中國儲能網(wǎng)訊：3.3.2、儲能系統(tǒng)和化石燃料發(fā)電
大型儲能系統(tǒng)不僅可以提高可再生能源的發(fā)電利用率，還可以提高化石燃料發(fā)電設施的效率——無論是通過對成本更低的化石燃料發(fā)電設施進行套利，還是通過減少啟動化石燃料發(fā)電設施來實現(xiàn)。而且采用儲能系統(tǒng)還可以減少電力部門的總排放量。將碳排放控制技術添加到可再生能源發(fā)電設施通常很簡單。這樣做可以顯著地減少化石燃料發(fā)電設施啟動和運行期間的碳排放，但減少與化石燃料發(fā)電設施啟動相關的碳排放量并不直接相關。運營化石燃料發(fā)電設施造成的空氣污染會影響當?shù)鼐用竦慕】担矣绊懛植疾痪?
圖14顯示了“儲能未來研究”兩種場景（參考場景和高天然氣成本/低成本電池場景）中儲能系統(tǒng)對關閉化石燃料發(fā)電設施的影響。頂部面板顯示了按發(fā)電類型劃分的美國各州整個足跡中每天平均運營的化石燃料發(fā)電設施數(shù)量。在參考場景中，大多數(shù)是天然氣發(fā)電設施。在儲能系統(tǒng)敏感性的研究中，天然氣發(fā)電設施每天的啟動次數(shù)從400多次中減少到約80次。在高天然氣成本/低成本電池場景中，天然氣發(fā)電設施每天的啟動次數(shù)從50次減少到約5次。這些天然氣發(fā)電設施的規(guī)模往往比燃煤發(fā)電設施或天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設施要小。圖14的底部面板顯示了每天的平均啟動數(shù)量。通過這個指標，在這兩種情況下仍然顯著減少。儲能系統(tǒng)的一個主要好處可能在于它能夠減少化石燃料發(fā)電設施的啟動，從而確定危害人類健康的污染物。事實上，未來的工作還應該研究儲能系統(tǒng)的環(huán)保潛力，以解決由于空氣污染的潛在減少而導致的健康成本和過早死亡問題。圖15顯示了不同場景的發(fā)電設施類型的年排放量。
圖14.在兩個場景（參考場景和高天然氣成本/低成本電池場景場景）中減少化石燃料發(fā)電設施運營，并增加儲能系統(tǒng)裝機容量
圖15.不同場景的發(fā)電設施類型的年排放量
減少化石燃料發(fā)電設施的啟動和運營是減少與影響人類健康影響相關排放的一種方法，例如氮氧化物和二氧化硫的排放以及二氧化碳的排放。儲能系統(tǒng)也可以對電力部門的二氧化碳排放產(chǎn)生可衡量的影響。圖16顯示了儲能系統(tǒng)敏感性對碳排放量的影響。在這兩種情況下，由于零碳發(fā)電資源的過度發(fā)電減少，碳排放量隨著儲能系統(tǒng)裝機容量的增加而下降。在高天然氣成本/低成本電池場景下，其影響更為顯著，其中碳排放量在80%儲能系統(tǒng)敏感性和100%儲能系統(tǒng)敏感性之間降低5%，然后在100%儲能系統(tǒng)統(tǒng)敏感性和120%儲能系統(tǒng)統(tǒng)敏感性之間降低3%的儲能系統(tǒng)敏感性。在參考場景中的影響不那么顯著，這在很大程度上是因為部署太陽能發(fā)電設施和風力發(fā)電的裝機容量較低（因此從一開始就減少了過度發(fā)電），但在80%的儲能系統(tǒng)敏感性和100%的儲能系統(tǒng)敏感性之間，碳排放量下降了0.5%。在100%的儲能系統(tǒng)敏感性和120%的儲能系統(tǒng)敏感性之間，碳排放量下降了0.1%。
總體而言，這些敏感性表明儲能系統(tǒng)可以在未來的電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用——通過減少化石燃料發(fā)電設施運營和相關排放以及增加對零碳資源的使用。
3.3.3、儲能系統(tǒng)與輸電系統(tǒng)
輸電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)都可以幫助將可再生能源整合到電網(wǎng)中，但每種技術單獨部署或組合部署時的相對是復雜的。例如，輸電系統(tǒng)非常適合將多余的可再生能源電力從產(chǎn)生的地方輸送到需要的地方，同時效率損失比儲能系統(tǒng)要低得多。然而，事實證明，由于種種原因，大型輸電項目的建設具有挑戰(zhàn)性。
報告使用相同的儲能系統(tǒng)敏感性場景來深入了解輸電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的潛在交互。通過顯示電力線路在其最大容量下運行的小時數(shù)百分比來確定出現(xiàn)電網(wǎng)擁塞的頻率。圖16顯示了該分析中兩組區(qū)域之間的該指標：(1)美國中部大陸獨立系統(tǒng)運營商西部服務區(qū)域（MISO-W）和美國中部大陸獨立系統(tǒng)運營商東部服務區(qū)域（MISO-E）；(2)美國西北部地區(qū)（NW）到加州獨立系統(tǒng)運營商（CAISO)服務區(qū)域。隨著電力系統(tǒng)儲能容量從80%增加到120%，MISO-W和MISO-E服務區(qū)域之間的電網(wǎng)擁塞頻率增加，但從美國西北地區(qū)（NW）到加州獨立系統(tǒng)運營商（CAISO)之間的電網(wǎng)擁塞卻減少。本節(jié)將討論為什么會看到這兩種趨勢以及差異的總體影響。
圖16.報告中美國兩組不同區(qū)域之間的電網(wǎng)擁塞情況
圖16的下半部分描述了增加儲能系統(tǒng)如何減少美國西北地區(qū)（NW）到加州獨立系統(tǒng)運營商（CAISO）服務區(qū)域之間的電網(wǎng)擁塞。在100%儲能系統(tǒng)敏感性的場景中，加州獨立系統(tǒng)運營商（CAISO)是電力的凈進口州，如圖17所示，該圖描繪了這兩個區(qū)域的年總發(fā)電量。其中一些電力來自美國西北地區(qū)（NW）。加州獨立系統(tǒng)運營商（CAISO)在非太陽能發(fā)電時間進口電力，并經(jīng)常在白天出口多余的太陽能發(fā)電設施的電力，但它在凈基礎上進口更多的電力。圖18的左側面板顯示了四天的示例。隨著儲能系統(tǒng)裝機容量的增加，額外的儲能系統(tǒng)裝機容量可以更好地利用太陽能發(fā)電設施的電力——特別是通過存儲太陽能發(fā)電設施的過量電力來取代從美國西北地區(qū)（NW）進口的電力。這減少了美國西北地區(qū)（NW）到加州獨立系統(tǒng)運營商（CAISO）之間輸電線路的擁塞或利用率，因為當?shù)仉娏Φ拇鎯头峙涓行В鐖D19所示。
圖18表明美國西北地區(qū)（NW）燃煤發(fā)電設施和天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設施的發(fā)電量也在下降，因為這些發(fā)電設施已被太陽能發(fā)電設施取代，并在夜晚采用儲能系統(tǒng)的電力。在這種情況下，美國西北地區(qū)（NW）燃煤發(fā)電量從80%儲能系統(tǒng)敏感性場景下的19.4TWh降低到120%儲能系統(tǒng)敏感性場景下的18.9TWh，美國西北地區(qū)的天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電量從8.1TWh降低到7.4TWh。
圖17.加州獨立系統(tǒng)運營商（CAISO)和美國西北地區(qū)(NW)兩個地區(qū)的年發(fā)電量
圖18. 在2050年高天然氣成本/低成本電池場景中兩組區(qū)域之間的電力輸送
然而，在其他地區(qū)看到電力系統(tǒng)的擁塞增加，包括建模的美國中大陸獨立服務運營商(MISO)的兩個子區(qū)域MISO-E和MISO-W，如圖16的頂部面板所示。在這個場景中，MISO-W區(qū)域在100%儲能敏感性是一個重要出口地區(qū)。圖19顯示了報告中兩個地區(qū)（MISO-E和MISO-W）的年發(fā)電量。在圖18右側的6月四天示例中也可以看到。當額外的儲能系統(tǒng)被添加到輸出電力的區(qū)域（例如MISO-W）時，并沒有其他發(fā)電設施可以取代，然后將存儲的電力輸送到鄰近地區(qū)，并在需要時取代成本更高昂的化石燃料發(fā)電。因此，在已經(jīng)大量使用的電力線路上增加出口，將會進一步增加兩個地區(qū)之間輸電線路的擁塞或利用率。
圖19.報告中兩個地區(qū)（MISO-E和MISO-W）的年發(fā)電量
總體而言，根據(jù)當?shù)厍闆r，各區(qū)域的接口可能會減少或增加輸電線路的利用率，如上面突出顯示的兩組區(qū)域所示。然而，圖20量化了每種情況下輸電線路的平均利用率（或電網(wǎng)擁塞）總量，并描繪了總體增長。這意味著后一種情況（其中儲能系統(tǒng)存儲用于增加出口地區(qū)的電力）更為普遍——因此額外的儲能系統(tǒng)通常會增加輸電系統(tǒng)利用率，以降低總成本和削減開支。從某種意義上說，這是儲能系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)協(xié)同工作的一個典型例子。
圖20.電力線路擁塞小時數(shù)的年百分比
4、結論
這份研究報告是“儲能未來研究”系列報告的第六篇，以區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)模型中的成本優(yōu)化方案為起點，研究電網(wǎng)規(guī)模儲能部署的運營影響以及該部署與可變發(fā)電貢獻之間的關系。該報告使用商業(yè)生產(chǎn)成本建模軟件來評估預計到2050年美國累計部署210GW到930GW儲能系統(tǒng)的五個場景的每小時運行情況。研究發(fā)現(xiàn)：
（1）區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)開發(fā)的儲能部署率較高的場景表明，到2050年底無需擔心負載平衡。這一結果有助于確認區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)描述的儲能系統(tǒng)在各種電網(wǎng)運營模式中的操作。需要更深入的建模來得出關于每小時負載平衡、各種氣象條件下的資源充足性或電力傳輸以及潛在穩(wěn)定性問題的結論。
（2）儲能系統(tǒng)在所有配置和電網(wǎng)混合中提供能源轉移和滿足峰值需求服務。盡管儲能系統(tǒng)的年容量系數(shù)較低，這在本質上受到其充電需求的限制，但在跨場景和年份的前10個凈負載小時內，當電力系統(tǒng)需要時，它具有非常高的利用率（在許多情況下超過75%）。
（3）晝間儲能系統(tǒng)的運行與太陽能發(fā)電的可用性緊密相關，而與風力發(fā)電的關系則較少。太陽能發(fā)電具有可預測的每日開啟和關閉周期，這與儲能系統(tǒng)充電和放電的需求非常吻合。另一方面，風力發(fā)電的發(fā)電周期不太穩(wěn)定，并且經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)小時或數(shù)天的長時間過量發(fā)電的情況，這比報告中例舉的儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間要長得多。盡管儲能系統(tǒng)可以在利用太陽能發(fā)電和風力發(fā)電方面發(fā)揮關鍵作用，但與太陽能發(fā)電的協(xié)同作用更加一致。
（4）通過減少太陽能發(fā)電和風能的過量發(fā)電以及減少化石燃料發(fā)電設施的啟動和運營，儲能系統(tǒng)提高了不同類型發(fā)電資產(chǎn)的效率。研究發(fā)現(xiàn)，在這些未來的電網(wǎng)場景中，儲能系統(tǒng)通過利用風力發(fā)電和太陽能發(fā)電來取代燃煤發(fā)電和天然氣發(fā)電，從而減少電力系統(tǒng)的碳排放總量。此外，儲能系統(tǒng)可以減少化石燃料發(fā)電設施的啟動和運營，減少啟動和運營期間的污染物的排放，這可以減少對人體健康帶來不利的影響。
（5）儲能系統(tǒng)提高了輸電系統(tǒng)的利用率。通過允許跨區(qū)域套利，儲能系統(tǒng)可以增加沿區(qū)域之間輸電量，從而能夠使用成本最低的資源組合。在其他情況下，儲能系統(tǒng)可以通過采用可再生能源發(fā)電設施的電力來減少輸電擁塞。因此，雖然儲能系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)都可以幫助整合可再生能源，但它們通?？梢曰パa。儲能系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)之間的關系（投資和運營）是一種更復雜的情況，因此需要進一步研究。
