電力儲(chǔ)能評(píng)估框架及典型應(yīng)用案例

:引言：電力儲(chǔ)能可以提高電力系統(tǒng)中可變可再生能源（VRE）的份額，從而加速離網(wǎng)電氣化并間接使運(yùn)輸部門(mén)脫碳。雖然它在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮關(guān)鍵作用，但是儲(chǔ)能的系統(tǒng)價(jià)值通常難以進(jìn)行解釋?zhuān)@使得設(shè)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)一步導(dǎo)致投資收益受損，成本流失。國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)（IRENA）提出儲(chǔ)能評(píng)估框架（ESVF），其目的在于幫助制定有效的儲(chǔ)能政策，以整合可再生能源發(fā)電。電力儲(chǔ)能的重要性電力儲(chǔ)能是指存儲(chǔ)電能并在最需要時(shí)按需釋放電能的技術(shù)。它可以通過(guò)快速可變的部署和有效的輔助服務(wù)加速能量轉(zhuǎn)換，使發(fā)電資產(chǎn)的盈利能力（如提高捕獲價(jià)格、獲得輔助服務(wù)收入）最大化，進(jìn)而解決能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型所帶來(lái)的某些經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。儲(chǔ)能技術(shù)是將大量VRE集成到電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵助力，也是提高電網(wǎng)柔性的關(guān)鍵技術(shù)，如下圖所示。

（來(lái)源：微信公眾號(hào)“直流建筑聯(lián)盟”ID：DC_building）

圖1 傳統(tǒng)的柔性提供者（左）與新興的柔性提供者（右）

能夠提供快速頻率響應(yīng)的電力系統(tǒng)已在某些國(guó)家（如英國(guó)）中出現(xiàn)。1）幾秒到幾分鐘的儲(chǔ)能，能夠提供業(yè)務(wù)儲(chǔ)備（主要是電池，飛輪和抽水電）。2）數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)不等的抽水蓄能、液流電池可用于負(fù)載跟蹤和能源時(shí)移（能源套利）。3）數(shù)小時(shí)到數(shù)天，數(shù)周甚至數(shù)月可進(jìn)行長(zhǎng)期電力儲(chǔ)能及調(diào)度。

圖2 電力儲(chǔ)能可以在不同的時(shí)間范圍內(nèi)提供的系統(tǒng)服務(wù)

儲(chǔ)能可提供的服務(wù)取決于電源系統(tǒng)中的連接點(diǎn)。輸電級(jí)連接時(shí)，電力儲(chǔ)能可以支持更高的VRE接入比例，參與電力市場(chǎng)招標(biāo)以買(mǎi)賣(mài)電力，并在與技術(shù)能力相關(guān)的各個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)提供輔助服務(wù)。配電級(jí)連接時(shí)，儲(chǔ)能在提供上述所有服務(wù)的同時(shí)，還幫助本地變電站提高電能質(zhì)量和可靠性。

它還可以連接到其他發(fā)電設(shè)施，從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的價(jià)格捕獲，提供電網(wǎng)服務(wù)的同時(shí)節(jié)省連接成本。儲(chǔ)能裝置也可以放在用戶(hù)端，以支持用戶(hù)增加PV本地消納，減少電費(fèi)。

圖3 儲(chǔ)能的網(wǎng)格應(yīng)用

針對(duì)不同利益相關(guān)者，基于研究結(jié)果，IRENA報(bào)告提出了以下的儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展建議：

1、儲(chǔ)能開(kāi)發(fā)商應(yīng)制作各種針對(duì)特定市場(chǎng)的業(yè)務(wù)模型，可以為其項(xiàng)目提供可行的案例。

2、進(jìn)行垂直整合的公用事業(yè)公司應(yīng)考慮升級(jí)計(jì)劃工具，并公開(kāi)咨詢(xún)其它利益相關(guān)方。使費(fèi)率設(shè)計(jì)人員、計(jì)劃人員和電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商能夠共同努力，充分發(fā)掘儲(chǔ)能裝置的潛力。

3、監(jiān)管者應(yīng)消除相關(guān)法律或管理方面的阻礙，以免影響儲(chǔ)能參與能源和輔助服務(wù)市場(chǎng)的發(fā)展

4、研究機(jī)構(gòu)可以開(kāi)發(fā)相關(guān)工具和研究具體方法來(lái)進(jìn)行電力儲(chǔ)能評(píng)估。

儲(chǔ)能評(píng)估體系（ESVF）的提出旨在支持監(jiān)管機(jī)構(gòu)和其他利益相關(guān)方使用建模工具來(lái)評(píng)估電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能的系統(tǒng)價(jià)值。

ESVF分五步進(jìn)行指導(dǎo)研究，研究中心主要圍繞以下幾點(diǎn)展開(kāi)：a）儲(chǔ)能為電力系統(tǒng)帶來(lái)的價(jià)值；b）儲(chǔ)能的最佳利用方式；c）確保可盈利收入高于成本的方法。

圖4 儲(chǔ)能評(píng)估框架：五個(gè)階段

儲(chǔ)能評(píng)估體系（ESVF）的步驟

階段1：識(shí)別可支持與集成VRE的電力儲(chǔ)能服務(wù)

如前所述，在階段1就確定能支持VRE集成的所有電力儲(chǔ)能服務(wù)。圖5分析了各種能源服務(wù)的內(nèi)容以及區(qū)別。紅色框表示在被評(píng)估框架中需要量化的部分，需要特定的建模工具進(jìn)行量化分析。

圖5 可量化的儲(chǔ)能服務(wù)

階段2：存儲(chǔ)技術(shù)映射

此階段必須建立不同存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)各種應(yīng)用的適用性概述。

表1 可供考慮的存儲(chǔ)技術(shù)列表

注：CAES =壓縮空氣儲(chǔ)能；LFP =亞磷酸鐵鋰；LTO =鈦酸鋰；NaNiCl =氯化鎳鎳; NaS =鈉硫；NCA =鋰鎳鈷鋁；NMC =鋰鎳錳鈷；VRLA =閥控鉛酸；ZnBr =溴化鋅。

階段3：系統(tǒng)價(jià)值分析

該階段主要進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)分析，計(jì)算給定電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)所投入資產(chǎn)的總經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 系統(tǒng)價(jià)值分析步驟

通過(guò)在高峰時(shí)段滿(mǎn)足需求，非高峰時(shí)段存儲(chǔ)低成本電力的方法，儲(chǔ)能可以提高電力系統(tǒng)的VRE容納率。這不僅節(jié)約了石油等更昂貴的高峰發(fā)電資源，降低高峰時(shí)段電價(jià)的同時(shí)，也避免出現(xiàn)與能源供求事件相關(guān)的潛在價(jià)格飆升。

圖7 不帶儲(chǔ)能（上）和帶儲(chǔ)能（下）的電力特征變化

階段4：儲(chǔ)能運(yùn)行與累計(jì)收益模擬

儲(chǔ)能可以一次為系統(tǒng)提供多個(gè)價(jià)值流，但通常以降低總系統(tǒng)成本或生產(chǎn)成本為目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)分析。此時(shí)還需模擬儲(chǔ)能過(guò)程對(duì)以上分析進(jìn)行補(bǔ)充。此方法模擬儲(chǔ)能資產(chǎn)如何從能源和輔助服務(wù)市場(chǎng)中獲得更多收益，探究實(shí)際市場(chǎng)利潤(rùn)最大化的方法。

階段5：儲(chǔ)能項(xiàng)目的可行性分析

該階段是查看單個(gè)儲(chǔ)能項(xiàng)目在不同情況下的收益，研究項(xiàng)目收入是否足以維持儲(chǔ)能項(xiàng)目支出，該階段主要使用項(xiàng)目可行性模型。

項(xiàng)目可行性模型主要是成本效益分析，用于評(píng)估提供預(yù)定義服務(wù)的儲(chǔ)能項(xiàng)目是否具有成本效益。在考慮了項(xiàng)目收益和系統(tǒng)價(jià)值以及項(xiàng)目成本之后，可行性模型將可貨幣化的收益進(jìn)行疊加，并將其與成本進(jìn)行比較。

下圖顯示了項(xiàng)目可行性模型的結(jié)果示例。在此特定示例中，盡管系統(tǒng)收益總和超過(guò)成本，但項(xiàng)目收入小于成本，項(xiàng)目所有者出現(xiàn)“負(fù)收益“。

圖8 成本和收益分析

儲(chǔ)能適用的情景案例

隨著可再生能源的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)面臨與運(yùn)營(yíng)和規(guī)劃有關(guān)的挑戰(zhàn)，此時(shí)需要更加靈活的能源系統(tǒng)來(lái)確?？煽俊⒂行У卣腺Y源。儲(chǔ)電系統(tǒng)具有快速吸收電能、存儲(chǔ)然后再注入電網(wǎng)的能力，因此將成為VRE集成的關(guān)鍵技術(shù)。

下面例舉8個(gè)不同情景的應(yīng)用案例：

案例1：業(yè)務(wù)儲(chǔ)備

具有高非同步發(fā)電（如來(lái)自VRE）比例的電力系統(tǒng)，慣性更低，需要更快的資源響應(yīng)來(lái)阻止由功率不平衡產(chǎn)生的頻率變化。這種情況下，電力儲(chǔ)能是非常合適的技術(shù)，可以對(duì)任何不平衡功率提供快速響應(yīng)。

英國(guó)實(shí)施的增強(qiáng)頻率響應(yīng)服務(wù)（EFR），預(yù)計(jì)在系統(tǒng)中部署201 MW儲(chǔ)能裝置，來(lái)提供頻率響應(yīng)。南澳大利亞已部署了100 MW的特斯拉電池來(lái)提供頻率控制輔助服務(wù)（FCAS）和能源套利服務(wù)。

圖9 英國(guó)的頻率響應(yīng)服務(wù)

案例2：負(fù)荷柔性爬坡

高VRE滲透率的電力系統(tǒng)中，資源的可變性和不確定性不斷重塑負(fù)載曲線(xiàn)。當(dāng)太陽(yáng)能PV的滲透率很高時(shí)，負(fù)載曲線(xiàn)將向所謂的“鴨形曲線(xiàn)”靠攏，其特點(diǎn)是系統(tǒng)中的其他資源需要滿(mǎn)足很高的爬坡要求，而儲(chǔ)能技術(shù)能滿(mǎn)足這些斜坡要求，使得鴨形曲線(xiàn)變平坦。

圖10 儲(chǔ)能對(duì)鴨形曲線(xiàn)的影響：提供靈活的負(fù)荷坡度

案例3：能源套利

能源系統(tǒng)的不斷發(fā)展，要求電力系統(tǒng)匹配實(shí)時(shí)的供需?？紤]到太陽(yáng)能和風(fēng)能的高度不可預(yù)測(cè)性，實(shí)時(shí)供需預(yù)測(cè)極具挑戰(zhàn)性。利用儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)提供靈活性并提高電網(wǎng)效率是一種可行的解決方案。能源套利是儲(chǔ)能系統(tǒng)提供的價(jià)值流之一，人們可以在電價(jià)便宜時(shí)存儲(chǔ)電量，在電價(jià)昂貴時(shí)將其接入電網(wǎng)，從差價(jià)中獲得收益。

但是，單獨(dú)進(jìn)行能源套利是不夠的，因?yàn)樵谝惶?、一周或一個(gè)月內(nèi)，高峰和非高峰之間的價(jià)格差異，會(huì)隨著套利的增加而減小。也就是說(shuō)套利可能會(huì)隨著儲(chǔ)能滲透率的增長(zhǎng)而飽和，因此需要結(jié)合電網(wǎng)服務(wù)來(lái)積累套利收入。

案例4：VRE曲線(xiàn)的平滑化

現(xiàn)在安裝的存儲(chǔ)系統(tǒng)多數(shù)是為了幫助VRE曲線(xiàn)實(shí)現(xiàn)平滑化。但是，當(dāng)與其他服務(wù)堆疊在一起時(shí)，那些都將成為附加價(jià)值。此外，平滑化的VRE輸出對(duì)于獨(dú)立電網(wǎng)尤其重要。電網(wǎng)高峰用電期的輔助能源通常是污染嚴(yán)重的柴油發(fā)電機(jī)，如果使用可再生能源發(fā)電便可大幅度的降低污染，減少二氧化碳排放。

案例5：傳輸與分配投資延緩

VRE占比的提高會(huì)增加傳輸與分配（T＆D）擁堵的風(fēng)險(xiǎn)，而儲(chǔ)能是避免擁堵并延緩T＆D網(wǎng)絡(luò)投資的潛在解決方案。一些項(xiàng)目已經(jīng)安裝并成功運(yùn)行。意大利的特爾納安裝了38.4 MW的鈉硫電池，用于延緩輸電投資。

案例6：優(yōu)化工廠(chǎng)投資

電源系統(tǒng)必須具有足夠的容量來(lái)滿(mǎn)足峰值需求，但是高滲透率的VRE可能導(dǎo)致系統(tǒng)容量過(guò)剩，供應(yīng)機(jī)制的安全性難以保證。

儲(chǔ)能是保證供應(yīng)機(jī)制安全性的一個(gè)選擇，因?yàn)樗鼈兲峁┝祟~外的電力轉(zhuǎn)化途徑。使用儲(chǔ)能來(lái)滿(mǎn)足高峰需求可以降低對(duì)調(diào)峰電站的投資，馬薩諸塞州和紐約市的研究項(xiàng)目已證明了這一點(diǎn)。

案例7：在離網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)較高的VRE占比

許多農(nóng)村地區(qū)和島嶼仍然嚴(yán)重依賴(lài)化石燃料，但它們的電力供應(yīng)并不可靠，一天中只有數(shù)小時(shí)能使用電力。太陽(yáng)能光伏和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是已知的最低成本、最環(huán)保的解決方案。

離網(wǎng)中使用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的其他好處還包括：減少環(huán)境影響（局部排放，全球排放，燃料泄漏）、減少對(duì)價(jià)格波動(dòng)性進(jìn)口燃料的依賴(lài)以及增強(qiáng)本地能源供應(yīng)的獨(dú)立性。

案例8：后臺(tái)電力儲(chǔ)能

近年來(lái)，傳統(tǒng)電網(wǎng)已經(jīng)逐漸向智能電網(wǎng)升級(jí)。在智能電網(wǎng)中，消費(fèi)者可以使用自己的可再生電源與電網(wǎng)互動(dòng)。為了最大程度地實(shí)現(xiàn)自我消費(fèi)，電力儲(chǔ)能是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。它在減少電費(fèi)和需求費(fèi)用的同時(shí)提供備用電源，提高電網(wǎng)靈活性。

原標(biāo)題:電力儲(chǔ)能評(píng)估框架及典型應(yīng)用案例