中國儲能網訊：3、為什么一些研究低估儲能需求
根據(jù)對現(xiàn)有一些研究報告的分析，這些研究對于歐洲儲能市場通常缺乏全面的研究，包括基于電力系統(tǒng)需求的所有儲能技術選擇。而考慮到最新的成本預測、修訂的氣候目標，以及減少對化石天然氣進口依賴的重要性以確保歐盟的能源獨立和供應安全，以下部分確定了必須更新和考慮的關鍵因素，以準確反映2030年和2050年的儲能需求。
3.1、氣候和行業(yè)目標與儲能目標不一致
在電力系統(tǒng)規(guī)劃中必須考慮所有現(xiàn)有和擬議的行業(yè)目標，并且應該不斷更新以調整未來電力系統(tǒng)的所有政治、市場和技術方面的目標。歐盟最近提供的REPowerEU計劃將可再生能源發(fā)電份額提高到45%，這將導致更大的系統(tǒng)靈活性需求，其中包括儲能系統(tǒng)。此外，在2020年歐盟氫能戰(zhàn)略中制定的氫能目標已經設定了部署40GW氫氣電解槽的目標，到2030年在歐盟生產高達1000萬噸氫氣（約330TWh）。在REPowerEU計劃中進一步增加到60GW以上。除了實現(xiàn)最初修訂的目標之外，這還需要獲得大量額外的可再生能源電力。因此必須清楚地了解如何將可再生能源的電力分配給制氫行業(yè)，以便準確地確定電力系統(tǒng)需求和所需的儲能技術，以提供系統(tǒng)靈活性和能量轉換服務，支持整合更多的風力發(fā)電和太陽能發(fā)電。其整體方法對于調整各行業(yè)領域的目標以及考慮所有變量的情況下確定電力系統(tǒng)的需求至關重要。
3.2、當今高電價：迫切需要減少對天然氣發(fā)電的依賴
《歐洲氣候法》設定了具有約束力的目標，與1990年的水平相比，歐洲到2030年的溫室氣體凈排放量需要減少55%以上。如果沒有大幅減少化石燃料發(fā)電量，歐洲就無法實現(xiàn)其氣候目標。隨著可再生能源滲透率的增長以及燃煤發(fā)電廠等傳統(tǒng)可調度發(fā)電資產的退役和淘汰，對靈活備用發(fā)電的需求變得越來越重要。雖然天然氣峰值發(fā)電廠可用于可調度發(fā)電，以彌補風力發(fā)電和太陽能發(fā)電量不足的情況，但逐步淘汰化石燃料發(fā)電資產（例如燃煤發(fā)電廠）可以成功地遵循歐洲的氣候目標可持續(xù)地減少溫室氣體排放。如果考慮更高的二氧化碳價格、原產地保證和二氧化碳證書，這種前景可能會改變，從而使儲能技術在減少溫室氣體排放方面發(fā)揮的重要作用得到認可。雖然可以為天然氣發(fā)電廠添加碳捕集利用和儲存（CSS）設施，但其捕集效率并沒有那么高，而且碳捕集利用和儲存（CSS）設施還增加了天然氣發(fā)電廠的投資成本和資本密集度，通常需要將其安裝在靠近二氧化碳儲存或使用設施的地方。這也沒有消除歐洲依賴第三方進口天然氣的問題，如今人們看到這一問題的災難性影響。天然氣的極端成本推高了電價，而依賴進口天然氣是歐盟供應安全的一個嚴重問題，必須將這一問題視為降低天然氣發(fā)電廠靈活性的驅動因素。歐洲必須消除對外部進口化石燃料的依賴，并建立可靠的本地能源供應。
如今，可能會解決這個問題，通過最大限度地提高可再生能源的發(fā)電量，以及部署更多的儲能系統(tǒng)，將最大限度地減少棄電，并使用當今可用的能源技術創(chuàng)建低排放、可調度的備用能源。此外，使用熔鹽儲能、液化空氣儲能、壓縮空氣儲能、抽水蓄能設施等長時儲能技術提供關鍵的系統(tǒng)慣性和額外的電網穩(wěn)定性。使用電池儲能系統(tǒng)、并網電源率轉換器、HDVC提供近瞬時的電力輸出，在電力系統(tǒng)頻率在5毫秒的時間范圍內發(fā)生變化的情況下復制慣性。而儲能系統(tǒng)已經成為美國天然氣峰發(fā)電廠的可行替代方案。美國國家可再生能源實驗室（NREL）最近的一項研究表明，通過減少化石燃料發(fā)電廠啟動和相關排放，以及增加對低碳資源的使用，儲能系統(tǒng)將在未來的電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。同樣，在澳大利亞，基于成本、靈活性、電網服務和減少碳排放，大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)現(xiàn)在成為提供峰值電力服務的首選技術。長時儲能（LDES）技術也被證明是英國在2035年替代50 TWh以上天然氣發(fā)電的替代方案。歐洲儲能協(xié)會的這項研究發(fā)現(xiàn)，如果引入分布式配電系統(tǒng)，2035年的電力系統(tǒng)總成本可以減少11.3億英鎊（2.5%）。
3.3、通過能量轉換最大限度地減少削減
當風力發(fā)電和太陽能發(fā)電量超過需求時，就會出現(xiàn)棄電的情況，這導致多余的電力被浪費?；蛘撸旊娏ο到y(tǒng)容量受到限制時，必須對可再生能源發(fā)電量進行調度，這意味著必須削減電力。當減少可再生能源電力時，通常需要增加天然氣發(fā)電量以滿足需求。例如在愛爾蘭，由于電力系統(tǒng)限制，2020年11.4%的可用風電(1,448GWh)被削減。隨著越來越多的風力發(fā)電和太陽能發(fā)電設施上線運營，這一數(shù)字逐年增長。棄電不僅浪費當?shù)厣a的清潔能源，而且損失巨大。例如在英國，2020年超過3.6TWh的風力發(fā)電量被削減，棄電損失超過11億英鎊。如果在需要時儲存和使用這些清潔能源的電力，可以為100多萬戶家庭全年供電。
儲能系統(tǒng)將能夠吸收多余的風力發(fā)電和太陽能發(fā)電量，否則這些電力將被浪費掉。因此，儲能系統(tǒng)可以通過轉移和存儲多余的電力，并使用這些電力來彌補傳統(tǒng)上由天然氣發(fā)電廠彌補的能源短缺，從而最大限度地減少棄電情況。通過這種方式，儲能系統(tǒng)可以最大限度地利用歐盟本身的可再生能源，并減少對進口天然氣的依賴。能量轉換是由存儲能量并將該能量返回電力系統(tǒng)的儲能技術 提供的服務。這些儲能技術包括電池儲能系統(tǒng)和長時儲能系統(tǒng)（LDES）。長時儲能系統(tǒng)其中包括：抽水蓄能、重力儲能、壓縮空氣儲能（CAES）、液態(tài)空氣儲能（LAES）、熱儲能（顯熱、潛熱、熱化學）、化學儲能和電化學儲能（液流電池）。預計到2040年部署長時儲能系統(tǒng)的裝機容量將達到128～264GW。在這些儲能技術中，抽水蓄能是最成熟的一種長時儲能技術。而通過傳統(tǒng)的水力發(fā)電設施改造成抽水蓄能發(fā)電設施，儲能容量的增長潛力巨大。這些使用現(xiàn)有水壩改造的資本支出與從頭開始建造抽水蓄能發(fā)電設施相比要低得多。預計到2030年全球將有65GW以是的抽水蓄能發(fā)電設施，與現(xiàn)在運營的抽水蓄能發(fā)電設施的裝機容量相比將增長約10%。此外，獲得歐盟委員會資助的由主要歐洲利益相關者組成的財團eStorage Project的一項聯(lián)合研究確定了2291GWh的可開發(fā)場地，這些場地通常具有現(xiàn)有水庫，用于新建抽水蓄能發(fā)電設施。抽水蓄能發(fā)電設施必須被視為一項成熟的技術，具有良好的業(yè)績記錄，但在當今的電力系統(tǒng)和儲能規(guī)劃中往往沒有得到足夠的認可。
能量轉換技術有以下一些優(yōu)勢：
（1）歐盟能源供應安全在未來將依靠歐盟生產并儲存的可再生能源電力。通過這種方式，可以消除對第三方電力或天然氣進口的依賴，避免電力和天然氣價格上漲。例如，在夏季存儲的清潔能源電力可以在冬季提供峰值容量，而不再使用天然氣峰值發(fā)電廠的電力。
（2）通過儲存原本會被削減以緩解電網擁塞的可再生能源電力或使用這種能源來彌補通常由成本高昂并且污染嚴重的天然氣發(fā)電廠所彌補的電力短缺，從而最大限度地減少削減和重新調度的成本。
（3）用低排放的儲能解決方案替代天然氣發(fā)電廠等化石燃料發(fā)電廠的靈活性來源，減少對額外調峰發(fā)電的需求，同時根據(jù)歐盟氣候目標減少溫室氣體排放。與排放二氧化碳并需要部署碳捕獲和儲存(CCS)的燃氣峰值發(fā)電廠相比，儲能系統(tǒng)提供了一種模塊化、低排放的替代方案。
（4）儲能系統(tǒng)可以最大限度地利用現(xiàn)有可再生能源的電力，通過儲存并在需要時使用這些多余的能源，進一步減少對化石能源的依賴。
（5）支持電網約束管理，通過儲能系統(tǒng)將電力供應從擁塞時段轉移到非擁塞時段，減少建設電網的數(shù)量和成本。
（6）提供不同持續(xù)時間的儲能服務（日內、日間和季節(jié)性），有助于在較低發(fā)電量（例如風力不足或陽光不足的時期）或較高需求（例如供暖需求上升時的冬天）的較長時期內平衡電力系統(tǒng)。
3.4、成本預測和技術成熟度數(shù)據(jù)不能反映實際情況
對于成本的假設和評估特別重要，因為它們是確定當今電力系統(tǒng)模型中未來儲能部署需求的關鍵驅動因素。如果預測成本很高，某些儲能技術將不包括在內，但是當前的成本預測和技術創(chuàng)新不斷變化，必須保持相關性并與電力系統(tǒng)模型保持同步。一些儲能技術還必須因其為電力系統(tǒng)帶來的價值而得到認可，其中選擇標準應包括能源安全、低排放和最小化棄電的好處。長時信分冊委員會凈零根據(jù)儲能系統(tǒng)充電時間、8～24小時和>24小時（一些儲能技術的持續(xù)時間就在這兩個范圍之間）來研究新型長時儲能技術的成本和性能數(shù)據(jù)。在未來的預測中，資本支出成本預計將下降60%。這可以通過擴大生產規(guī)模和降低成本來實現(xiàn)，就像風力發(fā)電和太陽能發(fā)電等類似的突破性技術一樣。這需要投資信號來促進其大規(guī)模部署，這也取決于有利的政策和立法。電力系統(tǒng)模型應該考慮到這種不確定性，因為技術已經準備好部署，但受到成本假設的限制，這反過來意味著它們不被認為是一種在未來可行的解決方案。
3.5、部門整合和季節(jié)性儲能注意事項
建筑物、企業(yè)和工業(yè)的供暖和制冷消耗了歐盟約一半的能源。熱儲能可以提供重要的靈活性杠桿，幫助平衡能源的需求和供應，特別是在長期季節(jié)性時間尺度上，這對于平衡2050年的高可再生能源至關重要。歐洲儲能協(xié)會對于評估蓄熱技術在可持續(xù)歐洲能源未來情景中的潛在作用進行了一些研究。在最近的歐盟情景研究中，其重點通常放在電池儲能系統(tǒng)和氫氣儲能選項上，而忽略了其他儲能技術的潛力。例如，高溫地下熱儲能(HT-UTES)和其他熱化學儲能技術通過行業(yè)部門的整合可以為電力部門提供有價值的服務，因為它通過電力生產和供熱需求提供季節(jié)性的能源。它是少數(shù)可以在季節(jié)性時間尺度上每個周期存儲高達數(shù)十吉瓦時能量的長時儲能技術之一，見圖8。
圖8 根據(jù)功率(W)和充電和放電的相關時間尺度映射的電力系統(tǒng)服務和儲能選項。顏色表示儲能技術在哪個能源系統(tǒng)中實施：藍色為電網，綠色為天然氣發(fā)電設施；橙色為熱儲能。
熱儲能(TES)技術正在快速發(fā)展，可以在工業(yè)中提高可再生能源發(fā)電份額，并促進回收原本會浪費的熱量。它們還可以在改造現(xiàn)有的化石燃料發(fā)電廠方面發(fā)揮關鍵作用。高溫地下熱儲能(HT-UTES)技術在未來能源場景和電力系統(tǒng)規(guī)劃中的整合，將展示其在熱力部門脫碳和電力部門受益方面的關鍵作用。
3.6、考慮極端天氣事件和足夠的時間分辨率
如果長期沒有足夠的陽光或風力，這個電力不平衡時期可能會持續(xù)數(shù)天甚至數(shù)周的時間]。例如與北海和波羅的海接壤的歐盟成員國，在每年11月至1月，電力短缺的時間平均為50～100小時。而儲能技術在這一時間將會發(fā)揮重要的作用，可以為電網應對極端天氣事件增強彈性。研究人員最近開始量化儲能系統(tǒng)在增強電網彈性方面帶來的價值，并且在某些情況下，儲能系統(tǒng)的放電持續(xù)時間長達數(shù)十小時，足以在斷電期間為用戶提供電力。這一功能在傳統(tǒng)上由化石燃料發(fā)電設施提供，然而，對可靠性、燃料供應和成本的擔憂正在推動醫(yī)院、數(shù)據(jù)等場所的運營商中心和廢水處理設施對于替代備用電源方案的需求。儲能系統(tǒng)可以發(fā)揮這一作用，并具有通過參與其他市場（例如儲能市場）提供額外收入的潛力。而其電力系統(tǒng)模型應反映極端天氣事件的真實歷史氣象數(shù)據(jù)，以便解決能源短缺問題。
同樣重要的是，在電力系統(tǒng)模型中捕獲所有短期和長期的靈活性需求，以準確反映儲能系統(tǒng)在所有時間尺度上可以提供的所有服務，特別是對于持續(xù)時間小于1小時的儲能系統(tǒng)。由于模型復雜性和計算成本，其模型中通常不包括<1小時的時間分辨率。這忽略了儲能系統(tǒng)的重要應用窗口，這些儲能系統(tǒng)提供關鍵系統(tǒng)服務，包括實時頻率響應和平衡供需。在通常情況下，其模型只運行某一個年份或某一時期，這并不能保證電力系統(tǒng)在最糟糕的年份的電力充足性。其模型應該謹慎進行前瞻性優(yōu)化，并允許將不確定性考慮到分析中。
3.7、通過儲能系統(tǒng)最大限度地利用現(xiàn)有電網基礎設施
雖然擴大電網容量規(guī)?？梢越档碗娋W擁塞的風險，但這是一個需要長期規(guī)劃的資本密集型過程。輸電網建設項目的許可要求和復雜性可能導致項目延遲甚至取消。由于風力發(fā)電和太陽能發(fā)電項目選址在風能和太陽能資源最豐富的地方，這通常位于偏遠或沒有建設輸電線路的地區(qū)。因此，電網迅速變得擁塞，在某些情況下，太陽能發(fā)電和風力發(fā)電量被迫削減，因為它們的電力無法輸送到負荷中心。有些研究報告高估了將電力輸送到歐盟其他地區(qū)的能力，低估了電網擁塞的嚴重程度，必須根據(jù)實際數(shù)據(jù)來準確解決。
可以最大限度地利用現(xiàn)有電網基礎設施的儲能系統(tǒng)提供了一種解決方案，該解決方案允許大規(guī)模整合太陽能發(fā)電和風力發(fā)電，而不會出現(xiàn)電網擁塞或重新調度的情況，避免或推遲了大型電網基礎設施投資，從而降低成本，但其部署取決于不同的國家和地區(qū)。例如，在澳大利亞，部署100MW的儲能系統(tǒng)將比傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電廠要節(jié)省兩年的時間，在此期間為特定州際線路的消費者節(jié)省3400萬澳元的成本，其儲能系統(tǒng)沿輸電線路部署并運行以注入或存儲電力，可以模仿輸電線路的電力流動，如圖9所示。以這種方式使用，儲能系統(tǒng)可以代替電力系統(tǒng)升級或必須改造的電力線路。根據(jù)國際可再生能源機構(IRENA)發(fā)布的調查報告，到2026年，全球對電網投資延期的需求可能達到14.3GW，包括意大利和法國在內的一些國家已經在試行這些解決方案，以減少可再生能源發(fā)電設施的棄電情況。在電力系統(tǒng)規(guī)劃模型中應考慮儲能系統(tǒng)的這種具有價值的應用，因為它可能提供最大限度地利用現(xiàn)有電力線路甚至優(yōu)化電網擴展成本的機會。
圖9 通過部署儲能系統(tǒng)提高輸電網利用率
（未完待續(xù)）
