中國儲能網(wǎng)訊：4、定義長時儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間以建立其提供資源充足性的能力
除了便于溝通和交流之外，出于監(jiān)管和市場的各種原因，為定性形容詞指定數(shù)值也很常見。即使沒有潛在的監(jiān)管需求，為長時儲能系統(tǒng)等定義生成基于儲能應(yīng)用的閾值也可能很有用。對于長時儲能系統(tǒng)(LDES)來說，這種定義方的法最終將持續(xù)時間與特定應(yīng)用（其提供固定儲能容量的能力）聯(lián)系起來。
為了提供穩(wěn)定的儲能容量和支持資源充足性，并且越來越多地部署儲能系統(tǒng)，采用固定容量也是一個重要方面。
很多報告和文獻中出現(xiàn)對于長時儲能系統(tǒng)(LDES)的討論。這也反映了現(xiàn)在或在不久的將來對長時儲能系統(tǒng)(LDES)的旺盛需求，其中現(xiàn)有發(fā)電資產(chǎn)的退役或電力需求的增長，增加了對能夠滿足這些市場需求的長時儲能系統(tǒng)的需求。
根據(jù)提供固定容量所需的最短持續(xù)時間來定義長時儲能系統(tǒng)(LDES)，會導(dǎo)致隨著時間和位置而變化的更大范圍持續(xù)時間。因此，這種定義方法最終與第一種方法（一致性和易于溝通）相沖突。
為了探索定義中可能存在的不一致，必須首先檢查作為持續(xù)時間函數(shù)的容量信用，或儲能系統(tǒng)的有效承載能力(ELCC)。簡單地說，如果1MW的儲能系統(tǒng)要完全取代1MW的傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)施，則需要有足夠的持續(xù)時間來提供相等或更大的有效承載能力(ELCC)。
有效承載能力(ELCC)反映了發(fā)電設(shè)施在大修時等停電風(fēng)險峰值期間可用的能力，這通常對應(yīng)于電力峰值需求期間，或者越來越多地對應(yīng)于峰值凈需求，其中凈需求是正常需求減去可變可再生能源（VRE）提供的電力。圖1顯示了一個簡單的近似方法示例，該方法用于計算將凈峰值負載減少特定儲能容量（基本上代表100%容量信用）所需的持續(xù)時間。在本例中，模擬替代佛羅里達州1,700MW的傳統(tǒng)峰值發(fā)電容量。通過儲能系統(tǒng)的額定容量來測量減少凈負載所需的能量，在這種情況下約為7,000MWh，相當(dāng)于大約4小時的持續(xù)時間。
圖1.采用儲能系統(tǒng)滿足峰值需求
可以使用簡單的方法（例如圖1中所示的方法）來估計作為持續(xù)時間函數(shù)的儲能容量信用，主要使用線性降額。在之前的示例中，一個裝機容量1,700 MW、持續(xù)時間為4小時的儲能系統(tǒng)，可以提供大約1,700MW的有效承載能力(ELCC)（100%容量信用），并且具有相同裝機容量且持續(xù)2小時的儲能系統(tǒng)可以降額至850MW（意味著它將在4小時內(nèi)以850MW輸出電力）。
在這個針對特定位置和電網(wǎng)組合的示例中，持續(xù)時間為4小時的儲能系統(tǒng)可以為系統(tǒng)資源充足性貢獻其裝機容量的100%。雖然這是一個近似值，但研究發(fā)現(xiàn)，在美國夏季峰值期間的許多地區(qū)，4小時持續(xù)時間的儲能系統(tǒng)可以提供更高的儲能容量。這符合美國許多市場區(qū)域為滿負荷信用設(shè)定的閾值。
這一結(jié)果的含義是，至少在美國某些地區(qū)，目前不需要10小時持續(xù)時間的儲能系統(tǒng)來提供系統(tǒng)級資源充足性。因此，基于應(yīng)用場景的長時儲能系統(tǒng)(LDES)定義（就提供固定容量所需的最短持續(xù)時間而言）與報告中建議的的定義（10小時以上）不符。此外，無法生成一致的基于應(yīng)用場景的定義，因為持續(xù)時間由于以下四個主要原因而具有很大差異，如下所述。
原因1：儲能容量信用因區(qū)域負載模式而異
儲能系統(tǒng)在峰值需求期間的儲能容量取決于峰值期間的需求和持續(xù)時間。圖2采用與圖1相同的方法，但在本例中計算了紐約州所部署的儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間，并且考慮了儲能系統(tǒng)的不同規(guī)模。因為紐約州經(jīng)歷了更長的負載峰值（此處用紫色區(qū)域表示更寬），該系統(tǒng)將需要大約5.5小時才能實現(xiàn)與上述佛羅里達州案例相同的凈負載。
圖2.更長的凈負載峰值會降低儲能系統(tǒng)的容量信用（紐約州示例）
一般來說，較長的峰值期間通常出現(xiàn)在夏季峰值期間。這導(dǎo)致儲能容量信用有著顯著的區(qū)域差異，并導(dǎo)致實現(xiàn)100%容量信用的持續(xù)時間不同。
原因2：儲能的容量信用因可再生能源部署而異
凈負荷峰值期間的長度也受到可變可再生能源（VRE）部署的影響，尤其是太陽能發(fā)電設(shè)施(PV)。圖3提供了一個示例，說明了儲能系統(tǒng)在沒有與太陽能發(fā)電設(shè)施配套部署的情況下，滿足電力系統(tǒng)峰值需求可能需要8小時或更長時間（藍色箭頭）的情況。然而，當(dāng)儲能系統(tǒng)從光伏發(fā)電設(shè)施每年獲得20%的發(fā)電量時，這個儲能系統(tǒng)只需要4小時的持續(xù)時間即可實現(xiàn)與8小時持續(xù)時間儲能系統(tǒng)相同的降低凈負荷水平（灰色箭頭）。
圖3采用太陽能發(fā)電設(shè)施可以縮小凈負荷峰值，增加儲能容量信用
特別是在夏季峰值期間，與太陽能發(fā)電設(shè)施配套部署可以顯著改變儲能系統(tǒng)的容量信用，從而減少儲能系統(tǒng)實現(xiàn)100%容量信用所需的持續(xù)時間。
原因3：儲能的容量信用由于部署規(guī)模不同而有所不同
一個關(guān)鍵因素是儲能部署本身的影響；儲能系統(tǒng)在本質(zhì)上是為了減少峰值電力需求，并產(chǎn)生更長的凈負載峰值。圖4提供了一個示例，顯示了佛羅里達州使用的示例，按持續(xù)時間來順序添加部署儲能系統(tǒng)將如何滿足時間更長的峰值期間。
圖4.儲能部署對所需持續(xù)時間的影響
在這一示例中，隨著儲能部署的增加，維持高容量信用需要從4小時持續(xù)時間到最終10小時持續(xù)時間的系統(tǒng)過渡。
原因4：在脫碳能源系統(tǒng)中，即使是10小時以上儲能技術(shù)的容量信用也可能非常低
圖4中的示例顯示了添加儲能系統(tǒng)如何增加儲能系統(tǒng)保持高容量信用所需的持續(xù)時間。雖然這可以在一定程度上通過額外的太陽能發(fā)電設(shè)施提供的電力來抵消（圖3），但在某些時候，峰值凈負荷可以轉(zhuǎn)移到太陽能發(fā)電設(shè)施（或風(fēng)力發(fā)電設(shè)施）電力相對較低的時期。有了足夠的可變可再生能源（VRE）和儲能系統(tǒng)，峰值凈負載期間可以持續(xù)數(shù)天的時間，這將需要更多的儲能系統(tǒng)具有更長的持續(xù)時間以保持高容量信用。許多研究表明，包括表1中的幾項研究，檢驗了接近或?qū)崿F(xiàn)100%可再生能源供應(yīng)的情景，并確定了在高凈需求時期之前數(shù)周甚至數(shù)月對儲能系統(tǒng)進行充電然后再放電多天的潛在需求。在這些情況下，10小時的儲能系統(tǒng)可能具有非常低的容量信用，甚至具有100小時持續(xù)時間的儲能系統(tǒng)對于某些應(yīng)用場景來說也是不夠的，例如解決電網(wǎng)擁塞地區(qū)電力長期中斷的問題。
總的來說，這四個原因解釋了表1中定義的大部分差異。長時儲能系統(tǒng)(LDES)的定義強調(diào)其提供固定容量的能力，涵蓋了廣泛的用例和電網(wǎng)條件。使用4小時持續(xù)時間的長時儲能系統(tǒng)的定義可能會考慮當(dāng)前電網(wǎng)的情況，其中4小時的持續(xù)時間足以滿足夏季峰值需求。而使用持續(xù)時間超過4小時的定義可能反映了當(dāng)前處于冬季峰值期間的電力系統(tǒng)，在這些電力系統(tǒng)中，改變負載模式和增加儲能規(guī)模會導(dǎo)致凈負載峰值超過4小時。此外，長時儲能系統(tǒng)(LDES)對一天以上時間的定義通常基于對主要依賴可變可再生能源（VRE）的電網(wǎng)的研究，并且可能需要足夠的儲能容量來解決低于平均水平的風(fēng)力發(fā)電或太陽能發(fā)電的多天時間。
5、更復(fù)雜的情況：經(jīng)濟和技術(shù)能力的影響
前面的示例表明，高容量信用所需的持續(xù)時間閾值范圍很廣。然而，根據(jù)長時儲能的“需求”來傳達這一點忽略了更基本的問題，即這種需求最終是由儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性驅(qū)動的，包括較短持續(xù)時間的儲能系統(tǒng)適當(dāng)降額。例如，圖5顯示了一個場景，其中可變可再生能源（VRE）和儲能系統(tǒng)的組合產(chǎn)生大約10小時的凈負載峰值。圖5中的剩余發(fā)電窗口，其中6小時持續(xù)時間的降額的儲能系統(tǒng)可以利用其在高功率下進行較短持續(xù)時間充電的能力，提供能源時移機會，可能部分或完全抵消與電力相關(guān)的成本。如上所述，這可以通過10小時持續(xù)時間的儲能系統(tǒng)或?qū)?小時持續(xù)時間的儲能系統(tǒng)降額到裝機容量的60%來提供。在這些情況下，降額意味著與長時儲能系統(tǒng)相比，短時儲能系統(tǒng)的功率組件可能尺寸過大（成本更高）。然而，這種超大規(guī)模的裝機容量為工廠在大功率限電事件期間提供了額外的充電機會，特別是在大量部署太陽能發(fā)電設(shè)施的情況下。
圖5.降額的儲能系統(tǒng)可以利用大功率限電事件提供服務(wù)
充電和放電的功率容量也限制了長時儲能系統(tǒng)在可用時間方面所能達到的目標。假設(shè)圖5中的儲能系統(tǒng)具有相同的充電和放電率，那么具有80%充電往返效率(RTE)的10小時持續(xù)時間的儲能系統(tǒng)將需要充電14小時，這意味著將在24小時中連續(xù)運行（也就是說放電10小時，充電14小時），這是儲能系統(tǒng)每日運行的上限。這一操作還需要儲能系統(tǒng)在充電14小時的時間內(nèi)采用電網(wǎng)的電力。這一切都表明，高容量信用不能僅僅基于儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間，還取決于其及時經(jīng)濟地充電的能力，任何長時儲能系統(tǒng)(LDES)的定義都必須考慮到這一限制因素。
最終，儲能技術(shù)的選擇是由經(jīng)濟驅(qū)動的，這為定義長時儲能系統(tǒng)增加了另一個維度。在某些情況下，滿足長時儲能的需求可以通過降額的短時儲能系統(tǒng)來滿足。
6、結(jié)論
一些分析報告指出，可變的可再生能源在電網(wǎng)中發(fā)揮的作用越來越大，由鋰離子電池主導(dǎo)的持續(xù)時間為4小時儲能系統(tǒng)難以滿足這種需求。這種看法導(dǎo)致行業(yè)用戶呼吁使用長期儲能，并認識到在可再生能源和儲能系統(tǒng)的各種部署場景下，凈負荷峰值可能會延長至8小時或更長時間。然而，由于長期缺乏統(tǒng)一定義，阻礙了對當(dāng)前和未來電網(wǎng)需求的溝通，包括接近100%脫碳主要依賴可再生能源的情景。
由于討論和分析定義長時儲能系統(tǒng)的動機和實踐不同，因此不建議使用單一的長時儲能系統(tǒng)的定義。
因為它可能過于武斷，無法確定儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)發(fā)展過程中為其提供資源充足性所需的持續(xù)時間。然而，對于儲能系統(tǒng)持續(xù)時間的定性描述應(yīng)該伴隨著定量的定義（例如，“在這項工作中，我們認為長時儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間為4個或更長時間”）。此外，建議分析師和儲能行業(yè)人士考慮他們選擇的長時儲能系統(tǒng)的定義。
對于那些只是為了方便而希望采用長時儲能定義的人來說，建議使用美國高級研究計劃署能源署(ARPA-E)的10～100小時的長時儲能定義，這是因為：（1）這一時間范圍滿足“高容量信用”要求；（2）它與最大份額的文獻引用保持一致；（3）它提供了現(xiàn)有儲能技術(shù)（如鋰離子電池）和季節(jié)性儲能之間的區(qū)別氫儲能或電轉(zhuǎn)氣等技術(shù)。
但是，使用長時儲能系統(tǒng)的定義需要小心謹慎，特別是如果使用該術(shù)語來暗示儲能系統(tǒng)需要支持資源充足性。此外，由于部署太陽能發(fā)電設(shè)施，可以降低短時儲能系統(tǒng)的儲能容量（如果具有足夠的成本效益），對持續(xù)時間4小時以上的儲能系統(tǒng)需求就會減少，這使得對具有特定持續(xù)時間的儲能技術(shù)的需求可能會成為成本問題。因此，是否需要持續(xù)10小時或更長時間的儲能系統(tǒng)在很大程度上取決于具有一組特定條件的電網(wǎng)，其中包括區(qū)域負載模式、可再生能源部署、儲能部署，以及競爭儲能選項的經(jīng)濟性。在某一點上，可能需要部署季節(jié)性儲能系統(tǒng)以支持資源充足性，并進一步支持能源脫碳。
因此，不可能有一個統(tǒng)一的、廣泛適用的長時儲能系統(tǒng)(LDES)定義，并以其具有支持資源充足性的能力作為基礎(chǔ)。這一結(jié)果可能有些不確定，但反映了資源充足性評估總體上日益復(fù)雜的情況。包括風(fēng)能、太陽能光伏和需求響應(yīng)許多資源在容量信用方面具有基于時間、區(qū)域和部署的變化。監(jiān)管和市場框架需要發(fā)展和進步以適應(yīng)這一現(xiàn)實。具有不同持續(xù)時間的儲能系統(tǒng)的作用，最終將取決于它們提供資源充足性的經(jīng)濟成本和收益，以及可以提供的其他服務(wù)。
研究人員、分析師和行業(yè)用戶需要仔細考慮他們選擇的長時儲能定義的動機，利益相關(guān)者之間的溝通將會得到改善，并將共同推進對儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用的理解。
作者：Paul Denholm、Wesley Cole、A.WillFrazier、Kara Podkaminer和Nate Blair
來源：美國國家可再生能源實驗室
