2020年3月，IRENA（國際可再生能源署）發(fā)布了《Electricity Storage Evaluation Framework: Assessing system value and ensuring project viability》。本文是報(bào)告第III部分全球8種儲能應(yīng)用案例的第3部分：能源套利。
英文原文鏈接：
https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020
1. VRE并網(wǎng)中能源套利的作用
能源套利主要是在電力充足且便宜的時候儲存電能，并在電力緊張且電價較高時放電。由于電價差反映了全電網(wǎng)或者局部的電力不足或盈余，提供能源套利的同時也帶來了其他的好處，比如降低了尖峰負(fù)荷。供應(yīng)商在電力不足電價較高時放電，從而減輕了電網(wǎng)壓力。能源套利的另一個好處是在電力超發(fā)時降低了VRE棄電。
根據(jù)IRENA的報(bào)告（IRENA，2017b），開放的電力市場下，需要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整來支持高比例VRE和分布式能源的應(yīng)用。一種普遍的做法是在日前電力市場通過買賣電力進(jìn)行能源套利，然后在日內(nèi)市場和實(shí)時市場里進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)。
VRE發(fā)電拉低了電價，這是因?yàn)閂RE帶來了不可忽略的邊際成本。結(jié)果是，VRE的比例較高時，電價一般會降低。因此，儲存一些VRE發(fā)電會有一些潛在好處：
（1）為VRE項(xiàng)目業(yè)主增加收入。在VRE發(fā)電比例較高但電價低的時段充電，在VRE發(fā)電比例低但電價高的時段放電，這可以為業(yè)主提高收益。儲能還能在過發(fā)電、負(fù)電價時段減少VRE棄電（負(fù)電價出現(xiàn)在低凈負(fù)荷階段，此時，靈活性發(fā)電資源繼續(xù)發(fā)電的成本會比不發(fā)電還要高）。
（2）降低因電網(wǎng)傳輸瓶頸引起的VRE棄電。
（3）促進(jìn)燃料節(jié)約，降低碳排放，帶來顯著的社會效益。
（4）避免電力緊張時電價陡增，因此可以平滑電價曲線。
VRE發(fā)電通過降低發(fā)電成本獲得相對其他資源的優(yōu)先度，反過來，減少了所有供電資源的收入。通過將VRE發(fā)電轉(zhuǎn)移到高需求的時段（需求減去VRE發(fā)電），儲能可以使VRE在較高的邊際成本時段供應(yīng)電力，從而以提高VRE捕獲價格的方式增加了VRE的收益（發(fā)電量乘以該時段的電價等于特定發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)組合“獲得”的收入）。在收入替代的作用下，太陽能發(fā)電的捕獲價格會降低。因此，儲能對于太陽能發(fā)電具有更高的價值。儲能與太陽能搭配的另一個優(yōu)勢是，光伏是晝夜特征明顯但較為持續(xù)的，而風(fēng)能可能是高度間歇性的。
類似的，當(dāng)VRE在需求較低的時段發(fā)電時，電網(wǎng)運(yùn)營商會調(diào)度熱力發(fā)電資源（邊際成本不為零）減負(fù)荷，有時會接近它們的技術(shù)上可運(yùn)行的低限。這些操作會使熱力發(fā)電資源運(yùn)行在熱耗曲線以下，從而降低了燃料效率。通過把VRE發(fā)電轉(zhuǎn)移到高需求時段，儲能可以讓這些熱力發(fā)電資源在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)上運(yùn)行，從而節(jié)約燃料、降低碳排放。
因?yàn)榧夹g(shù)上的限制，僅采用了基于逆變器的VRE發(fā)電的大型電力系統(tǒng)在保持穩(wěn)定性的同時，通常不能保證較好的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果，電網(wǎng)運(yùn)營商有時不得不實(shí)施VRE棄電來保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。對于儲能，在VRE發(fā)電量被儲存用于后續(xù)時段時，可以幫助同步發(fā)電系統(tǒng)的最小容量下穩(wěn)定運(yùn)行。
圖1中藍(lán)色區(qū)域代表無儲能的光伏發(fā)電輸出，橙色代表有儲能的光伏發(fā)電輸出。9點(diǎn)到14點(diǎn)的部分VRE發(fā)電被儲存起來，并在16點(diǎn)到21點(diǎn)的時段使用。下面的圖片示意了充電發(fā)生在低電價時段，放電發(fā)生在高電價時段。
注：RE（renewable energy）是可再生能源，LMP（locational marginal price）是節(jié)點(diǎn)邊際電價。
圖1 VRE發(fā)電轉(zhuǎn)移示意：有無儲能時的新能源發(fā)電和凈負(fù)荷，儲能的充放電策略
能源套利被認(rèn)為是儲能的主要應(yīng)用方式。即便如此，如果僅靠能源套利是很難形成一種商業(yè)模式的（Lew，2016）。首先，大多數(shù)邊際電廠是燃?xì)獍l(fā)電，較低的燃?xì)鈨r格并不會使高電價持續(xù)存在，從而創(chuàng)造能源套利機(jī)會。其次，在電價波動較大時，預(yù)測偏差一般會加劇，使得交易更加不可預(yù)測。
極端價格是嚴(yán)重的預(yù)測偏差導(dǎo)致的，比如對較高風(fēng)電比例的電網(wǎng)預(yù)測風(fēng)電功率時，預(yù)測結(jié)果過高或過低。為了最好地利用能源套利，儲能運(yùn)營商需要有能力預(yù)測在什么時候在哪里會發(fā)生大的預(yù)測偏差，這非常有挑戰(zhàn)性。GE向NREL提交的《Western Wind and Solar Integration Study》（GE Energy Consulting，2010）顯示高比例的太陽能和風(fēng)能發(fā)電會影響能源套利。研究顯示風(fēng)電比例的增加如何改變了電價尖峰分布時段，以及預(yù)測偏差是如何引起極端電價的。
采用儲能來支持風(fēng)電的一項(xiàng)大的挑戰(zhàn)是高電價、低電價通常與預(yù)測偏差有關(guān)。因此，儲能運(yùn)營商的預(yù)測需要比風(fēng)功率預(yù)測更準(zhǔn)確，才能從電價差中獲利。然而，如果一些儲能資源具備了靈活性，它們有能力在日前市場、日內(nèi)市場和實(shí)時市場通過對供需不平衡、價格波動的快速響應(yīng)來獲得電價差大部分收益。
與風(fēng)電不同，太陽能可預(yù)測性更好，因此也能更好地與儲能整合，因?yàn)檫\(yùn)營商可以知道在什么時間進(jìn)行充電和放電。進(jìn)一步，對于高比例的太陽能，尖峰時段的大部分能量可以被轉(zhuǎn)移到高需求時段，比如晚上。這樣，儲能運(yùn)營商可以通過儲能提供強(qiáng)大的電價平滑機(jī)制并獲得合理的收益。與之相比，風(fēng)能可能全天都存在，這與當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)資源有關(guān)。
電動汽車是另一個可以為電網(wǎng)提供負(fù)荷轉(zhuǎn)移和靈活性的選項(xiàng)。電動汽車可以為VRE并網(wǎng)賦能，在通過充電器連接電網(wǎng)時，可以作為一個并網(wǎng)儲能系統(tǒng)使用。因此，電動汽車可以為電網(wǎng)提供很多服務(wù)。如果采用雙向充電器，電動汽車不僅可以利用電網(wǎng)充電，還可以向電網(wǎng)送電。這樣，電動汽車就有能力除能源套利之外的輔助服務(wù)。
在V2G（Vehicle-to-grid）系統(tǒng)中，電動汽車通過將尖峰時段的能源轉(zhuǎn)移到晚上或早上的時段來進(jìn)行能源套利，見圖2。圖中顯示了電動汽車是如何進(jìn)行能源套利的。其中，EV Static PV是指電動汽車作為靜態(tài)負(fù)荷（即將電動汽車作為電網(wǎng)負(fù)荷需求增長的部分），V2G Gen是指從電動汽車向電網(wǎng)的放電。圖中顯示了采用V2G之后，更多的PV發(fā)電可以被吸收并在后續(xù)使用。
來源：Taibi，F(xiàn)ernandez del Valle and Howells（2018）。
圖2 電動汽車提供能源套利
然而，在V2G系統(tǒng)中，電動汽車進(jìn)行能源套利是會增加電池衰減的，衰減取決于運(yùn)行情況（如，循環(huán)次數(shù)、放電速率、放電深度等）。在進(jìn)行最優(yōu)套利策略分析時，建議增加考慮電池衰減的約束條件。
2. 儲能的能源套利
抽水蓄能（PHES）是一種大規(guī)模蓄能系統(tǒng)，主要包括兩個大蓄水池，一個位于高海拔，一個位于低海拔。當(dāng)電價低并可以獲取多余電量時，把水從低海拔蓄水池抽到高海拔蓄水池。當(dāng)電價高時，水從高海拔蓄水池放流到低海拔水池，中間通過水輪機(jī)發(fā)電。因此，PHES可以提供能源套利和輔助服務(wù)（Rehman，AI-Hadhrami and Alam，2015）。
相對于電池儲能，PHES的一個優(yōu)勢是有很長的壽命期。如果維護(hù)良好，PHES壽命期很長。更重要的是，相對于電池儲能，PHES通常具有很高的能量轉(zhuǎn)化容量，尤其是大型的PHES。相對地，PHES的不足是對環(huán)境影響較大、對地質(zhì)條件要求高、占地面積大、效率低（鋰電池90%，PHES約80%）、更長的建設(shè)周期（數(shù)年，電池一般是數(shù)月）。
世界上最大的鋰電池電站是Hornsdale儲能電站，目前已經(jīng)建成。該電站位于南澳州Jamestown的Hornsdale風(fēng)電站，見圖3。該電站由特斯拉建造，總投資9000萬澳元，容量是80MW/129MWh。電站通過與風(fēng)電場相同的275kV電網(wǎng)饋線并網(wǎng)，該風(fēng)電場包含99個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，總?cè)萘?15MW。儲能電站總?cè)萘恐械?19MWh用于能源套利，30MW的放電容量由Neoen用于商業(yè)用途。
圖3 南澳洲Hornsdale Power Reserve項(xiàng)目
自2017年建成以來，電站已經(jīng)提供了能源套利、調(diào)頻服務(wù)等不同服務(wù)。通過澳大利亞能源市場運(yùn)營商（AEMO），已經(jīng)從能源套利中獲利。圖4清晰表達(dá)了了特斯拉是如何從能源套利中賺錢的。圖中還可以看出，電池在早上時段充電并在晚上時段放電。2018年，電池系統(tǒng)產(chǎn)生了2900萬澳元的收入，超出了所有人的預(yù)期。
電站每年從南澳州政府獲得固定的420萬澳元，此外，還有從FCAS和能源套利獲得的大約2400萬澳元收益。AEMO聲稱，2017年12月到2018年3月間，Tesla PowerpackSystem總共調(diào)度或充電了38%的負(fù)荷，總計(jì)11GWh。這段時期內(nèi)，32%的時間在充電，總計(jì)8.9GWh。圖中顯示，平均電價差約在91澳元/MWh。Hornsdale Power Reserve占據(jù)了南澳州FCAS市場的55%份額，將輔助服務(wù)價格降低90%。
注：HPR是Hornsdale Power Reserve的簡稱，SA是South Australia的簡稱。
來源：Vorrath and Parkinson（2018）。
圖4 Hornsdale調(diào)度曲線和平均充放電價
進(jìn)一步，電池系統(tǒng)已經(jīng)多次證明了其在為電網(wǎng)提供服務(wù)和備用電力方面的有效性。一個最顯著的例子，2017年12月4日，Gladstone的1680MW燃煤電站失效時，特斯拉電池在1秒鐘之內(nèi)提供了7.3MW的備用電力?？傮w上，Hornsdale儲能電站是能源套利和電網(wǎng)服務(wù)的顯著實(shí)例。
Gorona del Viento管理的EI Hierro項(xiàng)目是一個風(fēng)電水電電廠項(xiàng)目，位于EIHierro島上。這也是其運(yùn)營的第一個類似項(xiàng)目，見圖5。該島嶼嚴(yán)重依賴傳統(tǒng)的柴油發(fā)電，現(xiàn)在已經(jīng)成功轉(zhuǎn)型到完全采用可再生能源系統(tǒng)。項(xiàng)目的目標(biāo)是為島上所有居民提供100%可再生能源（Garcia Latorre，Quintana and de la Nuez，2019）。項(xiàng)目建于2014年，風(fēng)水發(fā)電系統(tǒng)主要包括了：一個高海拔蓄水池、一個低海拔蓄水池、一個風(fēng)電場和一個水電站。高海拔蓄水池位于島上火山盆地的最高處，總?cè)莘e是380000m3。低海拔蓄水池位于水電站旁邊，總?cè)莘e是150000m3。風(fēng)電場包括5個2.3MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)11.5MW。水電站包括4個2.83MW沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)11.32MW。除了向島上供電外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組還向一些抽水蓄能電站的高處蓄水提供電力。高海拔蓄水池里的水通過重力自流的方式流向低處，推動水力發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)了蓄能。
圖5 EI Hierro電站
Endesa擁有該項(xiàng)目的30%股份。根據(jù)Endesa的數(shù)據(jù)，20年內(nèi)的項(xiàng)目收益包括：減少了6000噸柴油消耗和19000噸二氧化碳排放。電站的有效性和收入每年都在提升。2015年8月第一次投用的連續(xù)4小時之內(nèi)，電站為島嶼提供了100%的可再生能源。此后，電站提供100%可再生能源的時長不斷延長。2017年，總共892小時提供100%可再生能源。2018年上半年，達(dá)到了1450小時。該風(fēng)水電站的可再生能源現(xiàn)在能夠覆蓋島上75%的年用電需求，并經(jīng)常能夠達(dá)到100%（Gorona del Viento，2019）。
EI Hierro項(xiàng)目是少數(shù)能夠提供100%的VRE份額的PHES項(xiàng)目中的一個。電站還可以在電力過剩時抽水蓄能，并在風(fēng)力發(fā)電不足時放水發(fā)電，因而也可認(rèn)為是能源套利。這還是一個多用途的案例，通過蓄水充分利用低價風(fēng)電來替代高價燃油發(fā)電，使得高比例的VRE可以并入離網(wǎng)電網(wǎng)。這也是一種能源套利。同時，根據(jù)西班牙電網(wǎng)（REE）的數(shù)據(jù)，在2017年可再生能源比例為46.5%的情況下，該電站能夠提供高達(dá)連續(xù)18天的100%可再生能源，使得EI Hierro成功地實(shí)現(xiàn)從柴油發(fā)電為主的電力系統(tǒng)向完全的新能源電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。
3. 結(jié)論（案例3：能源套利）
隨著VRE的比例提升到比較高的水平，電力市場比任何時候都更需要滿足實(shí)時的供需平衡?？紤]到太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的高度不可預(yù)測性，一個可行的方案是采用儲能系統(tǒng)來提供靈活性，使電網(wǎng)更有效。儲能系統(tǒng)提供了集中不同的價值流，其中之一是能源套利，包括在低電價時段充電和高電價時段放電。
儲能運(yùn)營商的一個大的挑戰(zhàn)是預(yù)測偏差，這會導(dǎo)致極端電價的產(chǎn)生。極端電價會在套利機(jī)會最好的時候變得更嚴(yán)重。因此，最大化利用能源套利的理想方案可能是提前預(yù)測嚴(yán)重偏差會在什么時候發(fā)生。由于可預(yù)測性比風(fēng)電要好，太陽能發(fā)電更容易并入電網(wǎng)并用來用作大容量的電量轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)電價曲線的平滑。
然而，能源套利本身還不足以支持儲能推廣。能源套利需要比較大的、時間較長的尖峰電價和非尖峰電價差，同時，能源套利增加時，電價差會減小。另外，儲能的比例也在增加。因此，除了能源套利外，還需要其他的電網(wǎng)服務(wù)來支撐。
4. 擴(kuò)展閱讀
提高電力市場中的時間和空間顆粒度與提供能源套利服務(wù)高度相關(guān)。這兩個都是IRENA《創(chuàng)新圖景報(bào)告》30種電力系統(tǒng)創(chuàng)新中的概念。更多信息參見：
IRENA（2019），“Innovation Landscape Brief: Increasingtime granularity in electricity markets“，InternationalRenewable Energy Agency，Abu Dhabi.
IRENA （2019），“InnovationLandscape Brief: Increasing space granularity in electricity markets“，InternationalRenewable Energy Agency，Abu Dhabi.
IRENA（2019），“InnovationLandscape Brief: Utility-scale storage“，InternationalRenewable Energy Agency，Abu Dhabi.
原文來源：
IRENA,2020. Electricity Storage Evaluation Framework: Assessing system value and ensuring project viability.
原文鏈接：
https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020
翻譯、校對及美編：
梁海文
