編者按:近日,隨著各種儲能技術(shù)的成本的下降,電網(wǎng)與儲能之間形成一種互補(bǔ)或替代的關(guān)系。
各種儲能技術(shù)的成本在過去若干年實(shí)現(xiàn)大幅下降,特別是鋰離子電池技術(shù),這對于傳統(tǒng)上需要實(shí)時(shí)平衡、存儲困難的電力系統(tǒng)無疑是一個(gè)結(jié)構(gòu)性變化。儲能系統(tǒng)允許能量在時(shí)間上轉(zhuǎn)移,而電網(wǎng)系統(tǒng)允許能量在地理上轉(zhuǎn)移。隨著可再生能源占比的增加,其波動性與地理上的限制,使得系統(tǒng)必須具有額外的靈活性,以保持在各個(gè)時(shí)間尺度上的平衡?,F(xiàn)有被廣泛討論的提高系統(tǒng)靈活性的方法就是增加電力存儲能力(比如低谷平衡)與擴(kuò)大傳輸網(wǎng)絡(luò)。二者往往被認(rèn)為是互相替代的關(guān)系,當(dāng)然,也不乏二者之間存在互補(bǔ)性的觀點(diǎn)。
在發(fā)達(dá)國家,電網(wǎng)的建設(shè)與擴(kuò)容往往是非常困難與滯后的,因此,成本快速下降的儲能的建設(shè)如果能夠跟上,可以彌補(bǔ)電網(wǎng)的部分角色,儲能也會再次被看好。過去的一段時(shí)間,電網(wǎng)側(cè)儲能在我國各個(gè)地區(qū)的安裝呈現(xiàn)加速的趨勢。并且,從過去的經(jīng)歷來看,電網(wǎng)的建設(shè)速度往往也是非??斓?。那么,關(guān)于二者是互補(bǔ)還是替代角色的討論就非常關(guān)鍵了。因?yàn)樗婕跋到y(tǒng)更高靈活性能否有效實(shí)現(xiàn),是否可以收益大于成本的方式(所謂有經(jīng)濟(jì)效率)實(shí)現(xiàn),以及是否能以更好、更低成本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目的(所謂成本有效性)。
過去的故事與事實(shí)
在當(dāng)前的調(diào)度體系下,儲能與普通發(fā)電電源并無區(qū)別,所謂系統(tǒng)級儲能的上馬完全是“泡沫”。
2017 年, 輸電系統(tǒng)服務(wù)商TenneT 和電池制造商Sonnen開始在試點(diǎn)項(xiàng)目中使用區(qū)塊鏈,調(diào)用分散的家用電池儲能。眾所周知,解決德國北部與南部之間高壓傳輸網(wǎng)絡(luò)瓶頸的方法是降低北部發(fā)電廠的功率輸出, 同時(shí)提高南部發(fā)電廠的功率輸出?,F(xiàn)在的替代方案是將分散的家用電池儲能連接在一起,這樣家用電池儲能也能提供這項(xiàng)服務(wù)。北部的電池在阻塞發(fā)生時(shí)儲存電網(wǎng)的電力,同時(shí)南部的電池(在高峰需求時(shí))將向電網(wǎng)供電。
2017年,我國政府發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》。儲能項(xiàng)目,尤其是電池儲能項(xiàng)目,在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)、微電網(wǎng)、通信儲能、應(yīng)急電源等都有廣泛應(yīng)用。
2019年9月,國家發(fā)展改革委召開加強(qiáng)儲能技術(shù)學(xué)科專業(yè)建設(shè)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)和技術(shù)創(chuàng)新座談會,強(qiáng)調(diào)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的安全性、經(jīng)濟(jì)性與可循環(huán)性。
2018年,電網(wǎng)側(cè)儲能建設(shè)一度紅火。江蘇、河南、湖南等地陸續(xù)開展了百兆瓦級別的電網(wǎng)側(cè)儲能項(xiàng)目建設(shè)。截至2018年6月底,全國投運(yùn)電化學(xué)儲能項(xiàng)目的累計(jì)裝機(jī)為53.3 萬千瓦,在用戶側(cè)的占50%,發(fā)電側(cè)與電網(wǎng)領(lǐng)域的分別占35%、15%。其中,70% 是鋰離子電池。成本回收與盈利,主要是通過峰谷價(jià)差實(shí)現(xiàn)。
儲能到底是替代還是補(bǔ)充電網(wǎng)的角色,不同的研究給出了很混雜的結(jié)果。其答案往往取決于很多的前提條件,特別是涉及需求、供應(yīng)以及儲能的空間分布,可再生能源與需求特性的相關(guān)性,以及儲能運(yùn)行的模式(比如參與何種市場、在何種時(shí)間尺度上進(jìn)行充放電循環(huán))。
我國的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與歐美存在很大的差異。在歐美,基本是網(wǎng)狀電網(wǎng)(meshed- grid),幾乎不存在“大飛線式”的長距離“點(diǎn)對點(diǎn)”“點(diǎn)對網(wǎng)”線路,專門用于電力傳輸。因?yàn)?,一方面,建設(shè)電網(wǎng)線路的基本動機(jī)是聯(lián)網(wǎng)解決阻塞問題主要是發(fā)揮電網(wǎng)的需求與供應(yīng)的“平滑效應(yīng)”,而不是輸電,電源永遠(yuǎn)是在本地平衡后,再調(diào)劑余缺,從而減少輸電需求,這是一個(gè)一致性的思路;另一方面,高壓電網(wǎng)很貴,現(xiàn)實(shí)中征地困難,建設(shè)緩慢。如果一個(gè)地區(qū)的需求旺盛,建設(shè)本地電源,實(shí)現(xiàn)本地化供應(yīng)往往是最優(yōu)選擇,而不是選擇遠(yuǎn)方的電力輸送。從技術(shù)層面來講,在電源分布均勻的電力系統(tǒng)中,其無功與功角穩(wěn)定也更容易保障。
我國電網(wǎng)系統(tǒng)級儲能的安裝,往往服從于改善并網(wǎng)特性、平滑出力的目的,從而更加有利于外送。正如我們之前提及的,這里的“穩(wěn)定外送”完全屬于基荷僵直外送,既不參與本地平衡,也很少隨著目標(biāo)地需求變化,這給送、售兩端都造成了經(jīng)濟(jì)上的“無謂損失”(deadweight loss),屬于需要盡快取消的電力傳輸與運(yùn)行方式。
儲能是安裝在高電價(jià)側(cè)還是低電價(jià)側(cè)?
我國電網(wǎng)系統(tǒng)級儲能的安裝,往往服從于改善并網(wǎng)特性、平滑出力的目的,從而更加有利于外送。
從技術(shù)上來說,儲能的系統(tǒng)價(jià)值很清楚,它可以提供:能源的存儲,在價(jià)格低的時(shí)候充電,在合適的時(shí)候放電,從而進(jìn)行價(jià)格套利;頻率控制,提供向上向下的平衡調(diào)節(jié),速度很快;電壓控制;峰荷轉(zhuǎn)移,放電的過程也是削減峰荷的過程。這些價(jià)值如何貨幣化,成為可行商業(yè)模式,與市場設(shè)計(jì)息息相關(guān),市場的開放性與參與主體的資格是其中最重要的因素。但是無論如何,所謂“平滑機(jī)組出力”均不是其目的,這(應(yīng)該)是一個(gè)互聯(lián)電力系統(tǒng)的基本功能。現(xiàn)實(shí)中,往往存在其他眾多更合適、更便宜的選擇。
開放競爭性電力市場環(huán)境中的儲能來緩解電網(wǎng)阻塞,如果是安裝在阻塞線路高發(fā)電成本的一端,那么儲能在低谷充電,高峰放電,會有效降低高峰時(shí)期其他機(jī)組需要的發(fā)電量,降低阻塞情況。這一角色與擴(kuò)大的電網(wǎng)連接往往是一樣的降低本地機(jī)組發(fā)電量。二者是同一功能,因此是充分替代的。
相反,如果儲能安裝在阻塞線路低發(fā)電成本的一端,那么擴(kuò)大的電網(wǎng)連接會增大該端的發(fā)電量,因?yàn)殡娏靠梢詡鬏數(shù)礁F的另一端,從而增加對高峰點(diǎn)儲能放電的需求。電網(wǎng)的阻塞越緩解,傳輸?shù)碾娏吭酱螅瑥亩鴥δ艿男枰ㄌ娲镜匕l(fā)電,尋找價(jià)格高點(diǎn))也越大。二者往往是互補(bǔ)的。
聯(lián)網(wǎng)意味著之前獨(dú)立的電網(wǎng)建立了物理聯(lián)絡(luò),從而整個(gè)市場可以變得更大,彼此聯(lián)系與交換電力變得可能或者更大。此外,從系統(tǒng)運(yùn)行角度來看,由于彼此之間的可能需求特性不同,存在大區(qū)域的平衡效應(yīng),以及可以共享一些備用,潛在地有做大蛋糕的可能性。輸電,比聯(lián)網(wǎng)的含義要小得多,只是一種電力交易行為。“大飛線式”外送往往割裂了本地與外送市場。
在“大飛線式”外送的格局下,電網(wǎng)與儲能的關(guān)系是非常微妙的,完全不是上述通過加入儲能來解決電網(wǎng)阻塞的邏輯,因?yàn)楦静淮嬖陔娋W(wǎng)阻塞,儲能的應(yīng)用目標(biāo)是改善電廠出力特性。首先,總體而言,電網(wǎng)是為了達(dá)到平滑出力目的,儲能也是同樣如此,二者的功能一樣。儲能大規(guī)模加入后必然替代電網(wǎng),比如有些自發(fā)自用用戶安裝大容量儲能后,幾乎可以 “脫網(wǎng)”了,二者是替代關(guān)系。其次,具體就長距離輸送模式而言,其完全是基于電量輸送目的,更多的儲能加入意味著更大的電量輸出,從而提高電網(wǎng)線路利用率與容量需求,二者是互補(bǔ)的;此外,其服從于一個(gè)完全不正當(dāng)、不合理的目的基荷僵直外送。這樣的基荷電力不受目標(biāo)地歡迎,屬于特權(quán)垃圾電,儲能的加入無疑會惡化這種趨勢,使得線路的利用率因?yàn)槭袌鰡栴}而下降,二者存在沖突。
筆者在2016年曾提到,儲能應(yīng)用需要避免的是一種錯誤的組合缺乏波動性定價(jià)的市場、對儲能放電單獨(dú)補(bǔ)貼、補(bǔ)貼通過消費(fèi)者消化、何時(shí)放電由調(diào)度說了算。目前,這句話對于改革中的我國電力系統(tǒng)仍然有效。在當(dāng)前的調(diào)度體系下,儲能與普通發(fā)電電源并無區(qū)別,所謂系統(tǒng)級儲能的上馬完全是“泡沫”。
電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的基本目的是平滑各種出力特性不同的電源與不同需求特性的用戶,這是其基本功能。而儲能也具有這種功能,二者是充分替代的。在解決網(wǎng)絡(luò)阻塞問題上,二者是互補(bǔ)還是替代,往往取決于儲能是安裝在高電價(jià)側(cè),還是低電價(jià)側(cè)。
在我國“大飛線式”外送格局下,電網(wǎng)與儲能是通過互補(bǔ)來實(shí)現(xiàn)基荷僵直外送的,這恰恰是整個(gè)系統(tǒng)靈活性不足的主要障礙。抑制這一無效率體系的關(guān)鍵,在于調(diào)度范式的改變以及網(wǎng)狀電網(wǎng)的構(gòu)建,消滅“點(diǎn)對點(diǎn)”“點(diǎn)對網(wǎng)”的僵直外送模式。
原標(biāo)題:電網(wǎng)與儲能的關(guān)系:替代抑或互補(bǔ)?