中國儲能網訊：前言
本報告是美國國家可再生能源實驗室(NREL)日前發(fā)布的“儲能未來研究(SFS)”系列報告的最后一個報告。儲能未來研究(SFS)是一項持續(xù)多年的研究項目，旨在探索儲能系統(tǒng)如何影響美國電力行業(yè)的運營和發(fā)展。
此項研究分析和考察了儲能技術的進步對公用事業(yè)規(guī)模儲能部署和采用分布式儲能系統(tǒng)的影響，以及對未來電力系統(tǒng)基礎設施投資和運營的影響。美國國家可再生能源實驗室(NREL)在研究過程中試圖回答的一些問題包括：
·儲能系統(tǒng)成本和性能如何隨著時間的推移會如何變化？
·即使沒有增加可再生能源份額的驅動因素或政策，晝間儲能在電力部門的作用是什么？
·在美國，無論是在公用事業(yè)規(guī)模還是在配電規(guī)模上，晝間儲能經濟可行的部署量是多少？
·哪些因素可能推動這種部署？
·晝間儲能裝機容量的增加將如何影響電網運營？
美國國家可再生能源實驗室(NREL)的儲能未來研究(SFS) 系列報告總結了其研究過程中的關鍵經驗和教訓，并將有助于塑造未來的儲能愿景。
儲能未來研究(SFS)系列報告提供數據和分析，以支持美國能源部(DOE)的“儲能大挑戰(zhàn)”，這是一項旨在加速下一代儲能技術的開發(fā)、商業(yè)化和利用，并幫助美國保持在全球儲能領域領導地位的綜合計劃。儲能大挑戰(zhàn)采用用例框架來確保儲能技術能夠經濟高效地滿足特定需求，它融合了多個類別的廣泛技術：電化學儲能、機械儲能、熱儲能以及電力電子等。
未來幾十年的儲能部署
儲能系統(tǒng)很可能成為低碳、靈活、有彈性的未來電網的關鍵要素。
在過去幾年中，美國電力部門的可再生能源發(fā)電量急劇增加，預計未來還將出現顯著增長。此外，隨著越來越多的客戶強調清潔能源部署的重要性，同時保持電力系統(tǒng)可靠運營，美國和全球各國越來越重視解決電力系統(tǒng)中斷的用例，并越來越重視對電力系統(tǒng)可靠性和彈性的研究和分析。
與此同時，儲能技術（尤其是電池儲能系統(tǒng)）的成本在過去幾年大幅下降，并且正在開發(fā)更多不同的儲能技術。這些因素增加了人們對儲能系統(tǒng)作為關鍵脫碳資產發(fā)揮重要作用的關注，并確保不斷發(fā)展的電網能夠獲得可靠的電力。
儲能系統(tǒng)為電網提供了許多潛在的好處。儲能系統(tǒng)可以存儲并提供電力，并為風電設施和太陽能發(fā)電設施的電力提供補充，在這些資源的可用性降低時提供電力。當與可再生能源或其他清潔能源結合使用時，儲能系統(tǒng)具有減少溫室氣體排放的能力。
儲能系統(tǒng)還可以提高輸電線路的利用率，同時抵消或減緩建設新的發(fā)電設施以提供峰值容量或滿足運營儲備的需求。最后，分布式儲能系統(tǒng)可以在需求高峰期減輕電網的運營壓力。這種靈活性對于電動汽車的預期增長和其他最終用途電氣化的潛在負載增加非常重要。
隨著儲能系統(tǒng)成本的持續(xù)下降以及電網整合更多可變的可再生能源，美國國家可再生能源實驗室(NREL)的建模表明，未來幾十年電力系統(tǒng)中儲能部署的部署將顯著增加。但也提出了一些問題，例如儲能系統(tǒng)將如何影響電網在未來幾十年的運行和發(fā)展方式？
由于儲能系統(tǒng)具有影響發(fā)電、輸電和配電的特性，因此量化儲能系統(tǒng)的價值比量化太陽能發(fā)電設施或風力發(fā)電等可再生能源發(fā)電設施的價值更為復雜。通過開展“儲能未來研究(SFS)”，美國國家可再生能源實驗室(NREL)旨在加深對儲能系統(tǒng)如何為電力系統(tǒng)增加價值、為電力系統(tǒng)增加多少價值、可以經濟地部署多少儲能系統(tǒng)，以及儲能部署如何影響電力系統(tǒng)的運行和演變的理解。
“儲能未來研究（SFS)”首先定義了四個階段的框架，即隨著時間的推移增加儲能部署和持續(xù)時間，為美國的晝間儲能系統(tǒng)（低于12小時）部署創(chuàng)建一些長期預測，然后應用詳細的生產成本和基于代理的建模來更好地了解儲能系統(tǒng)的作用。該研究的主要結論是，儲能部署具有顯著增加的潛力——到2050年至少達到當今累計部署的儲能系統(tǒng)裝機容量的五倍，這將在確定未來成本最優(yōu)的電網組合方面發(fā)揮不可或缺的作用。根據對“儲能未來研究（SFS)”的分析、之前的工作和這份報告的附加分析，該研究確定了關于儲能系統(tǒng)發(fā)展未來及其對電力系統(tǒng)影響的8個關鍵體會。這些重要的經驗和教訓可以幫助政策制定者、技術開發(fā)人員以及電網運營商為即將到來的儲能部署浪潮做好準備：
關鍵體會1：儲能系統(tǒng)裝機容量有望快速增長
“儲能未來研究”報告指出美國電力部門采用晝間儲能具有巨大的經濟潛力，并證明了儲能系統(tǒng)的成本競爭力日益增強。使用先進的大規(guī)模容量擴展模型，發(fā)現在各種情景下，晝間儲能系統(tǒng)（持續(xù)時間<12小時）在成本方面具有競爭力，該研究對儲能系統(tǒng)、風力發(fā)電設施、太陽能發(fā)電設施以及天然氣發(fā)電廠進行了一系列成本和性能假設。
圖1表明，在所有場景中，在未來部署的儲能系統(tǒng)總裝機容量為100GW到650GW。而這么廣泛的范圍是由多種因素驅動的，包括儲能系統(tǒng)成本（關鍵體會2）、天然氣價格和可再生能源成本上漲。即使是最保守的場景，與到2020年累計部署23GW的儲能系統(tǒng)（其中大部分是抽水蓄能發(fā)電設施）裝機容量相比也將增加五倍。
值得關注的是，即使沒有額外的碳減排政策，可再生能源和儲能系統(tǒng)也會得到大量部署，這表明它們作為提供能源和容量服務的資源的成本競爭力日益增強。
在效果顯著但不完全的脫碳模擬情景中，與2005年相比，美國電力部門的碳排放量減少了46%～82%，到2050年，可變可再生能源(VRE)在美國可用能源總裝機容量的份額達到43%～81%。通常采用持續(xù)時間為4～6小時的儲能系統(tǒng)，由與太陽能發(fā)電設施的內在協同作用驅動（關鍵體會5），但更長持續(xù)時間的儲能系統(tǒng)通常部署在之后的建模年份（關鍵體會7）。行業(yè)專家還探討了儲能系統(tǒng)增長和儲能系統(tǒng)發(fā)展演變背后的主要驅動因素。
圖1.參考案例中美國到2050年部署的儲能系統(tǒng)裝機容量將增長到約200GW，部署的持續(xù)時間范圍（左）意味著儲能系統(tǒng)儲能容量約為1,200GWh（右），其部署范圍廣泛。
關鍵體會2：預計近期儲能系統(tǒng)成本將繼續(xù)降低，鋰離子電池儲能系統(tǒng)將在一段時間內持續(xù)引領市場份額
儲能未來研究(SFS)系列報告中的《儲能技術建模輸入數據》報告對公用事業(yè)規(guī)模電池儲能系統(tǒng)和其他儲能技術成本的未來發(fā)展進行預測，這些技術推動了“關鍵體會1”中確定的大部分預期增長。
預計將在短期內部署的固定式儲能系統(tǒng)大多數是電池儲能系統(tǒng)，尤其是鋰離子電池儲能系統(tǒng)。至少在短期內，鋰離子電池儲能系統(tǒng)在儲能市場的主導地位是由其在多個市場的增長推動的，其中包括消費電子和固定儲能應用領域以及電動汽車。
圖2提供了鋰離子電池組歷史成本和未來成本的示例，顯示了儲能系統(tǒng)成本近年來快速下降。該圖表還表明，絕大多數電池用于運輸應用，這可能是電池技術發(fā)展和電池成本下降的最重要驅動力。
美國國家可再生能源實驗室(NREL)使用公用事業(yè)規(guī)模電池儲能系統(tǒng)的各種未來成本預測來評估總體系統(tǒng)成本，其中包括逆變器、系統(tǒng)平衡和安裝。圖3顯示了儲能未來研究(SFS)參考場景中使用的持續(xù)時間各2～10小時的電池儲能系統(tǒng)成本預測的示例。
圖2.鋰離子電池的成本在過去十年下降了80%以上，并且預計在受到電動汽車需求推動的持續(xù)生產規(guī)模的基礎上將會繼續(xù)下降。
圖3.公用事業(yè)規(guī)模電池儲能系統(tǒng)參考方案預計成本將持續(xù)降低。左側以美元/kWh（儲能容量）為基礎上衡量成本，而右側以美元/kW（裝機容量）為基礎測量成本。在預測中假設采用一個60MW的電池儲能項目
圖3左邊曲線顯示儲能系統(tǒng)的儲能容量(kWh)的總成本，這是電池行業(yè)常用的衡量標準。這是儲能系統(tǒng)安裝的總成本。對于固定的儲能應用，還包括與電力相關的成本（與存儲和轉換相關）和與能源相關的成本（儲能介質）。與電力相關的成本通常不會隨著持續(xù)時間而增加，這意味著它們對于2小時儲能系統(tǒng)和10小時儲能系統(tǒng)來說是相同的，這就是儲能容量(kWh)成本會隨著持續(xù)時間的增加而降低的原因。電力和持續(xù)時間的成本細分如圖4所示。右側曲線顯示裝機容量(kW)的成本，這是公用事業(yè)公司使用的傳統(tǒng)發(fā)電設施成本衡量標準。通過這種措施，其成本隨著持續(xù)時間的增加而增加。隨著持續(xù)時間的增加，電池成本是電池儲能系統(tǒng)的主要組成部分。隨著電池成本隨著時間的推移而下降，持續(xù)時間較長的電池儲能系統(tǒng)與持續(xù)時間較短的電池儲能系統(tǒng)整體成本的下降速度相比還要快。
雖然近年大多數部署的儲能系統(tǒng)都是電池儲能系統(tǒng)，但隨著成本下降或長時儲能價值增加，各種儲能技術可能會進入市場（關鍵體會7）。圖4總結了15種不同類型儲能系統(tǒng)和不同商業(yè)化階段的儲能技術的資本成本估算。為了得出總成本，裝機容量相關成本（x軸）乘以小時數（持續(xù)時間）并添加到電力相關成本（y軸）。圖4還描繪了這種關系的成本區(qū)域，可能或多或少適用于短期或長期應用。使用電池儲能系統(tǒng)作為基準，藍線表示替代技術在商業(yè)化時（或可能）更具成本效益的細分市場。
需要注意的是，對于大多數儲能技術來說，這些與功率和能源相關的組件之間的區(qū)別并不是絕對的，而且區(qū)分開這些組件可能很困難。圖4中未說明許多其他重要因素，包括充放電往返效率和潛在選址限制。
由于電力和能源相關成本之間的區(qū)別，某些技術可能更適合基于所需持續(xù)時間的不同儲能應用。低功耗技術成本（但能源成本高）可能更適合短期應用，而功率相關成本較高但能源相關成本較低的設備在長期應用中可能更具競爭力。關鍵體會3中討論了各種應用程序的相對重要性。隨著電網的發(fā)展，更長時間的應用（關鍵體會7）可能會發(fā)揮越來越大的作用，這可能會增加采用更多儲能技術的機會。圖4最左側的區(qū)域包含能源相關成本非常低的技術（利用地下洞穴或水庫），非常適合季節(jié)性儲能系統(tǒng)的應用（關鍵體會8）。
總體而言，電池儲能系統(tǒng)目前主導著儲能市場，但其他儲能技術在未來可能會繼續(xù)改進。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和儲能系統(tǒng)的作用隨著時間的推移而變化，如果其他技術能夠與電池儲能系統(tǒng)在成本方面進行競爭，它們可能會有新的市場機會。
圖4.各種儲能技術的儲能容量成本(美元/kWh)與裝機容量成本(美元/kW)。與裝機容量相關成本低但儲能容量相關成本高的儲能技術可能更適合短時儲能應用，而與裝機容量相關成本較高且儲能容量相關成本低的儲能技術在長時儲能應用中可能更具競爭力。隨著技術的發(fā)展和商業(yè)化，預期成本可能會發(fā)生變化
關鍵體會3：提供固定容量的能力是儲能部署具有成本競爭力的的主要驅動力
儲能系統(tǒng)提供固定容量的能力是儲能未來研究(SFS)報告的主要驅動力。而在公用事業(yè)規(guī)模儲能部署的四個階段中，電力系統(tǒng)中儲能作用擴展的框架討論了儲能系統(tǒng)提供的多種價值來源，這推動了關鍵體會1中確定的大部分預期增長。
儲能未來研究(SFS)建模評估了儲能系統(tǒng)為電網提供的四種價值來源：
·固定容量：在電力系統(tǒng)峰值需求期間滿足用戶需求，并替代天然氣發(fā)電設施等傳統(tǒng)發(fā)電設施的容量。
·能源時移：在凈需求低的時期儲存價格較低的電力，在凈需求高的時期釋放電力。這包括避免無法使用的可再生能源發(fā)電量。
·運營儲備：對隨機變化和中斷導致的供需失衡的快速反應。幾種儲備類型包括頻率調節(jié)和應急儲備。
·避免改造或升級輸電設施：通過在供電受限區(qū)域部署儲能系統(tǒng)，在電力充足時充電，并在本地輸電系統(tǒng)接近或達到最大電力容量時放電來抵消或減少對升級或改造輸電設施的需求。
儲能系統(tǒng)可以同時或在不同時間提供多種服務（通常稱為“價值堆疊”）。為了確定這些服務在不斷發(fā)展的電網中的相對價值，研究中模擬了各種場景，啟動或關閉儲能系統(tǒng)以提供單獨或組合的儲備、容量和時間轉移的能力。雖然輸電延遲的價值很重要，但它很難相互隔離，而且非常具有區(qū)域性，因此沒有嘗試隔離延遲輸電的價值。 
圖5顯示了一個使用參考案例的示例，限制儲能系統(tǒng)可以提供的服務表明，為了實現儲能系統(tǒng)的最大潛力，容量服務比能源時移或運營儲備更重要。圖５中未考慮與輸電相關的利益的影響，這些利益很重要，但非常具有區(qū)域性。
研究表明，到2050年，美國將部署約200GW的儲能系統(tǒng)。在僅提供能量時移服務時，它實現了其“所有四項服務”潛力的30%。但是，如果儲能系統(tǒng)僅提供固定容量而具有經濟價值，則可能部署150GW儲能系統(tǒng)。提供運營儲備服務只會相對少量地增加部署，部分原因是所需的運營儲備有限，以及主要為提供容量和時移服務而部署的儲能系統(tǒng)導致儲備需求趨于飽和。
總的來說，這表明儲能系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定的儲能容量，并抵消對傳統(tǒng)發(fā)電的需求，以滿足峰值需求，這對于充分發(fā)揮其潛力至關重要。儲能系統(tǒng)提供固定容量的實際能力在很大程度上取決于其持續(xù)時間以及與部署區(qū)域凈負荷峰值持續(xù)時間的相關性。凈負荷峰值的持續(xù)時間受各種因素的影響，包括太陽能和增量儲能系統(tǒng)部署（關鍵體會5和關鍵體會7）。
關鍵體會4：儲能系統(tǒng)并不是唯一的靈活性選項，但與其他選項相比，其成本下降已經發(fā)生了變化。
提高電力系統(tǒng)的靈活性、滿足峰值需求以及幫助解決凈需求增加的可變性的能力通常以靈活性供應曲線的形式表示。圖6提供了這個概念的示例，說明了可以提供靈活性服務的資源。
從歷史上看，儲能系統(tǒng)被視為提高電網靈活性的成本最昂貴的選擇之一。然而，成本下降可能會改變其在彈性供給曲線上的相對位置。盡管發(fā)生了這種轉變，但重要的是要強調儲能系統(tǒng)只是幾種資源中的一種，可以為電網提供靈活性，以更好地使發(fā)電供應與電力需求保持一致。
圖6 彈性供給曲線
具有成本效益的脫碳需要考慮所有資源，包括終端用電需求中基本上尚未開發(fā)的潛在靈活性。靈活的需求可以通過各種機制實現，從價格信號到分布式能源的集中，再到靈活的電動汽車充電，可以提供許多與儲能系統(tǒng)相同的服務，包括減少峰值凈需求和改變可變發(fā)電的時間。
圖7顯示了靈活的需求和儲能系統(tǒng)在電力行業(yè)的巨大利用潛力。這些結果來自于對本報告進行的補充分析。圖中的第1列和第3列提供了基本情景的結果。第2列和第4列假設了額外的需求響應部署，以評估它們對儲能系統(tǒng)和總體投資決策的影響。在這些情況下，靈活的需求降低了能源的總體需求和能源時間轉移的價值。因此儲能系統(tǒng)部署有所減少，尤其是在儲能系統(tǒng)成本適中的情況下，這突出了靈活需求和儲能系統(tǒng)之間的潛在競爭。
為了徹底了解需求響應部署的潛在機會，需要進行更多的研究?？紤]到實施成本、社會接受度、凈峰值時期的可用性(可能隨著可變發(fā)電部署的增加而變化)以及實施機制。雖然儲能系統(tǒng)可能與靈活需求等資源競爭越來越激烈，但成本最低的脫碳需要分析可幫助實現可再生能源和其他清潔能源的一系列靈活性選項。
圖7. 隨著負載靈活性和響應性需求的增加，而到2050年，無論是否有高需求響應，對于低可再生能源//電池成本場景，對于儲能容量的需求都會減少
（未完待續(xù)）
