fā)電機更加經(jīng)濟可行。
（未完待續(xù)）
