中國儲能網(wǎng)訊：美國國家可再生能源實驗室日前發(fā)布了一份名為《超越4小時鋰離子電池儲能系統(tǒng)：長時儲能系統(tǒng)的挑戰(zhàn)與機遇》的研究報告。此項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)電技術辦公室以及美國能源部電力辦公室的資助。
前言
這份報告以美國國家可再生能源實驗室的“儲能未來研究”項目為基礎，該項目主要探索儲能系統(tǒng)在美國電力部門的發(fā)展和運營中的作用和影響。該實驗室調(diào)查了儲能技術的發(fā)展對部署和采用公用事業(yè)規(guī)模儲能系統(tǒng)和分布式儲能系統(tǒng)的潛在影響，以及對未來電力系統(tǒng)基礎設施的投資和運營的影響。
此項研究是“儲能未來研究”的延續(xù)，探討了促使持續(xù)時間4小時或低于4小時的儲能系統(tǒng)向4小時以上的長時儲能系統(tǒng)轉變的多種因素。該報告建立在“儲能未來研究”系列的第一份報告《儲能部署的四個階段:儲能系統(tǒng)在美國電力系統(tǒng)中擴大作用的框架》的基礎上，該報告在當前和未來部署儲能系統(tǒng)的四個階段中建立了具有成本競爭力的儲能系統(tǒng)的角色和機會的框架。這份報告深入研究了太陽能發(fā)電設施和儲能系統(tǒng)的發(fā)展階段，并指出太陽能發(fā)電設施和儲能系統(tǒng)共址部署可以相互增加價值，而降低成本和技術改進使儲能系統(tǒng)在服務持續(xù)時間更長的應用時具有成本競爭力。
“儲能未來研究”項目提供數(shù)據(jù)和分析，以支持美國能源部的“儲能大挑戰(zhàn)”計劃，這個全面的計劃旨在加速下一代儲能技術的開發(fā)、商業(yè)化運營和應用，并致力保持美國在全球儲能市場的領導地位?！皟δ艽筇魬?zhàn)”計劃采用了用例框架，以確保儲能技術能夠經(jīng)濟有效地滿足特定需求，并結合了多個類別的儲能技術:電池儲能系統(tǒng)、機械儲能系統(tǒng)、熱儲能、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的電池儲能系統(tǒng)，而且運營的抽水蓄能發(fā)電設施的裝機容量約為23GW。在新增的儲能系統(tǒng)中，90%以上的儲能系統(tǒng)持續(xù)時間為4小時或更短，在過去幾年部署的儲能系統(tǒng)中，鋰離子電池儲能系統(tǒng)約占99%。
很多人對部署持續(xù)時間高于4小時的儲能系統(tǒng)的興趣日益增長，并且認為長時儲能系統(tǒng)將在幫助整合可再生能源和實現(xiàn)高度脫碳電網(wǎng)方面發(fā)揮著重要作用。報告指出，即使沒有針對減少碳排放的新政策，持續(xù)時間為6～10小時的長時儲能系統(tǒng)也有數(shù)百吉瓦的市場機會。考慮到在脫碳和實現(xiàn)可再生能源方面的作用，長時儲能系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿赡芨蟆?
盡管發(fā)展?jié)摿薮?，但有關長時儲能系統(tǒng)的作用以及長時儲能系統(tǒng)與鋰離子電池儲能系統(tǒng)進行競爭仍然存在重大的不確定性。
從歷史上來看，4小時儲能系統(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，這導致一些批發(fā)市場地區(qū)采用了“4小時容量規(guī)則”。該規(guī)則允許持續(xù)4小時以上的儲能系統(tǒng)在容量市場或其他提供容量的合同中獲得補償(在更長的持續(xù)時間內(nèi)不會提供額外的收入)。4小時容量規(guī)則、能源套利的額外價值有限以及鋰離子電池成本下降，對于部署持續(xù)時間超過4小時的長時儲能系統(tǒng)產(chǎn)生了抑制作用?；谶@一規(guī)則，在2021年和2022年美國部署的儲能系統(tǒng)約有40%是持續(xù)時間4小時的儲能系統(tǒng)，不到6%的儲能系統(tǒng)持續(xù)時間超過4小時。
隨著太陽能發(fā)電量的增長，滿足夏季峰值電力需求的4小時儲能系統(tǒng)裝機容量將進一步增長。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，可能會導致冬季峰值電力需求的轉變，其需求期間通常比4小時儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間更長。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)改變儲能容量規(guī)則，這可能最終在未來幾年為部署長時儲能系統(tǒng)提供更大的激勵。長時儲能系統(tǒng)可以提供額外的服務，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會。
有一些儲能技術可以實現(xiàn)更低的成本和更長的使用壽命。然而，這些儲能系統(tǒng)必須在成本方面與成熟的鋰離子電池儲能系統(tǒng)進行競爭，因為鋰離子電池儲能系統(tǒng)還有可能大幅降低成本，并實現(xiàn)更長的持續(xù)時間。長時儲能系統(tǒng)的成本降低取決于大規(guī)模部署以及激勵政策的潛在作用，只有組合成本最優(yōu)的儲能技術，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)模儲能系統(tǒng)裝機容量不斷增長，預計在未來將會加速增長。美國在過去幾年部署的儲能系統(tǒng)大多是鋰離子電池儲能系統(tǒng)，持續(xù)時間通常不超過4小時。然而，人們對于部署持續(xù)時間高于4小時的儲能系統(tǒng)越來越感興趣，并且認為長時儲能系統(tǒng)在幫助整合大量可再生能源和實現(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，但對于哪種儲能技術能夠實現(xiàn)經(jīng)濟高效的大規(guī)模部署，以及可能提供的服務的實際價值，特別是能否取代電池儲能系統(tǒng)時存在很大的不確定性。目前，4小時儲能系統(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，提供各種服務的能力也得到增強。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致冬季峰值電力需求成為資源充足需求的主要驅動因素。冬季電力需求峰值期間通常高于4小時。
這項研究探索了可能導致儲能系統(tǒng)持續(xù)從4小時到更長時間轉變的機遇和挑戰(zhàn)。雖然這份報告與全球儲能市場相關，但該報告第一章節(jié)的重點是美國儲能市場，以及其批發(fā)電力市場中評估和補償容量的具體規(guī)則。
第二章節(jié)討論了4小時或持續(xù)時間更短的鋰離子電池儲能系統(tǒng)在過去一直主導儲能市場的原因。還概述了儲能系統(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)時間的背景下。
第三章節(jié)討論了未來過渡到超過4小時儲能系統(tǒng)的可能途徑，包括短時儲能系統(tǒng)提供容量的價值下降，特別是當電力需求峰值轉移到冬季時。這項研究關注的是近期內(nèi)發(fā)生的轉變，而不是長期的轉變，包括深度脫碳的情景。
第四章節(jié)討論了鋰離子電池儲能系統(tǒng)以外的儲能技術轉型，以及與裝機容量和儲能容量相關成本的重要性。
雖然在第四章節(jié)簡要地討論了不同的儲能技術類別和選項，但美國國家可再生能源實驗室采用的方法在很大程度上是技術中立的，其關注的主要特征是持續(xù)時間，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)時間定義為儲能系統(tǒng)在需要充電之前可以在滿負荷輸出時的時間長度。雖然人們對“長時”有各種各樣的定義，但在這里并不討論任何特定的持續(xù)時間，而是探索超越4小時持續(xù)時間的情景，這代表了當前大多數(shù)的儲能系統(tǒng)。
2、持續(xù)時間4小時或更少:近期儲能部署的驅動因素
為了了解持續(xù)時間超過4小時的長時儲能系統(tǒng)的部署機會，首先探討4小時或更短的持續(xù)時間的儲能系統(tǒng)在過去10年主導全球儲能市場的原因。美國目前運營的抽水蓄能發(fā)電設施大約有23GW，大部分是在2000年之前完成建設(其中大多數(shù)抽水蓄能發(fā)電設施的持續(xù)時間為8小時或更長時間。表1顯示了2010年至2020年美國公用事業(yè)規(guī)模的電池儲能系統(tǒng)的部署情況。該表不包括裝機容量小于1MW的儲能系統(tǒng)，但包括與太陽能或風力發(fā)電設施配套的電池儲能系統(tǒng)。該表也不包括熱儲能系統(tǒng)或用于加熱和冷卻的熱儲能系統(tǒng)。在確定技術類型的儲能系統(tǒng)中，99%以上是鋰離子電池儲能系統(tǒng)。
圖1顯示了美國從2010年至2022年部署的儲能系統(tǒng)的總裝機容量，按持續(xù)時間按1小時遞增。例如，列出的持續(xù)時間為1小時儲能系統(tǒng)裝機容量為1100MW，1至2小時儲能系統(tǒng)裝機容量為1800MW。
圖1 美國在2010～2022年部署的儲能系統(tǒng)持續(xù)時間。只有不到7%的儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間超過4小時。
這些儲能系統(tǒng)中，大部分的持續(xù)時間是4小時，美國在2021年和2022年部署了2850MW的4小時儲能系統(tǒng)。持續(xù)時間超過4小時的儲能系統(tǒng)總裝機容量不到7%。這可以通過了解儲能系統(tǒng)的收益和成本如何隨時間變化進行解釋。
2.1、構建儲能系統(tǒng)的價值主張
儲能系統(tǒng)的價值通常與其提供多個服務的能力有關。表2概括了儲能系統(tǒng)提供的一些潛在價值。
需要注意的是，表2沒有明確列出可再生能源的特定應用。這些應用已經(jīng)在表1中列出。例如，能量轉移和價值通過需求收費和使用時間費率反映在電價中。
從2010年到2019年，大部分儲能系統(tǒng)的應用都集中在輔助服務，主要由電池儲能系統(tǒng)(或飛輪)提供服務，持續(xù)時間通常為1小時或更短。目前在美國一些地區(qū)部署的儲能系統(tǒng)的裝機容量超過了當?shù)氐妮o助服務要求。表1中列出的儲能系統(tǒng)裝機容量現(xiàn)在超過了美國約9GW的輔助服務要求。此外，表1并沒有包括提供調(diào)節(jié)儲備和減少儲能部署機會的其他資源，包括抽水蓄能電設施和需求響應。因此，輔助服務市場有可能飽和，部署儲能系統(tǒng)的重點如今已經(jīng)轉移到容量服務上，正如2022年持續(xù)時間的增長所表明的那樣。
（未完待續(xù)）
