IRENA（國(guó)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(chǔ)能應(yīng)用案例的第7部分：離網(wǎng)系統(tǒng)的高比例VRE支持。
英文原文鏈接：
https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020
1. 挑戰(zhàn)：保障發(fā)電充裕性
可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)7（聯(lián)合國(guó)，SDG7）旨在保證2030年向所有人提供可負(fù)擔(dān)的、可靠的、可持續(xù)的現(xiàn)代能源。目前，全球還有約10億人無(wú)法使用電力，主要是偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村地區(qū)。孤網(wǎng)新能源系統(tǒng)是一個(gè)關(guān)鍵的解決方案，尤其是柔性化的、易部署的光伏發(fā)電。
在能夠獲得電力的地方，居住在鄉(xiāng)村地區(qū)的人們面臨的主要的挑戰(zhàn)是電力可靠供應(yīng)。由于電力的不可靠供應(yīng)，很多人經(jīng)常遇到停電，因此要依賴昂貴的、有污染的柴油發(fā)電機(jī)做電網(wǎng)備用電源為日常需求（如照明）供電。
近年來(lái)，隨著可再生能源發(fā)電成本的下降，電力部門已經(jīng)在低碳化上取得很大進(jìn)步。然而，可再生能源的應(yīng)用仍需加速以保證2030年的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)7天/24小時(shí)的可靠供電方面，由于技術(shù)進(jìn)步和成本下降，光儲(chǔ)結(jié)合已成為離網(wǎng)系統(tǒng)、不可靠電網(wǎng)的關(guān)鍵方案。
2. 解決方案
應(yīng)用光儲(chǔ)系統(tǒng)可以提供能源存儲(chǔ)，并在無(wú)陽(yáng)光時(shí)使用。同時(shí)，在光伏成為離網(wǎng)系統(tǒng)、弱電網(wǎng)的主要電力來(lái)源時(shí)，也會(huì)提供更多的靈活性。光儲(chǔ)相結(jié)合，幾乎可以任意規(guī)模在世界上任何地方應(yīng)用。
與光伏、風(fēng)電一樣，近年來(lái)，儲(chǔ)能的成本也在快速下降，未來(lái)仍將繼續(xù)下降。隨著成本越來(lái)越有競(jìng)爭(zhēng)力，并且未來(lái)成本更低，光伏未來(lái)在交直流混合微電網(wǎng)中的比例仍會(huì)上升。增加電池儲(chǔ)能容量可以幫助光伏實(shí)現(xiàn)這一提升，從而將柴油發(fā)電的比例降低到幾個(gè)百分點(diǎn)。
圖1展示了2017年和2030年采用兩種電池（鎳錳鈷NMC、鎳鈷鋁NCA）的光伏發(fā)電份額在最小投資微電網(wǎng)中的比例。圖中采用了能源模擬軟件HOMER Pro的結(jié)果，輸入數(shù)據(jù)是IRENA最新的儲(chǔ)能成本報(bào)告。圖58顯示，2017年，2.5%的名義貼現(xiàn)率的光伏項(xiàng)目的最佳比例90%。這包括NCA、NCM兩種電池。低風(fēng)險(xiǎn)的商業(yè)項(xiàng)目（10%的平均資本成本）中，光伏加NCA的份額是44.5%，光伏加NCM的份額是50.7%。在較高風(fēng)險(xiǎn)市場(chǎng)（15%的平均資本成本），主要是離網(wǎng)系統(tǒng)，光伏加NCA的比例是36%，光伏加NCM的比例是38%。
由于技術(shù)進(jìn)步和成本降低，2030年的儲(chǔ)能投資成本預(yù)計(jì)會(huì)下降50%。加速儲(chǔ)能的應(yīng)用可以為加速光伏應(yīng)用提供幫助。最重要的是，結(jié)果顯示，2030年，微電網(wǎng)中的可再生能源份額最佳比例會(huì)達(dá)到90%。這意味著不管平均資本成本（WACC）是多少（2.5%、10%、15%），所有的微電網(wǎng)預(yù)計(jì)都會(huì)達(dá)到90%以上的光伏份額。這要?dú)w功于光伏和電池成本的降低。
注：COE（cost of energy）是能源成本。
圖1 混合微電網(wǎng)中的光伏份額
3. 離網(wǎng)系統(tǒng)中儲(chǔ)能的應(yīng)用
離網(wǎng)系統(tǒng)中儲(chǔ)能的應(yīng)用正獲得越來(lái)越多的關(guān)注，尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)、島嶼的微電網(wǎng)，那里無(wú)法從電網(wǎng)中獲得電力，只能采用昂貴的、有污染的柴油發(fā)電。未來(lái)，將會(huì)有越來(lái)越多的光伏發(fā)電和少量的風(fēng)電來(lái)替代柴油發(fā)電，最終為當(dāng)?shù)靥峁╇娏Α?
在離網(wǎng)系統(tǒng)中，儲(chǔ)能支持高比例光伏代替柴油發(fā)電的一個(gè)實(shí)例是在美國(guó)Samoa群島的Ta’u島上建設(shè)的1.4MW光伏、6MWh鋰電池（National Geographic，2019）。該項(xiàng)目是特斯拉的子公司SolarCity建造的，采用了60個(gè)特斯拉蓄電池Powerpack。該項(xiàng)目一年之內(nèi)就完工了。就算遇到陰雨天，該系統(tǒng)也可以為島上提供3天的電力供應(yīng)。美國(guó)Samoa群島，以及太平洋、加勒比、印度洋其他島嶼，正在從化石燃料的電力系統(tǒng)向新能源為主的電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)是其中的關(guān)鍵技術(shù)，使這種轉(zhuǎn)變成為可能。
由于柴油系統(tǒng)的運(yùn)行成本上升，全球?qū)夥裼徒Y(jié)合的系統(tǒng)更為關(guān)注了，尤其是接入電網(wǎng)困難的地方。這種系統(tǒng)的典型案例是Chemtrols在2013年6月為印度Palladam的Alpine Knits棉紡織廠設(shè)計(jì)的一種1MWp的光柴混合解決方案。之前，該廠經(jīng)常停電，這也是印度Tamil Nadu邦的常態(tài)。因此，該廠采用1.25MVA的柴油機(jī)發(fā)電來(lái)獲得可靠電力供應(yīng)。以前，對(duì)于柴油發(fā)電的運(yùn)行成本超支和污染物排放，他們只能被動(dòng)接受。為了降低用能成本，該廠采用了光柴結(jié)合的解決方案，安裝了1MWp的屋頂光伏（SMA，2013）。
為了光伏和柴油發(fā)電機(jī)組的可靠運(yùn)行，AlpineKnits采用了SMA太陽(yáng)能技術(shù)公司的節(jié)能控制器。該控制器主要用于將比例高達(dá)60%（光伏相對(duì)于柴油發(fā)電的比例）的光伏與柴油系統(tǒng)進(jìn)行整合，確保有效的電力供應(yīng)。當(dāng)光伏發(fā)電負(fù)荷的突然變化時(shí)，還有足夠的熱備用柴油機(jī)提供發(fā)電。這些都是由控制器自動(dòng)控制的。
光伏柴油混合系統(tǒng)為棉紡織廠提供了可靠的電力供應(yīng)，即使發(fā)生電網(wǎng)故障。在高峰時(shí)段，該廠接近60%的用電是光伏提供的。除了可靠的電力供應(yīng)之外，棉紡織廠成功降低了用能成本和二氧化碳排放。除了這些收益，Alpine Knits還獲得了可再生能源證書（RECs），可以在2017年3月之前以9300~13400印度盧比/MWh的價(jià)格進(jìn)行交易。此后，新德里的中央電力監(jiān)管委員會(huì)為該證書提供1000~2500印度盧比/MWh的定價(jià)。根據(jù)Chemtrols Solar的說(shuō)法，RECs證書的出售每年可以帶來(lái)額外的2000萬(wàn)印度盧布（約29萬(wàn)美元）收入。Alpine Knits棉紡織廠的案例表明光伏柴油混合系統(tǒng)可以大幅降低污染物排放和運(yùn)行成本，同時(shí)提供可靠電力供應(yīng)。
但是，無(wú)儲(chǔ)能的混合系統(tǒng)只能在白天提供可再生能源電力。建造電池儲(chǔ)能不僅可以白天充電、晚上放電，還可以提高電網(wǎng)中可再生能源的發(fā)電比例，提供多樣化的服務(wù)。
在菲律賓的Paluan鎮(zhèn)，菲律賓太陽(yáng)能公司建設(shè)了東南亞最大的微電網(wǎng)項(xiàng)目，包括2MW光伏、2MWh的特斯拉鋰電蓄電池Powerpack、2MW的柴油發(fā)電機(jī)作備用，見(jiàn)圖2。該微電網(wǎng)項(xiàng)目包括了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，為當(dāng)?shù)靥峁┎婚g斷的電力供應(yīng)，進(jìn)一步降低二氧化碳排放和成本。項(xiàng)目設(shè)計(jì)上，保證了白天所需的電力供應(yīng)，同時(shí)儲(chǔ)能的容量也滿足夜晚用電需求。
來(lái)源：IRENA/E. Taibi。
圖2 菲律賓Paluan鎮(zhèn)微電網(wǎng)項(xiàng)目
在光儲(chǔ)微電網(wǎng)實(shí)施之前，Paluan鎮(zhèn)經(jīng)歷了很多次用電管制和非常不穩(wěn)定的電力供應(yīng)，一天內(nèi)的持續(xù)時(shí)間會(huì)在3到8小時(shí)。微電網(wǎng)不僅提供了清潔能源，大幅降低了柴油消耗，還為居民提供了24小時(shí)不間斷的穩(wěn)定電力供應(yīng)。該系統(tǒng)表明，利用島上的資源條件可以比較容易地建設(shè)微電網(wǎng)，進(jìn)而為日常需要提供清潔能源。
重要的是，整個(gè)項(xiàng)目沒(méi)有采用任何補(bǔ)貼，證明光儲(chǔ)系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)是有競(jìng)爭(zhēng)力且可行的。
Azores群島最北端的Graciosa島嶼也是一個(gè)VRE結(jié)合儲(chǔ)能顯著降低柴油消耗的案例。之前，島上居民100%依賴柴油發(fā)電。Graciosa決定給專項(xiàng)風(fēng)光儲(chǔ)結(jié)合的新能源發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括4.5MW風(fēng)電場(chǎng)、1MWp光伏陣列和3.2MWh鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，以及5.5公里的輸電網(wǎng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可再生能源發(fā)電比例是65%。2018年12月的最終調(diào)試實(shí)驗(yàn)中，該混合微電網(wǎng)為島上白天提供了100%的可再生能源電力（Graciolica Lda，2018；CRL，2018）。
3.2MWh的儲(chǔ)能應(yīng)用帶來(lái)了顯著的柴油燃料消耗節(jié)約，使得Graciosa電網(wǎng)可以在高比例可再生能源下運(yùn)行。
來(lái)源：IRENA/E. Taibi。
圖3 密克羅尼西亞聯(lián)邦的Ulithi高中60kW光伏
4. 結(jié)論（案例7：離網(wǎng)系統(tǒng)的高比例VRE支持）
許多偏遠(yuǎn)地區(qū)和島嶼仍然嚴(yán)重依賴化石燃料，比如柴油，來(lái)獲得電力。在這些地方，電力供應(yīng)不穩(wěn)定，一天中只有一部分時(shí)間可以獲得電力。在目前的光伏和儲(chǔ)能成本條件下，可再生能源替代化石燃料是一個(gè)可行的選項(xiàng)，并已成為最小投資方案，也是環(huán)境影響最小的方案。
為了在偏遠(yuǎn)的離網(wǎng)地區(qū)和島嶼推廣微電網(wǎng)，電池系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)光伏、風(fēng)電等可變資源平衡的關(guān)鍵。它可以將電力過(guò)剩時(shí)段的電能轉(zhuǎn)移到供電不足的時(shí)段。在這種應(yīng)用中，儲(chǔ)能的價(jià)值在于：與VRE相結(jié)合，削減同步發(fā)電的需求，支持微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高比例的VRE。
在離網(wǎng)系統(tǒng)中建造電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的收益還包括：減少環(huán)境影響、減少對(duì)價(jià)格波動(dòng)的進(jìn)口燃料依賴、提高用能自主性。此外，電池系統(tǒng)通過(guò)并網(wǎng)逆變器可以為電網(wǎng)提供必要的服務(wù)，包括黑啟動(dòng)、頻率和電壓控制、為預(yù)測(cè)偏差帶來(lái)的光伏和風(fēng)電不確定性提供備用。并網(wǎng)逆變器技術(shù)的興起（并網(wǎng)逆變器往往與電池系統(tǒng)相連接）可以使電網(wǎng)系統(tǒng)完全切除任何形式的傳統(tǒng)能源，并為電力系統(tǒng)提供所有需要的服務(wù)。雖然對(duì)于大規(guī)模電網(wǎng)（比如，MIGRATE 2020項(xiàng)目）[1]，這些所需的服務(wù)仍然是一個(gè)研究課題，但是在微電網(wǎng)層面（幾W到數(shù)十MW），經(jīng)過(guò)十年以上的偏遠(yuǎn)和環(huán)境條件要求苛刻環(huán)境下的可靠運(yùn)行記錄，已經(jīng)被證實(shí)是可用的技術(shù)。
本章節(jié)中的案例研究進(jìn)一步突出了在微電網(wǎng)中應(yīng)用更多的儲(chǔ)能是如何顯著降低化石燃料消耗并增加VRE比重的。這些現(xiàn)成的技術(shù)已經(jīng)是可用的而且具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，有助于離網(wǎng)地區(qū)從100%柴油發(fā)電向可再生能源發(fā)電的轉(zhuǎn)型。
5. 擴(kuò)展閱讀
可再生能源微電網(wǎng)是IRENA《創(chuàng)新圖景報(bào)告》30種創(chuàng)新措施中的一種。更多信息參見(jiàn)：
IRENA（2019），“Innovation Landscape Brief：Renewable mini-grids”，International RenewableEnergy Agency，Abu Dhabi.
