1. 自發(fā)自用VRE的挑戰(zhàn)
全球電力系統(tǒng)正在進行深度變革。傳統(tǒng)上大型熱力發(fā)電和水力發(fā)電的集中式發(fā)電系統(tǒng),正在向更復雜、分散的系統(tǒng)轉型??稍偕茉幢壤奶岣?,市場規(guī)模的擴大以及信息通信技術(ICT)技術的應用促進了小規(guī)模、分散式發(fā)電為主的智能電網發(fā)展。在智能電網下,消費者層面的可再生能源自我消納是主要的創(chuàng)新方式之一,這將極大改變電力系統(tǒng)的架構及其運行方式。
可再生能源的自我消納是指可再生能源發(fā)電不并網,而是直接被消費者通過與電力生產者之間的某種合約直接消納(Dehler et al.,2017)。隨著可再生能源成本的快速下降(IRENA,2018c),一些消費者會發(fā)現(xiàn)通過自發(fā)自用是經濟的,技術上也是可行的。因此,自發(fā)自用成為了一種廣泛接受的概念。光伏是最常見的自我消納的可再生能源,主要是因為成本低、容易調制。小型風力發(fā)電機雖然沒有廣泛采用,但也已經被用來自發(fā)自用(Enair,2019)。
可再生能源自發(fā)自用的主要挑戰(zhàn)是光伏和風電都是波動性的資源,其發(fā)電不能一直滿足用戶需求。在一些時段,它們會生產過多的電力,但是在其他一些時段又無法滿足需求。消費者不能只依賴VRE。最常見的方式是安裝光伏發(fā)電板來滿足日間需求,同時,通過連接電網,當自發(fā)電不能滿足時,從電網上獲得電力供應。當光伏發(fā)電過剩時,可以輸送給電網,否則就要棄電,見圖1。
來源:SMA Solar Technology(2019)。
圖1 自發(fā)自用系統(tǒng)的發(fā)電和需求情況
圖1 自發(fā)自用系統(tǒng)的發(fā)電和需求情況
這種情況下,消費者仍然需要依賴電網供電。如果目標僅僅是擺脫對電網的依賴,或者實現(xiàn)最大化發(fā)電上網,就必須要找到其他方案。電力儲能可以為業(yè)主和電網的分布式發(fā)電系統(tǒng)提供極大幫助。
2. 解決方案:“電表后”電力儲能
電力儲能可以吸收一些時段的多余電量,并在需要的時段使用。從自發(fā)自用的角度看,電力儲能和光伏結合可以實現(xiàn)白天多余電力充電、晚上放電。這種儲能形式一般稱為“電表后”(BTM)儲能,因為儲能裝置位于并網點之后,在消費者和可再生能源資產中間。
消費者的收益
“電表后”儲能帶來的最大收益是最大化利用了自發(fā)電量。這意味著儲能系統(tǒng)吸收掉了所有的多余電量,然后在無光伏發(fā)電的時候滿足所有的用電需要。此時,如果儲能系統(tǒng)不能滿足需求,還可以從電網上取電。根據IRENA報告(2019d),“電表后”儲能的其他好處還有:
(1)降低了消費者的電費支出。在電量過剩、電價低的時候充電,在電價高的時候將電量賣給電網。
(2)降低了基本電費。基本電費一般是根據消費者最高用電需求確定的。
(3)提供了電力備用并提高了消費者用能彈性。
電網運營商的收益:
如果消費者仍然是接電網的,“電表后”儲能也可以為電網運營商帶來收益。IRENA的報告(2019d)顯示,電網運營商的收益包括:
(1)通過調頻和能量轉移提高了靈活性。
(2)延緩了電網投資。
(3)延緩了調峰電廠投資。
來源:Rathi, A(2018)。
圖2 德國戶用電力儲能
圖2 德國戶用電力儲能
3. “電表后”儲能應用和實例
在全球的很多國家,“電表后”儲能的安裝已經成為一種流行的方式,其應用每年都在增長。比如,在德國,截至2018年夏天,戶用電力儲能系統(tǒng)已經超過了100000。到2020年,這一數(shù)字預計會翻番(Parkin,2018)。
澳大利亞是另一個“電表后”儲能增長的市場。2017年,戶用電池系統(tǒng)超過了21000。澳大利亞希望進一步促進這一增長,2025年的目標是安裝1百萬的戶用電池系統(tǒng)。目前,聯(lián)邦政府計劃投入2億澳元來激勵10萬個新增戶用電池系統(tǒng)的安裝。如果消費者安裝4kWh的戶用電力儲能,該計劃可以提供500澳元/kWh的補貼撥款。這樣計算,每套系統(tǒng)的補貼金額是2000澳元(Martin,2018)。
“電表后”儲能項目可以為消費者和電網運營商提供收益,IRENA(2019d)對此進行了詳細描述,包括:
(1)Poway Unified SchoolDistrict的6MWh“電表后”儲能系統(tǒng),主要用于降低用電消費支出。加利福尼亞校區(qū)預計會在10年內節(jié)約140萬美元。
(2)Green Mountain Power在美國Vermont客戶的場所安裝了2000套特斯拉Powerwall 2電池單元,用于提供電網備用電力。這些系統(tǒng)需要消費者預付1500美元或者每月繳納15美元,預計全壽期內可以為消費者節(jié)約2~3百萬美元。對于電網,安裝電池系統(tǒng)可以幫助電網削峰。2018年7月,通過削峰節(jié)約了50萬美元(Brooks,2018)。
(3)新西蘭的一家機構Eneco啟動了CrowdNett,實際上是“電表后”儲能組成的虛擬電廠。除了自發(fā)自用幫助用戶省錢外,這些電池可以參與現(xiàn)貨市場和輔助服務市場,也為電網帶來了收益(Eneco,2016)。
4. “電表后”儲能的關鍵組成
聚合商
需要重視聚合商扮演的角色以及它可以為“電表后”儲能提供的價值。聚合商是主要運營虛擬電廠的新型市場參與者。聚合商將分布式電源聚合起來,然后向電網提供服務(IRENA,2019c)。圖3顯示了聚合商是如何工作的。
注:CHP(combined heat and power)是熱電聯(lián)產。
中央控制系統(tǒng)或分布式能源管理系統(tǒng)(DEMS)發(fā)送優(yōu)化的調度指令給可調度的分布式電源。
圖3 聚合商概述
中央控制系統(tǒng)或分布式能源管理系統(tǒng)(DEMS)發(fā)送優(yōu)化的調度指令給可調度的分布式電源。
圖3 聚合商概述
聚合商允許提高“電表后”儲能在不同電力市場的參與度,這有助于降低電力邊際成本并優(yōu)化電網基礎設施投資。然而,它們需要一個合理的監(jiān)管框架和先進計量設施來充分發(fā)揮潛能。儲能聚合商的案例包括:
(1)Eneco CrowdNett,前面已經介紹了。
(2)STEM,一家總部位于加利福尼亞的創(chuàng)業(yè)公司,采用人工智能和“電表后”儲能創(chuàng)建虛擬電廠,通過提供不同的服務(如能源套利)降低商業(yè)用戶的電力成本(Stem,2019)。
(3)sonnenCommunity“電表后”儲能聚合模型,一家來自電池企業(yè)Sonnen的德國聚合商,允許消費者參與電網服務(Sonnen,2019)。
分時電價
另一個重要的賦能者是計時(ToU)收費,它也可以支持需求響應。分時電價的費率是隨時間變化的,取決于電網平衡和短期批發(fā)市場價格(IRENA,2019e)。分時電價允許消費者調整用電來降低用電成本。
分時電價可以讓消費者看到電價什么時候高、什么時候低,并為消費者建議最佳的充電時間。有多種不同的分時電價形式:固定分時電價、實時電價、可變尖峰電價、臨界尖峰電價。采用分時電價的國家包括意大利(固定分時電價)、西班牙和瑞典(實時電價)和法國(臨界尖峰電價)。
高電價意味著可以通過賺取電價差的方式從電網獲得收入。然而,做到這一點,還需要網絡計費機制。
凈記賬機制
為了獲得足夠的收入保證“電表后”儲能的盈利,電池需要在低電價時充電并在高電價時放電,價格差可以產生充足的現(xiàn)金流。要做到這一點,傳統(tǒng)的凈計量電價機制失效了。采用凈計量電價時,總的凈用電(一般是用電量減去向電網供應的電量)可以計算出來,乘以一個特定的價格得到總費用,以該費用進行支付。
如果儲能需要從電價差中獲利,可以采用凈記賬機制。凈記賬機制下,根據消費或發(fā)電上網的電量進行補償,這允許消費者以較低的電價充電、以較高的電價放電。圖64顯示了凈記賬機制下的電費流向。有些國家已經實施了這種機制來激勵自發(fā)自用。
來源:IRENA(2019f)。
圖4 凈記賬機制下的電力和電費流向
圖4 凈記賬機制下的電力和電費流向
在意大利,“Ssitema Effciente diUtenza”(SEU)對自發(fā)自用進行監(jiān)管,該條例設定了自我消納資源的符合性要求(Sani,2016)。此外,200kW以下的新能源發(fā)電資源,儲能作為自我消納資源適用于“Sacmbio sul posto”,這實際上是一種凈記賬機制,根據向電網售電的部分返還一部分用電費用(GSE,2016)。
實施凈記賬機制的國家還有墨西哥、智利、印度尼西亞、葡萄牙和德國。
其他
其他激勵“電表后”儲能應用的措施還包括:
(1)監(jiān)管框架,尤其是在沒有價格上限的開放電力批發(fā)市場(如,NYISO)。
(2)先進計量設施。
(3)更精確的發(fā)電預測。
5. 結論(案例8:“電表后”電力儲能)
近年來,傳統(tǒng)電網開始向智能電網轉型。消費者可以使用自建的可再生能源直接與電網互動。為了最大化自發(fā)自用給用戶和電網帶來的收益,“電表后”電力儲能(如電池)是關鍵的資源。“電表后”儲能可以為消費者降低用電費用和基本電費、提供備用電力,可以為電網提供更多的靈活性、延緩電網和調峰電廠投資。
“電表后”儲能已經獲得了應用。比如,截至2018年夏季,德國已經安裝了超過100000套“電表后”儲能系統(tǒng)。2017年,澳大利亞已經安裝了21000套戶用電池系統(tǒng)。還有其他的一些案例。“電表后”儲能為消費者帶來了收益,比如,Poway Unified School District的6MWh“電表后”儲能系統(tǒng)預計在未來十年為消費者節(jié)約140萬美元費用。
為了繼續(xù)激勵“電表后”儲能的應用,需要一個連續(xù)且良好的監(jiān)管框架。這種框架必須滿足:a)聚合商的參與,可以作為虛擬電廠向電網提供服務來提高“電表后”儲能的價值;b)分時電價,可以幫助消費者在最經濟的時候充電、放電;c)凈記賬機制,可以增加“電表后”儲能充放電的收入。
原標題:IRENA-全球儲能典型應用系列-8:“電表后”電力儲能