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          歐洲如何采用儲能系統和智能電網構建未來可持續的電力系統

          來源:UPS應用網 作者:Harris編輯 更新時間:2020/4/2 7:33:44

          摘要:能源數據分析和咨詢機構EnAppSys公司董事Paul Verrill日前發表了一篇文章,對可再生能源發電設施與智能電網和儲能系統相結合如何構建未來可持續的電力系統進行了闡述和分析。

            能源數據分析和咨詢機構EnAppSys公司董事Paul Verrill日前發表了一篇文章,對可再生能源發電設施與智能電網和儲能系統相結合如何構建未來可持續的電力系統進行了闡述和分析。
            
            歐洲各國的電力市場中可再生能源發電量如今都有所增長,歐洲2019年可再生能源的發電量超過了化石燃料發電量。盡管近年來增長速度有所放緩,但可再生能源發電在電網能源比例越來越高。
            
            水力發電仍占歐洲市場上可再生能源發電的主要份額,但其可再生能源的增長主要來自太陽能發電和風力發電的增長。而這種增長可能會導致電網供電的安全問題,重要的是為了維持電網穩定運行仍需運營一些化石燃料發電設施。這也意味著,在可再生能源產量較低的時期,要確保有足夠的發電量來滿足電力需求。
            
            迄今為止,歐洲大多數國家的解決方案是通過容量支付機制引入儲備資金或可用性支付以補充現有發電設施的收入,并激勵建設能夠在可再生能源發電量較低時期滿足電力需求的發電設施。這種機制為化石燃料發電設施的建設提供了支持,使能源轉型管理難以實現,也減緩了關閉化石燃料發電設施的進程。
            
            這種機制和歐洲碳排放市場所產生的驅動力正在推動從燃煤發電到天然氣發電的轉型,但尚未推動向凈零排放目標的過渡。
            
            例如,愛爾蘭和英國等一些市場已經達到某些時期可再生能源發電量超過總發電量50%的地步,這給電網穩定運營帶來了挑戰。
             
            英國輸電系統運營商(TSO)NationalGrid公司為此發布了一個英國未來能源發展愿調查報告,以研究未來可能的混合燃料發電量。圖1中的圖表顯示了其可再生能源較高的情景,并繪制了電力平均需求預測圖。這張圖表明,已部署的可再生能源發電設施峰值發電量將會超過電力需求,雖然歐洲各國可以通過電網互聯出口電力可以解決這一過剩問題,但鄰國也有可能出現電力過剩的情況。
            
            圖2和3中的圖表顯示了英國2030年和2030年夏季兩周期間混合發電設施發電量的預測。這兩張圖是EnAppSys公司根據NationalGrid公司發布的未來能源愿景報告,并使用正向模型制作的,其中假設可以確定可再生能源發電過剩時期和可再生能源發電較低時期。在這兩種情況下能夠利用化石燃料發電來滿足電力短缺時期的需求,并減少過多的可再生能源發電量。
            
            儲能系統和智能電網可以在這種燃料組合中發揮關鍵作用,能夠減少化石燃料的使用,限制對可再生能源發電的削減,并促進電網穩定運營。總體而言,可以促進歐洲實現凈零排放目標。
            
            智能電網具有能夠實時測量能源使用量、與通過計量確定未來需求的模型相結合,以及通過用戶操作或自動改變能源使用量的特點。在用戶側具有發電或儲能的某些電力需求站點也可以作為需要響應的一部分提供電力。
            
            真正實現脫碳需要部署不同類型的儲能系統,這些儲能系統將是可以提供短期、中期和長期持續放電功能的儲能系統組合。智能電網或短時儲能系統難以管理和應對可再生能源發電量較低或電力過剩期的時期。
            
            另外,當可再生能源的發電量較低時期,則需要長時儲能設備的電力進行補充。
              
            電網側儲能系統和用戶側儲能的組合使電力需求曲線與發電曲線更緊密地匹配。在可再生發電過剩時可以通過儲能系統存儲多余電力;或者在可再生能源發電較少時通過儲能系統放電滿足電力需求。這種組合已經實施,但尚未達到預期的規模。
            
            這些圖表是英國2030年可再生燃料比例較高的市場預測,并假設沒有電網互連器出口過量可再生能源的情況。這說明了在風力發電和太陽能發電比例高的市場中,需要大量部署低成本的儲能系統。
            
            技術的發展
            
            當前,大多數儲能系統采用的鋰離子電池,而隨著便攜式電子設備的增長和電動汽車行業發展,大力推動了鋰離子電池的市場需求。
            
            英國儲能市場在過去五年中部署的鋰離子電池儲能項目的裝機容量將近1GW。應該指出的是,部署這些儲能項目的主要目的是增加可再生能源發電量,通過運行儲能系統提高電網的穩定性。
            
            迄今為止,部署的這些儲能項目通常是快速響應(不到一秒鐘)并且持續放電時間短(少于1小時)的儲能項目,旨在提供頻率支持以維持電力供應。而隨著投資成本的下降和技術性能的提高,這種情況將會改變,將會部署更多的長時儲能系統。
            
            鋰離子電池適合大規模部署,并且已經提供了一些商業化產品,例如特斯拉Powerwall。隨著電動汽車市場的增長,電池儲能系統可以與充電基礎設施共用關鍵基礎設施(逆變器等),使其互補并提供強大的智能電網功能。
            
            目前還有一些儲能廠商正在開發液流電池,但研發支出水平明顯低于鋰離子電池,因為它們還沒有像輕量化、高能量密度的鋰離子電池儲能系統那樣具有大量的應用需求。液流電池技術具有長時儲能的能力,并且具有為電網提供慣性、無功功率和容錯穩定性服務的能力,而歐洲大多數電網系統都是為此而設計的。
            
            展望未來,未來可能會選擇各種儲能系統的混合部署,其中包括部署鋰離子電池儲能系統以提高響應速度,以及部署液流電池儲能系統維持持續放電時間,并可能部署其他怕儲能系統提供電網慣性。從技術角度來看,所有這些要素都會存在,但是其驅動因素并沒有針對這些組合而發展。
            
            無論是英國還是歐洲各國,歷史最悠久的儲能系統是抽水蓄能設施。抽水蓄能設施可以為某些應用提供4到12個小時的儲能時間。在歐洲,抽水蓄能設施的平均工作壽命約為30年,而新建的抽水蓄能設施翅很少,因為它們需要大量的前期投資入。
            
            氫氣可以促進供熱系統脫碳,也是利用現有發電基礎設施的一種儲能方式。在理想情況下,氫氣是由過量的可再生能源或碳捕集技術生產的。這樣做的好處是能夠更好地利用天然氣儲存設施和天然氣發電資產,在可再生能源產量較低的時期提供靈活、可持續的發電,從而簡化了實現凈零排放的過程。在上述案例研究中,在現有的天然氣儲運基礎設施中生產、使用。儲存氫氣,將有助于實現熱力發電設施和供熱設施的脫碳。
            
            此外,隨著智能電表的推出,歐洲各地正在部署越來越多的智能電網。用戶能夠通過智能電表以實時價格為基礎支付電費,這推動了他們使用可再生能能源發電設施。
            
            面臨的障礙
            
            部署儲能系統和智能電網構建可持續電力系統面臨的主要障礙是所需的投資水平。這需要投資者確定其收入,如果是家庭用戶,則需要考慮是否能夠負擔其購買和部署成本。
            
            激勵儲能系統和智能電網部署的機制還不完善。這兩種技術大部分投資要求其主要收入是通過商業市場獲得的,而商業市場很難為其融資。在消費市場中,智能電表的推出有所幫助,但其使用仍然受到限制。
            
            隨著對儲能技術的投資增加,以及儲能系統在向凈零排放轉型方面發揮越來越大的作用,如果以純粹的商業方式運營,投資回報將會很低。其原因是其收入來自于電力峰值需求期間和低需求期之間的價差;而電力需求與發電量的匹配程度越高,價差越低。對于從提供電網穩定服務中獲得收入的儲能資產來說,儲能系統部署過多可能造成過度競爭,從而導致收入降低。
            
            促成因素
            
            輸電系統運營商(TSO)可以將某些中期和長期儲能資產視為電網基礎設施,并作為其整體電網投資計劃的一部分,或者通過類似于電網互連器的上限和下限機制獲得支持。這將有助于更具戰略意義的儲能部署,以減少輸電設施的建設。
            
            在某些市場中,部署間歇性可再生能源技術需要開發商部署一定比例的儲能系統,以匹配和支持他們的可再生能源發電設施。這為這些儲能項目創造了市場,也為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術為目標,一些政府保留了平衡所部署技術不利影響的要求。例如英國海上風力發電項目。
            
            在差價合約(CfD)機制的支持下,政府需要制定容量市場機制來應對電網可再生能源發電過高的影響,而輸電系統運營商(TSO)則獲得靈活性發電設施以滿足電網穩定性要求。
            
            這要有可能擴大這一范圍,尋求實現零碳或低碳發電的招標過程能夠滿足供需,這將使開發商能夠開展合作創新,以組合方式提供解決方案。這將找到提供凈零能源的更理想的解決方案,甚至可以在其中包含需求響應元素。
            
            以儲能為目標的容量市場機制也可以提供推動傳統發電設施的投資支持。但英國卻通過降額方式,在容量機制中抑制儲能系統的部署。
            
            結論
            
            儲能系統和智能電網的開發和部署如今發展迅速,帶來積極利益的項目正在歐洲各地部署。人們已經認識到儲能系統和智能電網為可持續能源供應做出的潛在貢獻,大多數輸電系統運營商和政府都通過部署智能電表和儲能系統以確定不斷變化的燃料組合。
            
            盡管如此,到目前為止所取得的進展可以說是“落后于發展曲線”,英國于2019年8月遭遇的電力中斷就證明了這一點。
            
            行業專家認為,在使儲能系統和智能電網發揮更多潛力,并在歐洲提供可持續能源供應方面發揮重要作用的方面,歐洲目前還沒有建立這樣的市場架構。雖然正在實施一些支持投資的舉措、試驗和計劃,但尚不清楚是否具有可擴展性,也不清楚歐洲市場是否就加大儲能部署和采用電網技術達成共識。目前的重點是必須先確定目標,然后才能繪制出一張如何實現目標的路線圖。
            
            編輯:Harris
            
            

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