中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：3.3.2、儲(chǔ)能系統(tǒng)和化石燃料發(fā)電
大型儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅可以提高可再生能源的發(fā)電利用率，還可以提高化石燃料發(fā)電設(shè)施的效率——無(wú)論是通過(guò)對(duì)成本更低的化石燃料發(fā)電設(shè)施進(jìn)行套利，還是通過(guò)減少啟動(dòng)化石燃料發(fā)電設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)。而且采用儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以減少電力部門的總排放量。將碳排放控制技術(shù)添加到可再生能源發(fā)電設(shè)施通常很簡(jiǎn)單。這樣做可以顯著地減少化石燃料發(fā)電設(shè)施啟動(dòng)和運(yùn)行期間的碳排放，但減少與化石燃料發(fā)電設(shè)施啟動(dòng)相關(guān)的碳排放量并不直接相關(guān)。運(yùn)營(yíng)化石燃料發(fā)電設(shè)施造成的空氣污染會(huì)影響當(dāng)?shù)鼐用竦慕】担矣绊懛植疾痪?
圖14顯示了“儲(chǔ)能未來(lái)研究”兩種場(chǎng)景（參考場(chǎng)景和高天然氣成本/低成本電池場(chǎng)景）中儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)關(guān)閉化石燃料發(fā)電設(shè)施的影響。頂部面板顯示了按發(fā)電類型劃分的美國(guó)各州整個(gè)足跡中每天平均運(yùn)營(yíng)的化石燃料發(fā)電設(shè)施數(shù)量。在參考場(chǎng)景中，大多數(shù)是天然氣發(fā)電設(shè)施。在儲(chǔ)能系統(tǒng)敏感性的研究中，天然氣發(fā)電設(shè)施每天的啟動(dòng)次數(shù)從400多次中減少到約80次。在高天然氣成本/低成本電池場(chǎng)景中，天然氣發(fā)電設(shè)施每天的啟動(dòng)次數(shù)從50次減少到約5次。這些天然氣發(fā)電設(shè)施的規(guī)模往往比燃煤發(fā)電設(shè)施或天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)施要小。圖14的底部面板顯示了每天的平均啟動(dòng)數(shù)量。通過(guò)這個(gè)指標(biāo)，在這兩種情況下仍然顯著減少。儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)主要好處可能在于它能夠減少化石燃料發(fā)電設(shè)施的啟動(dòng)，從而確定危害人類健康的污染物。事實(shí)上，未來(lái)的工作還應(yīng)該研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的環(huán)保潛力，以解決由于空氣污染的潛在減少而導(dǎo)致的健康成本和過(guò)早死亡問(wèn)題。圖15顯示了不同場(chǎng)景的發(fā)電設(shè)施類型的年排放量。
圖14.在兩個(gè)場(chǎng)景（參考場(chǎng)景和高天然氣成本/低成本電池場(chǎng)景場(chǎng)景）中減少化石燃料發(fā)電設(shè)施運(yùn)營(yíng)，并增加儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量
圖15.不同場(chǎng)景的發(fā)電設(shè)施類型的年排放量
減少化石燃料發(fā)電設(shè)施的啟動(dòng)和運(yùn)營(yíng)是減少與影響人類健康影響相關(guān)排放的一種方法，例如氮氧化物和二氧化硫的排放以及二氧化碳的排放。儲(chǔ)能系統(tǒng)也可以對(duì)電力部門的二氧化碳排放產(chǎn)生可衡量的影響。圖16顯示了儲(chǔ)能系統(tǒng)敏感性對(duì)碳排放量的影響。在這兩種情況下，由于零碳發(fā)電資源的過(guò)度發(fā)電減少，碳排放量隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量的增加而下降。在高天然氣成本/低成本電池場(chǎng)景下，其影響更為顯著，其中碳排放量在80%儲(chǔ)能系統(tǒng)敏感性和100%儲(chǔ)能系統(tǒng)敏感性之間降低5%，然后在100%儲(chǔ)能系統(tǒng)統(tǒng)敏感性和120%儲(chǔ)能系統(tǒng)統(tǒng)敏感性之間降低3%的儲(chǔ)能系統(tǒng)敏感性。在參考場(chǎng)景中的影響不那么顯著，這在很大程度上是因?yàn)椴渴鹛?yáng)能發(fā)電設(shè)施和風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量較低（因此從一開始就減少了過(guò)度發(fā)電），但在80%的儲(chǔ)能系統(tǒng)敏感性和100%的儲(chǔ)能系統(tǒng)敏感性之間，碳排放量下降了0.5%。在100%的儲(chǔ)能系統(tǒng)敏感性和120%的儲(chǔ)能系統(tǒng)敏感性之間，碳排放量下降了0.1%。
總體而言，這些敏感性表明儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在未來(lái)的電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用——通過(guò)減少化石燃料發(fā)電設(shè)施運(yùn)營(yíng)和相關(guān)排放以及增加對(duì)零碳資源的使用。
3.3.3、儲(chǔ)能系統(tǒng)與輸電系統(tǒng)
輸電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)都可以幫助將可再生能源整合到電網(wǎng)中，但每種技術(shù)單獨(dú)部署或組合部署時(shí)的相對(duì)是復(fù)雜的。例如，輸電系統(tǒng)非常適合將多余的可再生能源電力從產(chǎn)生的地方輸送到需要的地方，同時(shí)效率損失比儲(chǔ)能系統(tǒng)要低得多。然而，事實(shí)證明，由于種種原因，大型輸電項(xiàng)目的建設(shè)具有挑戰(zhàn)性。
報(bào)告使用相同的儲(chǔ)能系統(tǒng)敏感性場(chǎng)景來(lái)深入了解輸電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的潛在交互。通過(guò)顯示電力線路在其最大容量下運(yùn)行的小時(shí)數(shù)百分比來(lái)確定出現(xiàn)電網(wǎng)擁塞的頻率。圖16顯示了該分析中兩組區(qū)域之間的該指標(biāo)：(1)美國(guó)中部大陸?yīng)毩⑾到y(tǒng)運(yùn)營(yíng)商西部服務(wù)區(qū)域（MISO-W）和美國(guó)中部大陸?yīng)毩⑾到y(tǒng)運(yùn)營(yíng)商?hào)|部服務(wù)區(qū)域（MISO-E）；(2)美國(guó)西北部地區(qū)（NW）到加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（CAISO)服務(wù)區(qū)域。隨著電力系統(tǒng)儲(chǔ)能容量從80%增加到120%，MISO-W和MISO-E服務(wù)區(qū)域之間的電網(wǎng)擁塞頻率增加，但從美國(guó)西北地區(qū)（NW）到加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（CAISO)之間的電網(wǎng)擁塞卻減少。本節(jié)將討論為什么會(huì)看到這兩種趨勢(shì)以及差異的總體影響。
圖16.報(bào)告中美國(guó)兩組不同區(qū)域之間的電網(wǎng)擁塞情況
圖16的下半部分描述了增加儲(chǔ)能系統(tǒng)如何減少美國(guó)西北地區(qū)（NW）到加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（CAISO）服務(wù)區(qū)域之間的電網(wǎng)擁塞。在100%儲(chǔ)能系統(tǒng)敏感性的場(chǎng)景中，加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（CAISO)是電力的凈進(jìn)口州，如圖17所示，該圖描繪了這兩個(gè)區(qū)域的年總發(fā)電量。其中一些電力來(lái)自美國(guó)西北地區(qū)（NW）。加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（CAISO)在非太陽(yáng)能發(fā)電時(shí)間進(jìn)口電力，并經(jīng)常在白天出口多余的太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施的電力，但它在凈基礎(chǔ)上進(jìn)口更多的電力。圖18的左側(cè)面板顯示了四天的示例。隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量的增加，額外的儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量可以更好地利用太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施的電力——特別是通過(guò)存儲(chǔ)太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施的過(guò)量電力來(lái)取代從美國(guó)西北地區(qū)（NW）進(jìn)口的電力。這減少了美國(guó)西北地區(qū)（NW）到加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（CAISO）之間輸電線路的擁塞或利用率，因?yàn)楫?dāng)?shù)仉娏Φ拇鎯?chǔ)和分配更有效，如圖19所示。
圖18表明美國(guó)西北地區(qū)（NW）燃煤發(fā)電設(shè)施和天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)施的發(fā)電量也在下降，因?yàn)檫@些發(fā)電設(shè)施已被太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施取代，并在夜晚采用儲(chǔ)能系統(tǒng)的電力。在這種情況下，美國(guó)西北地區(qū)（NW）燃煤發(fā)電量從80%儲(chǔ)能系統(tǒng)敏感性場(chǎng)景下的19.4TWh降低到120%儲(chǔ)能系統(tǒng)敏感性場(chǎng)景下的18.9TWh，美國(guó)西北地區(qū)的天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電量從8.1TWh降低到7.4TWh。
圖17.加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（CAISO)和美國(guó)西北地區(qū)(NW)兩個(gè)地區(qū)的年發(fā)電量
圖18. 在2050年高天然氣成本/低成本電池場(chǎng)景中兩組區(qū)域之間的電力輸送
然而，在其他地區(qū)看到電力系統(tǒng)的擁塞增加，包括建模的美國(guó)中大陸?yīng)毩⒎?wù)運(yùn)營(yíng)商(MISO)的兩個(gè)子區(qū)域MISO-E和MISO-W，如圖16的頂部面板所示。在這個(gè)場(chǎng)景中，MISO-W區(qū)域在100%儲(chǔ)能敏感性是一個(gè)重要出口地區(qū)。圖19顯示了報(bào)告中兩個(gè)地區(qū)（MISO-E和MISO-W）的年發(fā)電量。在圖18右側(cè)的6月四天示例中也可以看到。當(dāng)額外的儲(chǔ)能系統(tǒng)被添加到輸出電力的區(qū)域（例如MISO-W）時(shí)，并沒有其他發(fā)電設(shè)施可以取代，然后將存儲(chǔ)的電力輸送到鄰近地區(qū)，并在需要時(shí)取代成本更高昂的化石燃料發(fā)電。因此，在已經(jīng)大量使用的電力線路上增加出口，將會(huì)進(jìn)一步增加兩個(gè)地區(qū)之間輸電線路的擁塞或利用率。
圖19.報(bào)告中兩個(gè)地區(qū)（MISO-E和MISO-W）的年發(fā)電量
總體而言，根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r，各區(qū)域的接口可能會(huì)減少或增加輸電線路的利用率，如上面突出顯示的兩組區(qū)域所示。然而，圖20量化了每種情況下輸電線路的平均利用率（或電網(wǎng)擁塞）總量，并描繪了總體增長(zhǎng)。這意味著后一種情況（其中儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)用于增加出口地區(qū)的電力）更為普遍——因此額外的儲(chǔ)能系統(tǒng)通常會(huì)增加輸電系統(tǒng)利用率，以降低總成本和削減開支。從某種意義上說(shuō)，這是儲(chǔ)能系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)協(xié)同工作的一個(gè)典型例子。
圖20.電力線路擁塞小時(shí)數(shù)的年百分比
4、結(jié)論
這份研究報(bào)告是“儲(chǔ)能未來(lái)研究”系列報(bào)告的第六篇，以區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)模型中的成本優(yōu)化方案為起點(diǎn)，研究電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能部署的運(yùn)營(yíng)影響以及該部署與可變發(fā)電貢獻(xiàn)之間的關(guān)系。該報(bào)告使用商業(yè)生產(chǎn)成本建模軟件來(lái)評(píng)估預(yù)計(jì)到2050年美國(guó)累計(jì)部署210GW到930GW儲(chǔ)能系統(tǒng)的五個(gè)場(chǎng)景的每小時(shí)運(yùn)行情況。研究發(fā)現(xiàn)：
（1）區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)開發(fā)的儲(chǔ)能部署率較高的場(chǎng)景表明，到2050年底無(wú)需擔(dān)心負(fù)載平衡。這一結(jié)果有助于確認(rèn)區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)描述的儲(chǔ)能系統(tǒng)在各種電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)模式中的操作。需要更深入的建模來(lái)得出關(guān)于每小時(shí)負(fù)載平衡、各種氣象條件下的資源充足性或電力傳輸以及潛在穩(wěn)定性問(wèn)題的結(jié)論。
（2）儲(chǔ)能系統(tǒng)在所有配置和電網(wǎng)混合中提供能源轉(zhuǎn)移和滿足峰值需求服務(wù)。盡管儲(chǔ)能系統(tǒng)的年容量系數(shù)較低，這在本質(zhì)上受到其充電需求的限制，但在跨場(chǎng)景和年份的前10個(gè)凈負(fù)載小時(shí)內(nèi)，當(dāng)電力系統(tǒng)需要時(shí)，它具有非常高的利用率（在許多情況下超過(guò)75%）。
（3）晝間儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行與太陽(yáng)能發(fā)電的可用性緊密相關(guān)，而與風(fēng)力發(fā)電的關(guān)系則較少。太陽(yáng)能發(fā)電具有可預(yù)測(cè)的每日開啟和關(guān)閉周期，這與儲(chǔ)能系統(tǒng)充電和放電的需求非常吻合。另一方面，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電周期不太穩(wěn)定，并且經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)小時(shí)或數(shù)天的長(zhǎng)時(shí)間過(guò)量發(fā)電的情況，這比報(bào)告中例舉的儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)得多。盡管儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在利用太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，但與太陽(yáng)能發(fā)電的協(xié)同作用更加一致。
（4）通過(guò)減少太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)能的過(guò)量發(fā)電以及減少化石燃料發(fā)電設(shè)施的啟動(dòng)和運(yùn)營(yíng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)提高了不同類型發(fā)電資產(chǎn)的效率。研究發(fā)現(xiàn)，在這些未來(lái)的電網(wǎng)場(chǎng)景中，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)利用風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電來(lái)取代燃煤發(fā)電和天然氣發(fā)電，從而減少電力系統(tǒng)的碳排放總量。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以減少化石燃料發(fā)電設(shè)施的啟動(dòng)和運(yùn)營(yíng)，減少啟動(dòng)和運(yùn)營(yíng)期間的污染物的排放，這可以減少對(duì)人體健康帶來(lái)不利的影響。
（5）儲(chǔ)能系統(tǒng)提高了輸電系統(tǒng)的利用率。通過(guò)允許跨區(qū)域套利，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以增加沿區(qū)域之間輸電量，從而能夠使用成本最低的資源組合。在其他情況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過(guò)采用可再生能源發(fā)電設(shè)施的電力來(lái)減少輸電擁塞。因此，雖然儲(chǔ)能系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)都可以幫助整合可再生能源，但它們通?？梢曰パa(bǔ)。儲(chǔ)能系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)之間的關(guān)系（投資和運(yùn)營(yíng)）是一種更復(fù)雜的情況，因此需要進(jìn)一步研究。
