中國儲能網(wǎng)訊：美國國家可再生能源實驗室日前發(fā)布了一份名為《儲能未來研究：定義長時儲能的挑戰(zhàn)》研究報告。這是其儲能未來研究(SFS)的系列報告之一。儲能未來研究(SFS)是一項多年研究項目，旨在探索儲能系統(tǒng)在美國電力部門的發(fā)展和運營中的作用和影響。儲能未來研究(SFS)是旨在研究儲能技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展對于公用事業(yè)規(guī)模儲能系統(tǒng)和分布式儲能系統(tǒng)的部署和采用帶來的潛在影響，以及對未來電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的投資和運營的影響。
這份報告主要探討應(yīng)用于儲能系統(tǒng)的“長時”的定義。鑒于“長時儲能”這一術(shù)語的使用越來越多，統(tǒng)一的定義有助于利益相關(guān)者之間的溝通和一致性。而使用美國高級研究計劃署能源(ARPA-E)對持續(xù)時間超過10小時作為“長時”的定義越來越廣泛。然而，“長時儲能”術(shù)語通常作為具有足夠持續(xù)放電時間以提供穩(wěn)定容量和支持電網(wǎng)資源充足性的儲能系統(tǒng)的一種概述。但儲能系統(tǒng)在各種應(yīng)用場景中所需的持續(xù)時間差異很大，其時間從短短幾個小時到長達(dá)幾天不等。這個術(shù)語的多重使用意味著，不可能有一個簡單、統(tǒng)一、靜態(tài)的“長時儲能”定義來描述提供穩(wěn)定儲能容量的能力。為了解決這個問題，美國國家可再生能源實驗室建議，對于長時儲能的定性描述需要伴隨著定量描述，而電力部門利益相關(guān)者在選擇長時儲能的定義時應(yīng)慎重考慮。
儲能未來研究(SFS)系列提供數(shù)據(jù)和分析以支持美國能源部的“儲能大挑戰(zhàn)”計劃，這是一項旨在加速下一代儲能技術(shù)的開發(fā)、商業(yè)化和利用，并保持美國在儲能領(lǐng)域的全球領(lǐng)先地位的綜合計劃?！皟δ艽筇魬?zhàn)”采用用例和框架來確保儲能技術(shù)能夠經(jīng)濟(jì)高效地滿足特定需求，它包含了以下幾個類別的廣泛技術(shù)：電化學(xué)、機電、熱、柔性發(fā)電和電力電子。
1、簡介
隨著美國的可變可再生能源(VRE)發(fā)電份額的快速增長，正在構(gòu)建一個新愿景，也就是長時儲能系統(tǒng)(LDES)需要確保提供負(fù)擔(dān)得起且可靠的電力。在這個愿景中，將大規(guī)模部署長時儲能系統(tǒng)(LDES)，為電網(wǎng)提供充足的備用電源，并支持電力系統(tǒng)的脫碳。然而，目前缺乏對長時儲能系統(tǒng)(LDES)的統(tǒng)一定義，阻礙了對當(dāng)前和未來電網(wǎng)需求的描述，包括電網(wǎng)脫碳主要依賴可再生能源發(fā)電的情景。
儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間通常以儲能系統(tǒng)在其額定功率下能夠連續(xù)輸出電力的小時數(shù)來表示。而在很多報告和文獻(xiàn)中，長時儲能系統(tǒng)(LDES)持續(xù)時間的定義范圍從兩小時到數(shù)天甚至數(shù)月不等。
而建立一致的長時儲能系統(tǒng)定義的主要原因有兩個：
（1）創(chuàng)建一種通用定義幫助溝通，以確保利益相關(guān)者在一致的假設(shè)和理解下工作。
（2）建立提供適合固定容量和支持資源充足性所需的特征，特別是建立監(jiān)管或市場規(guī)則或其他標(biāo)準(zhǔn)。
由于第一個原因（通用框架），定義長時儲能系統(tǒng)(LDES)相對簡單，并且對文獻(xiàn)和論文提出的長時儲能系統(tǒng)持續(xù)時間的定義至少為10小時以上達(dá)成共識，因為它目前被許多行業(yè)和政府組織使用，并也在學(xué)術(shù)文章和文獻(xiàn)中越來越多地使用。
然而，美國國家可再生能源實驗室建議謹(jǐn)慎使用該定義，因為它與定義長時儲能系統(tǒng)(LDES)的第二個動機（基于其提供固定容量的能力）存在內(nèi)在沖突。這種基于應(yīng)用場景的定義對于維護(hù)可靠的電網(wǎng)、建立市場規(guī)則以及電力系統(tǒng)脫碳的最佳規(guī)劃具有重要意義。
但很難對定義長時儲能系統(tǒng)(LDES)的兩種不同方法進(jìn)行協(xié)調(diào)，并得出一個持續(xù)時間（甚至是數(shù)值范圍）的確切數(shù)值，而采用這一數(shù)值定義長時儲能系統(tǒng)(LDES)既便于溝通交流，也可作為提供固定儲能容量的簡要說明。儲能系統(tǒng)存儲提供固定容量的能力（以容量信用衡量）在很大程度上取決于區(qū)域需求模式和電網(wǎng)組合，其中包括可再生能源和部署的儲能系統(tǒng)的儲能容量。因此，提供高容量信用所需的持續(xù)放電時間可以跨越很大的范圍，從當(dāng)今電網(wǎng)中某些持續(xù)放電時間約為2～4小時的儲能系統(tǒng)到未來電網(wǎng)中持續(xù)放電時間長達(dá)數(shù)天的規(guī)模非常大的可再生能源和儲能項目。因此，長時儲能系統(tǒng)(LDES)不能具有統(tǒng)一一致的數(shù)值，并作為衡量容量信用的閾值。（注：在電力市場中，電源的容量價值表現(xiàn)為可被信用的容量，也稱為容量信用）。
這種差異增加了定義持續(xù)時間不同的長時儲能系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，尤其是在考慮可能提供不同服務(wù)的不同技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性時。監(jiān)管和市場框架可能需要發(fā)展以適應(yīng)這一現(xiàn)實。然而，由于缺乏一個簡單的一致定義，因此需要教育關(guān)鍵利益相關(guān)者，讓他們認(rèn)識到評估資源充足性以及增加可再生能源和多種儲能技術(shù)部署的關(guān)鍵重要性。
2、首要事項：定義儲能系統(tǒng)的“持續(xù)時間”
首先，確定長時儲能系統(tǒng)“持續(xù)時間”的定義很重要。美國國家可再生能源實驗室的這份報告從固定儲能系統(tǒng)的最終用戶的角度出發(fā)進(jìn)行描述，其中包括電網(wǎng)規(guī)劃人員、電網(wǎng)運營商和公用事業(yè)公司。
從這個角度來看，美國能源信息署對“持續(xù)時間”總結(jié)了一個相當(dāng)簡單的定義：“持續(xù)時間是儲能系統(tǒng)在最大放電率的情況下可以維持電力輸出的時間長度，通常以小時表示。儲能容量的定義是儲能系統(tǒng)能夠儲存或放電的總能量。
需要強調(diào)的是，美國國家可再生能源實驗室將儲能容量和持續(xù)時間解釋為衡量儲能系統(tǒng)的可用能量和持續(xù)時間，其中扣除了為維持最小和最大充電狀態(tài)或其他因素而保留的電力。這意味著儲能系統(tǒng)的可用儲能容量等于凈額定功率乘以持續(xù)時間。例如，持續(xù)時間為4小時的1MW（交流額定值）電池儲能系統(tǒng)具有可以提供給電網(wǎng)的4MWh的可用儲能容量。達(dá)到凈容量所需的總儲能容量是由儲能系統(tǒng)制造商或開發(fā)商確定的一個單獨因素，以確保最終用戶可以使用凈持續(xù)時間。
使用凈儲能容量與總儲能容量來定義持續(xù)時間有一些重要的先例。迄今為止，抽水蓄能發(fā)電設(shè)施仍是儲能容量最大的儲能系統(tǒng)，傳統(tǒng)上通過實際可以使用的儲水量來衡量的，通常考慮的是上游水庫和下游水庫的最低和最高水位，而不是水庫的總蓄水量。
需要注意的是，這個定義僅描述了儲能系統(tǒng)存儲的能量，而不是在使用前將會存儲多長時間。然而，隨著持續(xù)時間的增加，這兩個數(shù)量可能密切相關(guān)。
為儲能系統(tǒng)充電，這可能會影響儲能系統(tǒng)在某些應(yīng)用場景中達(dá)到其額定持續(xù)時間的能力，如下所述。
3、定義長時儲能的持續(xù)時間
為電力行業(yè)中使用的定性形容詞指定一個數(shù)值可能很有用，以便于溝通和保持一致。例如，人們通常使用 “配電”和“輸電”這樣的術(shù)語來描述電網(wǎng)的電壓水平，而不用具體說明其電力數(shù)值。例如，行業(yè)人士通常更多地使用“配電電壓”而不是“34.5kV及以下的電壓”來描述，在種情況下，采用“配電”電壓形容實際值可能有些武斷，但隨著時間的推移，或通過實際標(biāo)準(zhǔn)，該值可能會實現(xiàn)制度化或法典化。
鑒于“長時儲能”一詞已經(jīng)是電力系統(tǒng)術(shù)語的一部分，雖然沒有明確的定義，但對于持續(xù)時間達(dá)成一致將有助于溝通。
如果這是定義長時持續(xù)時間的主要動機，那么使用現(xiàn)有文獻(xiàn)來推導(dǎo)出接近共識的持續(xù)時間可能是最容易的。現(xiàn)在并沒有證據(jù)表明長時儲能系統(tǒng)(LDES)已由標(biāo)準(zhǔn)組織（例如國際標(biāo)準(zhǔn)化組織或電氣和電子工程師協(xié)會）以明確的方式定義。
表1提供了對39份報告和文獻(xiàn)綜述的總結(jié)，這些文件用數(shù)值定義了長時儲能持續(xù)時間，通常以小時表示。在這時排除了一些別技術(shù)開發(fā)商發(fā)布或推廣的定義，沒有包含詳細(xì)討論長時儲能系統(tǒng)(LDES)但沒有明確定義持續(xù)時間的文件。
表1.定義長時儲能的來源
雖然并不是詳盡的調(diào)查，但表1展示了大量文獻(xiàn)和報告對持續(xù)時間的定義，其中主要的定義有三個閾值：≥4小時、≥10小時，以及“超過一天”（文獻(xiàn)中通常指的是季節(jié)性儲能系統(tǒng)）。這個范圍反映了不同的儲能系統(tǒng)研究通常考慮不同的方面，包括不同的儲能技術(shù)（例如，4小時的電池儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間比目前部署的其他種在電池持續(xù)時間更長）或不同的電網(wǎng)情景（例如對未來電網(wǎng)的研究）具有與當(dāng)今同的必需屬性。還有一些文獻(xiàn)討論了一些問題，包括提供一個既使用一致的命名法，又基于長時儲能系統(tǒng)(LDES)可以服務(wù)應(yīng)用場景的定義的挑戰(zhàn)。
盡管長時儲能的定義范圍很大，但主要基于兩個因素，似乎有一些理由將“≥10小時”視為長時儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間。首先，它在報告和文獻(xiàn)中被引用次數(shù)最多。其次，在美國高級研究計劃署能源署(ARPA-E)定義長時儲能系統(tǒng)(LDES)的持續(xù)時間為10～100小時之后，行業(yè)用戶似乎越來越多地使用這一數(shù)值。該數(shù)值在很多文章中被特別引用，最近該數(shù)值被用于美國能源部提出的長時儲能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。雖然美國高級研究計劃署能源署(ARPA-E)的定義也提出了上限，但在很多文獻(xiàn)中很少討論其上限。然而，通過命名的辦法來區(qū)分通常被認(rèn)為對持續(xù)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過12小時甚至長達(dá)幾天的儲能技術(shù)（例如，抽水蓄能發(fā)電設(shè)施、液流電池儲能系統(tǒng)、抽水蓄熱設(shè)施等），以及那些具有更長持續(xù)時間的儲能技術(shù)來說可能是有價值的，可以將其描述為“季節(jié)性”儲能系統(tǒng)（多天及以上）。
盡管為了方便起見，可以應(yīng)用持續(xù)時間10小時以上的這樣的定義，但定義長時儲能從4小時到多天的廣泛范圍表明需要了解這些差異。如果長時儲能系統(tǒng)(LDES)的定義用于溝通當(dāng)前或未來電網(wǎng)的需求，或者用于制定政策或市場規(guī)則，則長時儲能系統(tǒng)(LDES)定義的變化可能會有重要意義。這導(dǎo)致基于長時儲能系統(tǒng)(LDES)可以提供的服務(wù)定義長時儲能系統(tǒng)(LDES的第二個動機和方法。第二種方法將展示實現(xiàn)長時儲能系統(tǒng)(LDES)統(tǒng)一定義的固有挑戰(zhàn)。
作者：Paul Denholm、Wesley Cole、A.WillFrazier、Kara Podkaminer和Nate Blair
來源：美國國家可再生能源實驗室
