中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室日前發(fā)布了一份名為《超越4小時(shí)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)：長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》的研究報(bào)告。此項(xiàng)研究獲得了美國能源部能源效率和可再生能源戰(zhàn)略分析小組辦公室、美國能源部水力發(fā)電技術(shù)辦公室以及美國能源部電力辦公室的資助。
前言
這份報(bào)告以美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的“儲(chǔ)能未來研究”項(xiàng)目為基礎(chǔ)，該項(xiàng)目主要探索儲(chǔ)能系統(tǒng)在美國電力部門的發(fā)展和運(yùn)營中的作用和影響。該實(shí)驗(yàn)室調(diào)查了儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展對(duì)部署和采用公用事業(yè)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)和分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的潛在影響，以及對(duì)未來電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的投資和運(yùn)營的影響。
此項(xiàng)研究是“儲(chǔ)能未來研究”的延續(xù)，探討了促使持續(xù)時(shí)間4小時(shí)或低于4小時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)向4小時(shí)以上的長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的多種因素。該報(bào)告建立在“儲(chǔ)能未來研究”系列的第一份報(bào)告《儲(chǔ)能部署的四個(gè)階段:儲(chǔ)能系統(tǒng)在美國電力系統(tǒng)中擴(kuò)大作用的框架》的基礎(chǔ)上，該報(bào)告在當(dāng)前和未來部署儲(chǔ)能系統(tǒng)的四個(gè)階段中建立了具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的儲(chǔ)能系統(tǒng)的角色和機(jī)會(huì)的框架。這份報(bào)告深入研究了太陽能發(fā)電設(shè)施和儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展階段，并指出太陽能發(fā)電設(shè)施和儲(chǔ)能系統(tǒng)共址部署可以相互增加價(jià)值，而降低成本和技術(shù)改進(jìn)使儲(chǔ)能系統(tǒng)在服務(wù)持續(xù)時(shí)間更長的應(yīng)用時(shí)具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。
“儲(chǔ)能未來研究”項(xiàng)目提供數(shù)據(jù)和分析，以支持美國能源部的“儲(chǔ)能大挑戰(zhàn)”計(jì)劃，這個(gè)全面的計(jì)劃旨在加速下一代儲(chǔ)能技術(shù)的開發(fā)、商業(yè)化運(yùn)營和應(yīng)用，并致力保持美國在全球儲(chǔ)能市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)地位。“儲(chǔ)能大挑戰(zhàn)”計(jì)劃采用了用例框架，以確保儲(chǔ)能技術(shù)能夠經(jīng)濟(jì)有效地滿足特定需求，并結(jié)合了多個(gè)類別的儲(chǔ)能技術(shù):電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)、熱儲(chǔ)能、液流電池、柔性發(fā)電等。
概要
從2010年到2022年底，美國電網(wǎng)增加了約9GW的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，而且運(yùn)營的抽水蓄能發(fā)電設(shè)施的裝機(jī)容量約為23GW。在新增的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，90%以上的儲(chǔ)能系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)或更短，在過去幾年部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)約占99%。
很多人對(duì)部署持續(xù)時(shí)間高于4小時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的興趣日益增長，并且認(rèn)為長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)將在幫助整合可再生能源和實(shí)現(xiàn)高度脫碳電網(wǎng)方面發(fā)揮著重要作用。報(bào)告指出，即使沒有針對(duì)減少碳排放的新政策，持續(xù)時(shí)間為6～10小時(shí)的長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)也有數(shù)百吉瓦的市場(chǎng)機(jī)會(huì)?？紤]到在脫碳和實(shí)現(xiàn)可再生能源方面的作用，長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿赡芨蟆?
盡管發(fā)展?jié)摿薮?，但有關(guān)長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用以及長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)與鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)仍然存在重大的不確定性。
從歷史上來看，4小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)非常適合在美國許多地區(qū)的夏季峰值電力需求期間提供容量服務(wù)，這導(dǎo)致一些批發(fā)市場(chǎng)地區(qū)采用了“4小時(shí)容量規(guī)則”。該規(guī)則允許持續(xù)4小時(shí)以上的儲(chǔ)能系統(tǒng)在容量市場(chǎng)或其他提供容量的合同中獲得補(bǔ)償(在更長的持續(xù)時(shí)間內(nèi)不會(huì)提供額外的收入)。4小時(shí)容量規(guī)則、能源套利的額外價(jià)值有限以及鋰離子電池成本下降，對(duì)于部署持續(xù)時(shí)間超過4小時(shí)的長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)生了抑制作用。基于這一規(guī)則，在2021年和2022年美國部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)約有40%是持續(xù)時(shí)間4小時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，不到6%的儲(chǔ)能系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間超過4小時(shí)。
隨著太陽能發(fā)電量的增長，滿足夏季峰值電力需求的4小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量將進(jìn)一步增長。然而，太陽能發(fā)電量的增長、不斷變化的天氣以及建筑供暖的電氣化，可能會(huì)導(dǎo)致冬季峰值電力需求的轉(zhuǎn)變，其需求期間通常比4小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間更長。近年來，美國的一些地區(qū)(東南部和德克薩斯州等地區(qū))的冬季峰值電力需求快速增長。隨著一些地區(qū)改變儲(chǔ)能容量規(guī)則，這可能最終在未來幾年為部署長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)提供更大的激勵(lì)。長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提供額外的服務(wù)，例如緩解輸電擁塞和提高電網(wǎng)彈性，因此將具加大部署的機(jī)會(huì)。
有一些儲(chǔ)能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更低的成本和更長的使用壽命。然而，這些儲(chǔ)能系統(tǒng)必須在成本方面與成熟的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)殇囯x子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)還有可能大幅降低成本，并實(shí)現(xiàn)更長的持續(xù)時(shí)間。長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本降低取決于大規(guī)模部署以及激勵(lì)政策的潛在作用，只有組合成本最優(yōu)的儲(chǔ)能技術(shù)，才能更好地支持不斷發(fā)展的電網(wǎng)。
1、介紹
近年來，美國部署的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量不斷增長，預(yù)計(jì)在未來將會(huì)加速增長。美國在過去幾年部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)大多是鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，持續(xù)時(shí)間通常不超過4小時(shí)。然而，人們對(duì)于部署持續(xù)時(shí)間高于4小時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)越來越感興趣，并且認(rèn)為長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)在幫助整合大量可再生能源和實(shí)現(xiàn)高度脫碳電網(wǎng)方面將發(fā)揮重要的作用。
盡管存在這種興趣，但對(duì)于哪種儲(chǔ)能技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的大規(guī)模部署，以及可能提供的服務(wù)的實(shí)際價(jià)值，特別是能否取代電池儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)存在很大的不確定性。目前，4小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)非常適合在夏季峰值電力需求期間提供電力，并且隨著太陽能發(fā)電量的增長，提供各種服務(wù)的能力也得到增強(qiáng)。然而，天氣變化、太陽能發(fā)電量的增長以及供暖電氣化可能導(dǎo)致冬季峰值電力需求成為資源充足需求的主要驅(qū)動(dòng)因素。冬季電力需求峰值期間通常高于4小時(shí)。
這項(xiàng)研究探索了可能導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)持續(xù)從4小時(shí)到更長時(shí)間轉(zhuǎn)變的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。雖然這份報(bào)告與全球儲(chǔ)能市場(chǎng)相關(guān)，但該報(bào)告第一章節(jié)的重點(diǎn)是美國儲(chǔ)能市場(chǎng)，以及其批發(fā)電力市場(chǎng)中評(píng)估和補(bǔ)償容量的具體規(guī)則。
第二章節(jié)討論了4小時(shí)或持續(xù)時(shí)間更短的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在過去一直主導(dǎo)儲(chǔ)能市場(chǎng)的原因。還概述了儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署框架，并討論了如何比較成本和收益，特別是在增加持續(xù)時(shí)間的背景下。
第三章節(jié)討論了未來過渡到超過4小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的可能途徑，包括短時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)提供容量的價(jià)值下降，特別是當(dāng)電力需求峰值轉(zhuǎn)移到冬季時(shí)。這項(xiàng)研究關(guān)注的是近期內(nèi)發(fā)生的轉(zhuǎn)變，而不是長期的轉(zhuǎn)變，包括深度脫碳的情景。
第四章節(jié)討論了鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)以外的儲(chǔ)能技術(shù)轉(zhuǎn)型，以及與裝機(jī)容量和儲(chǔ)能容量相關(guān)成本的重要性。
雖然在第四章節(jié)簡(jiǎn)要地討論了不同的儲(chǔ)能技術(shù)類別和選項(xiàng)，但美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室采用的方法在很大程度上是技術(shù)中立的，其關(guān)注的主要特征是持續(xù)時(shí)間，在第4章節(jié)中還討論了充放電效率等其他因素的影響。將持續(xù)時(shí)間定義為儲(chǔ)能系統(tǒng)在需要充電之前可以在滿負(fù)荷輸出時(shí)的時(shí)間長度。雖然人們對(duì)“長時(shí)”有各種各樣的定義，但在這里并不討論任何特定的持續(xù)時(shí)間，而是探索超越4小時(shí)持續(xù)時(shí)間的情景，這代表了當(dāng)前大多數(shù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。
2、持續(xù)時(shí)間4小時(shí)或更少:近期儲(chǔ)能部署的驅(qū)動(dòng)因素
為了了解持續(xù)時(shí)間超過4小時(shí)的長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署機(jī)會(huì)，首先探討4小時(shí)或更短的持續(xù)時(shí)間的儲(chǔ)能系統(tǒng)在過去10年主導(dǎo)全球儲(chǔ)能市場(chǎng)的原因。美國目前運(yùn)營的抽水蓄能發(fā)電設(shè)施大約有23GW，大部分是在2000年之前完成建設(shè)(其中大多數(shù)抽水蓄能發(fā)電設(shè)施的持續(xù)時(shí)間為8小時(shí)或更長時(shí)間。表1顯示了2010年至2020年美國公用事業(yè)規(guī)模的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署情況。該表不包括裝機(jī)容量小于1MW的儲(chǔ)能系統(tǒng)，但包括與太陽能或風(fēng)力發(fā)電設(shè)施配套的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。該表也不包括熱儲(chǔ)能系統(tǒng)或用于加熱和冷卻的熱儲(chǔ)能系統(tǒng)。在確定技術(shù)類型的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，99%以上是鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。
表1 美國從2010年到2022年部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量
圖1顯示了美國從2010年至2022年部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)的總裝機(jī)容量，按持續(xù)時(shí)間按1小時(shí)遞增。例如，列出的持續(xù)時(shí)間為1小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量為1100MW，1至2小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量為1800MW。
圖1 美國在2010～2022年部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間。只有不到7%的儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間超過4小時(shí)。
這些儲(chǔ)能系統(tǒng)中，大部分的持續(xù)時(shí)間是4小時(shí)，美國在2021年和2022年部署了2850MW的4小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)。持續(xù)時(shí)間超過4小時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)總裝機(jī)容量不到7%。這可以通過了解儲(chǔ)能系統(tǒng)的收益和成本如何隨時(shí)間變化進(jìn)行解釋。
2.1、構(gòu)建儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)值主張
儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)值通常與其提供多個(gè)服務(wù)的能力有關(guān)。表2概括了儲(chǔ)能系統(tǒng)提供的一些潛在價(jià)值。
需要注意的是，表2沒有明確列出可再生能源的特定應(yīng)用。這些應(yīng)用已經(jīng)在表1中列出。例如，能量轉(zhuǎn)移和價(jià)值通過需求收費(fèi)和使用時(shí)間費(fèi)率反映在電價(jià)中。
從2010年到2019年，大部分儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用都集中在輔助服務(wù)，主要由電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(或飛輪)提供服務(wù)，持續(xù)時(shí)間通常為1小時(shí)或更短。目前在美國一些地區(qū)部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)的裝機(jī)容量超過了當(dāng)?shù)氐妮o助服務(wù)要求。表1中列出的儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量現(xiàn)在超過了美國約9GW的輔助服務(wù)要求。此外，表1并沒有包括提供調(diào)節(jié)儲(chǔ)備和減少儲(chǔ)能部署機(jī)會(huì)的其他資源，包括抽水蓄能電設(shè)施和需求響應(yīng)。因此，輔助服務(wù)市場(chǎng)有可能飽和，部署儲(chǔ)能系統(tǒng)的重點(diǎn)如今已經(jīng)轉(zhuǎn)移到容量服務(wù)上，正如2022年持續(xù)時(shí)間的增長所表明的那樣。
表2 儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)服務(wù)的主要類別
（未完待續(xù)）
