中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：4、定義長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間以建立其提供資源充足性的能力
除了便于溝通和交流之外，出于監(jiān)管和市場的各種原因，為定性形容詞指定數(shù)值也很常見。即使沒有潛在的監(jiān)管需求，為長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)等定義生成基于儲(chǔ)能應(yīng)用的閾值也可能很有用。對于長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)來說，這種定義方的法最終將持續(xù)時(shí)間與特定應(yīng)用（其提供固定儲(chǔ)能容量的能力）聯(lián)系起來。
為了提供穩(wěn)定的儲(chǔ)能容量和支持資源充足性，并且越來越多地部署儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用固定容量也是一個(gè)重要方面。
很多報(bào)告和文獻(xiàn)中出現(xiàn)對于長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)的討論。這也反映了現(xiàn)在或在不久的將來對長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)的旺盛需求，其中現(xiàn)有發(fā)電資產(chǎn)的退役或電力需求的增長，增加了對能夠滿足這些市場需求的長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求。
根據(jù)提供固定容量所需的最短持續(xù)時(shí)間來定義長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)，會(huì)導(dǎo)致隨著時(shí)間和位置而變化的更大范圍持續(xù)時(shí)間。因此，這種定義方法最終與第一種方法（一致性和易于溝通）相沖突。
為了探索定義中可能存在的不一致，必須首先檢查作為持續(xù)時(shí)間函數(shù)的容量信用，或儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效承載能力(ELCC)。簡單地說，如果1MW的儲(chǔ)能系統(tǒng)要完全取代1MW的傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)施，則需要有足夠的持續(xù)時(shí)間來提供相等或更大的有效承載能力(ELCC)。
有效承載能力(ELCC)反映了發(fā)電設(shè)施在大修時(shí)等停電風(fēng)險(xiǎn)峰值期間可用的能力，這通常對應(yīng)于電力峰值需求期間，或者越來越多地對應(yīng)于峰值凈需求，其中凈需求是正常需求減去可變可再生能源（VRE）提供的電力。圖1顯示了一個(gè)簡單的近似方法示例，該方法用于計(jì)算將凈峰值負(fù)載減少特定儲(chǔ)能容量（基本上代表100%容量信用）所需的持續(xù)時(shí)間。在本例中，模擬替代佛羅里達(dá)州1,700MW的傳統(tǒng)峰值發(fā)電容量。通過儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量來測量減少凈負(fù)載所需的能量，在這種情況下約為7,000MWh，相當(dāng)于大約4小時(shí)的持續(xù)時(shí)間。
圖1.采用儲(chǔ)能系統(tǒng)滿足峰值需求
可以使用簡單的方法（例如圖1中所示的方法）來估計(jì)作為持續(xù)時(shí)間函數(shù)的儲(chǔ)能容量信用，主要使用線性降額。在之前的示例中，一個(gè)裝機(jī)容量1,700 MW、持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以提供大約1,700MW的有效承載能力(ELCC)（100%容量信用），并且具有相同裝機(jī)容量且持續(xù)2小時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以降額至850MW（意味著它將在4小時(shí)內(nèi)以850MW輸出電力）。
在這個(gè)針對特定位置和電網(wǎng)組合的示例中，持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以為系統(tǒng)資源充足性貢獻(xiàn)其裝機(jī)容量的100%。雖然這是一個(gè)近似值，但研究發(fā)現(xiàn)，在美國夏季峰值期間的許多地區(qū)，4小時(shí)持續(xù)時(shí)間的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提供更高的儲(chǔ)能容量。這符合美國許多市場區(qū)域?yàn)闈M負(fù)荷信用設(shè)定的閾值。
這一結(jié)果的含義是，至少在美國某些地區(qū)，目前不需要10小時(shí)持續(xù)時(shí)間的儲(chǔ)能系統(tǒng)來提供系統(tǒng)級(jí)資源充足性。因此，基于應(yīng)用場景的長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)定義（就提供固定容量所需的最短持續(xù)時(shí)間而言）與報(bào)告中建議的的定義（10小時(shí)以上）不符。此外，無法生成一致的基于應(yīng)用場景的定義，因?yàn)槌掷m(xù)時(shí)間由于以下四個(gè)主要原因而具有很大差異，如下所述。
原因1：儲(chǔ)能容量信用因區(qū)域負(fù)載模式而異
儲(chǔ)能系統(tǒng)在峰值需求期間的儲(chǔ)能容量取決于峰值期間的需求和持續(xù)時(shí)間。圖2采用與圖1相同的方法，但在本例中計(jì)算了紐約州所部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間，并且考慮了儲(chǔ)能系統(tǒng)的不同規(guī)模。因?yàn)榧~約州經(jīng)歷了更長的負(fù)載峰值（此處用紫色區(qū)域表示更寬），該系統(tǒng)將需要大約5.5小時(shí)才能實(shí)現(xiàn)與上述佛羅里達(dá)州案例相同的凈負(fù)載。
圖2.更長的凈負(fù)載峰值會(huì)降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量信用（紐約州示例）
一般來說，較長的峰值期間通常出現(xiàn)在夏季峰值期間。這導(dǎo)致儲(chǔ)能容量信用有著顯著的區(qū)域差異，并導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)100%容量信用的持續(xù)時(shí)間不同。
原因2：儲(chǔ)能的容量信用因可再生能源部署而異
凈負(fù)荷峰值期間的長度也受到可變可再生能源（VRE）部署的影響，尤其是太陽能發(fā)電設(shè)施(PV)。圖3提供了一個(gè)示例，說明了儲(chǔ)能系統(tǒng)在沒有與太陽能發(fā)電設(shè)施配套部署的情況下，滿足電力系統(tǒng)峰值需求可能需要8小時(shí)或更長時(shí)間（藍(lán)色箭頭）的情況。然而，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)從光伏發(fā)電設(shè)施每年獲得20%的發(fā)電量時(shí)，這個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)只需要4小時(shí)的持續(xù)時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)與8小時(shí)持續(xù)時(shí)間儲(chǔ)能系統(tǒng)相同的降低凈負(fù)荷水平（灰色箭頭）。
圖3采用太陽能發(fā)電設(shè)施可以縮小凈負(fù)荷峰值，增加儲(chǔ)能容量信用
特別是在夏季峰值期間，與太陽能發(fā)電設(shè)施配套部署可以顯著改變儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量信用，從而減少儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)100%容量信用所需的持續(xù)時(shí)間。
原因3：儲(chǔ)能的容量信用由于部署規(guī)模不同而有所不同
一個(gè)關(guān)鍵因素是儲(chǔ)能部署本身的影響；儲(chǔ)能系統(tǒng)在本質(zhì)上是為了減少峰值電力需求，并產(chǎn)生更長的凈負(fù)載峰值。圖4提供了一個(gè)示例，顯示了佛羅里達(dá)州使用的示例，按持續(xù)時(shí)間來順序添加部署儲(chǔ)能系統(tǒng)將如何滿足時(shí)間更長的峰值期間。
圖4.儲(chǔ)能部署對所需持續(xù)時(shí)間的影響
在這一示例中，隨著儲(chǔ)能部署的增加，維持高容量信用需要從4小時(shí)持續(xù)時(shí)間到最終10小時(shí)持續(xù)時(shí)間的系統(tǒng)過渡。
原因4：在脫碳能源系統(tǒng)中，即使是10小時(shí)以上儲(chǔ)能技術(shù)的容量信用也可能非常低
圖4中的示例顯示了添加儲(chǔ)能系統(tǒng)如何增加儲(chǔ)能系統(tǒng)保持高容量信用所需的持續(xù)時(shí)間。雖然這可以在一定程度上通過額外的太陽能發(fā)電設(shè)施提供的電力來抵消（圖3），但在某些時(shí)候，峰值凈負(fù)荷可以轉(zhuǎn)移到太陽能發(fā)電設(shè)施（或風(fēng)力發(fā)電設(shè)施）電力相對較低的時(shí)期。有了足夠的可變可再生能源（VRE）和儲(chǔ)能系統(tǒng)，峰值凈負(fù)載期間可以持續(xù)數(shù)天的時(shí)間，這將需要更多的儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更長的持續(xù)時(shí)間以保持高容量信用。許多研究表明，包括表1中的幾項(xiàng)研究，檢驗(yàn)了接近或?qū)崿F(xiàn)100%可再生能源供應(yīng)的情景，并確定了在高凈需求時(shí)期之前數(shù)周甚至數(shù)月對儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電然后再放電多天的潛在需求。在這些情況下，10小時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)可能具有非常低的容量信用，甚至具有100小時(shí)持續(xù)時(shí)間的儲(chǔ)能系統(tǒng)對于某些應(yīng)用場景來說也是不夠的，例如解決電網(wǎng)擁塞地區(qū)電力長期中斷的問題。
總的來說，這四個(gè)原因解釋了表1中定義的大部分差異。長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)的定義強(qiáng)調(diào)其提供固定容量的能力，涵蓋了廣泛的用例和電網(wǎng)條件。使用4小時(shí)持續(xù)時(shí)間的長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的定義可能會(huì)考慮當(dāng)前電網(wǎng)的情況，其中4小時(shí)的持續(xù)時(shí)間足以滿足夏季峰值需求。而使用持續(xù)時(shí)間超過4小時(shí)的定義可能反映了當(dāng)前處于冬季峰值期間的電力系統(tǒng)，在這些電力系統(tǒng)中，改變負(fù)載模式和增加儲(chǔ)能規(guī)模會(huì)導(dǎo)致凈負(fù)載峰值超過4小時(shí)。此外，長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)對一天以上時(shí)間的定義通?；趯χ饕蕾嚳勺兛稍偕茉矗╒RE）的電網(wǎng)的研究，并且可能需要足夠的儲(chǔ)能容量來解決低于平均水平的風(fēng)力發(fā)電或太陽能發(fā)電的多天時(shí)間。
5、更復(fù)雜的情況：經(jīng)濟(jì)和技術(shù)能力的影響
前面的示例表明，高容量信用所需的持續(xù)時(shí)間閾值范圍很廣。然而，根據(jù)長時(shí)儲(chǔ)能的“需求”來傳達(dá)這一點(diǎn)忽略了更基本的問題，即這種需求最終是由儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性驅(qū)動(dòng)的，包括較短持續(xù)時(shí)間的儲(chǔ)能系統(tǒng)適當(dāng)降額。例如，圖5顯示了一個(gè)場景，其中可變可再生能源（VRE）和儲(chǔ)能系統(tǒng)的組合產(chǎn)生大約10小時(shí)的凈負(fù)載峰值。圖5中的剩余發(fā)電窗口，其中6小時(shí)持續(xù)時(shí)間的降額的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以利用其在高功率下進(jìn)行較短持續(xù)時(shí)間充電的能力，提供能源時(shí)移機(jī)會(huì)，可能部分或完全抵消與電力相關(guān)的成本。如上所述，這可以通過10小時(shí)持續(xù)時(shí)間的儲(chǔ)能系統(tǒng)或?qū)?小時(shí)持續(xù)時(shí)間的儲(chǔ)能系統(tǒng)降額到裝機(jī)容量的60%來提供。在這些情況下，降額意味著與長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，短時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率組件可能尺寸過大（成本更高）。然而，這種超大規(guī)模的裝機(jī)容量為工廠在大功率限電事件期間提供了額外的充電機(jī)會(huì)，特別是在大量部署太陽能發(fā)電設(shè)施的情況下。
圖5.降額的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以利用大功率限電事件提供服務(wù)
充電和放電的功率容量也限制了長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)在可用時(shí)間方面所能達(dá)到的目標(biāo)。假設(shè)圖5中的儲(chǔ)能系統(tǒng)具有相同的充電和放電率，那么具有80%充電往返效率(RTE)的10小時(shí)持續(xù)時(shí)間的儲(chǔ)能系統(tǒng)將需要充電14小時(shí)，這意味著將在24小時(shí)中連續(xù)運(yùn)行（也就是說放電10小時(shí)，充電14小時(shí)），這是儲(chǔ)能系統(tǒng)每日運(yùn)行的上限。這一操作還需要儲(chǔ)能系統(tǒng)在充電14小時(shí)的時(shí)間內(nèi)采用電網(wǎng)的電力。這一切都表明，高容量信用不能僅僅基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間，還取決于其及時(shí)經(jīng)濟(jì)地充電的能力，任何長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)的定義都必須考慮到這一限制因素。
最終，儲(chǔ)能技術(shù)的選擇是由經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)的，這為定義長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)增加了另一個(gè)維度。在某些情況下，滿足長時(shí)儲(chǔ)能的需求可以通過降額的短時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)來滿足。
6、結(jié)論
一些分析報(bào)告指出，可變的可再生能源在電網(wǎng)中發(fā)揮的作用越來越大，由鋰離子電池主導(dǎo)的持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)難以滿足這種需求。這種看法導(dǎo)致行業(yè)用戶呼吁使用長期儲(chǔ)能，并認(rèn)識(shí)到在可再生能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的各種部署場景下，凈負(fù)荷峰值可能會(huì)延長至8小時(shí)或更長時(shí)間。然而，由于長期缺乏統(tǒng)一定義，阻礙了對當(dāng)前和未來電網(wǎng)需求的溝通，包括接近100%脫碳主要依賴可再生能源的情景。
由于討論和分析定義長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)機(jī)和實(shí)踐不同，因此不建議使用單一的長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的定義。
因?yàn)樗赡苓^于武斷，無法確定儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)發(fā)展過程中為其提供資源充足性所需的持續(xù)時(shí)間。然而，對于儲(chǔ)能系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間的定性描述應(yīng)該伴隨著定量的定義（例如，“在這項(xiàng)工作中，我們認(rèn)為長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間為4個(gè)或更長時(shí)間”）。此外，建議分析師和儲(chǔ)能行業(yè)人士考慮他們選擇的長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的定義。
對于那些只是為了方便而希望采用長時(shí)儲(chǔ)能定義的人來說，建議使用美國高級(jí)研究計(jì)劃署能源署(ARPA-E)的10～100小時(shí)的長時(shí)儲(chǔ)能定義，這是因?yàn)椋海?）這一時(shí)間范圍滿足“高容量信用”要求；（2）它與最大份額的文獻(xiàn)引用保持一致；（3）它提供了現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)（如鋰離子電池）和季節(jié)性儲(chǔ)能之間的區(qū)別氫儲(chǔ)能或電轉(zhuǎn)氣等技術(shù)。
但是，使用長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的定義需要小心謹(jǐn)慎，特別是如果使用該術(shù)語來暗示儲(chǔ)能系統(tǒng)需要支持資源充足性。此外，由于部署太陽能發(fā)電設(shè)施，可以降低短時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量（如果具有足夠的成本效益），對持續(xù)時(shí)間4小時(shí)以上的儲(chǔ)能系統(tǒng)需求就會(huì)減少，這使得對具有特定持續(xù)時(shí)間的儲(chǔ)能技術(shù)的需求可能會(huì)成為成本問題。因此，是否需要持續(xù)10小時(shí)或更長時(shí)間的儲(chǔ)能系統(tǒng)在很大程度上取決于具有一組特定條件的電網(wǎng)，其中包括區(qū)域負(fù)載模式、可再生能源部署、儲(chǔ)能部署，以及競爭儲(chǔ)能選項(xiàng)的經(jīng)濟(jì)性。在某一點(diǎn)上，可能需要部署季節(jié)性儲(chǔ)能系統(tǒng)以支持資源充足性，并進(jìn)一步支持能源脫碳。
因此，不可能有一個(gè)統(tǒng)一的、廣泛適用的長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)(LDES)定義，并以其具有支持資源充足性的能力作為基礎(chǔ)。這一結(jié)果可能有些不確定，但反映了資源充足性評(píng)估總體上日益復(fù)雜的情況。包括風(fēng)能、太陽能光伏和需求響應(yīng)許多資源在容量信用方面具有基于時(shí)間、區(qū)域和部署的變化。監(jiān)管和市場框架需要發(fā)展和進(jìn)步以適應(yīng)這一現(xiàn)實(shí)。具有不同持續(xù)時(shí)間的儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用，最終將取決于它們提供資源充足性的經(jīng)濟(jì)成本和收益，以及可以提供的其他服務(wù)。
研究人員、分析師和行業(yè)用戶需要仔細(xì)考慮他們選擇的長時(shí)儲(chǔ)能定義的動(dòng)機(jī)，利益相關(guān)者之間的溝通將會(huì)得到改善，并將共同推進(jìn)對儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用的理解。
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(shí)驗(yàn)室
