新能源供電的季節(jié)性是一個大問題，這需要很長時間的儲能輔助。
一份南澳建模報告顯示，在風能和太陽能過剩時，電池和/或抽水蓄能所提供的4-10小時儲能往往是滿的；同樣，在需求過剩時，它們又往往是空的。
這導(dǎo)致了人們對天然氣或其等價物的需求，從而確保全部能源需求可以獲得響應(yīng)。
極為粗略的估算顯示，固化成本約為12美元/MWh，其中大部分為天然氣資本和運營成本。天然氣發(fā)電量是既有的。
天然氣提供了7.5%的能源。在這種情況下，南澳大利亞州的碳排放量會非常低。總體結(jié)果表明，隨著可變可再生能源（VRE）滲透率的增加，即使電量流進流出各有其利益，在NEM范圍內(nèi)可能也需要一些長期儲能。
在真正了解我們談?wù)摰膬?nèi)容之前，對于研究儲能時長要求的領(lǐng)域，我們還有很多工作要做。
風能和太陽能的季節(jié)性是一個大問題
最近，ITK公司研究了電池的發(fā)展前景。有越來越多的證據(jù)表明，公用事業(yè)電池在市場上找到了一席之地。
在美國，不知何故，附屬服務(wù)和頻率控制似乎并沒有像在澳大利亞那樣成為問題，電池時長開始變久。在美國頂尖公用事業(yè)公司NextEra Energy簽署的2GW儲能電池合同中，有許多合同都是時長4小時的電池合同。
但在澳大利亞，所有電網(wǎng)電池的時長都為2小時，或者更短。
圖片來源：ITK
雖然Lakeland的實際儲能時長確已達到約4小時，但我們忽略了數(shù)個位于昆士蘭州的小型電池。
迄今為止，澳大利亞實質(zhì)上承諾的總電量僅為逾500MW。過去12個月，NEM范圍內(nèi)的平均需求量略高于21GW。至2023年，電池可提供2.5%的電力。如果屆時沒有使用更多電池，大多數(shù)人應(yīng)會頗感驚訝。
這些儲能電池系統(tǒng)最顯著的價值在于緊急調(diào)頻控制，由于大多數(shù)應(yīng)急事件只會持續(xù)數(shù)分鐘，所以為實現(xiàn)這一目的而需要的時長非常短。
ITK做出了一個大膽的預(yù)測：鑒于電池和電網(wǎng)逆變器在頻率控制方面的壓倒性優(yōu)勢以及無可匹敵的“平滑”電池電流，電池和電網(wǎng)逆變器最終會成為NEM控制系統(tǒng)的基石。
本文是從成本最低、最大限度的減少未使用能源的角度來看待儲能主要任務(wù)這一問題。而并不是研究個別電池或抽水蓄能運營商的發(fā)展前景，它們可能而且很可能擁有一套完全不同的因素。
可變可再生能源與需求之間的錯配現(xiàn)象非常嚴重并會日益加重
此前，我們估算了2019年9月1日-2020年5月24日間，南澳大利亞州的現(xiàn)有風電和太陽能產(chǎn)能。
時段的選取是隨意的。我們選中這一時段是因為它最近，此外，南澳大利亞州有61%的可變可再生能源（VRE），所以這是最接近澳大利亞未來發(fā)展的時段。
重復(fù)一下相關(guān)內(nèi)容。在每小時均值的基礎(chǔ)上，我們比較了VRE和需求。在此期間，VRE是需求的61%。為Portland鋁冶煉廠供電的時間也包括在內(nèi)。在這段短暫的期間內(nèi)，冶煉廠的運行毫無問題。
在此期間，也未出現(xiàn)引人注目的惰轉(zhuǎn)事故。下圖中未顯示電力進出情況及天然氣份額。
圖片來源：NEM Review
另一個重要的問題是，南澳大利亞州的平均需求峰值約為1.6GW，相對較小。與大樣本相比，大多數(shù)小型樣本更不穩(wěn)定。
所以，我們這份南澳大利亞州分析很可能會高估NEM范圍內(nèi)存在的問題。在這一背景下，我們將VRE供應(yīng)量提升了5/9=55%，以使VRE總產(chǎn)能等于總需求。這帶來了以日平均值計算的、VRE過量和短缺的周期。
圖片來源：NEM Review，ITK
之后筆者又談到了持續(xù)時長“運行”，但有幾個讀者發(fā)私信告訴我，他們覺得缺少了這部分內(nèi)容，實際也確實如此。
事實證明，這一期間的南澳大利亞州是研究儲能時長的理想選擇。這也再次提醒我們，總有很多、很多東西需要學習。
VRE和需求存在非常強的季節(jié)性
首先，我們簡單累積了約8個月的、需求超過VRE的半個小時數(shù)據(jù)。也就是說，對于每一個連續(xù)的半個小時，我們會取需求和VRE之間的差值（如需求>VRE，則為正；如VRE>需求，則為負）。
然后將其與前一個半個小時的差值相加，以此類推，共12860個半個小時。
由此得出的圖表類似一個大壩，大壩在干燥的月份里排空，然后又重新填滿。
在圖中，負數(shù)代表VRE超出需求的累計過剩量。圖中顯示，過剩量在九月份的季度里累積，在夏季逐漸耗盡，最后變成正數(shù)。VRE產(chǎn)出量設(shè)計為等同于該期間的總需求量。
圖片來源：NEM Review
Snowy表示，目標是不僅在南澳大利亞州，而且在NEM周圍利用這種模式。筆者知道存在很多關(guān)于Snowy的爭論，但像這樣的圖表支持了Gordon Wymer的基本觀點，即由于存在季節(jié)性儲能和儲能充電的需求，Snowy是為季節(jié)性使用而設(shè)計的。
接下來筆者將關(guān)注不足和多余的運行狀況，但并不僅是只關(guān)注連續(xù)的半個小時，筆者還計算了每次運行的多余和不足的量。
例如，得出的一系列結(jié)果如圖所示。
說的再清楚一些，圖表顯示，樣本期內(nèi)，需求量超過VRE產(chǎn)能的、連續(xù)兩個半個小時的次數(shù)為12次。最后一欄顯示，所有這兩個半個小時間隔的累計不足量為841MWh，平均不足量為70MWh。
MW列顯示的是每兩個半個小時所需的平均功率，也為70MW。盡管存在一例超過180個半個小時的特例，但幾乎所有的運行不足都低于45個半個小時。同樣，大部分的運行多余也低于45個半個小時。運行情況共計90組。
然后，筆者將運行的平均功率要求與運行時長進行了對比，發(fā)現(xiàn)的聯(lián)系是筆者未曾想到的。提出的新假設(shè)是，時長不足和所需電力之間的正相關(guān)度與晚間風力逐漸平息有關(guān)。
更長時間的失配需要更多的電力和能源
小幅差額反映的可能只是風、雨或云的暫時平息。風速快速下降時，可能會趨向于停留在一個較低水平，然后逐漸回升。
當這種情況在夜間出現(xiàn)、又沒有太陽能彌補差額時，這種效應(yīng)會特別明顯。過剩時的情況也是如此。有人可能會提出更合理的解釋（假設(shè)計算是正確的，但對筆者來說，這從來都不是必然的）。
舉例來說，正好有四輪33個半個小時、需求持續(xù)超過供應(yīng)的運行時段。其中一次是在2020年5月，這一時段的平均差額為313MW。
未加粗的原始數(shù)據(jù)表明，風速下降更為明顯。
用儲能填補空白
下一步是用儲能填補空白。這才是真正開闊眼界的機會。
首先我們看一下所需的最大功率（MW）。從VRE超過需求到短缺值的最高值，下圖將12817個半個小時進行了排序。數(shù)字顯示，在約98%的時間里，1500MW都是足夠的。
在這個較為業(yè)余的練習中，我們假設(shè)另外2%的半個小時是由單車健身愛好者完成的。實際上，所需的絕對最高功率超過了2500MW。
回到圖4，挑戰(zhàn)顯而易見。在樣本期的前半段，無論是抽水蓄能或是電池充電，VRE在大部分時間里都超過了需求，應(yīng)該怎么辦？在我們的封閉系統(tǒng)中，不存在電力輸出。
同樣，在下半年，需求超過VRE產(chǎn)能的凈盈余會被抵消，導(dǎo)致充電機會少于供電機會。較短的儲能時長需要較少的電力。因此，我們是從增加500MW/4小時電池開始的。
同樣，簡單起見，我們讓這些電池的效率達到100%并分析它們完全放電的情況。它們的容量利用率（以每天1個完整循環(huán)，100%容量計）達到約60%，即使如此，4小時儲能電池對累計電量盈余和短缺來說幾乎沒有差別。
在電池完全充電后，我們引入了10小時時長的500MW抽水蓄能。
這起到了一定的作用，但VRE資源的季節(jié)性非常強，這意味著即使儲能電池在充滿電的情況下， 10小時的儲能時長也是遠遠不夠的，無法避免出現(xiàn)需求超過供給的情況。
之后我們又假設(shè)有可以滿足額外電力需求的足夠的天然氣產(chǎn)能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所需的天然氣發(fā)電量為2.5GW，
在這個分析中，我們忽略的另一個問題是約1.4TWh或7%的溢出電量。首次試驗的結(jié)果總結(jié)如圖所示。
資本支出數(shù)字只是ITK通過一些經(jīng)驗法則得出的數(shù)字?？梢钥吹?，抽水蓄能使用率太低，電池也是如此。即使不考慮燃料成本，天然氣在資本成本中的占比也近一半。天然氣供應(yīng)量為1.38TWh，約占需求量的7.5%。
進行優(yōu)化確實超出了本文范圍，無論如何，單單優(yōu)化南澳大利亞州的一個9個月期間是沒有意義的。
盡管如此，一個出發(fā)點是將電池持續(xù)時長減少到比如1小時。另外，電池持續(xù)時長可以根據(jù)成本增加到10小時且無需抽水蓄能。
讓我們減少電池的持續(xù)時長。在這個時間段內(nèi)的這一模型中，降低電池持續(xù)時長會導(dǎo)致未使用的能源出現(xiàn)下降、提高所有資產(chǎn)的容量利用率、降低5億美元總資本，但代價是燃氣運營成本和碳排放量的小幅增長。
顯然，我們還可以進行更多優(yōu)化。最后，在這個特例中，我們可以對$/MWh固化成本進行極為粗略的估算。
為此，假設(shè)包括電池在內(nèi)的所有固化資產(chǎn)都能維持20年，天然氣運營成本是固定的80美元/MWh。
假設(shè)沒有邏輯或計算錯誤（對于分析師來說，這是一個非常大的錯誤），最終得出的全壽期固化成本約為12美元/MWh。
我們馬上可以發(fā)現(xiàn)，天然氣幾乎占總成本的80%，這表明，可以通過增加抽水蓄能的持續(xù)時長進行更多優(yōu)化，但受制于上文中討論的與季節(jié)性限制相關(guān)的機會問題。
不過，這項工作最初并不是為了開發(fā)一個經(jīng)過優(yōu)化的系統(tǒng)。相反，這只是一項對持續(xù)時間問題的早期研究。當然，還有更多的內(nèi)容可以討論，但對于過量的認知來說，已經(jīng)足夠了。
關(guān)于作者：David Leitch，ITK的負責人，專門研究電力、天然氣和脫碳分析。
