中國儲能網訊：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進步和發(fā)展對于公用事業(yè)規(guī)模儲能系統和分布式儲能系統的部署和采用帶來的潛在影響，以及對未來電力系統基礎設施的投資和運營的影響。
這份報告主要探討應用于儲能系統的“長時”的定義。鑒于“長時儲能”這一術語的使用越來越多，統一的定義有助于利益相關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)定容量和支持電網資源充足性的儲能系統的一種概述。但儲能系統在各種應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幾天不等。這個術語的多重使用意味著，不可能有一個簡單、統一、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者在選擇長時儲能的定義時應慎重考慮。
儲能未來研究(SFS)系列提供數據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的開發(fā)、商業(yè)化和利用，并保持美國在儲能領域的全球領先地位的綜合計劃?！皟δ艽筇魬?zhàn)”采用用例和框架來確保儲能技術能夠經濟高效地滿足特定需求，它包含了以下幾個類別的廣泛技術：電化學、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，正在構建一個新愿景，也就是長時儲能系統(LDES)需要確保提供負擔得起且可靠的電力。在這個愿景中，將大規(guī)模部署長時儲能系統(LDES)，為電網提供充足的備用電源，并支持電力系統的脫碳。然而，目前缺乏對長時儲能系統(LDES)的統一定義，阻礙了對當前和未來電網需求的描述，包括電網脫碳主要依賴可再生能源發(fā)電的情景。
儲能系統的持續(xù)時間通常以儲能系統在其額定功率下能夠連續(xù)輸出電力的小時數來表示。而在很多報告和文獻中，長時儲能系統(LDES)持續(xù)時間的定義范圍從兩小時到數天甚至數月不等。
而建立一致的長時儲能系統定義的主要原因有兩個：
（1）創(chuàng)建一種通用定義幫助溝通，以確保利益相關者在一致的假設和理解下工作。
（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)則或其他標準。
由于第一個原因（通用框架），定義長時儲能系統(LDES)相對簡單，并且對文獻和論文提出的長時儲能系統持續(xù)時間的定義至少為10小時以上達成共識，因為它目前被許多行業(yè)和政府組織使用，并也在學術文章和文獻中越來越多地使用。
然而，美國國家可再生能源實驗室建議謹慎使用該定義，因為它與定義長時儲能系統(LDES)的第二個動機（基于其提供固定容量的能力）存在內在沖突。這種基于應用場景的定義對于維護可靠的電網、建立市場規(guī)則以及電力系統脫碳的最佳規(guī)劃具有重要意義。
但很難對定義長時儲能系統(LDES)的兩種不同方法進行協調，并得出一個持續(xù)時間（甚至是數值范圍）的確切數值，而采用這一數值定義長時儲能系統(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)域需求模式和電網組合，其中包括可再生能源和部署的儲能系統的儲能容量。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，從當今電網中某些持續(xù)放電時間約為2～4小時的儲能系統到未來電網中持續(xù)放電時間長達數天的規(guī)模非常大的可再生能源和儲能項目。因此，長時儲能系統(LDES)不能具有統一一致的數值，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的挑戰(zhàn)，尤其是在考慮可能提供不同服務的不同技術的經濟性時。監(jiān)管和市場框架可能需要發(fā)展以適應這一現實。然而，由于缺乏一個簡單的一致定義，因此需要教育關鍵利益相關者，讓他們認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部署的關鍵重要性。
2、首要事項：定義儲能系統的“持續(xù)時間”
首先，確定長時儲能系統“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的最終用戶的角度出發(fā)進行描述，其中包括電網規(guī)劃人員、電網運營商和公用事業(yè)公司。
從這個角度來看，美國能源信息署對“持續(xù)時間”總結了一個相當簡單的定義：“持續(xù)時間是儲能系統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能夠儲存或放電的總能量。
需要強調的是，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）電池儲能系統具有可以提供給電網的4MWh的可用儲能容量。達到凈容量所需的總儲能容量是由儲能系統制造商或開發(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)電設施仍是儲能容量最大的儲能系統，傳統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，這兩個數量可能密切相關。
為儲能系統充電，這可能會影響儲能系統在某些應用場景中達到其額定持續(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”這樣的術語來描述電網的電壓水平，而不用具體說明其電力數值。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，或通過實際標準，該值可能會實現制度化或法典化。
鑒于“長時儲能”一詞已經是電力系統術語的一部分，雖然沒有明確的定義，但對于持續(xù)時間達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，那么使用現有文獻來推導出接近共識的持續(xù)時間可能是最容易的。現在并沒有證據表明長時儲能系統(LDES)已由標準組織（例如國際標準化組織或電氣和電子工程師協會）以明確的方式定義。
表1提供了對39份報告和文獻綜述的總結，這些文件用數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開發(fā)商發(fā)布或推廣的定義，沒有包含詳細討論長時儲能系統(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查，但表1展示了大量文獻和報告對持續(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”（文獻中通常指的是季節(jié)性儲能系統）。這個范圍反映了不同的儲能系統研究通常考慮不同的方面，包括不同的儲能技術（例如，4小時的電池儲能系統的持續(xù)時間比目前部署的其他種在電池持續(xù)時間更長）或不同的電網情景（例如對未來電網的研究）具有與當今同的必需屬性。還有一些文獻討論了一些問題，包括提供一個既使用一致的命名法，又基于長時儲能系統(LDES)可以服務應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”視為長時儲能系統的持續(xù)時間。首先，它在報告和文獻中被引用次數最多。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(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值。該數值在很多文章中被特別引用，最近該數值被用于美國能源部提出的長時儲能系統標準。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)分通常被認為對持續(xù)時間遠遠超過12小時甚至長達幾天的儲能技術（例如，抽水蓄能發(fā)電設施、液流電池儲能系統、抽水蓄熱設施等），以及那些具有更長持續(xù)時間的儲能技術來說可能是有價值的，可以將其描述為“季節(jié)性”儲能系統（多天及以上）。
盡管為了方便起見，可以應用持續(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(LDES)的定義用于溝通當前或未來電網的需求，或者用于制定政策或市場規(guī)則，則長時儲能系統(LDES)定義的變化可能會有重要意義。這導致基于長時儲能系統(LDES)可以提供的服務定義長時儲能系統(LDES的第二個動機和方法。第二種方法將展示實現長時儲能系統(LDES)統一定義的固有挑戰(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
