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欧洲如何采用储能系统和智能电网构建未来可持续的电力系统
  • 能源数据分析和咨询机构EnAppSys公司董事Paul Verrill日前发表了一篇文章,对可再生能源发电设施与智能电网和储能系统相结合如何构建未来可持续的电力系统进行了阐述和分析。

    能源数据分析和咨询机构EnAppSys公司董事Paul Verrill日前发表了一篇文章,对可再生能源发电设施与智能电网和储能系统相结合如何构建未来可持续的电力系统进行了阐述和分析。
      
      欧洲各国的电力市场中可再生能源发电量如今都有所增长,欧洲2019年可再生能源的发电量超过了化石燃料发电量。尽管近年来增长速度有所放缓,但可再生能源发电在电网能源比例越来越高。
      
      水力发电仍占欧洲市场上可再生能源发电的主要份额,但其可再生能源的增长主要来自太阳能发电和风力发电的增长。而这种增长可能会导致电网供电的安全问题,重要的是为了维持电网稳定运行仍需运营一些化石燃料发电设施。这也意味着,在可再生能源产量较低的时期,要确保有足够的发电量来满足电力需求。
      
      迄今为止,欧洲大多数国家的解决方案是通过容量支付机制引入储备资金或可用性支付以补充现有发电设施的收入,并激励建设能够在可再生能源发电量较低时期满足电力需求的发电设施。这种机制为化石燃料发电设施的建设提供了支持,使能源转型管理难以实现,也减缓了关闭化石燃料发电设施的进程。
      
      这种机制和欧洲碳排放市场所产生的驱动力正在推动从燃煤发电到天然气发电的转型,但尚未推动向净零排放目标的过渡。
      
      例如,爱尔兰和英国等一些市场已经达到某些时期可再生能源发电量超过总发电量50%的地步,这给电网稳定运营带来了挑战。
       
      英国输电系统运营商(TSO)NationalGrid公司为此发布了一个英国未来能源发展愿调查报告,以研究未来可能的混合燃料发电量。图1中的图表显示了其可再生能源较高的情景,并绘制了电力平均需求预测图。这张图表明,已部署的可再生能源发电设施峰值发电量将会超过电力需求,虽然欧洲各国可以通过电网互联出口电力可以解决这一过剩问题,但邻国也有可能出现电力过剩的情况。
      
      图表显示了英国2030年和2030年夏季两周期间混合发电设施发电量的预测。这两张图是EnAppSys公司根据NationalGrid公司发布的未来能源愿景报告,并使用正向模型制作的,其中假设可以确定可再生能源发电过剩时期和可再生能源发电较低时期。在这两种情况下能够利用化石燃料发电来满足电力短缺时期的需求,并减少过多的可再生能源发电量。
      
      储能系统和智能电网可以在这种燃料组合中发挥关键作用,能够减少化石燃料的使用,限制对可再生能源发电的削减,并促进电网稳定运营。总体而言,可以促进欧洲实现净零排放目标。
      
      智能电网具有能够实时测量能源使用量、与通过计量确定未来需求的模型相结合,以及通过用户操作或自动改变能源使用量的特点。在用户侧具有发电或储能的某些电力需求站点也可以作为需要响应的一部分提供电力。
      
      真正实现脱碳需要部署不同类型的储能系统,这些储能系统将是可以提供短期、中期和长期持续放电功能的储能系统组合。智能电网或短时储能系统难以管理和应对可再生能源发电量较低或电力过剩期的时期。
      
      另外,当可再生能源的发电量较低时期,则需要长时储能设备的电力进行补充。
      
      在结合了储能系统和智能电网之后,电力需求和供应都有所不同,可以最大限度地利用可再生能源发电。
      
      电网侧储能系统和用户侧储能的组合使电力需求曲线与发电曲线更紧密地匹配。在可再生发电过剩时可以通过储能系统存储多余电力;或者在可再生能源发电较少时通过储能系统放电满足电力需求。这种组合已经实施,但尚未达到预期的规模。
      
      这些图表是英国2030年可再生燃料比例较高的市场预测,并假设没有电网互连器出口过量可再生能源的情况。这说明了在风力发电和太阳能发电比例高的市场中,需要大量部署低成本的储能系统。
      
      技术的发展
      
      当前,大多数储能系统采用的锂离子电池,而随着便携式电子设备的增长和电动汽车行业发展,大力推动了锂离子电池的市场需求。
      
      英国储能市场在过去五年中部署的锂离子电池储能项目的装机容量将近1GW。应该指出的是,部署这些储能项目的主要目的是增加可再生能源发电量,通过运行储能系统提高电网的稳定性。
      
      迄今为止,部署的这些储能项目通常是快速响应(不到一秒钟)并且持续放电时间短(少于1小时)的储能项目,旨在提供频率支持以维持电力供应。而随着投资成本的下降和技术性能的提高,这种情况将会改变,将会部署更多的长时储能系统。
      
      锂离子电池适合大规模部署,并且已经提供了一些商业化产品,例如特斯拉Powerwall。随着电动汽车市场的增长,电池储能系统可以与充电基础设施共用关键基础设施(逆变器等),使其互补并提供强大的智能电网功能。
      
      目前还有一些储能厂商正在开发液流电池,但研发支出水平明显低于锂离子电池,因为它们还没有像轻量化、高能量密度的锂离子电池储能系统那样具有大量的应用需求。液流电池技术具有长时储能的能力,并且具有为电网提供惯性、无功功率和容错稳定性服务的能力,而欧洲大多数电网系统都是为此而设计的。
      
      展望未来,未来可能会选择各种储能系统的混合部署,其中包括部署锂离子电池储能系统以提高响应速度,以及部署液流电池储能系统维持持续放电时间,并可能部署其他怕储能系统提供电网惯性。从技术角度来看,所有这些要素都会存在,但是其驱动因素并没有针对这些组合而发展。
      
      无论是英国还是欧洲各国,历史最悠久的储能系统是抽水蓄能设施。抽水蓄能设施可以为某些应用提供4到12个小时的储能时间。在欧洲,抽水蓄能设施的平均工作寿命约为30年,而新建的抽水蓄能设施翅很少,因为它们需要大量的前期投资入。
      
      氢气可以促进供热系统脱碳,也是利用现有发电基础设施的一种储能方式。在理想情况下,氢气是由过量的可再生能源或碳捕集技术生产的。这样做的好处是能够更好地利用天然气储存设施和天然气发电资产,在可再生能源产量较低的时期提供灵活、可持续的发电,从而简化了实现净零排放的过程。在上述案例研究中,在现有的天然气储运基础设施中生产、使用。储存氢气,将有助于实现热力发电设施和供热设施的脱碳。
      
      此外,随着智能电表的推出,欧洲各地正在部署越来越多的智能电网。用户能够通过智能电表以实时价格为基础支付电费,这推动了他们使用可再生能能源发电设施。
      
      面临的障碍
      
      部署储能系统和智能电网构建可持续电力系统面临的主要障碍是所需的投资水平。这需要投资者确定其收入,如果是家庭用户,则需要考虑是否能够负担其购买和部署成本。
      
      激励储能系统和智能电网部署的机制还不完善。这两种技术大部分投资要求其主要收入是通过商业市场获得的,而商业市场很难为其融资。在消费市场中,智能电表的推出有所帮助,但其使用仍然受到限制。
      
      随着对储能技术的投资增加,以及储能系统在向净零排放转型方面发挥越来越大的作用,如果以纯粹的商业方式运营,投资回报将会很低。其原因是其收入来自于电力峰值需求期间和低需求期之间的价差;而电力需求与发电量的匹配程度越高,价差越低。对于从提供电网稳定服务中获得收入的储能资产来说,储能系统部署过多可能造成过度竞争,从而导致收入降低。
      
      促成因素
      
      输电系统运营商(TSO)可以将某些中期和长期储能资产视为电网基础设施,并作为其整体电网投资计划的一部分,或者通过类似于电网互连器的上限和下限机制获得支持。这将有助于更具战略意义的储能部署,以减少输电设施的建设。
      
      在某些市场中,部署间歇性可再生能源技术需要开发商部署一定比例的储能系统,以匹配和支持他们的可再生能源发电设施。这为这些储能项目创造了市场,也为可再生能源提供了支持。
      
      目前,支持可再生能源/零碳排放的流程以技术为目标,一些政府保留了平衡所部署技术不利影响的要求。例如英国海上风力发电项目。
      
      在差价合约(CfD)机制的支持下,政府需要制定容量市场机制来应对电网可再生能源发电过高的影响,而输电系统运营商(TSO)则获得灵活性发电设施以满足电网稳定性要求。
      
      这要有可能扩大这一范围,寻求实现零碳或低碳发电的招标过程能够满足供需,这将使开发商能够开展合作创新,以组合方式提供解决方案。这将找到提供净零能源的更理想的解决方案,甚至可以在其中包含需求响应元素。
      
      以储能为目标的容量市场机制也可以提供推动传统发电设施的投资支持。但英国却通过降额方式,在容量机制中抑制储能系统的部署。
      
      结论
      
      储能系统和智能电网的开发和部署如今发展迅速,带来积极利益的项目正在欧洲各地部署。人们已经认识到储能系统和智能电网为可持续能源供应做出的潜在贡献,大多数输电系统运营商和政府都通过部署智能电表和储能系统以确定不断变化的燃料组合。
      
      尽管如此,到目前为止所取得的进展可以说是“落后于发展曲线”,英国于2019年8月遭遇的电力中断就证明了这一点。
      
      行业专家认为,在使储能系统和智能电网发挥更多潜力,并在欧洲提供可持续能源供应方面发挥重要作用的方面,欧洲目前还没有建立这样的市场架构。虽然正在实施一些支持投资的举措、试验和计划,但尚不清楚是否具有可扩展性,也不清楚欧洲市场是否就加大储能部署和采用电网技术达成共识。目前的重点是必须先确定目标,然后才能绘制出一张如何实现目标的路线图。
      
      编译:Harris
      
      


    能源数据分析和咨询机构EnAppSys公司董事Paul Verrill日前发表了一篇文章,对可再生能源发电设施与智能电网和储能系统相结合如何构建未来可持续的电力系统进行了阐述和分析。