中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：電池可以提升電力系統(tǒng)靈活性并對多種新能源電力集成提供重要輔助，但較高的成本阻礙了其廣泛應(yīng)用。Englberger等人在《Cell Reports Physical Science》中發(fā)文稱，通過動(dòng)態(tài)疊加多種應(yīng)用狀態(tài)可顯著提高儲(chǔ)能電池的性能。近日，Peter D. Lund教授基于此在Joule發(fā)表前瞻觀點(diǎn)“Improving the Economics of Battery Storage”。
根據(jù)《巴黎氣候協(xié)定》，各國越來越致力于碳中和。電力系統(tǒng)的碳減排對實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)起著至關(guān)重要的作用。因此越來越多的太陽能和風(fēng)能等可再生能源被用于減少電力系統(tǒng)碳排放。此外通過增加可再生能源在如移動(dòng)出行、供熱和制冷等方面的應(yīng)用助力其他部門的碳減排。如圖1所示，從基于燃料的能源系統(tǒng)向天氣驅(qū)動(dòng)的能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變將增加電力供應(yīng)的波動(dòng)，并將對電力系統(tǒng)的幾個(gè)要素產(chǎn)生廣泛的時(shí)空影響，通過阻塞管理、增加靈活性和輔助服務(wù)可以減輕這些影響。儲(chǔ)能和電池正適于解決這些問題。
圖1 可變可再生電力對電力系統(tǒng)的影響
如圖2所示，不同儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)決定了它們可以在電力系統(tǒng)中的作用類別。一般來說電池儲(chǔ)能適合解決電力質(zhì)量問題，工作時(shí)間從幾分鐘到幾小時(shí)不等，其適用范圍將在未來進(jìn)一步擴(kuò)大。
圖2 不同儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)
目前儲(chǔ)能仍然以抽水蓄能（99%）為主，但隨鋰離子電池經(jīng)濟(jì)性不斷提高，鋰電池在未來特別是在以火電為主的國家作為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成為一種可能。國際能源署（IEA）預(yù)測，到2040年，電池儲(chǔ)能規(guī)模將達(dá)目前水的20倍以上。此外，新興的電動(dòng)汽車廢舊電池(EVS)二次利用市場預(yù)計(jì)將增加電池在固定型應(yīng)用中的使用。IEA預(yù)測，到2030年電動(dòng)汽車將達(dá)到2000萬至5000萬輛，10年后回收利用這些電池將增加數(shù)百GWh的儲(chǔ)能容量。
雖然電池的理論潛力很大，但實(shí)際使用電池的程度將綜合考慮其成本與效益。儲(chǔ)能和電池的價(jià)值在不同場景下需要進(jìn)行系統(tǒng)性的考量。儲(chǔ)能可從促進(jìn)平衡、電網(wǎng)容量、儲(chǔ)量和發(fā)電充分性幾個(gè)方面為電力系統(tǒng)帶來益處。
在現(xiàn)有的電力設(shè)計(jì)市場中，電池儲(chǔ)能的優(yōu)勢由于缺乏必要的資金投入而無法實(shí)踐。然而，在如印度等以熱電為主的電力系統(tǒng)中，電池儲(chǔ)能既可以將大量光伏電池接入到電力系統(tǒng)中，又可以保持靈活性，是一種較為經(jīng)濟(jì)的選擇；但在如北歐地區(qū)等以水力發(fā)電為主的電力系統(tǒng)中，電池儲(chǔ)能并無經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
Englberger等人相關(guān)研究以獲取不同能源系統(tǒng)中電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)值以1.34MWh/1.25MW電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的競爭力，該系統(tǒng)代表了一個(gè)典型的基于熱電的電力系統(tǒng)。他們針對四個(gè)方面的電池儲(chǔ)能成本和損耗之間的平衡進(jìn)行了優(yōu)化了，兩個(gè)位于供給側(cè)(FTM)和兩個(gè)位于需求側(cè)(BTM)。前兩個(gè)通常涉及輸電系統(tǒng)和電力市場，例如調(diào)頻；后兩個(gè)涉及最終使用方和配電系統(tǒng)，例如調(diào)峰。
通過基于高時(shí)間分辨率（5分鐘）的真實(shí)情況數(shù)據(jù)對電池進(jìn)行全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，Englberger等人比較了電池在四種應(yīng)用中的不同分配策略。他們發(fā)現(xiàn)，針對多個(gè)應(yīng)用同時(shí)使用電池容量的堆疊策略，與僅將電池分配給一次性使用相比，年利潤可增加2-3倍。
假定電池儲(chǔ)能成本很高（€380/MWh），但仍能夠在4-6年內(nèi)實(shí)現(xiàn)收支平衡（凈現(xiàn)值，NPV>0）。與之形成對比的是，最好的單一用途場景（實(shí)時(shí)市場交易）九年后才能達(dá)到正的凈現(xiàn)值。由于在不同的功率和能量容量中需要權(quán)衡取舍，因此多用途的運(yùn)營利潤略低于多個(gè)一次應(yīng)用利潤的總和。
盡管并非所有這些都可以通過當(dāng)前的鋰離子技術(shù)解決，但由于他們的研究僅考慮調(diào)峰、自用、調(diào)頻、實(shí)時(shí)市場交易四個(gè)方面的收入，不包括例如供應(yīng)能力、配電、輸電、客戶能源管理應(yīng)用以及其他輔助服務(wù)，因此收入估計(jì)相對保守。但與此同時(shí)，在可以預(yù)見的未來，大量類似系統(tǒng)的使用會(huì)使單一系統(tǒng)的收益會(huì)降低。此外，盡管作者表明在不嚴(yán)重影響獲利能力的情況下，可以允許長達(dá)半天的長的切換時(shí)間用于電池再分配，但實(shí)際操作較為困難。
動(dòng)態(tài)堆疊多個(gè)應(yīng)用場景在技術(shù)上是可行的，但目前在許多國家禁止垂直捆綁的監(jiān)管框架為建立一個(gè)跨越傳輸和分配的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來阻礙。需要更新現(xiàn)有的電力市場規(guī)則使在輸配電系統(tǒng)結(jié)合處建立分布式的儲(chǔ)能系統(tǒng)來同時(shí)滿足電網(wǎng)供電測與需求側(cè)的需求。從而充分挖掘電池儲(chǔ)能的潛力助力電力系統(tǒng)碳減排。
Peter D. Lund, Improving the Economics of Battery Storage, Joule, 2020, DOI:10.1016/j.joule.2020.11.017
