中国储能网讯：美国国家可再生能源实验室日前发布了一份名为《储能未来研究：定义长时储能的挑战》研究报告。这是其储能未来研究(SFS)的系列报告之一。储能未来研究(SFS)是一项多年研究项目，旨在探索储能系统在美国电力部门的发展和运营中的作用和影响。储能未来研究(SFS)是旨在研究储能技术进步和发展对于公用事业规模储能系统和分布式储能系统的部署和采用带来的潜在影响，以及对未来电力系统基础设施的投资和运营的影响。
这份报告主要探讨应用于储能系统的“长时”的定义。鉴于“长时储能”这一术语的使用越来越多，统一的定义有助于利益相关者之间的沟通和一致性。而使用美国高级研究计划署能源(ARPA-E)对持续时间超过10小时作为“长时”的定义越来越广泛。然而，“长时储能”术语通常作为具有足够持续放电时间以提供稳定容量和支持电网资源充足性的储能系统的一种概述。但储能系统在各种应用场景中所需的持续时间差异很大，其时间从短短几个小时到长达几天不等。这个术语的多重使用意味着，不可能有一个简单、统一、静态的“长时储能”定义来描述提供稳定储能容量的能力。为了解决这个问题，美国国家可再生能源实验室建议，对于长时储能的定性描述需要伴随着定量描述，而电力部门利益相关者在选择长时储能的定义时应慎重考虑。
储能未来研究(SFS)系列提供数据和分析以支持美国能源部的“储能大挑战”计划，这是一项旨在加速下一代储能技术的开发、商业化和利用，并保持美国在储能领域的全球领先地位的综合计划。“储能大挑战”采用用例和框架来确保储能技术能够经济高效地满足特定需求，它包含了以下几个类别的广泛技术：电化学、机电、热、柔性发电和电力电子。
1、简介
随着美国的可变可再生能源(VRE)发电份额的快速增长，正在构建一个新愿景，也就是长时储能系统(LDES)需要确保提供负担得起且可靠的电力。在这个愿景中，将大规模部署长时储能系统(LDES)，为电网提供充足的备用电源，并支持电力系统的脱碳。然而，目前缺乏对长时储能系统(LDES)的统一定义，阻碍了对当前和未来电网需求的描述，包括电网脱碳主要依赖可再生能源发电的情景。
储能系统的持续时间通常以储能系统在其额定功率下能够连续输出电力的小时数来表示。而在很多报告和文献中，长时储能系统(LDES)持续时间的定义范围从两小时到数天甚至数月不等。
而建立一致的长时储能系统定义的主要原因有两个：
（1）创建一种通用定义帮助沟通，以确保利益相关者在一致的假设和理解下工作。
（2）建立提供适合固定容量和支持资源充足性所需的特征，特别是建立监管或市场规则或其他标准。
由于第一个原因（通用框架），定义长时储能系统(LDES)相对简单，并且对文献和论文提出的长时储能系统持续时间的定义至少为10小时以上达成共识，因为它目前被许多行业和政府组织使用，并也在学术文章和文献中越来越多地使用。
然而，美国国家可再生能源实验室建议谨慎使用该定义，因为它与定义长时储能系统(LDES)的第二个动机（基于其提供固定容量的能力）存在内在冲突。这种基于应用场景的定义对于维护可靠的电网、建立市场规则以及电力系统脱碳的最佳规划具有重要意义。
但很难对定义长时储能系统(LDES)的两种不同方法进行协调，并得出一个持续时间（甚至是数值范围）的确切数值，而采用这一数值定义长时储能系统(LDES)既便于沟通交流，也可作为提供固定储能容量的简要说明。储能系统存储提供固定容量的能力（以容量信用衡量）在很大程度上取决于区域需求模式和电网组合，其中包括可再生能源和部署的储能系统的储能容量。因此，提供高容量信用所需的持续放电时间可以跨越很大的范围，从当今电网中某些持续放电时间约为2～4小时的储能系统到未来电网中持续放电时间长达数天的规模非常大的可再生能源和储能项目。因此，长时储能系统(LDES)不能具有统一一致的数值，并作为衡量容量信用的阈值。（注：在电力市场中，电源的容量价值表现为可被信用的容量，也称为容量信用）。
这种差异增加了定义持续时间不同的长时储能系统的挑战，尤其是在考虑可能提供不同服务的不同技术的经济性时。监管和市场框架可能需要发展以适应这一现实。然而，由于缺乏一个简单的一致定义，因此需要教育关键利益相关者，让他们认识到评估资源充足性以及增加可再生能源和多种储能技术部署的关键重要性。
2、首要事项：定义储能系统的“持续时间”
首先，确定长时储能系统“持续时间”的定义很重要。美国国家可再生能源实验室的这份报告从固定储能系统的最终用户的角度出发进行描述，其中包括电网规划人员、电网运营商和公用事业公司。
从这个角度来看，美国能源信息署对“持续时间”总结了一个相当简单的定义：“持续时间是储能系统在最大放电率的情况下可以维持电力输出的时间长度，通常以小时表示。储能容量的定义是储能系统能够储存或放电的总能量。
需要强调的是，美国国家可再生能源实验室将储能容量和持续时间解释为衡量储能系统的可用能量和持续时间，其中扣除了为维持最小和最大充电状态或其他因素而保留的电力。这意味着储能系统的可用储能容量等于净额定功率乘以持续时间。例如，持续时间为4小时的1MW（交流额定值）电池储能系统具有可以提供给电网的4MWh的可用储能容量。达到净容量所需的总储能容量是由储能系统制造商或开发商确定的一个单独因素，以确保最终用户可以使用净持续时间。
使用净储能容量与总储能容量来定义持续时间有一些重要的先例。迄今为止，抽水蓄能发电设施仍是储能容量最大的储能系统，传统上通过实际可以使用的储水量来衡量的，通常考虑的是上游水库和下游水库的最低和最高水位，而不是水库的总蓄水量。
需要注意的是，这个定义仅描述了储能系统存储的能量，而不是在使用前将会存储多长时间。然而，随着持续时间的增加，这两个数量可能密切相关。
为储能系统充电，这可能会影响储能系统在某些应用场景中达到其额定持续时间的能力，如下所述。
3、定义长时储能的持续时间
为电力行业中使用的定性形容词指定一个数值可能很有用，以便于沟通和保持一致。例如，人们通常使用 “配电”和“输电”这样的术语来描述电网的电压水平，而不用具体说明其电力数值。例如，行业人士通常更多地使用“配电电压”而不是“34.5kV及以下的电压”来描述，在种情况下，采用“配电”电压形容实际值可能有些武断，但随着时间的推移，或通过实际标准，该值可能会实现制度化或法典化。
鉴于“长时储能”一词已经是电力系统术语的一部分，虽然没有明确的定义，但对于持续时间达成一致将有助于沟通。
如果这是定义长时持续时间的主要动机，那么使用现有文献来推导出接近共识的持续时间可能是最容易的。现在并没有证据表明长时储能系统(LDES)已由标准组织（例如国际标准化组织或电气和电子工程师协会）以明确的方式定义。
表1提供了对39份报告和文献综述的总结，这些文件用数值定义了长时储能持续时间，通常以小时表示。在这时排除了一些别技术开发商发布或推广的定义，没有包含详细讨论长时储能系统(LDES)但没有明确定义持续时间的文件。
表1.定义长时储能的来源
虽然并不是详尽的调查，但表1展示了大量文献和报告对持续时间的定义，其中主要的定义有三个阈值：≥4小时、≥10小时，以及“超过一天”（文献中通常指的是季节性储能系统）。这个范围反映了不同的储能系统研究通常考虑不同的方面，包括不同的储能技术（例如，4小时的电池储能系统的持续时间比目前部署的其他种在电池持续时间更长）或不同的电网情景（例如对未来电网的研究）具有与当今同的必需属性。还有一些文献讨论了一些问题，包括提供一个既使用一致的命名法，又基于长时储能系统(LDES)可以服务应用场景的定义的挑战。
尽管长时储能的定义范围很大，但主要基于两个因素，似乎有一些理由将“≥10小时”视为长时储能系统的持续时间。首先，它在报告和文献中被引用次数最多。其次，在美国高级研究计划署能源署(ARPA-E)定义长时储能系统(LDES)的持续时间为10～100小时之后，行业用户似乎越来越多地使用这一数值。该数值在很多文章中被特别引用，最近该数值被用于美国能源部提出的长时储能系统标准。虽然美国高级研究计划署能源署(ARPA-E)的定义也提出了上限，但在很多文献中很少讨论其上限。然而，通过命名的办法来区分通常被认为对持续时间远远超过12小时甚至长达几天的储能技术（例如，抽水蓄能发电设施、液流电池储能系统、抽水蓄热设施等），以及那些具有更长持续时间的储能技术来说可能是有价值的，可以将其描述为“季节性”储能系统（多天及以上）。
尽管为了方便起见，可以应用持续时间10小时以上的这样的定义，但定义长时储能从4小时到多天的广泛范围表明需要了解这些差异。如果长时储能系统(LDES)的定义用于沟通当前或未来电网的需求，或者用于制定政策或市场规则，则长时储能系统(LDES)定义的变化可能会有重要意义。这导致基于长时储能系统(LDES)可以提供的服务定义长时储能系统(LDES的第二个动机和方法。第二种方法将展示实现长时储能系统(LDES)统一定义的固有挑战。
作者：Paul Denholm、Wesley Cole、A.WillFrazier、Kara Podkaminer和Nate Blair
来源：美国国家可再生能源实验室
