中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2月13日，Ivanpah光熱電站在加州正式投運(yùn)，這再度引發(fā)了業(yè)內(nèi)對(duì)光熱發(fā)電項(xiàng)目的盈利能力、真實(shí)成本和電站效益的廣泛討論。有觀點(diǎn)認(rèn)為，加州未來(lái)對(duì)大規(guī)模太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)存在較大不確定性，首要原因是因?yàn)楣夥l(fā)電的低成本競(jìng)爭(zhēng)。光伏在過(guò)去幾年內(nèi)在投資成本和度電成本上有很大程度的削減，對(duì)高成本的光熱發(fā)電帶來(lái)了沉重壓力。
上述觀點(diǎn)簡(jiǎn)而言之，如果你要從太陽(yáng)那里獲取能源，光伏要比光熱的成本低廉很多，為什么要用光熱呢？聽(tīng)起來(lái)似乎很有道理，但這種簡(jiǎn)單的對(duì)比是否是公平的呢？DNVGL正在進(jìn)行的此項(xiàng)研究將證明，如果光熱電站能夠根據(jù)具體環(huán)境條件實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化系統(tǒng)配置，電站收益將可以實(shí)現(xiàn)3倍甚至更多的收益。儲(chǔ)熱型光熱電站可以幫助電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)靈活的電力可調(diào)性，而不僅僅是提供一種綠色電力來(lái)源，電網(wǎng)系統(tǒng)將因此而整體受益。
加州的可再生能源發(fā)電規(guī)劃目標(biāo)是到2020年實(shí)現(xiàn)33%的總供電份額，到2030和2050年這一份額將增加更多。當(dāng)前加州正在向著這一目標(biāo)逐步邁進(jìn)，加州獨(dú)立電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（CAISO）負(fù)責(zé)平衡加州電網(wǎng)的可再生能源供電比例，吸納更多的可再生能源電力上網(wǎng)，同時(shí)維護(hù)電網(wǎng)安全。這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)，因?yàn)閹缀跛锌稍偕茉慈顼L(fēng)電和太陽(yáng)能都是間歇性的，其無(wú)法嚴(yán)格按人們的既定要求來(lái)供電，其電力輸出功率時(shí)大時(shí)小，無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)滿足電網(wǎng)頻率的平衡要求。換句話說(shuō)，能源市場(chǎng)不是單一地買賣能源，其同時(shí)需要滿足電網(wǎng)系統(tǒng)的靈活可調(diào)性，比如通過(guò)提高調(diào)峰電源裝機(jī)，增加后備電源，如旋轉(zhuǎn)備用容量，來(lái)保證發(fā)電和供電每一秒鐘的電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。在可再生能源電力占電網(wǎng)供電比例較少的時(shí)代，對(duì)電網(wǎng)調(diào)頻的需求也較小，通常采用增加抽水蓄能電站來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)峰調(diào)頻。而伴隨間歇性可再生能源電力越來(lái)越大規(guī)模的接入，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的壓力正變得越來(lái)越大，電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)可調(diào)性的要求也越來(lái)越高，而要保證這種調(diào)節(jié)需求所要付出的成本也愈加高昂。
這為光熱發(fā)電提供了一大用武之地，相對(duì)于光伏和風(fēng)電，光熱發(fā)電與其的最大不同，也是最大優(yōu)勢(shì)在于其電力生產(chǎn)方式的不同，光熱發(fā)電通過(guò)收集太陽(yáng)熱能加熱水產(chǎn)出過(guò)熱蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，其原理與常規(guī)火電類似，不同之處在于光熱發(fā)電的能量來(lái)源是太陽(yáng)而非傳統(tǒng)化石能源。這也意味著光熱發(fā)電是一種可以與傳統(tǒng)火電相媲美的優(yōu)質(zhì)電能。熱能的存儲(chǔ)可以通過(guò)熔鹽儲(chǔ)熱實(shí)現(xiàn)，熔鹽儲(chǔ)熱可以以可接受的合理成本進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用，這相對(duì)電池儲(chǔ)電的成本要低廉的多。那么，儲(chǔ)熱型光熱電站是否能夠承擔(dān)起傳統(tǒng)電站的調(diào)峰角色呢？是否能夠按照“日前市場(chǎng)”模式運(yùn)行（國(guó)外電力市場(chǎng)大多是提前一日確定次日的交易計(jì)劃和發(fā)電計(jì)劃，稱之為日前市場(chǎng)）、提供輔助性服務(wù)如充當(dāng)后備電源幫助電網(wǎng)調(diào)頻？其電力生產(chǎn)成本如何？這又將對(duì)加州電網(wǎng)的控制調(diào)節(jié)產(chǎn)生什么影響?其收益又是如何？電站運(yùn)營(yíng)方需要什么樣的設(shè)計(jì)方案？
為探究這些問(wèn)題，找到電站設(shè)計(jì)和運(yùn)行的具體方案來(lái)最大化電站收益和系統(tǒng)營(yíng)收，從電網(wǎng)和電站每小時(shí)的動(dòng)態(tài)情況到未來(lái)電力情景的設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本模型，我們需要一套整體建模方法。直到最近，這種專業(yè)性的分析一直十分缺乏，DNVGL正在幫助加州能源委員會(huì)進(jìn)行的此項(xiàng)研究將彌補(bǔ)這一缺憾。通過(guò)量化這些收益，將可以為Ivanpah電站之后更多的儲(chǔ)熱型光熱電站在加州的開(kāi)發(fā)打下理論基礎(chǔ)。
DNVGL目前的研究還在進(jìn)行中，當(dāng)前其已經(jīng)得出的結(jié)論是：在日前市場(chǎng)，帶6小時(shí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的光熱發(fā)電站的收益可以增加11%；如果汽輪機(jī)容量比太陽(yáng)島的集熱容量大很多，帶2小時(shí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的光熱發(fā)電站的收益可增加27%。
將汽輪機(jī)的容量設(shè)置的比太陽(yáng)島的集熱容量更大，是由于加州夜間短時(shí)間用電高峰期的高電力價(jià)格決定的。儲(chǔ)熱型光熱電站作為電力市場(chǎng)的輔助電源，提供電網(wǎng)調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用等功能，效益更加明顯。2~4小時(shí)的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)設(shè)計(jì)一般來(lái)說(shuō)就可以滿足這種需求。多余的汽輪機(jī)容量也可以帶來(lái)更多收益：如果汽輪機(jī)的熱功率比太陽(yáng)島的集熱輸出功率大4倍，也就是在太陽(yáng)倍數(shù)（solar multiple）為0.25的情況下，即便配1小時(shí)的儲(chǔ)熱，光熱電站的收益依然可以增加4倍。但該電站的功能應(yīng)是作為調(diào)頻電源，參與日前市場(chǎng)交易，作為旋轉(zhuǎn)備用容量。
圖：在調(diào)峰備用電源市場(chǎng)，光熱電站儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)和太陽(yáng)倍數(shù)及年收益的對(duì)應(yīng)關(guān)系
另外，這種配置可以增加系統(tǒng)成本的靈活性，換句話說(shuō)，這是為電網(wǎng)系統(tǒng)提供靈活性的更好方案，相對(duì)于單純的供電功能，這也是光熱電站的更好選擇。儲(chǔ)熱型光熱電站的靈活性的實(shí)現(xiàn)需要大功率的汽輪機(jī)和合適的儲(chǔ)熱容量設(shè)計(jì)。對(duì)于太陽(yáng)島而言，其通過(guò)數(shù)千面反射鏡聚焦太陽(yáng)能，是儲(chǔ)熱型光熱電站配置成本最高的部分，增加4小時(shí)儲(chǔ)熱和翻倍汽輪機(jī)的熱功率，是一種明智的投資選擇。
同時(shí)，加州電網(wǎng)系統(tǒng)作為一個(gè)整體將受益于儲(chǔ)熱型光熱電站的可調(diào)性、靈活性。按可再生能源占比33%的規(guī)劃情景考慮，DNVGL的研究目前給出了這樣的方案：通過(guò)替換昂貴的調(diào)峰機(jī)組削減電力生產(chǎn)成本（可削減3%）；通過(guò)更小的電網(wǎng)系統(tǒng)變化來(lái)降低后備容量（削減50%）；應(yīng)對(duì)早晨和夜間的高峰供電上升需求，增加額外的容量；對(duì)旋轉(zhuǎn)備用電機(jī)附加額外的慣量提升電網(wǎng)穩(wěn)定性。
加州電網(wǎng)系統(tǒng)要達(dá)到33%的可再生能源供電比例，需要采用上述方案來(lái)應(yīng)對(duì)由此帶來(lái)的電網(wǎng)不穩(wěn)定性，加州需要一個(gè)靈活的、強(qiáng)健的能夠經(jīng)受考驗(yàn)的電網(wǎng)系統(tǒng)，這就是加州未來(lái)繼續(xù)開(kāi)發(fā)光熱電站的最大動(dòng)力。如果我們都能夠清醒地認(rèn)識(shí)到，光熱電站不僅僅能提供一種清潔電能，還可以作為綠色的電網(wǎng)輔助設(shè)備，為構(gòu)建靈活可調(diào)的電網(wǎng)系統(tǒng)作出貢獻(xiàn)，那么未來(lái)對(duì)光熱電站的開(kāi)發(fā)就不會(huì)僅僅因成本過(guò)高而停滯。
關(guān)于文中太陽(yáng)倍數(shù)（SM）與年收益和儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系解讀：
常規(guī)光熱電站在設(shè)計(jì)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)較高的容量因子，一般選擇較高的SM，通常情況下大于1。而本文給出的結(jié)論是，SM越低，儲(chǔ)熱時(shí)間越長(zhǎng)，電站年收益越高。這是什么原因呢？西北電力設(shè)計(jì)院工程師趙曉輝對(duì)此解答了CSPPLAZA記者的疑問(wèn)，本文討論的是光熱電站作為電網(wǎng)輔助調(diào)峰電源時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)最大收益的問(wèn)題。加州實(shí)行峰谷電價(jià)，在高峰時(shí)間段的電力價(jià)格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出普通時(shí)間段，光熱電站要最大化收益，就需要盡可能地將發(fā)電量在高峰時(shí)間段售出。為此，假設(shè)一個(gè)10MW的太陽(yáng)集熱場(chǎng)，集熱功率保持不變，增大汽輪機(jī)的熱功率就可以將電能以最小的時(shí)間大量輸出。如果配置6小時(shí)儲(chǔ)熱，光熱電站可以在白天盡可能地不發(fā)電，僅僅存儲(chǔ)集熱場(chǎng)熱量，而在夜間通過(guò)大功率汽輪機(jī)在較短的高峰期時(shí)間段內(nèi)將白天存儲(chǔ)的能量全部釋放，以獲得最大收益。而且在光熱電站的投資成本中，光場(chǎng)占一大部分，如果控制了光場(chǎng)的投資，而通過(guò)增加汽輪機(jī)功率或儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高峰期售電，可以保證在電站投資成本不大量增加的情況下獲得更高收益。
而對(duì)于這種方案是否可以在國(guó)內(nèi)進(jìn)行推廣，趙曉輝認(rèn)為，這種方案要獲得高收益的前提是必須對(duì)峰谷上網(wǎng)電價(jià)有所區(qū)別，而國(guó)內(nèi)當(dāng)前在上網(wǎng)側(cè)還沒(méi)有實(shí)施峰谷電價(jià)差機(jī)制，因此目前此種方案在國(guó)內(nèi)還難以進(jìn)行推廣。但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，實(shí)施峰谷上網(wǎng)電價(jià)應(yīng)是一大趨勢(shì)，我國(guó)也將逐步采用這種方案。當(dāng)前在用戶端已有部分省份開(kāi)始推行峰谷用電機(jī)制，上網(wǎng)側(cè)的峰谷電價(jià)機(jī)制也將在未來(lái)逐步落地。
