儲(chǔ)能是風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的一種有力補(bǔ)充，因?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)具有很高的靈活性和容量，既能作為負(fù)載進(jìn)行操作，又能在電力不足或中斷時(shí)提供電力。儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署解決了電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商為用戶提供安全可靠電力的許多挑戰(zhàn)，并且由于成本迅速下降、鋰離子電池的性能提升，以及“電網(wǎng)就緒”儲(chǔ)能產(chǎn)品的出現(xiàn)，一些電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能商業(yè)項(xiàng)目已經(jīng)應(yīng)用。隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)變得更加廣泛且經(jīng)濟(jì)上可行，它可以使可再生能源與儲(chǔ)能設(shè)施相結(jié)合，在世界更多地區(qū)提供可靠的發(fā)電和負(fù)荷需求服務(wù)。
儲(chǔ)能系統(tǒng)可以部署在任何地方
儲(chǔ)能系統(tǒng)可以部署在電網(wǎng)的任何地方，可以連接到輸電系統(tǒng)（T），配電系統(tǒng)（D）或用戶側(cè)。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠與可再生能源、傳統(tǒng)發(fā)電、負(fù)載配套運(yùn)行，或者可以獨(dú)立部署。
連接到最終客戶的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以潛在地解決上游服務(wù)以支持配電、輸電和發(fā)電功能，因?yàn)槠潆娏φ{(diào)度也在上游傳播。
定期充放電循環(huán)值得嗎？
電力服務(wù)堆疊將面臨多個(gè)潛在競(jìng)爭(zhēng)承諾的成本和復(fù)雜性，這也可能增加儲(chǔ)能系統(tǒng)的損耗。在設(shè)計(jì)儲(chǔ)能項(xiàng)目時(shí)，了解所解決的每項(xiàng)服務(wù)的價(jià)值和相關(guān)要求非常重要。儲(chǔ)能系統(tǒng)仍然是一種相對(duì)昂貴的電力資源，因此規(guī)模過度或運(yùn)營(yíng)過度而沒有相關(guān)的回報(bào)可能會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目變得不再經(jīng)濟(jì)可行。
儲(chǔ)能系統(tǒng)的常見和期望的用途通常是削減峰值，即減少?gòu)碾娋W(wǎng)汲取超過規(guī)定的電能。這通常映射到更精確的服務(wù)，例如電力資源充足性（即采用峰值電廠替代）或輸電或配電升級(jí)延遲，以及這些服務(wù)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)模、可用性和位置是至關(guān)重要的，但是當(dāng)電網(wǎng)處于穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)狀態(tài)時(shí)，所需的電力調(diào)度可能很少發(fā)生，以實(shí)現(xiàn)推遲或避免替代性投資的期望益處。
對(duì)于后備電源等其他電力服務(wù)，采用運(yùn)營(yíng)成本非常低的儲(chǔ)能系統(tǒng)也是可取的，因?yàn)樗鼈兓旧闲枰獌?chǔ)能系統(tǒng)充當(dāng)不用于電網(wǎng)調(diào)度的儲(chǔ)備電源。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在充電時(shí)提供這些服務(wù)，如果需要的話，停止充電。
保持電網(wǎng)供需的瞬時(shí)平衡的頻率調(diào)節(jié)則更加細(xì)微。一方面，與具有顯著慣性的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)不同，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)幾乎可以瞬間改變電力高度以匹配電網(wǎng)不平衡。然而，與頻率調(diào)節(jié)相關(guān)的最常用的電池是需要連續(xù)充電/放電循環(huán)的鋰離子電池。雖然參與頻率調(diào)節(jié)市場(chǎng)可能最初是有利可圖的，但應(yīng)該考慮在這些項(xiàng)目中采用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的容量損失、效率和過早更換的權(quán)衡問題。
能量時(shí)移（有時(shí)稱為套利）是另一種細(xì)致入微的服務(wù)。雖然以低價(jià)購(gòu)買（或充電）能源并以高價(jià)出售（或放電）聽起來(lái)是一個(gè)好主意，但價(jià)格的差價(jià)必須克服電能往返效率損失和潛在電池深度循環(huán)導(dǎo)致退化等問題。
儲(chǔ)能項(xiàng)目的估值可能是一個(gè)復(fù)雜且針對(duì)具體地點(diǎn)的問題。由于儲(chǔ)能設(shè)備中的容量有限，因此對(duì)于充電狀態(tài)的建模對(duì)于了解哪些服務(wù)能夠成為可行的商業(yè)案例是必不可少的。為了支持這種類型的建模和模擬，美國(guó)電力研究院（EPRI）在加州能源委員會(huì)撥款的支持下，開發(fā)并發(fā)布了公開可用的儲(chǔ)能價(jià)值評(píng)估工具。
管理電池儲(chǔ)能退化的工業(yè)方法
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)退化通常表現(xiàn)為能量保持能力的損失、電源輸送能力和效率的降低，并且最終導(dǎo)致更換電池。根據(jù)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，其更換可能僅意味著更換少量電池或完全更換電池組。
電池儲(chǔ)能供應(yīng)商有時(shí)會(huì)在假定的運(yùn)行條件或假定的服務(wù)調(diào)度下提供生命周期的承諾。例如，如果電池每天只深度循環(huán)一次，就可以保證達(dá)到10年的工作壽命。在儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能隨著時(shí)間推移而退化的情況下，這可能是有限的，因?yàn)榘惭b需求發(fā)生變化，這可能超過電池10-20年的工作壽命。其他開發(fā)商提供更復(fù)雜的信息，可以評(píng)估電池系統(tǒng)在需要更換之前可以經(jīng)歷的“等效周期”。
工業(yè)應(yīng)用采用的一種退化管理方法是管理超大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量，同時(shí)保持儲(chǔ)能容量不變。這種方法允許電池系統(tǒng)通過減緩?fù)嘶蕴峁└L(zhǎng)時(shí)間滿足客戶的期望。但這種方法也有一些缺點(diǎn)，例如增加了設(shè)備的前期成本。其他方法可以包括隨著系統(tǒng)退化隨時(shí)間增加電池儲(chǔ)能容量，這可以提供額外的靈活性以評(píng)估隨著時(shí)間推移的項(xiàng)目需求，同時(shí)利用未來(lái)成本降低的假設(shè)。
影響電池性能退化的因素
當(dāng)前絕大部分的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的是鋰離子電池。在2013年至2018年期間，鋰離子電池占美國(guó)電池儲(chǔ)能部署容量的94％。應(yīng)該注意的是，這里沒有涉及的其他儲(chǔ)能技術(shù)可能具有不同的退化驅(qū)動(dòng)因素。此外，鋰離子電池是一個(gè)多樣化的類別，具有許多不同的化學(xué)成份和形式，在此只是提供指示性描述，而不是試圖探索所有這些細(xì)微差別。
鋰離子電池退化受到多個(gè)變量的影響。退化驅(qū)動(dòng)因素其中包括：運(yùn)行溫度、壽命期間的平均充電狀態(tài)，以及充電和放電循環(huán)的深度。而采用優(yōu)異的退化管理工具和措施將有助于儲(chǔ)能項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)規(guī)劃和運(yùn)營(yíng)，以及設(shè)備供應(yīng)商可能提供的任何保證或性能保證。
電池儲(chǔ)能退化的第一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素與平均充電狀態(tài)的時(shí)間有關(guān)。研究數(shù)據(jù)表明，靜止的鋰離子電池會(huì)根據(jù)溫度和儲(chǔ)存電荷的狀態(tài)而失去能量保持能力。
圖2.鋰離子電池在平均充電狀態(tài)和溫度不同組合下的容量降低情況。例如，綠色線段顯示電池工作在65％充電狀態(tài)和60°C時(shí)的性能下降情況
圖2表明，如果充電狀態(tài)較高，則在溫度升高的情況下容量會(huì)降得更快?？紤]到這些退化驅(qū)動(dòng)因素有利于規(guī)劃過程中的退化預(yù)測(cè)。在運(yùn)行中，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過有效的熱管理和通過避免在高充電狀態(tài)下的長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間來(lái)延長(zhǎng)工作壽命。然而，這需要對(duì)主動(dòng)熱管理的潛在效率影響進(jìn)行權(quán)衡，以及為意外調(diào)度調(diào)用儲(chǔ)能的可能性。需求預(yù)測(cè)和儲(chǔ)能控制方法對(duì)于管理這些權(quán)衡尤為重要。
鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電和放電循環(huán)是另一個(gè)重要的退化因素。深循環(huán)對(duì)于鋰離子電池退化比淺循環(huán)電池的影響更大。
圖3.循環(huán)深度放電對(duì)電池容量保持率降低的影響
圖3說(shuō)明了這種關(guān)系。另外，一些電池具有在生命周期后期加速退化的特性，如圖3中的“膝蓋”形狀所示。
通過提高預(yù)測(cè)成功或失敗的準(zhǔn)確性，理解和建模操作與退化之間的關(guān)系有助于優(yōu)化儲(chǔ)能項(xiàng)目的規(guī)劃。它還通過允許設(shè)計(jì)考慮到與循環(huán)相關(guān)的退化成本的調(diào)度策略來(lái)改進(jìn)操作。
儲(chǔ)能項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)學(xué)模型的退化
行業(yè)廠商提供的儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化工具可用于了解如何設(shè)計(jì)和調(diào)度儲(chǔ)能項(xiàng)目，以最大限度地提高項(xiàng)目生命周期價(jià)值。該工具使用基于優(yōu)化的建模來(lái)模擬提供一個(gè)或多個(gè)電網(wǎng)服務(wù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的操作（調(diào)度和容量預(yù)留），同時(shí)跟蹤退化和電網(wǎng)服務(wù)兼容性等。它可以代表電網(wǎng)目標(biāo)在充電/放電活動(dòng)方面的不同水平的相對(duì)價(jià)值，找出更積極的活動(dòng)可能帶來(lái)更高的收入，也帶來(lái)更高的更換成本，最終有助于找到最有效的權(quán)衡。
在此提供一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)理解電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)價(jià)值和退化成本之間的權(quán)衡，用來(lái)模擬執(zhí)行能量時(shí)移（套利）的電池系統(tǒng)。以下凈現(xiàn)值表對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)在每天有利可圖的時(shí)間內(nèi)每天執(zhí)行兩次完全充電/放電10年的循環(huán)。在第六年結(jié)束時(shí)，它需要更換。
對(duì)于同樣的項(xiàng)目再次建模，但這次在最有利可圖的時(shí)間內(nèi)每天只執(zhí)行一次完全充電/放電循環(huán)。由于能源時(shí)移，這種情況產(chǎn)生了較低的收入，但是其可以達(dá)到10年的項(xiàng)目壽命，這減少了更換電池的成本。
圖4.兩個(gè)項(xiàng)目的現(xiàn)金流量。藍(lán)色線條表示采用一種更積極的策略，沒有考慮退化，但獲得更多收入。橙色線條表示采用了更為保守的策略，可以減少退化。
使用美國(guó)電力研究院提供的優(yōu)化工具或類似的優(yōu)化軟件，用戶可以測(cè)試用于儲(chǔ)能循環(huán)的不同“懲罰函數(shù)”，基本上指導(dǎo)優(yōu)化以要求儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更大的最小價(jià)差。由于退化的影響將在未來(lái)變得更加顯著，因此儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商必須在項(xiàng)目早期就認(rèn)識(shí)到這些影響。
現(xiàn)實(shí)世界的儲(chǔ)能項(xiàng)目可靠性
從商業(yè)意義上講，電池儲(chǔ)能項(xiàng)目的安裝和部署仍處于初級(jí)階段。因此，該行業(yè)仍在了解儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際退化和停機(jī)時(shí)間。
這些系統(tǒng)很復(fù)雜，包含許多子系統(tǒng)，例如其中的傳感器、通信通道、電力電子、計(jì)算系統(tǒng)等需要協(xié)同工作以滿足性能要求。因此，不夠穩(wěn)健的集成或意外事件可能導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)不同點(diǎn)的故障。
一些組織機(jī)構(gòu)（如美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）正致力于開發(fā)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和商用現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的測(cè)試和測(cè)量。還有一些公用事業(yè)公司目前正致力于建立一個(gè)具有儲(chǔ)能性能跟蹤記錄的通用數(shù)據(jù)庫(kù)，并在實(shí)際儲(chǔ)能項(xiàng)目中了解更多有關(guān)停機(jī)時(shí)間和性能退化的信息。建立儲(chǔ)能項(xiàng)目可靠性的記錄對(duì)于支持具有成本效益的儲(chǔ)能投資至關(guān)重要，而儲(chǔ)能系統(tǒng)將為所有社會(huì)成員的電力可靠性和可負(fù)擔(dān)性提供支持。
