中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室日前發(fā)布了一份名為《儲(chǔ)能未來(lái)研究：定義長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的挑戰(zhàn)》研究報(bào)告。這是其儲(chǔ)能未來(lái)研究(SFS)的系列報(bào)告之一。儲(chǔ)能未來(lái)研究(SFS)是一項(xiàng)多年研究項(xiàng)目，旨在探索儲(chǔ)能系統(tǒng)在美國(guó)電力部門的發(fā)展和運(yùn)營(yíng)中的作用和影響。儲(chǔ)能未來(lái)研究(SFS)是旨在研究?jī)?chǔ)能技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展對(duì)于公用事業(yè)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)和分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署和采用帶來(lái)的潛在影響，以及對(duì)未來(lái)電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的投資和運(yùn)營(yíng)的影響。
這份報(bào)告主要探討應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的“長(zhǎng)時(shí)”的定義。鑒于“長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能”這一術(shù)語(yǔ)的使用越來(lái)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(guó)高級(jí)研究計(jì)劃署能源(ARPA-E)對(duì)持續(xù)時(shí)間超過(guò)10小時(shí)作為“長(zhǎng)時(shí)”的定義越來(lái)越廣泛。然而，“長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能”術(shù)語(yǔ)通常作為具有足夠持續(xù)放電時(shí)間以提供穩(wěn)定容量和支持電網(wǎng)資源充足性的儲(chǔ)能系統(tǒng)的一種概述。但儲(chǔ)能系統(tǒng)在各種應(yīng)用場(chǎng)景中所需的持續(xù)時(shí)間差異很大，其時(shí)間從短短幾個(gè)小時(shí)到長(zhǎng)達(dá)幾天不等。這個(gè)術(shù)語(yǔ)的多重使用意味著，不可能有一個(gè)簡(jiǎn)單、統(tǒng)一、靜態(tài)的“長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能”定義來(lái)描述提供穩(wěn)定儲(chǔ)能容量的能力。為了解決這個(gè)問(wèn)題，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室建議，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)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(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的定義時(shí)應(yīng)慎重考慮。
儲(chǔ)能未來(lái)研究(SFS)系列提供數(shù)據(jù)和分析以支持美國(guó)能源部的“儲(chǔ)能大挑戰(zhàn)”計(jì)劃，這是一項(xiàng)旨在加速下一代儲(chǔ)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)、商業(yè)化和利用，并保持美國(guó)在儲(chǔ)能領(lǐng)域的全球領(lǐng)先地位的綜合計(jì)劃。“儲(chǔ)能大挑戰(zhàn)”采用用例和框架來(lái)確保儲(chǔ)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(gè)類別的廣泛技術(shù)：電化學(xué)、機(jī)電、熱、柔性發(fā)電和電力電子。
1、簡(jiǎn)介
隨著美國(guó)的可變可再生能源(VRE)發(fā)電份額的快速增長(zhǎng)，正在構(gòu)建一個(gè)新愿景，也就是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)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(gè)愿景中，將大規(guī)模部署長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)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(duì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)的統(tǒng)一定義，阻礙了對(duì)當(dāng)前和未來(lái)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(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間通常以儲(chǔ)能系統(tǒng)在其額定功率下能夠連續(xù)輸出電力的小時(shí)數(shù)來(lái)表示。而在很多報(bào)告和文獻(xiàn)中，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)持續(xù)時(shí)間的定義范圍從兩小時(shí)到數(shù)天甚至數(shù)月不等。
而建立一致的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)定義的主要原因有兩個(gè)：
（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(chǎng)規(guī)則或其他標(biāo)準(zhǔn)。
由于第一個(gè)原因（通用框架），定義長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且對(duì)文獻(xiàn)和論文提出的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間的定義至少為10小時(shí)以上達(dá)成共識(shí)，因?yàn)樗壳氨辉S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(lái)越多地使用。
然而，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室建議謹(jǐn)慎使用該定義，因?yàn)樗c定義長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)的第二個(gè)動(dòng)機(jī)（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(chǎng)景的定義對(duì)于維護(hù)可靠的電網(wǎng)、建立市場(chǎng)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(duì)定義長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)的兩種不同方法進(jìn)行協(xié)調(diào)，并得出一個(gè)持續(xù)時(shí)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(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)既便于溝通交流，也可作為提供固定儲(chǔ)能容量的簡(jiǎn)要說(shuō)明。儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量。因此，提供高容量信用所需的持續(xù)放電時(shí)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(shí)間約為2～4小時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)到未來(lái)電網(wǎng)中持續(xù)放電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)天的規(guī)模非常大的可再生能源和儲(chǔ)能項(xiàng)目。因此，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)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(chǎng)中，電源的容量?jī)r(jià)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(shí)間不同的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)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(shí)。監(jiān)管和市場(chǎng)框架可能需要發(fā)展以適應(yīng)這一現(xiàn)實(shí)。然而，由于缺乏一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)到評(píng)估資源充足性以及增加可再生能源和多種儲(chǔ)能技術(shù)部署的關(guān)鍵重要性。
2、首要事項(xiàng)：定義儲(chǔ)能系統(tǒng)的“持續(xù)時(shí)間”
首先，確定長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)“持續(xù)時(shí)間”的定義很重要。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的這份報(bào)告從固定儲(chǔ)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(yùn)營(yíng)商和公用事業(yè)公司。
從這個(gè)角度來(lái)看，美國(guó)能源信息署對(duì)“持續(xù)時(shí)間”總結(jié)了一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的定義：“持續(xù)時(shí)間是儲(chǔ)能系統(tǒng)在最大放電率的情況下可以維持電力輸出的時(shí)間長(zhǎng)度，通常以小時(shí)表示。儲(chǔ)能容量的定義是儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠儲(chǔ)存或放電的總能量。
需要強(qiáng)調(diào)的是，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室將儲(chǔ)能容量和持續(xù)時(shí)間解釋為衡量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的可用能量和持續(xù)時(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)的可用儲(chǔ)能容量等于凈額定功率乘以持續(xù)時(shí)間。例如，持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)的1MW（交流額定值）電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有可以提供給電網(wǎng)的4MWh的可用儲(chǔ)能容量。達(dá)到凈容量所需的總儲(chǔ)能容量是由儲(chǔ)能系統(tǒng)制造商或開(kāi)發(fā)商確定的一個(gè)單獨(dú)因素，以確保最終用戶可以使用凈持續(xù)時(shí)間。
使用凈儲(chǔ)能容量與總儲(chǔ)能容量來(lái)定義持續(xù)時(shí)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(chǔ)能容量最大的儲(chǔ)能系統(tǒng)，傳統(tǒng)上通過(guò)實(shí)際可以使用的儲(chǔ)水量來(lái)衡量的，通常考慮的是上游水庫(kù)和下游水庫(kù)的最低和最高水位，而不是水庫(kù)的總蓄水量。
需要注意的是，這個(gè)定義僅描述了儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量，而不是在使用前將會(huì)存儲(chǔ)多長(zhǎng)時(shí)間。然而，隨著持續(xù)時(shí)間的增加，這兩個(gè)數(shù)量可能密切相關(guān)。
為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，這可能會(huì)影響儲(chǔ)能系統(tǒng)在某些應(yīng)用場(chǎng)景中達(dá)到其額定持續(xù)時(shí)間的能力，如下所述。
3、定義長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的持續(xù)時(shí)間
為電力行業(yè)中使用的定性形容詞指定一個(gè)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(yǔ)來(lái)描述電網(wǎng)的電壓水平，而不用具體說(shuō)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(lái)描述，在種情況下，采用“配電”電壓形容實(shí)際值可能有些武斷，但隨著時(shí)間的推移，或通過(guò)實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)，該值可能會(huì)實(shí)現(xiàn)制度化或法典化。
鑒于“長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能”一詞已經(jīng)是電力系統(tǒng)術(shù)語(yǔ)的一部分，雖然沒(méi)有明確的定義，但對(duì)于持續(xù)時(shí)間達(dá)成一致將有助于溝通。
如果這是定義長(zhǎng)時(shí)持續(xù)時(shí)間的主要?jiǎng)訖C(jī)，那么使用現(xiàn)有文獻(xiàn)來(lái)推導(dǎo)出接近共識(shí)的持續(xù)時(shí)間可能是最容易的?，F(xiàn)在并沒(méi)有證據(jù)表明長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)已由標(biāo)準(zhǔn)組織（例如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織或電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）以明確的方式定義。
表1提供了對(duì)39份報(bào)告和文獻(xiàn)綜述的總結(jié)，這些文件用數(shù)值定義了長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能持續(xù)時(shí)間，通常以小時(shí)表示。在這時(shí)排除了一些別技術(shù)開(kāi)發(fā)商發(fā)布或推廣的定義，沒(méi)有包含詳細(xì)討論長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)但沒(méi)有明確定義持續(xù)時(shí)間的文件。
表1.定義長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的來(lái)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(bào)告對(duì)持續(xù)時(shí)間的定義，其中主要的定義有三個(gè)閾值：≥4小時(shí)、≥10小時(shí)，以及“超過(guò)一天”（文獻(xiàn)中通常指的是季節(jié)性儲(chǔ)能系統(tǒng)）。這個(gè)范圍反映了不同的儲(chǔ)能系統(tǒng)研究通?？紤]不同的方面，包括不同的儲(chǔ)能技術(shù)（例如，4小時(shí)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間比目前部署的其他種在電池持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)）或不同的電網(wǎng)情景（例如對(duì)未來(lái)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(wèn)題，包括提供一個(gè)既使用一致的命名法，又基于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)可以服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景的定義的挑戰(zhàn)。
盡管長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的定義范圍很大，但主要基于兩個(gè)因素，似乎有一些理由將“≥10小時(shí)”視為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間。首先，它在報(bào)告和文獻(xiàn)中被引用次數(shù)最多。其次，在美國(guó)高級(jí)研究計(jì)劃署能源署(ARPA-E)定義長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)的持續(xù)時(shí)間為10～100小時(shí)之后，行業(yè)用戶似乎越來(lái)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(guó)能源部提出的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。雖然美國(guó)高級(jí)研究計(jì)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(guò)命名的辦法來(lái)區(qū)分通常被認(rèn)為對(duì)持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)12小時(shí)甚至長(zhǎng)達(dá)幾天的儲(chǔ)能技術(shù)（例如，抽水蓄能發(fā)電設(shè)施、液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、抽水蓄熱設(shè)施等），以及那些具有更長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)說(shuō)可能是有價(jià)值的，可以將其描述為“季節(jié)性”儲(chǔ)能系統(tǒng)（多天及以上）。
盡管為了方便起見(jiàn)，可以應(yīng)用持續(xù)時(shí)間10小時(shí)以上的這樣的定義，但定義長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能從4小時(shí)到多天的廣泛范圍表明需要了解這些差異。如果長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)的定義用于溝通當(dāng)前或未來(lái)電網(wǎng)的需求，或者用于制定政策或市場(chǎng)規(guī)則，則長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)定義的變化可能會(huì)有重要意義。這導(dǎo)致基于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)可以提供的服務(wù)定義長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES的第二個(gè)動(dòng)機(jī)和方法。第二種方法將展示實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)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(lái)源：美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室
