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儲能重要的不僅是能量大小,還有持續(xù)時長
日期:2020-06-17   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:zhangchi_zrm 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]

新能源供電的季節(jié)性是一個大問題,這需要很長時間的儲能輔助。

一份南澳建模報告顯示,在風(fēng)能和太陽能過剩時,電池和/或抽水蓄能所提供的4-10小時儲能往往是滿的;同樣,在需求過剩時,它們又往往是空的。

這導(dǎo)致了人們對天然氣或其等價物的需求,從而確保全部能源需求可以獲得響應(yīng)。

極為粗略的估算顯示,固化成本約為12美元/MWh,其中大部分為天然氣資本和運營成本。天然氣發(fā)電量是既有的。

天然氣提供了7.5%的能源。在這種情況下,南澳大利亞州的碳排放量會非常低??傮w結(jié)果表明,隨著可變可再生能源(VRE)滲透率的增加,即使電量流進(jìn)流出各有其利益,在NEM范圍內(nèi)可能也需要一些長期儲能。

在真正了解我們談?wù)摰膬?nèi)容之前,對于研究儲能時長要求的領(lǐng)域,我們還有很多工作要做。

風(fēng)能和太陽能的季節(jié)性是一個大問題

最近,ITK公司研究了電池的發(fā)展前景。有越來越多的證據(jù)表明,公用事業(yè)電池在市場上找到了一席之地。

在美國,不知何故,附屬服務(wù)和頻率控制似乎并沒有像在澳大利亞那樣成為問題,電池時長開始變久。在美國頂尖公用事業(yè)公司NextEra Energy簽署的2GW儲能電池合同中,有許多合同都是時長4小時的電池合同。

但在澳大利亞,所有電網(wǎng)電池的時長都為2小時,或者更短。



圖片來源:ITK

雖然Lakeland的實際儲能時長確已達(dá)到約4小時,但我們忽略了數(shù)個位于昆士蘭州的小型電池。

迄今為止,澳大利亞實質(zhì)上承諾的總電量僅為逾500MW。過去12個月,NEM范圍內(nèi)的平均需求量略高于21GW。至2023年,電池可提供2.5%的電力。如果屆時沒有使用更多電池,大多數(shù)人應(yīng)會頗感驚訝。

這些儲能電池系統(tǒng)最顯著的價值在于緊急調(diào)頻控制,由于大多數(shù)應(yīng)急事件只會持續(xù)數(shù)分鐘,所以為實現(xiàn)這一目的而需要的時長非常短。

ITK做出了一個大膽的預(yù)測:鑒于電池和電網(wǎng)逆變器在頻率控制方面的壓倒性優(yōu)勢以及無可匹敵的“平滑”電池電流,電池和電網(wǎng)逆變器最終會成為NEM控制系統(tǒng)的基石。

本文是從成本最低、最大限度的減少未使用能源的角度來看待儲能主要任務(wù)這一問題。而并不是研究個別電池或抽水蓄能運營商的發(fā)展前景,它們可能而且很可能擁有一套完全不同的因素。

可變可再生能源與需求之間的錯配現(xiàn)象非常嚴(yán)重并會日益加重

此前,我們估算了2019年9月1日-2020年5月24日間,南澳大利亞州的現(xiàn)有風(fēng)電和太陽能產(chǎn)能。

時段的選取是隨意的。我們選中這一時段是因為它最近,此外,南澳大利亞州有61%的可變可再生能源(VRE),所以這是最接近澳大利亞未來發(fā)展的時段。

重復(fù)一下相關(guān)內(nèi)容。在每小時均值的基礎(chǔ)上,我們比較了VRE和需求。在此期間,VRE是需求的61%。為Portland鋁冶煉廠供電的時間也包括在內(nèi)。在這段短暫的期間內(nèi),冶煉廠的運行毫無問題。

在此期間,也未出現(xiàn)引人注目的惰轉(zhuǎn)事故。下圖中未顯示電力進(jìn)出情況及天然氣份額。



圖片來源:NEM Review

另一個重要的問題是,南澳大利亞州的平均需求峰值約為1.6GW,相對較小。與大樣本相比,大多數(shù)小型樣本更不穩(wěn)定。

所以,我們這份南澳大利亞州分析很可能會高估NEM范圍內(nèi)存在的問題。在這一背景下,我們將VRE供應(yīng)量提升了5/9=55%,以使VRE總產(chǎn)能等于總需求。這帶來了以日平均值計算的、VRE過量和短缺的周期。



圖片來源:NEM Review,ITK

之后筆者又談到了持續(xù)時長“運行”,但有幾個讀者發(fā)私信告訴我,他們覺得缺少了這部分內(nèi)容,實際也確實如此。

事實證明,這一期間的南澳大利亞州是研究儲能時長的理想選擇。這也再次提醒我們,總有很多、很多東西需要學(xué)習(xí)。

VRE和需求存在非常強的季節(jié)性

首先,我們簡單累積了約8個月的、需求超過VRE的半個小時數(shù)據(jù)。也就是說,對于每一個連續(xù)的半個小時,我們會取需求和VRE之間的差值(如需求>VRE,則為正;如VRE>需求,則為負(fù))。

然后將其與前一個半個小時的差值相加,以此類推,共12860個半個小時。

由此得出的圖表類似一個大壩,大壩在干燥的月份里排空,然后又重新填滿。

在圖中,負(fù)數(shù)代表VRE超出需求的累計過剩量。圖中顯示,過剩量在九月份的季度里累積,在夏季逐漸耗盡,最后變成正數(shù)。VRE產(chǎn)出量設(shè)計為等同于該期間的總需求量。



圖片來源:NEM Review

Snowy表示,目標(biāo)是不僅在南澳大利亞州,而且在NEM周圍利用這種模式。筆者知道存在很多關(guān)于Snowy的爭論,但像這樣的圖表支持了Gordon Wymer的基本觀點,即由于存在季節(jié)性儲能和儲能充電的需求,Snowy是為季節(jié)性使用而設(shè)計的。

接下來筆者將關(guān)注不足和多余的運行狀況,但并不僅是只關(guān)注連續(xù)的半個小時,筆者還計算了每次運行的多余和不足的量。

例如,得出的一系列結(jié)果如圖所示。



說的再清楚一些,圖表顯示,樣本期內(nèi),需求量超過VRE產(chǎn)能的、連續(xù)兩個半個小時的次數(shù)為12次。最后一欄顯示,所有這兩個半個小時間隔的累計不足量為841MWh,平均不足量為70MWh。

MW列顯示的是每兩個半個小時所需的平均功率,也為70MW。盡管存在一例超過180個半個小時的特例,但幾乎所有的運行不足都低于45個半個小時。同樣,大部分的運行多余也低于45個半個小時。運行情況共計90組。

然后,筆者將運行的平均功率要求與運行時長進(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)的聯(lián)系是筆者未曾想到的。提出的新假設(shè)是,時長不足和所需電力之間的正相關(guān)度與晚間風(fēng)力逐漸平息有關(guān)。



更長時間的失配需要更多的電力和能源

小幅差額反映的可能只是風(fēng)、雨或云的暫時平息。風(fēng)速快速下降時,可能會趨向于停留在一個較低水平,然后逐漸回升。

當(dāng)這種情況在夜間出現(xiàn)、又沒有太陽能彌補差額時,這種效應(yīng)會特別明顯。過剩時的情況也是如此。有人可能會提出更合理的解釋(假設(shè)計算是正確的,但對筆者來說,這從來都不是必然的)。



舉例來說,正好有四輪33個半個小時、需求持續(xù)超過供應(yīng)的運行時段。其中一次是在2020年5月,這一時段的平均差額為313MW。

未加粗的原始數(shù)據(jù)表明,風(fēng)速下降更為明顯。

用儲能填補空白

下一步是用儲能填補空白。這才是真正開闊眼界的機會。

首先我們看一下所需的最大功率(MW)。從VRE超過需求到短缺值的最高值,下圖將12817個半個小時進(jìn)行了排序。數(shù)字顯示,在約98%的時間里,1500MW都是足夠的。

在這個較為業(yè)余的練習(xí)中,我們假設(shè)另外2%的半個小時是由單車健身愛好者完成的。實際上,所需的絕對最高功率超過了2500MW。



回到圖4,挑戰(zhàn)顯而易見。在樣本期的前半段,無論是抽水蓄能或是電池充電,VRE在大部分時間里都超過了需求,應(yīng)該怎么辦?在我們的封閉系統(tǒng)中,不存在電力輸出。

同樣,在下半年,需求超過VRE產(chǎn)能的凈盈余會被抵消,導(dǎo)致充電機會少于供電機會。較短的儲能時長需要較少的電力。因此,我們是從增加500MW/4小時電池開始的。

同樣,簡單起見,我們讓這些電池的效率達(dá)到100%并分析它們完全放電的情況。它們的容量利用率(以每天1個完整循環(huán),100%容量計)達(dá)到約60%,即使如此,4小時儲能電池對累計電量盈余和短缺來說幾乎沒有差別。

在電池完全充電后,我們引入了10小時時長的500MW抽水蓄能。

這起到了一定的作用,但VRE資源的季節(jié)性非常強,這意味著即使儲能電池在充滿電的情況下, 10小時的儲能時長也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,無法避免出現(xiàn)需求超過供給的情況。

之后我們又假設(shè)有可以滿足額外電力需求的足夠的天然氣產(chǎn)能。結(jié)果發(fā)現(xiàn),所需的天然氣發(fā)電量為2.5GW,

在這個分析中,我們忽略的另一個問題是約1.4TWh或7%的溢出電量。首次試驗的結(jié)果總結(jié)如圖所示。



資本支出數(shù)字只是ITK通過一些經(jīng)驗法則得出的數(shù)字。可以看到,抽水蓄能使用率太低,電池也是如此。即使不考慮燃料成本,天然氣在資本成本中的占比也近一半。天然氣供應(yīng)量為1.38TWh,約占需求量的7.5%。

進(jìn)行優(yōu)化確實超出了本文范圍,無論如何,單單優(yōu)化南澳大利亞州的一個9個月期間是沒有意義的。

盡管如此,一個出發(fā)點是將電池持續(xù)時長減少到比如1小時。另外,電池持續(xù)時長可以根據(jù)成本增加到10小時且無需抽水蓄能。

讓我們減少電池的持續(xù)時長。在這個時間段內(nèi)的這一模型中,降低電池持續(xù)時長會導(dǎo)致未使用的能源出現(xiàn)下降、提高所有資產(chǎn)的容量利用率、降低5億美元總資本,但代價是燃?xì)膺\營成本和碳排放量的小幅增長。

顯然,我們還可以進(jìn)行更多優(yōu)化。最后,在這個特例中,我們可以對$/MWh固化成本進(jìn)行極為粗略的估算。

為此,假設(shè)包括電池在內(nèi)的所有固化資產(chǎn)都能維持20年,天然氣運營成本是固定的80美元/MWh。

假設(shè)沒有邏輯或計算錯誤(對于分析師來說,這是一個非常大的錯誤),最終得出的全壽期固化成本約為12美元/MWh。



我們馬上可以發(fā)現(xiàn),天然氣幾乎占總成本的80%,這表明,可以通過增加抽水蓄能的持續(xù)時長進(jìn)行更多優(yōu)化,但受制于上文中討論的與季節(jié)性限制相關(guān)的機會問題。

不過,這項工作最初并不是為了開發(fā)一個經(jīng)過優(yōu)化的系統(tǒng)。相反,這只是一項對持續(xù)時間問題的早期研究。當(dāng)然,還有更多的內(nèi)容可以討論,但對于過量的認(rèn)知來說,已經(jīng)足夠了。



 原標(biāo)題:儲能重要的不僅是能量大小,還有持續(xù)時長
 
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來源:儲能觀察
 
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