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儲能重要的不僅是能量大小,還有持續時長

作者:David Leitch 來源:儲能觀察 發布時間:2020-06-16 瀏覽:
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新能源供電的季節性是一個大問題,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。

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,即使電量流進流出各有其利益,在NEM范圍內可能也需要一些長期儲能。

在真正了解我們談論的內容之前,對于研究儲能時長要求的領域,我們還有很多工作要做。

風能和太陽能的季節性是一個大問題

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

在美國,不知何故,附屬服務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到約4小時,但我們忽略了數個位于昆士蘭州的小型電池。

迄今為止,澳大利亞實質上承諾的總電量僅為逾500MW。過去12個月,NEM范圍內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,大多數人應會頗感驚訝。

這些儲能電池系統最顯著的價值在于緊急調頻控制,由于大多數應急事件只會持續數分鐘,所以為實現這一目的而需要的時長非常短。

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

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這一問題。而并不是研究個別電池或抽水蓄能運營商的發展前景,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象非常嚴重并會日益加重

此前,我們估算了2019年9月1日-2020年5月24日間,南澳大利亞州的現有風電和太陽能產能。

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展的時段。

重復一下相關內容。在每小時均值的基礎上,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。在這段短暫的期間內,冶煉廠的運行毫無問題。

在此期間,也未出現引人注目的惰轉事故。下圖中未顯示電力進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,大多數小型樣本更不穩定。

所以,我們這份南澳大利亞州分析很可能會高估NEM范圍內存在的問題。在這一背景下,我們將VRE供應量提升了5/9=55%,以使VRE總產能等于總需求。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時長“運行”,但有幾個讀者發私信告訴我,他們覺得缺少了這部分內容,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、很多東西需要學習。

VRE和需求存在非常強的季節性

首先,我們簡單累積了約8個月的、需求超過VRE的半個小時數據。也就是說,對于每一個連續的半個小時,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)。

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,負數代表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。VRE產出量設計為等同于該期間的總需求量。

圖片來源:NEM Review

Snowy表示,目標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,即由于存在季節性儲能和儲能充電的需求,Snowy是為季節性使用而設計的。

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

例如,得出的一系列結果如圖所示。

說的再清楚一些,圖表顯示,樣本期內,需求量超過VRE產能的、連續兩個半個小時的次數為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行了對比,發現的聯系是筆者未曾想到的。提出的新假設是,時長不足和所需電力之間的正相關度與晚間風力逐漸平息有關。


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、雨或云的暫時平息。風速快速下降時,可能會趨向于停留在一個較低水平,然后逐漸回升。

當這種情況在夜間出現、又沒有太陽能彌補差額時,這種效應會特別明顯。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、需求持續超過供應的運行時段。其中一次是在2020年5月,這一時段的平均差額為313MW。

未加粗的原始數據表明,風速下降更為明顯。

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個半個小時進行了排序。數字顯示,在約98%的時間里,1500MW都是足夠的。

在這個較為業余的練習中,我們假設另外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,應該怎么辦?在我們的封閉系統中,不存在電力輸出。

同樣,在下半年,需求超過VRE產能的凈盈余會被抵消,導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,100%容量計)達到約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遠不夠的,無法避免出現需求超過供給的情況。

之后我們又假設有可以滿足額外電力需求的足夠的天然氣產能。結果發現,所需的天然氣發電量為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。首次試驗的結果總結如圖所示。

資本支出數字只是ITK通過一些經驗法則得出的數字??梢钥吹?,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。天然氣供應量為1.38TWh,約占需求量的7.5%。

進行優化確實超出了本文范圍,無論如何,單單優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,一個出發點是將電池持續時長減少到比如1小時。另外,電池持續時長可以根據成本增加到10小時且無需抽水蓄能。

讓我們減少電池的持續時長。在這個時間段內的這一模型中,降低電池持續時長會導致未使用的能源出現下降、提高所有資產的容量利用率、降低5億美元總資本,但代價是燃氣運營成本和碳排放量的小幅增長。

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

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

假設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。

我們馬上可以發現,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時長進行更多優化,但受制于上文中討論的與季節性限制相關的機會問題。

不過,這項工作最初并不是為了開發一個經過優化的系統。相反,這只是一項對持續時間問題的早期研究。當然,還有更多的內容可以討論,但對于過量的認知來說,已經足夠了。

關于作者:David Leitch,ITK的負責人,專門研究電力、天然氣和脫碳分析。

關鍵字:儲能系統

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