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國外儲能電站應用分析及對我國的啟示

2019-07-03 16:04 來源: 招標采購導航網

獨立的儲能電站也許還不能與傳統電源一爭高下,但未來新能源與儲能相結合對傳統電源的影響將是革命性的。

近幾年電力能源領域話題最多的當數新能源。隨著新能源的快速發展,消納矛盾日益凸顯,通過儲能技術解決棄風棄光問題成為一種選擇。

電能具有發輸供用實時平衡的特點,人們希望電能也可以像其他化石能源一樣得以存儲,所以儲能幾乎伴隨著電力的發明被人們所關注,數百年來世界各國從未停止各種探索,研究出了抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、電化學儲能、電磁儲能等多種電能存儲形式。

截止2018年,全球投運儲能項目累計裝機規模180.9GW,其中抽水蓄能裝機規模最大,為170.7GW,占全球儲能總裝機容量的94%,電化學儲能的累計裝機規模次之,為4.9GW,占到了3.6%,其中鋰離子電池占比達到了86%。

隨著應用需求的不斷擴大,各國支持政策持續出臺以及制造工藝不斷完善,近年來儲能電池技術發展迅猛,電池安全性、循環壽命和能量密度等關鍵技術指標均得到了大幅提升,應用成本快速下降。

其中鋰電池能量密度5年來提高了1倍、循環壽命提高了2~3倍、應用成本下降了60%;鉛炭電池循環壽命較傳統鉛酸電池提升了3~4倍,再生利用率達97%,綜合度電成本約0.6元/千瓦時·次,均接近盈虧平衡點,大規模商業化應用初現端倪。

與小型的戶用儲能系統不同,儲能電站專指面向電網的規模化儲能設施,其容量在數兆瓦至數百兆瓦,在一定程度上達到了電站級的規模。之所以關注規模化的儲能電站,是因為其對能源轉型、在電力系統各環節的作用以及改變電網形態都具有重要意義。

2018年夏天,總投資7.85億元、總規模101MW/202MWh的鎮江電化學儲能電站項目投運,對緩解當地夏季負荷高峰發揮了重要作用。該項目是我國第一個真正意義上服務于電網的規模化獨立運行的儲能電站,在儲能界刮起了一陣旋風,不到一年的時間,河南、長沙、甘肅百兆瓦級的儲能電站紛紛上馬。

儲能的價格雖然降了很多,但與替代措施相比仍然很高,還未達到與其他傳統能源相競爭的地步。國外儲能電站在一些領域已經得到商業化應用,他們的驅動因素也是各有特色。

儲能成為多元化保障供電能力的重要選擇

2012年1月31日,美國南加州愛迪生公司宣布,因為內部蒸汽管道發生泄漏,由該公司主要負責運營的圣奧諾弗雷核電站3號反應堆已被關閉。

圣奧諾弗雷核電站有兩個正在運轉的核反應堆,裝機容量為2200兆瓦,是南加州最大的電力來源,可滿足140萬家庭的電力需求。此次核電站反應堆的關閉引起了人們對電力供應可靠性方面的擔憂。

加州阿里索(Aliso Canyon)天然氣氣田泄露所引發的電力短缺危機加速了加州對于安裝儲能系統、保障供電安全的步伐。

發生事故的Aliso Canyon天然氣地下儲氣庫隸屬于美國Sempra能源公司下屬南加州天然氣公司,2015年10月至2016年2月期間,儲氣井共計泄漏天然氣10.7萬噸,是美國歷史上最大的天然氣泄漏事故,前后共導致1.1萬名附近居民離家疏散,總損失約10 億美元。

Aliso Canyon天然氣氣田在冬季可滿足CEC所轄區域內20%的高峰負荷,夏季滿足6 0%的高峰負荷。若沒有Aliso Canyon的天然氣儲備,將給地區的供電、供暖和燃氣供應帶來嚴重挑戰。為了彌補電力不足,加州六個月的時間里在幾個地點部署了100兆瓦的儲能設備。

隨著儲能應用的價值和重要性日益顯現,為培育多元化儲能技術,創造有利于儲能技術企業和系統集成商發展的長期穩定市場,保障加州電力系統電力、電量供應,加州從2010年開始研究實施公用事業公司儲能強制采購計劃,通過歷次立法,要求加州三大系統運營商(PG&E、SCE和SDG&E)到2020年部署1. 8GW儲能的目標。

截至2017年底,美國大容量儲能裝機708MW/867MWh,其中加州約127MW,容量380MWh,占到已投運項目44%的能量規模和18%的功率規模。

公平開放的電力市場為儲能提供了平臺

PJM負責美國13個州以及哥倫比亞特區電力系統的運行與管理,集中調度美國目前最大、最復雜的電力控制區,擁有獨立的調頻市場。

PJM也是美國儲能電站功率裝機規模最大的地區,占到已投運項目近40%的功率規模和31%的能量規模,平均功率規模為12MW,平均儲能充放電時長為45分鐘,且大部分為獨立的儲能運營商。儲能電站之所以在PJM調頻市場中得到較好的商業化運營,得益于公平的市場環境和按效果付費的價格機制。

聯邦能源管理委員會自2007年起通過立法,要求各電力市場的組織者修改市場規則,消除歧視性條款,允許包括儲能在內的新興設施接入電力系統并參與電力市場,2011年發布75 5號令制定了調頻輔助服務按效果付費補償機制。在此基礎上,2012年PJM市場創建了快速調頻市場。

儲能憑借快速的響應特性,在各類調頻資源中拔得頭籌,取代燃氣機組成為PJM最大調頻來源。2015年約有17 7MW儲能參與PJM調頻市場。到2016年上半年,容量增加到265MW,2016上半年PJM 總調頻費用4295萬美元,較2015年同期減少62.4%。

PJM調頻市場的儲能應用也并非一帆風順,儲能響應速度快,但持續提供調頻服務的時間有限制,PJM發現,在系統需要調節的時候儲能可能反向充放電,給系統增加調頻負擔,為此PJM不得不向其他調頻資源支付更多調頻費用以應對上述情況。

PJM于2015年末調低快速調頻資源效益因子,導致PJM出清的儲能調頻服務減少,2016年總收入降幅達到32%,直接打擊了儲能運營商投資積極性。

英國去核、去煤能源計劃加大容量市場對儲能的需求

英國電力市場化改革是世界許多國家參考的典范,也深刻影響著我們國家的電改路徑。英國自1989年開始至今施行了三次比較大的改革,2011年,英國能源部正式發布了《電力市場化改革白皮書(2011)》,開始了以促進低碳電力發展為核心的第三輪電力市場改革,容量市場作為本次改革的一個重要組成部分而被提出。

容量市場的建立也是基于一定的能源發展背景,歐盟決心推動新能源變革,《巴黎協定》、《2030年氣候與能源框架協議》、《可再生能源發展指南》不斷推動英國能源更新換代,新能源擠占傳統化石能源發電份額,加快燃煤、核電等機組的退役。

2010年至2016年間共退役23GW裝機容量的燃煤電站及核電站,這其中除了正常退役的機組以外,也包括了部分由于環保要求而提前退役的機組;預計未來10年,還將有24GW的燃煤電站及核電站面臨退役。

傳統發電機組退役一方面使得電網可用資源減少,調節能力減弱;另一方面傳統機組盈利能力更加不穩定,降低了社會投資信心。同時隨著經濟社會的發展,英國電力市場的需求還將繼續增長,加劇了對備用容量的需求。

2013年英國能源氣候變化部頒布了《英國電力市場改革執行方案》,其目的希望通過建立容量市場,為容量提供穩定、持續性的新刺激,保證現有容量機組的盈利能力,維持投資者對新建容量機組的熱情,減少目前較高的容量儲備所帶來的資金流失。

英國從2016年開始允許包括電化學儲能在內的新興資源參與容量市場,容量市場允許參與容量競拍的資源同時參與電能批發市場,大大促進了英國儲能裝機容量的快速提升。

2016年,超過500MW的儲能資源在容量市場拍賣中中標,占該年總競拍容量的6%,且此次拍賣出清價格為22英鎊每千瓦每年,高于前一年18英鎊每千瓦每年。

同樣,作為新興事物的儲能,參與市場也非一帆風順。儲能電站在容量市場大量中標,引起部分傳統電源運營商質疑。

2017年初,他們向主管部門施壓,認為儲能不具備長期供電能力,會對電力供應安全構成風險。2017年12月,英國容量市場修改了針對儲能電池的降額系數,該系數在一定程度上表征著在電力系統緊急事件中儲能貢獻的容量價值,直接影響儲能在容量市場中的收益。

降額系統的調整主要針對放電時間小于4小時的儲能系統,尤其對于放電時間為30分鐘左右的儲能系統影響很大。該調整使得持續放電時間較短的儲能系統在容量市場中收益明顯降低。

2018年11月,因需求管理供應商Tempus Energy公司質疑英國容量市場規則偏向傳統發電機組,歧視需求響應和儲能等新興資源,歐洲法院裁定暫停英國容量市場競拍。隨著成本降低,儲能將在更多應用領域扮演著重要角色,與傳統發電機組的博弈才剛剛開始。

儲能是新能源高占比系統最佳支撐技術

應對間歇性、隨機性新能源大規模并網,電網需要更加靈活的調節資源。儲能系統可有效平滑新能源場站出力波動,降低新能源隨機性和波動性對電網運行的影響,顯著提升跟蹤計劃的能力;儲能系統可改善新能源場站無功調節能力,平抑并網點電壓波動,提升局部電網電壓穩定性;在棄風棄光情況下存儲剩余電量,保障綠色電能全額消納。

獨立的儲能電站也許還不能與傳統電源一爭高下,但未來新能源與儲能相結合對傳統電源的影響將是革命性的。

南澳州可再生能源發電占比高,是澳大利亞占比最高的州,天然氣發電規模大但氣源緊張,電力供應不確定性大,且電網對外聯系薄弱,難以依靠電網互聯進行互濟支撐,需要建設儲能這樣的高靈活性電源。

截至2017年底,南澳州電源總裝機544萬千瓦,其中風電170萬千瓦,光伏78萬千瓦,合計占比46%;燃氣發電裝機267萬千瓦,占49%。南澳州僅有兩條線路(輸電能力82萬千瓦)與維多利亞州相連。

2017年3月南澳州政府出臺《能源計劃》,提出建立儲能和可再生能源技術基金,對儲能項目建設予以部分資金資助,總預算1.5億澳元。南澳州特斯拉電池儲能項目獲得政府經濟資助,并通過參與電量市場和輔助服務市場獲利。

該項目位于南澳州Hor nsdale風電場附近,由該風電場業主投資并負責運營,特斯拉公司建設,采用鋰離子電池技術,總容量10 0MW/12 9MWh,2017年12月1日與風電場三期項目同時投運。

2017年底,澳大利亞非用戶側儲能達到了174MW,規劃與建設的儲能容量超過575MW,大部分項目與新能源發電相關。

近年來意大利可再生能源發電的持續增長,特別是意大利南部和西西里、薩丁島,風電和太陽能發電發展迅速,對電網的滲透率越來越高,其中西西里島和薩丁島的風電、太陽能發電已經分別到達當地總發電量的36%和41%,且島內電網與主網的聯絡比較薄弱,系統穩定裕度比較小,為提高電網可再生能源接納能力,降低因電網原因造成的棄風、棄光電量,意大利國家輸電網公司Ter na在意大利薩丁島、西西里島分別安裝了8.65MW、7.3MW儲能系統,在中南部電網分3個地點安裝了6套儲能系統,規模35MW/23MWh。

監管層面,意大利電力監管政策允許Terna建設和運營用于輸電網安全運行、提高可再生能源滲透率和用于調度服務的發電設施。并且項目在列入電網規劃并經過經濟發展部和監管機構批準后,相應的投資可以享受相應的資產回報。

我國儲能電站未來可期、道路荊棘

從國外儲能電站的發展經驗來看:一是需求驅動,合理引導。二是宜市場則市場,宜監管則監管。三是建立完善的市場機制,合理的價格形成機制。四是儲能電站的發展不是一蹴而就,而是各利益主體相互博弈的過程,其本質也是能源技術經濟的博弈。

得益于清晰的盈利模式,2017年以前,我國儲能項目主要集中在用戶側,自去年以來,我國電網側的儲能電站實現了階躍式的發展,截止2018年,我國累計投運電化學儲能項目達到了1.02GW/2.9GWh,電網側儲能電站貢獻了接近三分之一的容量。

與國外儲能電站的應用相比,我國投運的儲能電站呈現如下特點,全部由電網輔業單位投資建設,電網公司租賃,其功能為保障電力可靠供應,保障電網安全穩定運行,相關成本也尚未有明確的疏導機制,相對國外儲能電站的發展,我國儲能電站還面臨著諸多問題。

政策方面

盡管國家出臺了諸多政策和文件均強調要積極發展儲能,發揮儲能在電網調峰、可再生能源并網等領域的作用,但這些政策和文件只是明確了儲能的“重要性”,沒有配套出臺可操作的“實用性”政策。業界評論我國儲能處于廠商投資熱、研究評論熱、主管部門反應平淡的局面。

價格機制方面

電網側獨立儲能電站的上網電價、充電電價未有明確定位,價格機制作為儲能項目的生命線直接決定項目的可持續發展。市場準入方面,獨立儲能電站可參與的市場類型有限,現貨市場尚未建成,輔助服務市場品種單一,且缺乏可操作性,尚未有獨立儲能電站參與市場的實際案例。

投資主體方面

仍以電網企業投資為主,社會資本參與較少,電網側儲能電站投資強度也將直接影響商業模式的創新發展。盈利模式方面,電網公司投資的儲能設施缺少成本疏導機制,社會資本投資的儲能項目缺少可預期的盈利空間。

目前主流觀點是通過市場化方式,提高儲能技術性能,降低成本實現商業化運營。我國正處于電力體制改革過渡期,市場機制還不完善,而規模化大容量的儲能電站投資大、應用專,更需要完善的市場機制予以保障。正如本文開篇所說儲能電站對能源轉型、在電力系統各環節的作用以及改變電網形態都具有重要意義,未來將備受各界關注。 能源雜志

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