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储能研究分析报告(二):未来几十年的关键体会

作者:刘伯洵 来源:中国储能网 发布时间:2022-05-26 浏览:

中国储能网讯:关键体会5:储能系统与太阳能发电设施相得益彰  

储能未来研究(SFS) 系列中的《广泛部署对电网运行的影响》报告展示了昼间储能系统和可再生能源之间的高度协同关系,尤其是与太阳能发电设施的配套。随着太阳能发电设施增加部署,将会改变净负载的电力变化曲线。

图8举例说明了加州峰值期间每日净负载如何变化,太阳能发电贡献从年负载的0%增加到20%。在几乎所有表现出中午到晚上峰值需求的地方,增加太阳能发电设施部署的一个关键结果是缩短了峰值净负荷期间的持续时间。这减少了提供固定容量所需的储能系统时间(因此也降低了成本),这是一个主要的价值来源(关键体会3)。

图8 太阳能发电设施部署的增加表明净负载峰值的持续时间缩短  

图9说明了随着太阳能发电设施装机容量的增加,储能系统运营如何随着净负载的变化而变化。顶部曲线显示了2020年模拟条件下的美国昼间储能平均充放电的概况,其中储能系统主要在夜间充电,这对应于最低的净负荷水平。底部面板显示了2030年模拟条件的结果,其中部署的太阳能发电设施大幅增加。储能系统充电的时间大部分将转移到中午,这与过剩的太阳能发电量的可用性相吻合。  

图9. 太阳能发电设施部署的增加表明储能系统提供固定容量所需的持续时间缩短。

然而,就储能系统价值而言,最重要的变化发生在放电模式中。在2020年的夏季高峰值期间,为了加长放电时间,储能系统必须以一部分的装机容量运行,从而降低其满足电力系统峰值需求的能力。而在2030年的情况下,由于太阳能发电设施在当天晚些时候产生了一个持续时间较短的峰值期间,而储能系统能够以完全的装机容量放电。  

峰值净负载形态的变化增加了储能系统满足峰值需求的潜力,并增加了能源时移机会。图10(左)显示了在每种情况下,美国在每年提供峰值容量的昼间储能(<12小时)的潜力,并绘制为太阳能发电贡献的函数曲线。该曲线代表了在高需求期间可靠提供固定容量的储能系统容量,并可能取代传统的峰值容量。相对于2020年的水平,美国储能系统满足峰值需求的潜力翻了一番,太阳能发电量将占35%。随着许多地区的净负荷峰值转移到太阳能发电设施发电量较低的冬季,最终趋于平稳。

图10.作为太阳能贡献函数曲线的昼间储能峰值容量潜力(长达12小时)(左)和作为太阳能发电贡献曲线的昼间能量时移潜力(右)。

随着太阳能发电设施部署的增加,它也增加了储能系统提供时移潜力的潜力,如图9所示。风力发电和昼夜储能之间的关系不太相关,因为风力发电设施每天的发电模式并不会表现一致,而且风力发电和储能系统装机容量之间的协同作用发生在较长的时间段内。风力发电与储能系统提供输电效益的能力之间也存在重要关系,这使得储能系统与风力发电之间的整体相互作用比储能系统与太阳能发电设施之间的相互作用更加复杂。

随着可再生能源在电力系统的作用增加,储能系统价值和机会的增加转化为储能部署的增加。  

图11显示了在多个研究方案的一系列假设和约束条件下,储能总容量作为可再生能源贡献的函数曲线。总的来说,这些研究考虑了200多个场景,可再生能源的贡献率从20%到100%不等,显示了可再生能源发电设施和储能系统部署在大量场景中的紧密关系,这些场景具有不同的假设和约束条件。

图11. 储能系统容量作为可再生能源贡献的函数(%)。

关键体会6:成本降低和备用电源的价值提高了建筑级储能系统的采用率

储能未来研究(SFS)发布的《储能系统未来研究:分布式太阳能和储能系统展望:方法论和场景》的报告讨论了在未来几十年内采用分布式(用户侧)太阳能发电设施与电池储能系统系统将会如何发展。该研究使用了NREL分布式发电市场需求模型中的新功能,预测到2050年美国的客户都将采用太阳能发电设施都配套部署电池储能系统。总的来说,在研究的这些场景中,描述了用户侧储能系统的未来潜力,并确定了采用的关键驱动因素。  

正如模型所示,在所有研究场景下,与太阳能发电设施配套部署的分布式电池储能系统都具有巨大的经济潜力,美国部署的电池储能系统的部署规模将从85GW/170GWh到244GW/490GWh不等。但是由于投资回收期长,客户采用的潜力要低得多。更低的电池成本和更高的备用电源价值提高了客户在建模中的采用率。  

太阳能发电设施成本的降低也显著地影响太阳能+储能项目的部署和采用,此外,储能系统部署可能与太阳能发电设施成本降低呈非线性关系。除了报告中介绍的主要情景外,还评估了具有突破性(非常低)太阳能发电设施成本预测和低电池成本的情景。在这种情况下,分布式电池储能系统系统的预计采用量将超过40GW(82GWh),如图12所示。

图12.随着成本的降低,分布式储能系统的预计采用率随着时间的推移而增加,如果太阳能发电设施成本降低,则会显著增加。

关键体会7:储能系统的持续时间可能会随着部署的增加而增加

关键体会3证明了为经济部署提供固定容量的重要性。在提供固定容量的过程中,确定储能系统成本竞争力的一个关键因素是确定所需的最短持续时间。在美国大部分地区,当地市场运营商已经确定,4小时的持续时间足以满夏季峰值电力需求。

随着储能部署的增加,净峰值负载期间的持续时间将会增长,需要更多的储能容量(更长的持续时间)来提供电力。图13显示了在参考2050年储能部署情景中,在三天的峰值需求期间中不同储能系统量的净需求。它还显示了在储能装机容量或多或少的情况下的净需求。储能系统部署水平的提高会扩大峰值期间,从而增加所需的储能容量,以提供固定容量并继续降低净峰值需求。

图13.随着储能部署的增加,净负载峰值期间也在扩展,需要持续时间更长的储能系统来保障稳定的供电。

关键体会5表明,增加太阳能发电设施部署有助于抵消这种影响。然而这一好处是有限的,因为在某些情况下,持续时间较短的储能系统预计会降额(这也意味着降低价值),这为部署较长持续时间的储能系统提供了额外的激励。

在储能未来研究(SFS)的研究中观察到了这种效应。图14显示了在具有参考电池成本变化的情况下,部署新的储能系统的平均持续时间与总储能容量的关系。最初部署主要是2~4小时储能系统,这是由于主要发生在夏季下午较短的峰值期间。随着太阳能发电设施部署产生关键体会4中讨论的缩小效应,这些峰值时间得以维持。储能系统的持续时间需要增加以满足更长持续时间的峰值期间。这为能够持续更长时间的新兴技术或现有的长时储能技术(如抽水蓄能发电设施)提供了更多的市场机会。

图14.储能系统部署的平均持续时间随着储能系统总装机容量的增加而增加,最高可达约200GW。

关键体会8:季节性储能系统技术对于100%清洁能源系统变得尤为重要

储能未来研究(SFS)的情景评估了显著但不完全的脱碳情景。然而,随着电力系统转向非常高的可再生能源贡献(可再生能源超过90%),这些情景以及相关工作中评估的情景指向多日储能系统或季节性储能系统的潜在作用。  

图15.可再生能源供应和电力需求的季节性不匹配表明了季节性储能系统的潜在机会。上图显示热储能系统在夏季的大量使用,而下图中的春季中,热储能系统的应用则很少。  

在夏季风输出量相对较低的时期和冬季太阳能输出量相对较低的时期,热储能资源得以大量使用。

可再生能源和昼间储能满足这一需求的能力降低了,因为电力供应在一年中的大部分时间已经饱和,下图显示的削减量就说明了这一点。在一年中的大部分时间里,任何额外的昼间储能系统都会闲置,从而降低其成本效益。季节性储能系统可以提供一种经济的替代方法,在春季和秋季储存多余的发电量,并将其转移到夏季和冬季。

图16显示了另外一组案例的结果,评估了100%清洁能源情景。在这些情况下,使用可再生燃料(如氢气)以燃气轮机的形式模拟季节性储能系统。在这些情景中,部署了大量(400GW以上)的季节性储能系统,证明了拥有能够克服可再生能源发电和电力需求系统中季节性不匹配的技术价值。如果具有足够的成本竞争力,其他季节性储能系统技术也可以在其中发挥这一作用。  

图16.2050年达到100%需求情景的装机容量和发电量  

结论

“储能未来研究”中确定的八个关键体会突出了一些重要要素,以帮助主要利益相关者为不断发展的电网以及储能系统的潜在角色和价值做好准备。虽然储能未来研究的结果表明部署的储能系统装机容量有望在2050年之前增长五倍,但仍有一些不确定性可能会改变这一研究中确定的储能装机容量增长和演变轨迹。其不确定性包括:  

(1)储能系统增长和补偿:关键体会1总结了储能系统未来研究的主要结论,指出在各种电网演变情景下能源储能系统的重大部署。即使没有脱碳政策,储能系统作为峰值容量的新来源也具有很强的竞争力,许多预测都表明将显著增长。然而,认识到技术或政策变化可能会影响储能系统的增长仍然很重要。尽管过去十年对监管框架进行了重大修改,但储能系统仍然是一项具有挑战性的技术,无法适当地评估和补偿,尤其是在重组的市场中。如果储能系统没有得到公平补偿,可能会导致储能部署不理想。

(2)技术演进:关键体会2显示锂离子电池储能系统近年在储能系统市场中的主导地位。然而,为了改进其他储能技术已经进行了大量的研发工作。多种储能技术可能会与锂离子电池储能系统竞争,特别是对于持续时间更长的储能应用。考虑新兴技术和下一代现有技术(例如抽水蓄发电设施)的未来机会,利益相关者可能会受益。  

(3)储能系统作为容量资源:关键体会3展示了储能系统作为容量资源的重要性。这一价值以及储能部署取决于对储能系统的适当估值和补偿——这依赖于反映储能系统随着储能系统和可再生能源的部署增加而提供稳定容量的能力的市场规则。其规则可以解释基于边际价格的市场对收入的影响,以确保足以支持最优的储能系统装机容量。  

(4)灵活负载的作用:关键体会4表明,为了以最低成本使电力部门脱碳,利用各种灵活性资源(其中一些可能比储能成本更低)仍然很重要。更好地描述需求响应、灵活负载的实际贡献潜力和成本对于更好地理解储能系统获得的市场机会至关重要。

(5)储能系统和可再生能源:随着电网脱碳目标的增加,关键体会5强调储能系统是部署清洁发电的重要支持技术。研究发现昼间储能和太阳能发电设施之间有着显著的协同作用,但这可能会因为一些因素而改变。潜在的大规模供暖电气化可能会将美国大部分地区的峰值负荷转移到冬季,这将产生更长的需求峰值,更难以满足储能系统和太阳能发电设施的需求。这种转变可能会增加风力发电和长时储能系统的价值。成本更低、持续时间更长的储能系统及其提高输电利用率的能力也可能为风力发电设施和储能系统带来更多的协同机会。

(6)分布式储能系统:关键体会6表明,分布式储能系统在所有研究场景下都具有巨大的经济潜力,但客户可能只有在他们的投资得到更快回报时才愿意购买。分布式能源的新兴价值流和不断发展的补偿机制可以激励更多的采用。此外,电气化可能会对储能系统的采用产生积极或消极的影响。例如,在冬天停电期间,大规模转向电加热可以显著增加建筑物中采用备用电源的价值。与其相反,越来越多地采用电动汽车及其提供备用电源的潜力可能会限制分布式储能系统的采用。为了理解这些细微差别,需要对这一领域的客户行为进行更多研究。

(7)不断发展的储能系统持续时间:关键体会7显示了储能系统持续时间增加的总体趋势,鉴于其能够满足夏季高峰需求。4小时储能系统的初始值很高,然而随着储能系统部署的增加,更长的持续时间通常变得更具竞争力,尽管这种趋势是由多种因素驱动的,例如甚至可以抵消短时储能系统的容量价值。持续时间更长的储能系统可以提供额外的服务,例如电网弹性或提供新传输的补充或替代。  

(8)季节性储能系统作用:关键体会8表明,随着电力系统采用的清洁能源接近100%,储能系统可以发挥越来越重要的作用,并且它可以在转型的电力系统中发挥多重作用。关键的季节性储能技术涉及可再生燃料的生产和储存,可用于工业或运输中的多种应用。因此,季节性电力储能系统可以与其他应用分担基础设施成本。这些季节性储能技术的成本以及与效率相关的权衡以及与持续时间较短储能系统时间的相互作用需要进一步研究。

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