2020年3月，IRENA（國際可再生能源署）發(fā)布了《Electricity Storage Evaluation Framework: Assessing system value and ensuring project viability》。本文是報告第III部分全球8種儲能應用案例的第3部分：能源套利。
英文原文鏈接：
https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020
1. VRE并網(wǎng)中能源套利的作用
能源套利主要是在電力充足且便宜的時候儲存電能，并在電力緊張且電價較高時放電。由于電價差反映了全電網(wǎng)或者局部的電力不足或盈余，提供能源套利的同時也帶來了其他的好處，比如降低了尖峰負荷。供應商在電力不足電價較高時放電，從而減輕了電網(wǎng)壓力。能源套利的另一個好處是在電力超發(fā)時降低了VRE棄電。
根據(jù)IRENA的報告（IRENA，2017b），開放的電力市場下，需要適當?shù)恼{(diào)整來支持高比例VRE和分布式能源的應用。一種普遍的做法是在日前電力市場通過買賣電力進行能源套利，然后在日內(nèi)市場和實時市場里進行偏差調(diào)節(jié)。
VRE發(fā)電拉低了電價，這是因為VRE帶來了不可忽略的邊際成本。結(jié)果是，VRE的比例較高時，電價一般會降低。因此，儲存一些VRE發(fā)電會有一些潛在好處：
（1）為VRE項目業(yè)主增加收入。在VRE發(fā)電比例較高但電價低的時段充電，在VRE發(fā)電比例低但電價高的時段放電，這可以為業(yè)主提高收益。儲能還能在過發(fā)電、負電價時段減少VRE棄電（負電價出現(xiàn)在低凈負荷階段，此時，靈活性發(fā)電資源繼續(xù)發(fā)電的成本會比不發(fā)電還要高）。
（2）降低因電網(wǎng)傳輸瓶頸引起的VRE棄電。
（3）促進燃料節(jié)約，降低碳排放，帶來顯著的社會效益。
（4）避免電力緊張時電價陡增，因此可以平滑電價曲線。
VRE發(fā)電通過降低發(fā)電成本獲得相對其他資源的優(yōu)先度，反過來，減少了所有供電資源的收入。通過將VRE發(fā)電轉(zhuǎn)移到高需求的時段（需求減去VRE發(fā)電），儲能可以使VRE在較高的邊際成本時段供應電力，從而以提高VRE捕獲價格的方式增加了VRE的收益（發(fā)電量乘以該時段的電價等于特定發(fā)電機或發(fā)電機組合“獲得”的收入）。在收入替代的作用下，太陽能發(fā)電的捕獲價格會降低。因此，儲能對于太陽能發(fā)電具有更高的價值。儲能與太陽能搭配的另一個優(yōu)勢是，光伏是晝夜特征明顯但較為持續(xù)的，而風能可能是高度間歇性的。
類似的，當VRE在需求較低的時段發(fā)電時，電網(wǎng)運營商會調(diào)度熱力發(fā)電資源（邊際成本不為零）減負荷，有時會接近它們的技術(shù)上可運行的低限。這些操作會使熱力發(fā)電資源運行在熱耗曲線以下，從而降低了燃料效率。通過把VRE發(fā)電轉(zhuǎn)移到高需求時段，儲能可以讓這些熱力發(fā)電資源在經(jīng)濟運行點上運行，從而節(jié)約燃料、降低碳排放。
因為技術(shù)上的限制，僅采用了基于逆變器的VRE發(fā)電的大型電力系統(tǒng)在保持穩(wěn)定性的同時，通常不能保證較好的經(jīng)濟性。結(jié)果，電網(wǎng)運營商有時不得不實施VRE棄電來保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。對于儲能，在VRE發(fā)電量被儲存用于后續(xù)時段時，可以幫助同步發(fā)電系統(tǒng)的最小容量下穩(wěn)定運行。
圖1中藍色區(qū)域代表無儲能的光伏發(fā)電輸出，橙色代表有儲能的光伏發(fā)電輸出。9點到14點的部分VRE發(fā)電被儲存起來，并在16點到21點的時段使用。下面的圖片示意了充電發(fā)生在低電價時段，放電發(fā)生在高電價時段。
注：RE（renewable energy）是可再生能源，LMP（locational marginal price）是節(jié)點邊際電價。
圖1 VRE發(fā)電轉(zhuǎn)移示意：有無儲能時的新能源發(fā)電和凈負荷，儲能的充放電策略
能源套利被認為是儲能的主要應用方式。即便如此，如果僅靠能源套利是很難形成一種商業(yè)模式的（Lew，2016）。首先，大多數(shù)邊際電廠是燃氣發(fā)電，較低的燃氣價格并不會使高電價持續(xù)存在，從而創(chuàng)造能源套利機會。其次，在電價波動較大時，預測偏差一般會加劇，使得交易更加不可預測。
極端價格是嚴重的預測偏差導致的，比如對較高風電比例的電網(wǎng)預測風電功率時，預測結(jié)果過高或過低。為了最好地利用能源套利，儲能運營商需要有能力預測在什么時候在哪里會發(fā)生大的預測偏差，這非常有挑戰(zhàn)性。GE向NREL提交的《Western Wind and Solar Integration Study》（GE Energy Consulting，2010）顯示高比例的太陽能和風能發(fā)電會影響能源套利。研究顯示風電比例的增加如何改變了電價尖峰分布時段，以及預測偏差是如何引起極端電價的。
采用儲能來支持風電的一項大的挑戰(zhàn)是高電價、低電價通常與預測偏差有關(guān)。因此，儲能運營商的預測需要比風功率預測更準確，才能從電價差中獲利。然而，如果一些儲能資源具備了靈活性，它們有能力在日前市場、日內(nèi)市場和實時市場通過對供需不平衡、價格波動的快速響應來獲得電價差大部分收益。
與風電不同，太陽能可預測性更好，因此也能更好地與儲能整合，因為運營商可以知道在什么時間進行充電和放電。進一步，對于高比例的太陽能，尖峰時段的大部分能量可以被轉(zhuǎn)移到高需求時段，比如晚上。這樣，儲能運營商可以通過儲能提供強大的電價平滑機制并獲得合理的收益。與之相比，風能可能全天都存在，這與當?shù)氐娘L資源有關(guān)。
電動汽車是另一個可以為電網(wǎng)提供負荷轉(zhuǎn)移和靈活性的選項。電動汽車可以為VRE并網(wǎng)賦能，在通過充電器連接電網(wǎng)時，可以作為一個并網(wǎng)儲能系統(tǒng)使用。因此，電動汽車可以為電網(wǎng)提供很多服務。如果采用雙向充電器，電動汽車不僅可以利用電網(wǎng)充電，還可以向電網(wǎng)送電。這樣，電動汽車就有能力除能源套利之外的輔助服務。
在V2G（Vehicle-to-grid）系統(tǒng)中，電動汽車通過將尖峰時段的能源轉(zhuǎn)移到晚上或早上的時段來進行能源套利，見圖2。圖中顯示了電動汽車是如何進行能源套利的。其中，EV Static PV是指電動汽車作為靜態(tài)負荷（即將電動汽車作為電網(wǎng)負荷需求增長的部分），V2G Gen是指從電動汽車向電網(wǎng)的放電。圖中顯示了采用V2G之后，更多的PV發(fā)電可以被吸收并在后續(xù)使用。
來源：Taibi，F(xiàn)ernandez del Valle and Howells（2018）。
圖2 電動汽車提供能源套利
然而，在V2G系統(tǒng)中，電動汽車進行能源套利是會增加電池衰減的，衰減取決于運行情況（如，循環(huán)次數(shù)、放電速率、放電深度等）。在進行最優(yōu)套利策略分析時，建議增加考慮電池衰減的約束條件。
2. 儲能的能源套利
抽水蓄能（PHES）是一種大規(guī)模蓄能系統(tǒng)，主要包括兩個大蓄水池，一個位于高海拔，一個位于低海拔。當電價低并可以獲取多余電量時，把水從低海拔蓄水池抽到高海拔蓄水池。當電價高時，水從高海拔蓄水池放流到低海拔水池，中間通過水輪機發(fā)電。因此，PHES可以提供能源套利和輔助服務（Rehman，AI-Hadhrami and Alam，2015）。
相對于電池儲能，PHES的一個優(yōu)勢是有很長的壽命期。如果維護良好，PHES壽命期很長。更重要的是，相對于電池儲能，PHES通常具有很高的能量轉(zhuǎn)化容量，尤其是大型的PHES。相對地，PHES的不足是對環(huán)境影響較大、對地質(zhì)條件要求高、占地面積大、效率低（鋰電池90%，PHES約80%）、更長的建設周期（數(shù)年，電池一般是數(shù)月）。
世界上最大的鋰電池電站是Hornsdale儲能電站，目前已經(jīng)建成。該電站位于南澳州Jamestown的Hornsdale風電站，見圖3。該電站由特斯拉建造，總投資9000萬澳元，容量是80MW/129MWh。電站通過與風電場相同的275kV電網(wǎng)饋線并網(wǎng)，該風電場包含99個風力發(fā)電機組，總?cè)萘?15MW。儲能電站總?cè)萘恐械?19MWh用于能源套利，30MW的放電容量由Neoen用于商業(yè)用途。
圖3 南澳洲Hornsdale Power Reserve項目
自2017年建成以來，電站已經(jīng)提供了能源套利、調(diào)頻服務等不同服務。通過澳大利亞能源市場運營商（AEMO），已經(jīng)從能源套利中獲利。圖4清晰表達了了特斯拉是如何從能源套利中賺錢的。圖中還可以看出，電池在早上時段充電并在晚上時段放電。2018年，電池系統(tǒng)產(chǎn)生了2900萬澳元的收入，超出了所有人的預期。
電站每年從南澳州政府獲得固定的420萬澳元，此外，還有從FCAS和能源套利獲得的大約2400萬澳元收益。AEMO聲稱，2017年12月到2018年3月間，Tesla PowerpackSystem總共調(diào)度或充電了38%的負荷，總計11GWh。這段時期內(nèi)，32%的時間在充電，總計8.9GWh。圖中顯示，平均電價差約在91澳元/MWh。Hornsdale Power Reserve占據(jù)了南澳州FCAS市場的55%份額，將輔助服務價格降低90%。
注：HPR是Hornsdale Power Reserve的簡稱，SA是South Australia的簡稱。
來源：Vorrath and Parkinson（2018）。
圖4 Hornsdale調(diào)度曲線和平均充放電價
進一步，電池系統(tǒng)已經(jīng)多次證明了其在為電網(wǎng)提供服務和備用電力方面的有效性。一個最顯著的例子，2017年12月4日，Gladstone的1680MW燃煤電站失效時，特斯拉電池在1秒鐘之內(nèi)提供了7.3MW的備用電力?？傮w上，Hornsdale儲能電站是能源套利和電網(wǎng)服務的顯著實例。
Gorona del Viento管理的EI Hierro項目是一個風電水電電廠項目，位于EIHierro島上。這也是其運營的第一個類似項目，見圖5。該島嶼嚴重依賴傳統(tǒng)的柴油發(fā)電，現(xiàn)在已經(jīng)成功轉(zhuǎn)型到完全采用可再生能源系統(tǒng)。項目的目標是為島上所有居民提供100%可再生能源（Garcia Latorre，Quintana and de la Nuez，2019）。項目建于2014年，風水發(fā)電系統(tǒng)主要包括了：一個高海拔蓄水池、一個低海拔蓄水池、一個風電場和一個水電站。高海拔蓄水池位于島上火山盆地的最高處，總?cè)莘e是380000m3。低海拔蓄水池位于水電站旁邊，總?cè)莘e是150000m3。風電場包括5個2.3MW風力發(fā)電機組，總裝機11.5MW。水電站包括4個2.83MW沖擊式水輪發(fā)電機組，總裝機11.32MW。除了向島上供電外，風力發(fā)電機組還向一些抽水蓄能電站的高處蓄水提供電力。高海拔蓄水池里的水通過重力自流的方式流向低處，推動水力發(fā)電機發(fā)電，從而實現(xiàn)了蓄能。
圖5 EI Hierro電站
Endesa擁有該項目的30%股份。根據(jù)Endesa的數(shù)據(jù)，20年內(nèi)的項目收益包括：減少了6000噸柴油消耗和19000噸二氧化碳排放。電站的有效性和收入每年都在提升。2015年8月第一次投用的連續(xù)4小時之內(nèi)，電站為島嶼提供了100%的可再生能源。此后，電站提供100%可再生能源的時長不斷延長。2017年，總共892小時提供100%可再生能源。2018年上半年，達到了1450小時。該風水電站的可再生能源現(xiàn)在能夠覆蓋島上75%的年用電需求，并經(jīng)常能夠達到100%（Gorona del Viento，2019）。
EI Hierro項目是少數(shù)能夠提供100%的VRE份額的PHES項目中的一個。電站還可以在電力過剩時抽水蓄能，并在風力發(fā)電不足時放水發(fā)電，因而也可認為是能源套利。這還是一個多用途的案例，通過蓄水充分利用低價風電來替代高價燃油發(fā)電，使得高比例的VRE可以并入離網(wǎng)電網(wǎng)。這也是一種能源套利。同時，根據(jù)西班牙電網(wǎng)（REE）的數(shù)據(jù)，在2017年可再生能源比例為46.5%的情況下，該電站能夠提供高達連續(xù)18天的100%可再生能源，使得EI Hierro成功地實現(xiàn)從柴油發(fā)電為主的電力系統(tǒng)向完全的新能源電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。
3. 結(jié)論（案例3：能源套利）
隨著VRE的比例提升到比較高的水平，電力市場比任何時候都更需要滿足實時的供需平衡?？紤]到太陽能發(fā)電和風力發(fā)電的高度不可預測性，一個可行的方案是采用儲能系統(tǒng)來提供靈活性，使電網(wǎng)更有效。儲能系統(tǒng)提供了集中不同的價值流，其中之一是能源套利，包括在低電價時段充電和高電價時段放電。
儲能運營商的一個大的挑戰(zhàn)是預測偏差，這會導致極端電價的產(chǎn)生。極端電價會在套利機會最好的時候變得更嚴重。因此，最大化利用能源套利的理想方案可能是提前預測嚴重偏差會在什么時候發(fā)生。由于可預測性比風電要好，太陽能發(fā)電更容易并入電網(wǎng)并用來用作大容量的電量轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)電價曲線的平滑。
然而，能源套利本身還不足以支持儲能推廣。能源套利需要比較大的、時間較長的尖峰電價和非尖峰電價差，同時，能源套利增加時，電價差會減小。另外，儲能的比例也在增加。因此，除了能源套利外，還需要其他的電網(wǎng)服務來支撐。
4. 擴展閱讀
提高電力市場中的時間和空間顆粒度與提供能源套利服務高度相關(guān)。這兩個都是IRENA《創(chuàng)新圖景報告》30種電力系統(tǒng)創(chuàng)新中的概念。更多信息參見：
IRENA（2019），“Innovation Landscape Brief: Increasingtime granularity in electricity markets“，InternationalRenewable Energy Agency，Abu Dhabi.
IRENA （2019），“InnovationLandscape Brief: Increasing space granularity in electricity markets“，InternationalRenewable Energy Agency，Abu Dhabi.
IRENA（2019），“InnovationLandscape Brief: Utility-scale storage“，InternationalRenewable Energy Agency，Abu Dhabi.
原文來源：
IRENA,2020. Electricity Storage Evaluation Framework: Assessing system value and ensuring project viability.
原文鏈接：
https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020
翻譯、校對及美編：
梁海文
