儲能是風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的一種有力補充，因為儲能系統(tǒng)具有很高的靈活性和容量，既能作為負載進行操作，又能在電力不足或中斷時提供電力。儲能系統(tǒng)的部署解決了電網運營商為用戶提供安全可靠電力的許多挑戰(zhàn)，并且由于成本迅速下降、鋰離子電池的性能提升，以及“電網就緒”儲能產品的出現，一些電網級儲能商業(yè)項目已經應用。隨著儲能系統(tǒng)變得更加廣泛且經濟上可行，它可以使可再生能源與儲能設施相結合，在世界更多地區(qū)提供可靠的發(fā)電和負荷需求服務。
儲能系統(tǒng)可以部署在任何地方
儲能系統(tǒng)可以部署在電網的任何地方，可以連接到輸電系統(tǒng)（T），配電系統(tǒng)（D）或用戶側。儲能系統(tǒng)能夠與可再生能源、傳統(tǒng)發(fā)電、負載配套運行，或者可以獨立部署。
連接到最終客戶的儲能系統(tǒng)可以潛在地解決上游服務以支持配電、輸電和發(fā)電功能，因為其電力調度也在上游傳播。
定期充放電循環(huán)值得嗎？
電力服務堆疊將面臨多個潛在競爭承諾的成本和復雜性，這也可能增加儲能系統(tǒng)的損耗。在設計儲能項目時，了解所解決的每項服務的價值和相關要求非常重要。儲能系統(tǒng)仍然是一種相對昂貴的電力資源，因此規(guī)模過度或運營過度而沒有相關的回報可能會導致項目變得不再經濟可行。
儲能系統(tǒng)的常見和期望的用途通常是削減峰值，即減少從電網汲取超過規(guī)定的電能。這通常映射到更精確的服務，例如電力資源充足性（即采用峰值電廠替代）或輸電或配電升級延遲，以及這些服務中儲能系統(tǒng)的規(guī)模、可用性和位置是至關重要的，但是當電網處于穩(wěn)定運營狀態(tài)時，所需的電力調度可能很少發(fā)生，以實現推遲或避免替代性投資的期望益處。
對于后備電源等其他電力服務，采用運營成本非常低的儲能系統(tǒng)也是可取的，因為它們基本上需要儲能系統(tǒng)充當不用于電網調度的儲備電源。儲能系統(tǒng)可以在充電時提供這些服務，如果需要的話，停止充電。
保持電網供需的瞬時平衡的頻率調節(jié)則更加細微。一方面，與具有顯著慣性的傳統(tǒng)發(fā)電機不同，電池儲能系統(tǒng)幾乎可以瞬間改變電力高度以匹配電網不平衡。然而，與頻率調節(jié)相關的最常用的電池是需要連續(xù)充電/放電循環(huán)的鋰離子電池。雖然參與頻率調節(jié)市場可能最初是有利可圖的，但應該考慮在這些項目中采用電池儲能系統(tǒng)中的容量損失、效率和過早更換的權衡問題。
能量時移（有時稱為套利）是另一種細致入微的服務。雖然以低價購買（或充電）能源并以高價出售（或放電）聽起來是一個好主意，但價格的差價必須克服電能往返效率損失和潛在電池深度循環(huán)導致退化等問題。
儲能項目的估值可能是一個復雜且針對具體地點的問題。由于儲能設備中的容量有限，因此對于充電狀態(tài)的建模對于了解哪些服務能夠成為可行的商業(yè)案例是必不可少的。為了支持這種類型的建模和模擬，美國電力研究院（EPRI）在加州能源委員會撥款的支持下，開發(fā)并發(fā)布了公開可用的儲能價值評估工具。
管理電池儲能退化的工業(yè)方法
電池儲能系統(tǒng)退化通常表現為能量保持能力的損失、電源輸送能力和效率的降低，并且最終導致更換電池。根據電池儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)，其更換可能僅意味著更換少量電池或完全更換電池組。
電池儲能供應商有時會在假定的運行條件或假定的服務調度下提供生命周期的承諾。例如，如果電池每天只深度循環(huán)一次，就可以保證達到10年的工作壽命。在儲能系統(tǒng)的性能隨著時間推移而退化的情況下，這可能是有限的，因為安裝需求發(fā)生變化，這可能超過電池10-20年的工作壽命。其他開發(fā)商提供更復雜的信息，可以評估電池系統(tǒng)在需要更換之前可以經歷的“等效周期”。
工業(yè)應用采用的一種退化管理方法是管理超大規(guī)模儲能系統(tǒng)的容量，同時保持儲能容量不變。這種方法允許電池系統(tǒng)通過減緩退化以提供更長時間滿足客戶的期望。但這種方法也有一些缺點，例如增加了設備的前期成本。其他方法可以包括隨著系統(tǒng)退化隨時間增加電池儲能容量，這可以提供額外的靈活性以評估隨著時間推移的項目需求，同時利用未來成本降低的假設。
影響電池性能退化的因素
當前絕大部分的電池儲能系統(tǒng)采用的是鋰離子電池。在2013年至2018年期間，鋰離子電池占美國電池儲能部署容量的94％。應該注意的是，這里沒有涉及的其他儲能技術可能具有不同的退化驅動因素。此外，鋰離子電池是一個多樣化的類別，具有許多不同的化學成份和形式，在此只是提供指示性描述，而不是試圖探索所有這些細微差別。
鋰離子電池退化受到多個變量的影響。退化驅動因素其中包括：運行溫度、壽命期間的平均充電狀態(tài)，以及充電和放電循環(huán)的深度。而采用優(yōu)異的退化管理工具和措施將有助于儲能項目的經濟規(guī)劃和運營，以及設備供應商可能提供的任何保證或性能保證。
電池儲能退化的第一個驅動因素與平均充電狀態(tài)的時間有關。研究數據表明，靜止的鋰離子電池會根據溫度和儲存電荷的狀態(tài)而失去能量保持能力。
圖2.鋰離子電池在平均充電狀態(tài)和溫度不同組合下的容量降低情況。例如，綠色線段顯示電池工作在65％充電狀態(tài)和60°C時的性能下降情況
圖2表明，如果充電狀態(tài)較高，則在溫度升高的情況下容量會降得更快?？紤]到這些退化驅動因素有利于規(guī)劃過程中的退化預測。在運行中，鋰離子電池儲能系統(tǒng)可以通過有效的熱管理和通過避免在高充電狀態(tài)下的長持續(xù)時間來延長工作壽命。然而，這需要對主動熱管理的潛在效率影響進行權衡，以及為意外調度調用儲能的可能性。需求預測和儲能控制方法對于管理這些權衡尤為重要。
鋰離子電池儲能系統(tǒng)的充電和放電循環(huán)是另一個重要的退化因素。深循環(huán)對于鋰離子電池退化比淺循環(huán)電池的影響更大。
圖3.循環(huán)深度放電對電池容量保持率降低的影響
圖3說明了這種關系。另外，一些電池具有在生命周期后期加速退化的特性，如圖3中的“膝蓋”形狀所示。
通過提高預測成功或失敗的準確性，理解和建模操作與退化之間的關系有助于優(yōu)化儲能項目的規(guī)劃。它還通過允許設計考慮到與循環(huán)相關的退化成本的調度策略來改進操作。
儲能項目經濟學模型的退化
行業(yè)廠商提供的儲能系統(tǒng)的優(yōu)化工具可用于了解如何設計和調度儲能項目，以最大限度地提高項目生命周期價值。該工具使用基于優(yōu)化的建模來模擬提供一個或多個電網服務的儲能系統(tǒng)的操作（調度和容量預留），同時跟蹤退化和電網服務兼容性等。它可以代表電網目標在充電/放電活動方面的不同水平的相對價值，找出更積極的活動可能帶來更高的收入，也帶來更高的更換成本，最終有助于找到最有效的權衡。
在此提供一個簡單的例子來理解電池儲能系統(tǒng)運營價值和退化成本之間的權衡，用來模擬執(zhí)行能量時移（套利）的電池系統(tǒng)。以下凈現值表對應于系統(tǒng)在每天有利可圖的時間內每天執(zhí)行兩次完全充電/放電10年的循環(huán)。在第六年結束時，它需要更換。
對于同樣的項目再次建模，但這次在最有利可圖的時間內每天只執(zhí)行一次完全充電/放電循環(huán)。由于能源時移，這種情況產生了較低的收入，但是其可以達到10年的項目壽命，這減少了更換電池的成本。
圖4.兩個項目的現金流量。藍色線條表示采用一種更積極的策略，沒有考慮退化，但獲得更多收入。橙色線條表示采用了更為保守的策略，可以減少退化。
使用美國電力研究院提供的優(yōu)化工具或類似的優(yōu)化軟件，用戶可以測試用于儲能循環(huán)的不同“懲罰函數”，基本上指導優(yōu)化以要求儲能系統(tǒng)具有更大的最小價差。由于退化的影響將在未來變得更加顯著，因此儲能系統(tǒng)運營商必須在項目早期就認識到這些影響。
現實世界的儲能項目可靠性
從商業(yè)意義上講，電池儲能項目的安裝和部署仍處于初級階段。因此，該行業(yè)仍在了解儲能系統(tǒng)的實際退化和停機時間。
這些系統(tǒng)很復雜，包含許多子系統(tǒng)，例如其中的傳感器、通信通道、電力電子、計算系統(tǒng)等需要協(xié)同工作以滿足性能要求。因此，不夠穩(wěn)健的集成或意外事件可能導致系統(tǒng)內不同點的故障。
一些組織機構（如美國國家實驗室）正致力于開發(fā)實驗室測試和商用現場儲能系統(tǒng)的測試和測量。還有一些公用事業(yè)公司目前正致力于建立一個具有儲能性能跟蹤記錄的通用數據庫，并在實際儲能項目中了解更多有關停機時間和性能退化的信息。建立儲能項目可靠性的記錄對于支持具有成本效益的儲能投資至關重要，而儲能系統(tǒng)將為所有社會成員的電力可靠性和可負擔性提供支持。
