中國儲能網(wǎng)訊：關(guān)鍵體會5：儲能系統(tǒng)與太陽能發(fā)電設(shè)施相得益彰
儲能未來研究(SFS) 系列中的《廣泛部署對電網(wǎng)運(yùn)行的影響》報告展示了晝間儲能系統(tǒng)和可再生能源之間的高度協(xié)同關(guān)系，尤其是與太陽能發(fā)電設(shè)施的配套。隨著太陽能發(fā)電設(shè)施增加部署，將會改變凈負(fù)載的電力變化曲線。
圖8舉例說明了加州峰值期間每日凈負(fù)載如何變化，太陽能發(fā)電貢獻(xiàn)從年負(fù)載的0%增加到20%。在幾乎所有表現(xiàn)出中午到晚上峰值需求的地方，增加太陽能發(fā)電設(shè)施部署的一個關(guān)鍵結(jié)果是縮短了峰值凈負(fù)荷期間的持續(xù)時間。這減少了提供固定容量所需的儲能系統(tǒng)時間（因此也降低了成本），這是一個主要的價值來源（關(guān)鍵體會3）。
圖8 太陽能發(fā)電設(shè)施部署的增加表明凈負(fù)載峰值的持續(xù)時間縮短
圖9說明了隨著太陽能發(fā)電設(shè)施裝機(jī)容量的增加，儲能系統(tǒng)運(yùn)營如何隨著凈負(fù)載的變化而變化。頂部曲線顯示了2020年模擬條件下的美國晝間儲能平均充放電的概況，其中儲能系統(tǒng)主要在夜間充電，這對應(yīng)于最低的凈負(fù)荷水平。底部面板顯示了2030年模擬條件的結(jié)果，其中部署的太陽能發(fā)電設(shè)施大幅增加。儲能系統(tǒng)充電的時間大部分將轉(zhuǎn)移到中午，這與過剩的太陽能發(fā)電量的可用性相吻合。
圖9. 太陽能發(fā)電設(shè)施部署的增加表明儲能系統(tǒng)提供固定容量所需的持續(xù)時間縮短。
然而，就儲能系統(tǒng)價值而言，最重要的變化發(fā)生在放電模式中。在2020年的夏季高峰值期間，為了加長放電時間，儲能系統(tǒng)必須以一部分的裝機(jī)容量運(yùn)行，從而降低其滿足電力系統(tǒng)峰值需求的能力。而在2030年的情況下，由于太陽能發(fā)電設(shè)施在當(dāng)天晚些時候產(chǎn)生了一個持續(xù)時間較短的峰值期間，而儲能系統(tǒng)能夠以完全的裝機(jī)容量放電。
峰值凈負(fù)載形態(tài)的變化增加了儲能系統(tǒng)滿足峰值需求的潛力，并增加了能源時移機(jī)會。圖10（左）顯示了在每種情況下，美國在每年提供峰值容量的晝間儲能（<12小時）的潛力，并繪制為太陽能發(fā)電貢獻(xiàn)的函數(shù)曲線。該曲線代表了在高需求期間可靠提供固定容量的儲能系統(tǒng)容量，并可能取代傳統(tǒng)的峰值容量。相對于2020年的水平，美國儲能系統(tǒng)滿足峰值需求的潛力翻了一番，太陽能發(fā)電量將占35%。隨著許多地區(qū)的凈負(fù)荷峰值轉(zhuǎn)移到太陽能發(fā)電設(shè)施發(fā)電量較低的冬季，最終趨于平穩(wěn)。
圖10.作為太陽能貢獻(xiàn)函數(shù)曲線的晝間儲能峰值容量潛力（長達(dá)12小時）（左）和作為太陽能發(fā)電貢獻(xiàn)曲線的晝間能量時移潛力（右）。
隨著太陽能發(fā)電設(shè)施部署的增加，它也增加了儲能系統(tǒng)提供時移潛力的潛力，如圖9所示。風(fēng)力發(fā)電和晝夜儲能之間的關(guān)系不太相關(guān)，因為風(fēng)力發(fā)電設(shè)施每天的發(fā)電模式并不會表現(xiàn)一致，而且風(fēng)力發(fā)電和儲能系統(tǒng)裝機(jī)容量之間的協(xié)同作用發(fā)生在較長的時間段內(nèi)。風(fēng)力發(fā)電與儲能系統(tǒng)提供輸電效益的能力之間也存在重要關(guān)系，這使得儲能系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電之間的整體相互作用比儲能系統(tǒng)與太陽能發(fā)電設(shè)施之間的相互作用更加復(fù)雜。
隨著可再生能源在電力系統(tǒng)的作用增加，儲能系統(tǒng)價值和機(jī)會的增加轉(zhuǎn)化為儲能部署的增加。
圖11顯示了在多個研究方案的一系列假設(shè)和約束條件下，儲能總?cè)萘孔鳛榭稍偕茉簇暙I(xiàn)的函數(shù)曲線?？偟膩碚f，這些研究考慮了200多個場景，可再生能源的貢獻(xiàn)率從20%到100%不等，顯示了可再生能源發(fā)電設(shè)施和儲能系統(tǒng)部署在大量場景中的緊密關(guān)系，這些場景具有不同的假設(shè)和約束條件。
圖11. 儲能系統(tǒng)容量作為可再生能源貢獻(xiàn)的函數(shù)（%）。
關(guān)鍵體會6：成本降低和備用電源的價值提高了建筑級儲能系統(tǒng)的采用率
儲能未來研究(SFS)發(fā)布的《儲能系統(tǒng)未來研究：分布式太陽能和儲能系統(tǒng)展望：方法論和場景》的報告討論了在未來幾十年內(nèi)采用分布式（用戶側(cè)）太陽能發(fā)電設(shè)施與電池儲能系統(tǒng)系統(tǒng)將會如何發(fā)展。該研究使用了NREL分布式發(fā)電市場需求模型中的新功能，預(yù)測到2050年美國的客戶都將采用太陽能發(fā)電設(shè)施都配套部署電池儲能系統(tǒng)?？偟膩碚f，在研究的這些場景中，描述了用戶側(cè)儲能系統(tǒng)的未來潛力，并確定了采用的關(guān)鍵驅(qū)動因素。
正如模型所示，在所有研究場景下，與太陽能發(fā)電設(shè)施配套部署的分布式電池儲能系統(tǒng)都具有巨大的經(jīng)濟(jì)潛力，美國部署的電池儲能系統(tǒng)的部署規(guī)模將從85GW/170GWh到244GW/490GWh不等。但是由于投資回收期長，客戶采用的潛力要低得多。更低的電池成本和更高的備用電源價值提高了客戶在建模中的采用率。
太陽能發(fā)電設(shè)施成本的降低也顯著地影響太陽能+儲能項目的部署和采用，此外，儲能系統(tǒng)部署可能與太陽能發(fā)電設(shè)施成本降低呈非線性關(guān)系。除了報告中介紹的主要情景外，還評估了具有突破性（非常低）太陽能發(fā)電設(shè)施成本預(yù)測和低電池成本的情景。在這種情況下，分布式電池儲能系統(tǒng)系統(tǒng)的預(yù)計采用量將超過40GW（82GWh），如圖12所示。
圖12.隨著成本的降低，分布式儲能系統(tǒng)的預(yù)計采用率隨著時間的推移而增加，如果太陽能發(fā)電設(shè)施成本降低，則會顯著增加。
關(guān)鍵體會7：儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間可能會隨著部署的增加而增加
關(guān)鍵體會3證明了為經(jīng)濟(jì)部署提供固定容量的重要性。在提供固定容量的過程中，確定儲能系統(tǒng)成本競爭力的一個關(guān)鍵因素是確定所需的最短持續(xù)時間。在美國大部分地區(qū)，當(dāng)?shù)厥袌鲞\(yùn)營商已經(jīng)確定，4小時的持續(xù)時間足以滿夏季峰值電力需求。
隨著儲能部署的增加，凈峰值負(fù)載期間的持續(xù)時間將會增長，需要更多的儲能容量（更長的持續(xù)時間）來提供電力。圖13顯示了在參考2050年儲能部署情景中，在三天的峰值需求期間中不同儲能系統(tǒng)量的凈需求。它還顯示了在儲能裝機(jī)容量或多或少的情況下的凈需求。儲能系統(tǒng)部署水平的提高會擴(kuò)大峰值期間，從而增加所需的儲能容量，以提供固定容量并繼續(xù)降低凈峰值需求。
圖13.隨著儲能部署的增加，凈負(fù)載峰值期間也在擴(kuò)展，需要持續(xù)時間更長的儲能系統(tǒng)來保障穩(wěn)定的供電。
關(guān)鍵體會5表明，增加太陽能發(fā)電設(shè)施部署有助于抵消這種影響。然而這一好處是有限的，因為在某些情況下，持續(xù)時間較短的儲能系統(tǒng)預(yù)計會降額（這也意味著降低價值），這為部署較長持續(xù)時間的儲能系統(tǒng)提供了額外的激勵。
在儲能未來研究(SFS)的研究中觀察到了這種效應(yīng)。圖14顯示了在具有參考電池成本變化的情況下，部署新的儲能系統(tǒng)的平均持續(xù)時間與總儲能容量的關(guān)系。最初部署主要是2～4小時儲能系統(tǒng)，這是由于主要發(fā)生在夏季下午較短的峰值期間。隨著太陽能發(fā)電設(shè)施部署產(chǎn)生關(guān)鍵體會4中討論的縮小效應(yīng)，這些峰值時間得以維持。儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間需要增加以滿足更長持續(xù)時間的峰值期間。這為能夠持續(xù)更長時間的新興技術(shù)或現(xiàn)有的長時儲能技術(shù)（如抽水蓄能發(fā)電設(shè)施）提供了更多的市場機(jī)會。
圖14.儲能系統(tǒng)部署的平均持續(xù)時間隨著儲能系統(tǒng)總裝機(jī)容量的增加而增加，最高可達(dá)約200GW。
關(guān)鍵體會8：季節(jié)性儲能系統(tǒng)技術(shù)對于100%清潔能源系統(tǒng)變得尤為重要
儲能未來研究(SFS)的情景評估了顯著但不完全的脫碳情景。然而，隨著電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)向非常高的可再生能源貢獻(xiàn)（可再生能源超過90%），這些情景以及相關(guān)工作中評估的情景指向多日儲能系統(tǒng)或季節(jié)性儲能系統(tǒng)的潛在作用。
圖15.可再生能源供應(yīng)和電力需求的季節(jié)性不匹配表明了季節(jié)性儲能系統(tǒng)的潛在機(jī)會。上圖顯示熱儲能系統(tǒng)在夏季的大量使用，而下圖中的春季中，熱儲能系統(tǒng)的應(yīng)用則很少。
在夏季風(fēng)輸出量相對較低的時期和冬季太陽能輸出量相對較低的時期，熱儲能資源得以大量使用。
可再生能源和晝間儲能滿足這一需求的能力降低了，因為電力供應(yīng)在一年中的大部分時間已經(jīng)飽和，下圖顯示的削減量就說明了這一點。在一年中的大部分時間里，任何額外的晝間儲能系統(tǒng)都會閑置，從而降低其成本效益。季節(jié)性儲能系統(tǒng)可以提供一種經(jīng)濟(jì)的替代方法，在春季和秋季儲存多余的發(fā)電量，并將其轉(zhuǎn)移到夏季和冬季。
圖16顯示了另外一組案例的結(jié)果，評估了100%清潔能源情景。在這些情況下，使用可再生燃料（如氫氣）以燃?xì)廨啓C(jī)的形式模擬季節(jié)性儲能系統(tǒng)。在這些情景中，部署了大量（400GW以上）的季節(jié)性儲能系統(tǒng)，證明了擁有能夠克服可再生能源發(fā)電和電力需求系統(tǒng)中季節(jié)性不匹配的技術(shù)價值。如果具有足夠的成本競爭力，其他季節(jié)性儲能系統(tǒng)技術(shù)也可以在其中發(fā)揮這一作用。
圖16.2050年達(dá)到100%需求情景的裝機(jī)容量和發(fā)電量
結(jié)論
“儲能未來研究”中確定的八個關(guān)鍵體會突出了一些重要要素，以幫助主要利益相關(guān)者為不斷發(fā)展的電網(wǎng)以及儲能系統(tǒng)的潛在角色和價值做好準(zhǔn)備。雖然儲能未來研究的結(jié)果表明部署的儲能系統(tǒng)裝機(jī)容量有望在2050年之前增長五倍，但仍有一些不確定性可能會改變這一研究中確定的儲能裝機(jī)容量增長和演變軌跡。其不確定性包括：
（1）儲能系統(tǒng)增長和補(bǔ)償：關(guān)鍵體會1總結(jié)了儲能系統(tǒng)未來研究的主要結(jié)論，指出在各種電網(wǎng)演變情景下能源儲能系統(tǒng)的重大部署。即使沒有脫碳政策，儲能系統(tǒng)作為峰值容量的新來源也具有很強(qiáng)的競爭力，許多預(yù)測都表明將顯著增長。然而，認(rèn)識到技術(shù)或政策變化可能會影響儲能系統(tǒng)的增長仍然很重要。盡管過去十年對監(jiān)管框架進(jìn)行了重大修改，但儲能系統(tǒng)仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)，無法適當(dāng)?shù)卦u估和補(bǔ)償，尤其是在重組的市場中。如果儲能系統(tǒng)沒有得到公平補(bǔ)償，可能會導(dǎo)致儲能部署不理想。
（2）技術(shù)演進(jìn)：關(guān)鍵體會2顯示鋰離子電池儲能系統(tǒng)近年在儲能系統(tǒng)市場中的主導(dǎo)地位。然而，為了改進(jìn)其他儲能技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研發(fā)工作。多種儲能技術(shù)可能會與鋰離子電池儲能系統(tǒng)競爭，特別是對于持續(xù)時間更長的儲能應(yīng)用?？紤]新興技術(shù)和下一代現(xiàn)有技術(shù)（例如抽水蓄發(fā)電設(shè)施）的未來機(jī)會，利益相關(guān)者可能會受益。
（3）儲能系統(tǒng)作為容量資源：關(guān)鍵體會3展示了儲能系統(tǒng)作為容量資源的重要性。這一價值以及儲能部署取決于對儲能系統(tǒng)的適當(dāng)估值和補(bǔ)償——這依賴于反映儲能系統(tǒng)隨著儲能系統(tǒng)和可再生能源的部署增加而提供穩(wěn)定容量的能力的市場規(guī)則。其規(guī)則可以解釋基于邊際價格的市場對收入的影響，以確保足以支持最優(yōu)的儲能系統(tǒng)裝機(jī)容量。
（4）靈活負(fù)載的作用：關(guān)鍵體會4表明，為了以最低成本使電力部門脫碳，利用各種靈活性資源（其中一些可能比儲能成本更低）仍然很重要。更好地描述需求響應(yīng)、靈活負(fù)載的實際貢獻(xiàn)潛力和成本對于更好地理解儲能系統(tǒng)獲得的市場機(jī)會至關(guān)重要。
（5）儲能系統(tǒng)和可再生能源：隨著電網(wǎng)脫碳目標(biāo)的增加，關(guān)鍵體會5強(qiáng)調(diào)儲能系統(tǒng)是部署清潔發(fā)電的重要支持技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)晝間儲能和太陽能發(fā)電設(shè)施之間有著顯著的協(xié)同作用，但這可能會因為一些因素而改變。潛在的大規(guī)模供暖電氣化可能會將美國大部分地區(qū)的峰值負(fù)荷轉(zhuǎn)移到冬季，這將產(chǎn)生更長的需求峰值，更難以滿足儲能系統(tǒng)和太陽能發(fā)電設(shè)施的需求。這種轉(zhuǎn)變可能會增加風(fēng)力發(fā)電和長時儲能系統(tǒng)的價值。成本更低、持續(xù)時間更長的儲能系統(tǒng)及其提高輸電利用率的能力也可能為風(fēng)力發(fā)電設(shè)施和儲能系統(tǒng)帶來更多的協(xié)同機(jī)會。
（6）分布式儲能系統(tǒng)：關(guān)鍵體會6表明，分布式儲能系統(tǒng)在所有研究場景下都具有巨大的經(jīng)濟(jì)潛力，但客戶可能只有在他們的投資得到更快回報時才愿意購買。分布式能源的新興價值流和不斷發(fā)展的補(bǔ)償機(jī)制可以激勵更多的采用。此外，電氣化可能會對儲能系統(tǒng)的采用產(chǎn)生積極或消極的影響。例如，在冬天停電期間，大規(guī)模轉(zhuǎn)向電加熱可以顯著增加建筑物中采用備用電源的價值。與其相反，越來越多地采用電動汽車及其提供備用電源的潛力可能會限制分布式儲能系統(tǒng)的采用。為了理解這些細(xì)微差別，需要對這一領(lǐng)域的客戶行為進(jìn)行更多研究。
（7）不斷發(fā)展的儲能系統(tǒng)持續(xù)時間：關(guān)鍵體會7顯示了儲能系統(tǒng)持續(xù)時間增加的總體趨勢，鑒于其能夠滿足夏季高峰需求。4小時儲能系統(tǒng)的初始值很高，然而隨著儲能系統(tǒng)部署的增加，更長的持續(xù)時間通常變得更具競爭力，盡管這種趨勢是由多種因素驅(qū)動的，例如甚至可以抵消短時儲能系統(tǒng)的容量價值。持續(xù)時間更長的儲能系統(tǒng)可以提供額外的服務(wù)，例如電網(wǎng)彈性或提供新傳輸?shù)难a(bǔ)充或替代。
（8）季節(jié)性儲能系統(tǒng)作用：關(guān)鍵體會8表明，隨著電力系統(tǒng)采用的清潔能源接近100%，儲能系統(tǒng)可以發(fā)揮越來越重要的作用，并且它可以在轉(zhuǎn)型的電力系統(tǒng)中發(fā)揮多重作用。關(guān)鍵的季節(jié)性儲能技術(shù)涉及可再生燃料的生產(chǎn)和儲存，可用于工業(yè)或運(yùn)輸中的多種應(yīng)用。因此，季節(jié)性電力儲能系統(tǒng)可以與其他應(yīng)用分擔(dān)基礎(chǔ)設(shè)施成本。這些季節(jié)性儲能技術(shù)的成本以及與效率相關(guān)的權(quán)衡以及與持續(xù)時間較短儲能系統(tǒng)時間的相互作用需要進(jìn)一步研究。
