中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：第7章——新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體部署儲(chǔ)能系統(tǒng)的考慮因素
7.1 背景
在未來幾十年，巴西、印度、印度尼西亞、尼日利亞和南非等新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體 (EMDE)的發(fā)電、轉(zhuǎn)換和使用趨勢(shì)，將會(huì)顯著地影響和促進(jìn)全球氣候減緩工作。而電力需求增長(zhǎng)將給這些國(guó)家的電力基礎(chǔ)設(shè)施帶來更大的負(fù)擔(dān)，因?yàn)檫@些基礎(chǔ)設(shè)施在許多情況下并不完全可靠，并且通常是由在財(cái)務(wù)方面受限的公用事業(yè)公司運(yùn)營(yíng)。這種情況可能會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)用例與研究報(bào)告中討論的發(fā)達(dá)國(guó)家用例不同，發(fā)達(dá)國(guó)家制定的深度脫碳目標(biāo)以及交通行業(yè)的電氣化是電網(wǎng)轉(zhuǎn)型的主要驅(qū)動(dòng)力。在電網(wǎng)供應(yīng)受限的情況下，無(wú)論是可用發(fā)電容量或電網(wǎng)范圍和接入問題，包含儲(chǔ)能系統(tǒng)的微電網(wǎng)和住宅太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施都可以作為電氣化的替代模式，從而支持努力快速擴(kuò)大能源供應(yīng)。
事實(shí)上，供應(yīng)受限的情況在非洲南部國(guó)家以及印度的某些農(nóng)村地區(qū)普遍存在，那里的離網(wǎng)電氣化系統(tǒng)已經(jīng)引起了私有項(xiàng)目開發(fā)商以及世界發(fā)展金融機(jī)構(gòu)等組織的極大興趣。在其他情況下，如果電力供應(yīng)充足且大多數(shù)客戶負(fù)載已接入電網(wǎng)，并且在經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和可再生能源發(fā)電量快速擴(kuò)張的推動(dòng)下，電力需求大幅增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)擁塞，則為儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了新的部署機(jī)會(huì)，并支持高效可靠的電網(wǎng)運(yùn)行。這些情況在印度和東南亞國(guó)家很常見。在這種需求驅(qū)動(dòng)的背景下，預(yù)計(jì)由能源密集型電器設(shè)備、空調(diào)和交通電氣化所推動(dòng)的電力負(fù)荷量將以遠(yuǎn)高于總能源需求的速度增長(zhǎng)。
根據(jù)一項(xiàng)研究，需求增長(zhǎng)而驅(qū)動(dòng)的能耗量可能導(dǎo)致印度2040年的能耗與2019年相比高出 81%，在這種情況下，電力需求增長(zhǎng)更快，2040年與當(dāng)前相比將增長(zhǎng)161%。雖然發(fā)達(dá)國(guó)家在未來十年的電力需求增長(zhǎng)預(yù)測(cè)主要受交通運(yùn)輸電氣化驅(qū)動(dòng)，但在印度和許多氣候炎熱的新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體 (EMDE)國(guó)家，預(yù)計(jì)建筑行業(yè)的發(fā)展將主導(dǎo)電力需求的增長(zhǎng)，這主要是由于建筑將會(huì)安裝大量空調(diào)。與其他新的需求來源（如電動(dòng)汽車）相比，全天對(duì)空調(diào)制冷的較高且不靈活的需求，意味著建筑對(duì)電力需求的顯著增加。
上述新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體（EMDE）中的儲(chǔ)能部署用例進(jìn)一步區(qū)分所述分析的其他因素。這些因素包括：（1）電網(wǎng)投資的融資成本相對(duì)較高（相對(duì)于發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的融資成本）和電力公司的財(cái)務(wù)資源有限；(2)煤炭發(fā)電在能源供應(yīng)中占主導(dǎo)地位，天然氣發(fā)電通常受到可用性或基礎(chǔ)設(shè)施的限制，這使得更加重視部署有利于電力部門脫碳的可再生能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)；(3)與發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體相比，技術(shù)和成本上存在差異。例如在印度等需求驅(qū)動(dòng)的新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體（EMDE）中，可再生能源的資本成本比美國(guó)低50%～70%，這是由于勞動(dòng)力成本較低等因素。相比之下，在非洲南部國(guó)家，可再生能源發(fā)電成本通常更昂貴，因?yàn)槠涫袌?chǎng)規(guī)模較小且缺乏相應(yīng)的制造設(shè)施。
研究團(tuán)隊(duì)的分析考慮了兩類新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體（EMDE）國(guó)家背景下的儲(chǔ)能部署（表7.1）：（1）需求驅(qū)動(dòng)型國(guó)家（例如印度），其中了解未來電力使用的需求增長(zhǎng)和模式對(duì)于了解儲(chǔ)能部署用例至關(guān)重要；（2)電力供應(yīng)受限的國(guó)家（例如尼日利亞），在這些國(guó)家，滿足需求的電網(wǎng)可用性持續(xù)時(shí)間和時(shí)間的不確定性是儲(chǔ)能部署的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。為了分析需求驅(qū)動(dòng)的新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體（EMDE）中的儲(chǔ)能部署用例，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了需求側(cè)建模，以探索儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用如何影響印度市場(chǎng)背景下電力需求狀況的長(zhǎng)期演變。然后，研究團(tuán)隊(duì)利用其需求側(cè)的調(diào)查結(jié)果，在一系列技術(shù)和政策情景中探索印度配電和輸電系統(tǒng)（分別為第7.2.2和7.2.3節(jié)）中儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來的價(jià)值。在印度背景下的分析結(jié)果可以廣泛推廣到表現(xiàn)出類似情況的其他國(guó)家和地區(qū)，特別是東南亞。相比之下，為了評(píng)估儲(chǔ)能系統(tǒng)在供應(yīng)受限地區(qū)的作用，研究團(tuán)隊(duì)調(diào)查了尼日利亞消費(fèi)者住宅太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施配套部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)的一部分價(jià)值主張。
表7.1 研究調(diào)查中的EMDE國(guó)家需求驅(qū)動(dòng)和發(fā)電驅(qū)動(dòng)的儲(chǔ)能部署場(chǎng)景匯總
7.2 評(píng)估儲(chǔ)能系統(tǒng)在需求驅(qū)動(dòng)的新興經(jīng)濟(jì)環(huán)境中的作用
7.2.1 方法
（1）需求側(cè)建模
研究團(tuán)隊(duì)將印度視為快速增長(zhǎng)的新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體（EMDE）的主要研究案例，其需求是電力系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。研究團(tuán)隊(duì)的分析使用詳細(xì)模型來量化合理的替代電力需求情景，區(qū)分現(xiàn)有電力最終用途和新興電力的最終用途，例如空調(diào)設(shè)備和電動(dòng)汽車(EV)，并采用單獨(dú)的方法來預(yù)測(cè)每種電力最終用途的未來需求，如圖7.1所示。
圖7.1 印度需求側(cè)建模方法的簡(jiǎn)化示意圖
與其他文獻(xiàn)中對(duì)印度的可用需求預(yù)測(cè)相比，研究團(tuán)隊(duì)的需求概況來研究空調(diào)的效率（表7.2）等因素對(duì)各種空調(diào)的年能耗和峰值能耗的影響。例如印度各邦和地區(qū)（圖7.2和7.5）。其結(jié)果與其他已發(fā)布的2040年電力需求預(yù)測(cè)（圖7.4）相當(dāng)，但也提供了更詳細(xì)的年度內(nèi)變化和需求分布圖，這有利于電力系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的規(guī)劃以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的估值。
表7.2假設(shè)空調(diào)設(shè)備和電動(dòng)汽車需求增長(zhǎng)對(duì)印度的需求預(yù)測(cè)
圖7.2印度到2040年各地區(qū)的電力需求
需求側(cè)分析分為兩個(gè)階段進(jìn)行：首先，使用回歸模型估計(jì)未來的最終用途的電力需求，該模型對(duì)2012～2019年期間的歷史區(qū)域電力需求進(jìn)行分析，并結(jié)合了2015年的電力需求。該模型使用天氣數(shù)據(jù)和印度各邦GDP的預(yù)測(cè)來估計(jì)季節(jié)性和長(zhǎng)期增長(zhǎng)趨勢(shì)。
其次，圖7.1所示的技術(shù)模型用于估計(jì)新負(fù)載的需求，在這一研究中包括住宅和商業(yè)用戶使用的空調(diào)以及電動(dòng)汽車。該模型使用基于空調(diào)銷售預(yù)測(cè)?？紤]了兩種電力需求情景：基于當(dāng)前可用設(shè)備的電力銷售預(yù)測(cè)的基本情景和假設(shè)優(yōu)先采用空調(diào)效率情景。例如根據(jù)最近的一項(xiàng)研究，假設(shè)到2050年全球平均水平的空調(diào)機(jī)組的季節(jié)性能效比(SEER)評(píng)級(jí)達(dá)到8.5。相比之下，截至2018年，印度空調(diào)機(jī)組的銷售加權(quán)平均季節(jié)性能效比(SEER)為3，全球平均為4。正如SEER評(píng)級(jí)所反映的，美國(guó)和印度之間的空調(diào)效率通常因安裝的空調(diào)類型不同而有很大差異。雖然使用可變制冷等能效措施的中央空調(diào)系統(tǒng)在美國(guó)很常見，但印度更傾向于使用更便宜但效率較低的分體式空調(diào)。住宅和商業(yè)的空調(diào)需求增長(zhǎng)在邦一級(jí)進(jìn)行估算，然后匯總到地區(qū)一級(jí)。
對(duì)于電動(dòng)汽車，研究團(tuán)隊(duì)的模型使用電動(dòng)汽車銷售數(shù)據(jù)和印度政府未來幾年的電動(dòng)汽車銷售目標(biāo)來估計(jì)其充電需求。使用與典型充電模式相關(guān)的調(diào)查數(shù)據(jù)得出2020年到2050年的預(yù)測(cè)。與空調(diào)需求相比，研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)印度對(duì)電動(dòng)汽車充電需求相對(duì)溫和，無(wú)論是在年能耗量還是對(duì)峰值需求的貢獻(xiàn)方面。這一發(fā)現(xiàn)與印度的其他研究一致。它與美國(guó)和歐洲等其他地區(qū)的預(yù)測(cè)形成了鮮明對(duì)比，而發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，電力需求的大部分增長(zhǎng)將來自電動(dòng)汽車充電，從而對(duì)電網(wǎng)的長(zhǎng)期發(fā)展產(chǎn)生影響。在電動(dòng)汽車的應(yīng)用中，圖7.3表明，假設(shè)印度市場(chǎng)上的電動(dòng)汽車需求保持不變，兩輪和三輪電動(dòng)汽車很可能在印度的電動(dòng)汽車市場(chǎng)中占主導(dǎo)地位。圖7.4是對(duì)印度從2025年到2040 年電力需求預(yù)測(cè)，圖7.5是對(duì)印度南部地區(qū)2030年夏季三天負(fù)荷分布的預(yù)測(cè)。
圖7.3 假設(shè)印度GDP穩(wěn)定增長(zhǎng)，2020～2050年空調(diào)和電動(dòng)汽車對(duì)電力需求的增長(zhǎng)情況
圖7.4印度從2025年到2040 年電力需求預(yù)測(cè)
圖7.5 印度南部地區(qū)預(yù)計(jì)的2030年夏季三天負(fù)荷分布圖
（2）分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的建模
人們普遍關(guān)注如何將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為非線纜替代方案 (NWA) 以避免或延遲電力線路升級(jí)，并滿足配電網(wǎng)絡(luò)中快速增長(zhǎng)的峰值需求。該用例與快速發(fā)展的新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體（EMDE）的超大城市（例如開羅、德里、雅加達(dá)）的配電系統(tǒng)密切相關(guān)。而在這些國(guó)家，空調(diào)在夜晚電力需求峰值期間中所占的份額越來越大。研究團(tuán)隊(duì)通過研究印度四個(gè)特大城市（班加羅爾、德里、加爾各答和孟買），量化了分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS) 作為新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體（EMDE）環(huán)境中城市配電的非線纜替代方案 (NWA)的作用。
研究團(tuán)隊(duì)采用靈活的估值框架，通過馬爾可夫鏈和蒙特卡羅(MCMC)方法使用多年實(shí)物期權(quán)方法分析，來確定電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和電網(wǎng)升級(jí)之間的最低成本投資策略的時(shí)間演變。
圖 7.6 總結(jié)了研究團(tuán)隊(duì)方法的三個(gè)步驟。首先，研究團(tuán)隊(duì)確定最佳的儲(chǔ)能部署地點(diǎn)以減輕配電網(wǎng)絡(luò)的過載。電網(wǎng)擁塞主要發(fā)生在電力需求峰值期間，因?yàn)殡娏π枨笠埠芨?，這意味著電網(wǎng)也在同時(shí)超載?；谠谧钌贁?shù)量的地理位置提供對(duì)電力線路的最大需求緩解來確定儲(chǔ)能部署的最佳位置。其次，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)負(fù)載曲線和網(wǎng)絡(luò)組件的過熱限制，針對(duì)給定的需求場(chǎng)景評(píng)估確定位置的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本進(jìn)行優(yōu)化。使用時(shí)間序列線性程序來調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)模以適應(yīng)各種需求增長(zhǎng)情景。這些優(yōu)化確定要部署的電池儲(chǔ)能容量，從中研究團(tuán)隊(duì)推斷出分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)的資本和運(yùn)營(yíng)成本。
圖7.6 展現(xiàn)靈活估值框架步驟的流程圖
研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)三種需求增長(zhǎng)情景重復(fù)第二步：緩慢、穩(wěn)定和快速。在靈活估值框架的最后部分，研究團(tuán)隊(duì)使用所有需求增長(zhǎng)情景及其各自后驗(yàn)概率的MCMC模擬來確定分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)和網(wǎng)絡(luò)延期在需求不確定性下的預(yù)期成本節(jié)約期權(quán)價(jià)值。
對(duì)于分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模計(jì)算年化固定成本（圖7.6，步驟2）。其靈活性的實(shí)物期權(quán)價(jià)值包括傳統(tǒng)電網(wǎng)升級(jí)所需投資與儲(chǔ)能系統(tǒng)所需投資之間的差額；這就是延遲電網(wǎng)升級(jí)的價(jià)值。研究團(tuán)隊(duì)使用年化投資成本進(jìn)行所有計(jì)算，以便可以按順序考慮多次延期，并且當(dāng)靈活性的實(shí)物期權(quán)價(jià)值不再有利時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)會(huì)考慮電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的殘值。在圖7.7中，D是指延遲值，它通過計(jì)算預(yù)期成本來計(jì)算，定義為MCMC概率與其對(duì)象成本的乘積之和。如果D<0，則延遲電網(wǎng)升級(jí)的儲(chǔ)能預(yù)期成本低于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的預(yù)期成本，因此儲(chǔ)能具有非負(fù)NWA值。在每個(gè)決策點(diǎn)p重復(fù)該過程，并具有相應(yīng)的成本、預(yù)測(cè)和概率（圖7.7）。
圖7.7 實(shí)物期權(quán)決策樹
研究團(tuán)隊(duì)采用靈活的估值框架，使用圖7.8中概述的方法估計(jì)印度特大城市（班加羅爾、德里、加爾各答、孟買）的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)部署潛力。首先，使用配電廠商TPDDL公司的數(shù)據(jù)。每個(gè)代表性饋線的特點(diǎn)是：(1)根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，負(fù)載百分比在40%到80%之間變化；(2)代表需求，定義為以支線為模型的每小時(shí)負(fù)荷曲線，根據(jù)可用的調(diào)查數(shù)據(jù)，這將由于特大城市不同而不同；(3)服務(wù)需求，即配電網(wǎng)饋線在相同負(fù)荷百分比下服務(wù)的年總需求（以MWh為單位）；(4)電力線路公里數(shù)，對(duì)應(yīng)于相應(yīng)負(fù)載百分比的總線路公里數(shù)（km）。來自德里的饋線數(shù)據(jù)顯示，28%的饋線負(fù)載量為60%或更高；研究團(tuán)隊(duì)假設(shè)其他特大城市的支線負(fù)荷分布類似。
圖7.8 印度大城市采用的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)部署潛力計(jì)算方法
此外，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)各自的服務(wù)需求以及與德里這些支線可用的電力線路長(zhǎng)度之比，估計(jì)了九個(gè)支線中的每一個(gè)在其他特大城市中所代表的線路長(zhǎng)度。靈活的估值框架適用于每個(gè)特大城市的每個(gè)代表性支線，其方法是使用需求側(cè)模型中的適當(dāng)增長(zhǎng)率來預(yù)測(cè)2030年和2040年的各種需求。電網(wǎng)投資成本是根據(jù)每個(gè)特大城市中每個(gè)代表性饋線的電力線路長(zhǎng)度計(jì)算的。代表性饋線的最終分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)容量使用每個(gè)饋線的服務(wù)需求與代表需求的比率來衡量。
（3）供給側(cè)建模
研究團(tuán)隊(duì)使用GenX的多周期版本，即第6章中基于美國(guó)的建模分析所使用的電力系統(tǒng)容量模型(CEM)，來評(píng)估印度電力系統(tǒng)在替代技術(shù)下的最低成本投資和運(yùn)營(yíng)、需求和政策情景。多周期系統(tǒng)框架使研究團(tuán)隊(duì)能夠?qū)ΜF(xiàn)有發(fā)電組合及其長(zhǎng)期演變進(jìn)行建模，這在美國(guó)等擁有相對(duì)老舊發(fā)電設(shè)施的國(guó)家中不太相關(guān)。對(duì)于本章介紹的分析，GenX被配置為具有四個(gè)投資期（2020年、2030年、2040年、2050年）和表示電網(wǎng)運(yùn)行的多期投資計(jì)劃模型。對(duì)于每個(gè)投資期，該模型包括幾個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行限制：（1）對(duì)化石燃料發(fā)電廠運(yùn)行的靈活性限制；(2)每個(gè)小時(shí)和每個(gè)區(qū)域的供需平衡，電流與線性損耗和區(qū)域之間的輸電容量限制相關(guān)；(3)水電站運(yùn)行與水流量和水庫(kù)容量的現(xiàn)有信息一致；(4)對(duì)于其儲(chǔ)能資源，跨期儲(chǔ)能平衡限制以及最大充放電率的容量限制。
這些運(yùn)行限制是從基于2015年天氣模式的單年負(fù)荷數(shù)據(jù)中選擇的20多個(gè)具有代表性的電網(wǎng)運(yùn)行周建模，并通過聚類技術(shù)開發(fā)了可再生能源和水電資源配置文件。研究團(tuán)隊(duì)使用由電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商（印度中央電力局2017年）定義的五個(gè)獨(dú)立的平衡區(qū)域（北部、西部、南部、東部和東北部）代表印度電網(wǎng)，并根據(jù)上述情況為每個(gè)投資期開發(fā)特定區(qū)域的負(fù)載配置文件，這描述了需求預(yù)測(cè)模型。這些區(qū)域之間的電力流動(dòng)基于簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)表示進(jìn)行建模，該電網(wǎng)表示強(qiáng)制執(zhí)行區(qū)域之間的電力交換限制。對(duì)于2020年，這些功率限制來自系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商；而在未來，這些限制可能會(huì)隨著額外的輸電投資而擴(kuò)大。
研究團(tuán)隊(duì)注意到這里使用的供應(yīng)方模型的一些關(guān)鍵限制。在技術(shù)方面，研究團(tuán)隊(duì)沒有考慮部署某些低碳資源，例如水電設(shè)施、核電設(shè)施或具有碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)的化石燃料發(fā)電廠。因?yàn)檫@些資源或者作用很小，或者不被視為印度中央電力局(CEA)制定的長(zhǎng)期擴(kuò)張計(jì)劃的一部分。研究團(tuán)隊(duì)還將對(duì)短時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的分析集中在鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)上，其成本下降正在推動(dòng)其廣泛采用。關(guān)于可再生能源資源，研究團(tuán)隊(duì)使用使用容量因數(shù)的資源可用性圖，其中包括14%的電力系統(tǒng)損失。研究團(tuán)隊(duì)沒有試圖考慮由于空氣質(zhì)量差而可能造成的損失，這可能會(huì)影響光伏發(fā)電性能。在為印度簡(jiǎn)化區(qū)域輸電網(wǎng)絡(luò)的建模時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)也沒有考慮由于盜竊和其他意外事件造成的輸電損失。因此，研究團(tuán)隊(duì)的結(jié)果可能在一定程度上高估了太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施的價(jià)值。最后要注意的是，基于最低成本經(jīng)濟(jì)調(diào)度的實(shí)時(shí)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)建模（這是美國(guó)等許多高收入國(guó)家的常態(tài)），并不能反映印度電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的現(xiàn)實(shí)，而長(zhǎng)期和短期合同主導(dǎo)著印度的電力供應(yīng)。然而，研究表明，其長(zhǎng)期目標(biāo)是讓經(jīng)濟(jì)調(diào)度驅(qū)動(dòng)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)；因此，研究團(tuán)隊(duì)的最低成本方法代表了一個(gè)合理的假設(shè)。
7.2.2 促使電網(wǎng)設(shè)施投資延期的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)
升級(jí)或改造輸配電網(wǎng)絡(luò)往往需要大量的投資，并涉及顯著的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，而且由此產(chǎn)生的電力資產(chǎn)壽命更長(zhǎng)（20～40年）。因此，通常采用電網(wǎng)規(guī)劃來確定可靠且經(jīng)濟(jì)高效地滿足未來需求所需的投資，同時(shí)最大限度地提高資產(chǎn)利用率。對(duì)于電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，電網(wǎng)容量必須滿足峰值電力需求，同時(shí)受到設(shè)備運(yùn)行的限制（例如電力線路熱量限制）。在輸電層面，巨大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)和電壓提升鼓勵(lì)對(duì)大容量電力線路和非常長(zhǎng)期的規(guī)劃進(jìn)行投資，但在新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體 (EMDE)國(guó)家的配電層面并非總是如此，配電公司通常在財(cái)務(wù)上受到限制和電網(wǎng)更加擁塞。在這里，研究團(tuán)隊(duì)分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)的最佳規(guī)模和位置及其作為城市配電網(wǎng)絡(luò)主要饋線的非線纜替代方案 (NWA)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。盡管研究團(tuán)隊(duì)的分析是基于德里可用的電力線路的實(shí)際條件，但這種方法提供了關(guān)于通過部署電池儲(chǔ)能系統(tǒng)推遲電網(wǎng)投資具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的見解。這些見解適用于各種情況。
德里是印度的一個(gè)大型城市，其中住宅用電占總能耗的55%，這是印度平均能耗水平(24%)的兩倍多。德里的配電公司見證了空調(diào)需求的增長(zhǎng)，這種需求使電網(wǎng)超載。德里等特大城市的電網(wǎng)高度擁塞，這使得定期進(jìn)行電力線路維護(hù)或安裝大型設(shè)備在運(yùn)營(yíng)上具有挑戰(zhàn)性。這種情況并非德里獨(dú)有：全球主要城市的電力需求都在上升。截至2020年，德里的峰值需求為6.7GW；根據(jù)此處進(jìn)行的需求側(cè)建模分析，空調(diào)需求情景之間的城市預(yù)計(jì)峰值電力需求差異至少為20%（表7.3）。
表7.3 假設(shè)德里市GDP穩(wěn)定增長(zhǎng)，在基線情景和空調(diào)高需求情景下的峰值預(yù)計(jì)需求（GW）
這給配電網(wǎng)絡(luò)的投資規(guī)劃帶來了很大的不確定性。雖然預(yù)計(jì)2050年電力需求的差異相比最大，但研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)在2030年和2040年的近期模型期間可以提供的遞延價(jià)值。
從歷史上看，配電公司并未考慮在其長(zhǎng)期電網(wǎng)規(guī)劃中預(yù)測(cè)不確定性，而是采用確定性的凈現(xiàn)值方法。然而，這種預(yù)測(cè)可能有助于比較幾種政策、技術(shù)和效率情景下的計(jì)劃結(jié)果。鑒于德里等城市在不同情景和假設(shè)下的峰值需求預(yù)測(cè)之間存在巨大差距（表7.3），使用概率預(yù)測(cè)和靈活規(guī)劃是合適的。當(dāng)配電公司考慮使用分布式能源(DER)作為電網(wǎng)擴(kuò)展的替代方案時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。分布式能源(DER)部署是由模塊化和安裝速度驅(qū)動(dòng)的。直到最近，在新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體 (EMDE)國(guó)家部署的最廣泛的分布式能源(DER)技術(shù)通常是柴油發(fā)電機(jī)，它們通常安裝在大型工業(yè)和商業(yè)負(fù)載附近。然而，成本顯著下降的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成為了更具吸引力的選擇。此外，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)還提供了一個(gè)額外的優(yōu)勢(shì)——不會(huì)造成空氣污染。此外，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以采用可再生能源的電力充電，因此其釋放的電力的碳足跡小于柴油發(fā)電機(jī)的碳足跡。研究團(tuán)隊(duì)采用圖7.6的靈活估值框架來評(píng)估鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在短期調(diào)峰和緩解電網(wǎng)擁塞方面的作用，其最優(yōu)的調(diào)度如圖7.9所示。
圖7.9 在夏季負(fù)荷情況下電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為非線纜替代方案 (NWA)的調(diào)度情況
研究團(tuán)隊(duì)采用的靈活估值框架產(chǎn)生的結(jié)果取決于技術(shù)成本假設(shè)（例如電網(wǎng)升級(jí)成本、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的資本成本）和需求增長(zhǎng)預(yù)測(cè)。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以推遲電網(wǎng)其他投資的時(shí)間框架可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其有效的使用壽命。因此，有必要評(píng)估多個(gè)投資期的靈活框架。
圖7.10說明了電網(wǎng)投資的時(shí)域演變，其中分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)的初始階段允許在承諾長(zhǎng)期電網(wǎng)投資之前觀察到需求增長(zhǎng)的時(shí)期。研究團(tuán)隊(duì)的分析表明，當(dāng)預(yù)計(jì)的增長(zhǎng)難以確定時(shí)，靈活的估值框架有利于在峰值需求增長(zhǎng)慢于預(yù)期時(shí)部署分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)。分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)部署允許公用事業(yè)公司在不影響供電質(zhì)量的情況下采取觀望等待策略。最后，由于德里和印度其他城市大多簽訂電力合同，研究團(tuán)隊(duì)并沒有慮分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)為市場(chǎng)服務(wù)的公用事業(yè)公司提供套利的潛在價(jià)值。需要注意的是，在分析中，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)只能根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的峰值轉(zhuǎn)移能力進(jìn)行估值，不包括輔助服務(wù)的潛在附加值。
圖7.10 電網(wǎng)投資框架的時(shí)間序列模擬
印度已經(jīng)安裝大量的配電線路，其中8%的電力線路覆蓋人口密集的城市地區(qū)。不斷增長(zhǎng)的電力需求增加了配電電網(wǎng)的供電壓力以及公用事業(yè)公司的經(jīng)濟(jì)壓力。由于住宅大量采用空調(diào)冷卻，夜間的峰值電力需求的增加可能會(huì)使電力線路過載。
為了保持供電可靠性以及滿足不斷增長(zhǎng)的峰值需求，電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商必須減輕負(fù)載或投資升級(jí)電網(wǎng)。但卸載負(fù)荷將會(huì)受到處罰，而電網(wǎng)升級(jí)成本非常高，尤其是當(dāng)它們?cè)谌丝诔砻艿貐^(qū)更換或翻新電力線路時(shí)。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)印度的四個(gè)特大城市的情況進(jìn)行了研究，它們?cè)?019年的年度用電量中占到52TWh；這些城市共有長(zhǎng)達(dá)72,763公里的配電線路，由各自的公用事業(yè)公司運(yùn)營(yíng)。如果配電電網(wǎng)的規(guī)模沒有擴(kuò)展，且預(yù)計(jì)電力需求和空調(diào)的電力需求穩(wěn)定增長(zhǎng)的話，研究團(tuán)隊(duì)估計(jì)到2030年這些配電線路將有20,373公里超載，這意味著它們將以80%以上的最大電流或載流量運(yùn)行。根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)的估計(jì)，到2040年，這些特大城市超載的電力線路將會(huì)增加23,640公里。
將研究團(tuán)隊(duì)靈活的估值框架應(yīng)用于代表性電力線路，然后縮減它們的總需求，研究團(tuán)隊(duì)估計(jì)到2030年安裝總儲(chǔ)能容量為29GWh的短時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)（即持續(xù)時(shí)間少于5～6小時(shí)）才具有成本效益 ，而到2040年達(dá)到140GWh。這將在2030年推遲15,914公里的配電線路升級(jí)，到2040年再推遲18,127公里（表7.4）。
表7.4 儲(chǔ)能成本對(duì)2030年適用于印度四個(gè)特大城市的靈活估值框架發(fā)電量的影響
這些結(jié)果假設(shè)2030年的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)成本與美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的年度技術(shù)基線報(bào)告中輸電級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的資本成本相同。從投資的角度來看，在需要傳統(tǒng)電網(wǎng)升級(jí)之前部署分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)，可以到2030年節(jié)省16%的資本成本，到2040年節(jié)省15%的成本。由于是可調(diào)度的電力，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)會(huì)一直保留在電力系統(tǒng)上，因?yàn)榉植际絻?chǔ)能系統(tǒng) (DLS)在支線上停留的時(shí)間越長(zhǎng)，在延遲電網(wǎng)投資方面提供的價(jià)值就越大。鑒于能夠在多個(gè)建模周期內(nèi)部署電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，靈活的估值框架為分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)系統(tǒng)提供了5到10年的使用壽命。
表7.5 中等成本預(yù)測(cè)下作為“非線纜替代方案”的特大城市級(jí)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)潛力估計(jì)
而確定分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS) 的最佳儲(chǔ)能容量，通常受到儲(chǔ)能成本和調(diào)度頻率的限制。在低成本和中等成本儲(chǔ)能場(chǎng)景中，靈活的評(píng)估框架對(duì)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS) 最佳儲(chǔ)能容量產(chǎn)生了相同的結(jié)果，這表明唯一的限制是調(diào)度——即非峰值電網(wǎng)容量的可用性饋線為分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)充電，以便在峰值期間使用。這一結(jié)果還表明，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)可能不適用于重載饋線，這些饋線總是具有較高的負(fù)載率，因此需要升級(jí)或擴(kuò)展電網(wǎng)。在儲(chǔ)能系統(tǒng)的高成本情景下，研究團(tuán)隊(duì)估計(jì)部署具有成本效益的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)將分別在2030年和2040年推遲印度11,752公里和13,717公里的電力線路的升級(jí)，并分別節(jié)省12%和10%的資本成本。這并不奇怪，這意味著在成本更高的情況下， 部署少量的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) (DLS)是經(jīng)濟(jì)的。通過分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)（持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)的成本）將低于262美元/kWh。表7.4總結(jié)了研究團(tuán)隊(duì)將靈活估值框架應(yīng)用于2030年儲(chǔ)能部署的低、中、高成本假設(shè)下的相同需求預(yù)測(cè)的結(jié)果。
分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)(DLS)的部署受到配電公司節(jié)省資本成本的推動(dòng)，否則這些配電公司將不得不升級(jí)其電網(wǎng)。在這里，研究團(tuán)隊(duì)比較了分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)(DLS)和電網(wǎng)升級(jí)成本，并明確分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)(DLS)所有權(quán)的問題（即誰(shuí)進(jìn)行投資）。分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)被建模為一種電網(wǎng)升級(jí)策略，以最大限度地減少資本支出。研究團(tuán)隊(duì)估計(jì)，到2030年，德里和孟買的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)部署數(shù)量將超過班加羅爾和加爾各答，因?yàn)轭A(yù)計(jì)德里和孟買的平均和高峰電力需求增長(zhǎng)率會(huì)更高，這會(huì)導(dǎo)致城市饋線更加擁塞。
這個(gè)問題將在下一節(jié)中討論，研究團(tuán)隊(duì)使用對(duì)印度四個(gè)特大城市的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)(DLS)分析結(jié)果，來研究分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)(DLS)如何影響成本優(yōu)化的輸電資源規(guī)劃，包括對(duì)發(fā)電、傳輸和電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能的投資。具體來說，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)(DLS)分析用于計(jì)算修改后的區(qū)域需求概況。這種修改后的配置文件，稱為“分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)(DLS)需求情景”，分析城市配電饋線中分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)(DLS)資產(chǎn)的非峰值充電和峰值放電。
電網(wǎng)延遲的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)：美國(guó)和印度的比較
印度在分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)（DLS)投資和電網(wǎng)升級(jí)之間的選擇受到的影響遠(yuǎn)高于美國(guó)和歐洲，其原因是更低的成本、長(zhǎng)期資本的有限可用性以及分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)（DLS)技術(shù)可以相對(duì)容易地適應(yīng)城市環(huán)境中。此外，預(yù)計(jì)美國(guó)的峰值電力需求增長(zhǎng)不會(huì)像無(wú)法可靠獲得電力和國(guó)家那樣強(qiáng)勁增長(zhǎng)。雖然交通運(yùn)輸行業(yè)致力實(shí)現(xiàn)電氣化，預(yù)計(jì)美國(guó)的用電量將會(huì)增長(zhǎng)，但這種增長(zhǎng)與配電電網(wǎng)的容量有關(guān)。
此外，預(yù)計(jì)對(duì)電動(dòng)汽車充電的需求將比對(duì)空調(diào)制冷的需求更靈活，因此冷卻需求預(yù)計(jì)將在電網(wǎng)擁塞問題中發(fā)揮更大的作用。在美國(guó)市場(chǎng)等環(huán)境中，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以作為一項(xiàng)輔助服務(wù)，以提高電網(wǎng)彈性和供電質(zhì)量，并通過套利擴(kuò)展屋頂光伏的部署。而部署分布式儲(chǔ)能的用例表明，新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體（EMDE）在基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和資本分配中的作用比在發(fā)達(dá)國(guó)家更為重要。在這些國(guó)家，在配電電網(wǎng)中部署儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本可能低于包括美國(guó)在內(nèi)的發(fā)達(dá)地區(qū)的成本，在這些國(guó)家和地區(qū)，較低的融資成本將有利于電網(wǎng)升級(jí)。
（未完待續(xù)）
