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全球儲(chǔ)能典型應(yīng)用系列-7:離網(wǎng)系統(tǒng)的高比例VRE支持
日期:2021-04-06   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_qianjiao 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
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。

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,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),并在無陽光時(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,儲(chǔ)能的成本也在快速下降,未來仍將繼續(xù)下降。隨著成本越來越有競(jìng)爭(zhēng)力,并且未來成本更低,光伏未來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,將會(huì)有越來越多的光伏發(fā)電和少量的風(fēng)電來替代柴油發(fā)電,最終為當(dāng)?shù)靥峁╇娏Α?br />
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的說法,RECs證書的出售每年可以帶來額外的2000萬印度盧布(約29萬美元)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。 

原標(biāo)題:IRENA-全球儲(chǔ)能典型應(yīng)用系列-7:離網(wǎng)系統(tǒng)的高比例VRE支持
 
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