中國儲能網(wǎng)訊：3.2、儲能系統(tǒng)在每小時和季節(jié)性運(yùn)營中的作用
為了展示儲能系統(tǒng)在分析時間范圍內(nèi)不斷變化的作用，首先看看電力系統(tǒng)變化的其他驅(qū)動因素。例如，太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的快速部署是近年來發(fā)電技術(shù)不斷變化的一個重要因素。圖6顯示了到2050年高天然氣成本/低成本電池場景的晝間（每日）平均凈負(fù)荷（電力需求減去發(fā)電量）。在2020年，通常看到典型的負(fù)荷曲線在夜間最低，而在夏季的傍晚最高。到2030年，大量增長的太陽能發(fā)電量（占總發(fā)電量的14%）改變了凈負(fù)荷曲線的形狀，減少了中午的凈負(fù)荷，并在傍晚的時候推遲了晚高峰。所有季節(jié)都顯示出在日出之前出現(xiàn)的第二個早高峰。這些特征將在2040年和2050年持續(xù)存在并加劇，因?yàn)樘柲馨l(fā)電量將分別增加到20%和23%。
圖6.2020年、2030年、2040年和2050年高天然氣成本/低成本電池場景的平均日凈負(fù)荷曲線
隨著不同年份的凈負(fù)荷變化，儲能系統(tǒng)的操作也發(fā)生變化（如圖7所示）。在顯示2020年的頂部面板上，儲能系統(tǒng)主要在夜間放電，這對應(yīng)于圖7中的最低凈負(fù)荷水平，因此邊際發(fā)電成本最低。在2020年的所有季節(jié)，儲能系統(tǒng)的放電主要在下午和傍晚凈負(fù)荷高峰期進(jìn)行。然而，到2030年，儲能系統(tǒng)已轉(zhuǎn)變?yōu)樵谥形鐜缀跬耆潆?，以對?yīng)太陽能發(fā)電設(shè)施過量發(fā)電的情況。雖然儲能系統(tǒng)在晚上放電，但在2030年，通常在晚上稍晚的時候放電，因?yàn)樘柲馨l(fā)電將峰值期間轉(zhuǎn)移到當(dāng)天晚些時候。在早上的高峰期間也開始看到一些發(fā)電設(shè)施提供電力。同樣的模式在2040年和2050年持續(xù)并加劇，儲能系統(tǒng)在白天中午充電，在當(dāng)天的日出之前和太陽落山之后放電。
圖7. 高天然氣成本/低成本電池場景下2020年、2030年、2040年和2050年的晝間儲能系統(tǒng)放電曲線
如圖7所示，在每年四季之間（尤其是非夏季的月份）的晝間儲能系統(tǒng)平均使用量幾乎沒有差異。這一觀察結(jié)果通常在圖8中成立，該圖說明了一年中每個月所有五種場景每天使用的全部儲能容量的百分比。然而觀察到一些有趣的趨勢。首先，在2030年的大多數(shù)非夏季月份，某些場景（零碳和低成本光伏）的平均使用百分比略高于100%。在這些情況下，持續(xù)時間較短（2小時和4小時）的電池儲能系統(tǒng)在夜間充電（通過風(fēng)力發(fā)電或核電/煤電，取決于所在地區(qū)）并在早高峰期間放電，然后在白天再次使用太陽能的電力充電，并在晚高峰期間放電。圖9以2030年1月在低成本太陽能發(fā)電場景下的五天為例說明了這一點(diǎn)。頂部面板顯示了2小時電池儲能系統(tǒng)的每天發(fā)電情況，通常顯示每天有兩個充放電過程。而持續(xù)時間較長的抽水蓄能發(fā)電設(shè)施和6小時電池儲能系統(tǒng)通常顯示每天有一個充放電過程。然而，大多數(shù)年份和場景表明，充放電超過一天的情況仍然很少見。
圖8.每日放電的儲能容量百分比，按月和場景顯示
圖9.2030年低成本太陽能發(fā)電場景中各種儲能技術(shù)在冬季的操作（上圖），以及電力系統(tǒng)凈負(fù)載（下圖）。對于頂部面板，實(shí)心區(qū)域表示儲能系統(tǒng)裝機(jī)容量調(diào)度，實(shí)線表示總可用裝機(jī)容量
報告還注意到，在2030年，夏季月份的儲能系統(tǒng)利用率最低。由于額外的冷負(fù)荷推動了更高的整體需求，凈負(fù)荷很少有“鴨子曲線”（在一天中的凈負(fù)荷仍然很高）。這些天中午和下午負(fù)荷在很大程度上與太陽能發(fā)電的可用性一致。圖10以2030年7月的5天說明了這一點(diǎn)，用于低成本太陽能發(fā)電場景（與圖10所示的場景相同）。在夏季，通常只注意到一個每日充電周期，即使對于持續(xù)時間較短的儲能系統(tǒng)的配置也是如此。此次還注意到，早上（相對于冬季）對儲能系統(tǒng)的需求較少，幾乎所有的儲能放電操作都發(fā)生在晚高峰。
圖10.2030年低成本太陽能發(fā)電場景中各種儲能技術(shù)夏季的操作（上圖），以及系統(tǒng)凈負(fù)載（下圖）。對于頂部面板，實(shí)心區(qū)域表示儲能系統(tǒng)裝機(jī)容量調(diào)度，實(shí)線表示總可用裝機(jī)容量
而在2040年和2050年，由于儲能部署量的增加和季節(jié)性變化非常小，儲能系統(tǒng)的利用率在總體上會減少（如第3.2節(jié)所述），除了在某些季節(jié)的初夏月份可能會增加儲能系統(tǒng)使用量。初夏的幾個月通常展示了強(qiáng)大的風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電，以及比夏末月份更溫和的溫度帶來中等負(fù)荷。
總體而言，本節(jié)中的電池儲能系統(tǒng)運(yùn)行概況表明，儲能系統(tǒng)運(yùn)行與太陽能發(fā)電可用性緊密相關(guān)，而與風(fēng)力發(fā)電的關(guān)系則較差。這一結(jié)論在場景、資源組合和季節(jié)之間保持一致。太陽能發(fā)電設(shè)施具有可預(yù)測的每日開啟和關(guān)閉周期，這與儲能系統(tǒng)的充電和放電的需求非常吻合。另一方面，風(fēng)力發(fā)電設(shè)施經(jīng)常經(jīng)歷長時間的過度發(fā)電，其時間持續(xù)數(shù)小時或數(shù)天，比在這里研究的儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間長得多。盡管儲能系統(tǒng)可以在存儲太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，但與太陽能發(fā)電的協(xié)同作用更加一致。
3.3、儲能系統(tǒng)敏感性
到目前為止，已經(jīng)討論了儲能系統(tǒng)在每日、季節(jié)性和年度基礎(chǔ)上對未來電力系統(tǒng)的作用。但是，也可以通過評估儲能系統(tǒng)的作用來獲得有意義的洞察力。到目前為止，已經(jīng)考慮了通過區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)中的成本優(yōu)化部署的最佳儲能裝機(jī)容量。對于本節(jié)中描述的一“敏感性”是一種影響，是指對該研究報告對于到2050年高天然氣成本/低成本電池場景中調(diào)整儲能系統(tǒng)裝機(jī)容量，以觀察其對儲能系統(tǒng)的價值影響、輸電系統(tǒng)和儲能的相互作用，以及對傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組調(diào)度的影響。
對于在本節(jié)中描述的敏感性，以到2050年的高天然氣成本/低成本電池場景中部署的660GW儲能系統(tǒng)為基準(zhǔn)。以80%～120%儲能系統(tǒng)的±5%“增量”來調(diào)整儲能系統(tǒng)的裝機(jī)容量。每個增量都會將儲能系統(tǒng)的總裝機(jī)容量減少或增加約33GW。在此強(qiáng)調(diào)的是，從區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)部署的發(fā)電組合中減少和添加儲能系統(tǒng)會導(dǎo)致擴(kuò)建不再是“最佳”。這意味著在儲能系統(tǒng)裝機(jī)容量少于100%的情況下，可能會降低可靠性。盡管沒有在一個場景中看到大量負(fù)載下降，但儲能系統(tǒng)部署率較低的情況下，相對于100%的儲能系統(tǒng)的敏感性，儲能系統(tǒng)裝機(jī)容量下降的發(fā)生率確實(shí)有所增加。
3.3.1、儲能系統(tǒng)增量的運(yùn)營價值
圖11顯示了2050年5月其中的四天時間里三種儲能系統(tǒng)的敏感性（80%、100和120%）的電力系統(tǒng)調(diào)度。80%的儲能系統(tǒng)敏感性表明出現(xiàn)大量削減（特別是在5月6日中午左右，當(dāng)時正在發(fā)生150GW以上的削減）。100%的儲能系統(tǒng)敏感性和120%儲能系統(tǒng)敏感性的削減都在下降，并且在120%儲能系統(tǒng)的敏感性中僅低于100GW。每日調(diào)度還表明，相對于80%的儲能敏感性，在100%和120%的儲能敏感性場景中，太陽能發(fā)電時間增長而導(dǎo)致內(nèi)天然氣發(fā)電量減少。
圖11.高天然氣成本/低成本電池場景中2050年5月中的4天電力系統(tǒng)調(diào)度
如圖11所示，儲能系統(tǒng)可以有效地使用邊際成本較低的電力（例如太陽能發(fā)電設(shè)施的電力），并可以取代更昂貴的電力（例如天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)施的電）。因此，較高的儲能敏感性表現(xiàn)出較低的年發(fā)電成本。
需要注意的是，年發(fā)電成本會隨著儲能系統(tǒng)在100%儲能系統(tǒng)敏感性的減少而增加，并且隨著儲能系統(tǒng)的增加而降低。這條曲線說明了隨著更多儲能系統(tǒng)添加到電力系統(tǒng)中，儲能裝機(jī)容量的增量將如何減少。例如，在80%到85%的儲能敏感性之間，增加33GW的儲能系統(tǒng)可以將年發(fā)電成本降低7.32億美元。相比之下，在115%到120%的儲能場景中，增加33GW的儲能系統(tǒng)，總成本只降低了2.48億美元。這一研究表明，隨著裝機(jī)容量的增加，儲能系統(tǒng)的套利機(jī)會將會減少。
圖12顯示儲能敏感性的年度總發(fā)電成本（以10億美元計(jì)）。2050年高天然氣成本/低成本電池場景在中間顯示為100%儲能系統(tǒng)的敏感性
圖13顯示了增量的儲能系統(tǒng)相對于100%儲能敏感性的年度邊際值，說明了相同的趨勢。
圖13表明，儲能系統(tǒng)的大部分價值來自減少的燃料成本。需要注意的是，圖13中儲能系統(tǒng)的增量只是儲能系統(tǒng)增量總值的一小部分。如上所述，儲能系統(tǒng)也具有容量價值。雖然容量價值可以通過生產(chǎn)成本建模（例如圖3中前10個凈負(fù)載小時內(nèi)的儲能系統(tǒng)可用性）來表示，但容量和套利的價值最終將與容量擴(kuò)展模型（如ReEDS）中的成本進(jìn)行加權(quán)。
（未完待續(xù)）
