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世界能源理事会:储能发展的五个关键步骤

作者:李鸢儿 来源:世界能源理事会 储能100人 发布时间:2020-03-05 浏览:次
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随着全球电力系统受到去中心化、数字化和脱碳的影响,储能的广泛采用被认为是改变电力系统游戏规则的关键。近日,世界能源理事会以储能主题发布了最新报告,采访了来自17个国家的能源领袖,探讨了储能在技术、商业模式和扶持政策方面的最新进展。

负担得起的储能系统是解决间歇性可再生能源和零碳方案之间的关键一步,然而,储能行业最新的进展仍然侧重于短期和基于电池的储能。世界能源理事会认为,目前的主流存储技术不太可能足以满足未来的灵活性要求,这是进一步去中心化的结果。此外,对锂离子电池的有限关注正使开发成本更低的替代技术面临风险。

关键结论:

共享的路线图

储能是一种经过充分研究的灵活性解决方案。然而,尽管能源界清楚地认识到储能的好处,但在与决策者和监管机构探讨鼓励实施所需的行为和政策变化方面,建立联系的努力有限。

市场设计

无论采用何种技术,市场公平准入和同时提供不同服务的能力将使储能的部署更具成本效益。

超越电池层面

储能技术常常被简化为电池技术。我们的能源系统要经得起时间的考验,这就意味着要考虑替代方案,并确保其它技术有平等的市场机会。

部门的耦合

储能为交通、工业和清洁电力等难以削减的部门之间提供了一个部门耦合的机会。可以使用不同的能量载体,包括热、电和氢。

投资

仅仅依靠汽车等相邻行业的投资是不够的。能源部门必须采用与最终目标一致的更积极的技术,为所有人提供负担得起的清洁能源。

第一步:创造公平的竞争环境

虽然许多国家的能源部门认识到储能的重要性,但目前的监管框架阻碍了其成本效益的部署。例如,许多法律法规对储能缺乏明确的定义,这导致了在强制法规下投资储能的不确定性。

A.明确定义储能,使技术选择保持开放

能量存储是对一次产生的能量进行捕获,以供以后使用。不管技术如何,今天,大多数监管框架并没有反映储能所能提供的角色和价值。在许多市场中,储能被归类为负荷侧资源,或者在某些情况下,它被归类为发电侧资源和负荷侧资源。这导致储能系统经常面临双重收费,即对电力的消耗和生产同时征税。

在电力方面,受访者坚持将储能作为一个单独的资产类别,作为下一代发电、输电、配电和消费的概念。这将确保监管框架认识到储能相对于其它资产的独特之处。

“储能系统既不是发电资产,也不属于用电资产。它们有潜力提供广泛的服务,从整合可再生能源到推迟输配电升级。在任何情况下,我们需要问的问题是—储能需要做什么工作,什么技术最适合这种需要,以及是否有适当的业务和监管结构来确保它可以做到这一点?”来自储能公司Fluence的Madina Mukhanova说。

虽然最近的大多数讨论都集中在电储能上,但电储能时代的定义应该支持跨部门接口。这使得电网运行更加灵活,同时为其他部门的脱碳提供来自可再生能源的清洁燃料。

该定义不应侧重于特定的存储类别,以允许新技术的发展。这在过去的电池发展中被广泛地看到,这同样适用于其它储能的潜在应用,其可能在未来几年随着系统的不断变化而继续发展。

B.消除对某种储能技术的任何技术偏见

在过去的十年里,人们对不管是传统的还是前沿的储能技术的研究兴趣日益浓厚。案例研究表明,最近的研发集中在先进电池、基于压缩空气和飞轮的物理储能以及基于化学的存储技术比如氢燃料电池等。

根据我们的采访结果,世界能源理事会认为,需要将广泛的储能技术来应对能源转型的挑战。然而,最近的出版物、媒体报道和储能行业的事件都非常关注电池的创新,尤其是锂离子电池。然而,锂离子电池可能不适合未来能源系统的一系列要求,特别是快速充电和长时间的存储集成。因此,这些市场也必须对其他技术开放。

“让我震惊的是,我认识到锂离子电池并不是解决我们所面临的大规模储能挑战的唯一办法。理想的储能系统是,可以让我们想充多长时间就充多长时间,想放电长时间就放电长时间。所以当下人们的注意力都集中在各个储能技术路线上。”沙特国际电力和水务公司PADDY PADMANATHAN在接受采访时说。

在这种情况下,关键是系统和不同的支持框架在技术上保持中立。

“我认为政策制定者不应该试图在技术方面选择赢家和输家。我认为,如果监管机构想要促进储能,他们需要定义储能的特性和使用案例,避免确定它是否应该基于锂离子、抽水蓄能或任何其他技术。”西班牙伊维尔德罗拉电力公司RODOLFO MARTINEZ CAMPILLO说。

“对某种技术的偏爱可能是有意为之,比如将储能称为电池储能。它也可能是无意的,就像加州的储能指令一样。2013年,加州的公共事业部门被要求在2020年之前安装1325兆瓦的储能设备。虽然这种方法促进了项目的发展,但它侧重于最低的成本,并为要执行的项目提供相对较短的时间。根据几位受访者的说法,这造成了对锂离子电池项目的偏爱,因为它被视为风险相对较低。”伯克利大学哈斯能源研究所ANDREW CAMPBELL认为。

C. 重点讨论储能如何有助于更好的能源转换

在某种程度上,对储能的关注源于通过开发可再生能源而进行的更广泛的脱碳努力。因此,考虑到建造储能系统本身所消耗的化石能源,考虑这些系统对减少温室气体的贡献是至关重要的。

“如今的许多储能解决方案,包括熔盐,我们处理的是非常具有破坏性、腐蚀性、非常敏感和有毒的物质,所有这些物质都必须在生命结束时以谨慎、负责任的方式处理。我希望看到的是更多的关注和努力来重复利用,而不仅仅是处理。一些人开始关注这一点。因为我们使用的很多材料都来自于有限的资源。除了对环境的破坏之外,还有一个问题就是继续开采越来越多的新材料,这也会对环境产生影响。”PADDY PADMANATHAN表示。

电池回收是一个越来越重要的方面。一方面,这是由于某些材料的缺乏所引起的,而这些材料通常是珍贵的,但是是制造电化学电池所必需的。另一方面,这是由于最近的几项立法,这些立法要求大幅度降低获取矿物材料的过程的能源消耗。

全生命周期分析是评价生产系统环境影响的方法之一。对于电池,需要考虑电池寿命的四个阶段:获取所需的矿物质,生产,利用,最后收集和回收。虽然人们对电池的环境足迹给予了大量关注,但同样的关注也应应用于其他类型的储能技术,这一点至关重要。

更广泛地说,考虑储能如何通过改善能源安全、允许更有成本效益的解决办法和支持更大的可持续性来实现更公正和更好的能源过渡,从而有助于提高整个能源系统的效率。

第二步:让利益相关者参与对话

由于可再生能源普及率较低,能源系统可能不会立即需要储能,储能的相关利益者当下只有有限的理解和缺乏对未来的共同愿景,导致储能的需要还没有被广泛接受。

A. 让所有相关利益相关者参与,探索所有潜在的储能需求

随着能源转型的进展,大量的间歇性可再生发电将加入电力系统,并增加新的相关系统成本。一方面,应对可再生能源的间歇性意味着系统运营商必须更频繁地调度资源以满足需求。另一方面,可再生能源必须位于生产力最高的地方,这意味着它们通常不会靠近人口中心,这需要专门的传输基础设施来连接供应和需求。

与这些利益相关者进行的第一个对话是,在假定的上下文中,储能是否有必要。储能不应该为了自身发展而发展,还包括存在与之竞争的储能技术,例如需求侧响应、柔性发电、智能电网等。如果电力来源存在显著的可变性,需要进行一些调整以符合所需的电力需求,并且其他方法不足以满足这种调整需求,那么储能是可取的。

如果储能被认为是一种必要,那么优先考虑的就是让利益相关者对未来的电网运营进行反思。特别是,他们应该评估潜在的储能需求,以便能够及时开发出适当可靠的系统。

“我们需要确保每个人都停止安装200兆瓦的太阳能,而不采取共同的平衡措施。这样做是为了避免使用煤电。他们需要自提供完全可靠和可调度的可再生能源,而不是几年后才提供。”美国液体空气储能公司HighviewPower JAVIER CAVADA称。

越来越多的生产商开始承担起责任,混合可再生能源项目正在成为一种可靠、可负担、可调度的可再生能源一体化解决方案,以解决关键需求。这些项目可以让可再生能源更广泛地参与市场,并在需求高峰期使用储存的电能,否则就需要天然气峰值发电厂发电。

然而,这一概念面临着重要的监管和政策障碍。首先,大多数系统没有混合项目能力认证。太阳能和风能的认证已经存在,许多运营商正在开发电池存储能力的认证。即便如此,混合项目的专业能力几乎没有进展。其他障碍包括联网、调度和补偿问题。所有这些问题都可以通过在储能发展的早期阶段让不同的利益相关者参与来解决,这些利益相关者包括监管机构、系统运营商、客户、公用事业公司等等。

第三步:挖掘储能的全部潜在价值

储能发展的主要挑战是,并不是所有的潜在好处(例如节省资本支出,减少传输和流通支出,电网加固等等)都可以被套利,或通过提供辅助服务合同的基础上来实现。这是由于这些服务所产生的利益广泛地散布在不同的工业参与者身上。在大多数国家,由于储能的外部积极性并未被捕捉到,因此存在一个市场缺失的问题。

A. 为储能创造公平竞争的环境

随着流行的“时间转移”应用,储能也可以用于许多其他应用,包括延缓输电和配电投资、辅助服务、峰谷套利等。今天,在世界上一些最先进的市场上,现代储能技术及其参与电力系统的情况仍在试验中。一个允许储能可以公平地与其他主体竞争的监管环境,对于储能的持续增长至关重要,另外建立进入这些市场的储能规则也同样重要。

“一个重要的方面是允许储能参与批发市场。对于辅助服务,储能可以比当前的任何其他资源做得更好。反应更快,也更干净。”Fluence储能公司的STEPHEN COUGHLIN认为。

在这个问题上,下面概述的几个最近的监管变化预计将对储能产生巨大的影响。

美国于2018年2月颁布了FERC 841条例,该条例要求电网运营商消除在批发容量、能源和辅助服务市场针对储能的障碍。此外,FERC 845法令修订了发电设施的定义,考虑电力储能,并认识到其在技术上既不是发电,也不是负荷的独特特性。在欧盟内部,“面向所有欧洲人的清洁能源”计划为储能打开了电力市场的大门。

在中国,公用事业规模的储能是由国有项目推动的。中国国家能源局宣布,到2020年,辅助服务市场将从基本的补偿机制向与现货能源价格相结合的市场模式过渡。随着技术的成熟和随之而来的成本削减,美国储能市场将在2024年前呈现指数级增长。

B. 允许储能项目同时提供多个服务

一个精心设计和优化的储能系统的最重要的好处之一是即利用相同的设备、系统或过程来交付多个服务,最大限度地增加财务收益。随着今天不断变化的费率结构、市场需求和激励计划,基于叠加服务的价值,系统的投资回报已经变得更加多元和具有经济效益。

“为了加速电储能的发展,需要对多重叠加的服务进行评估。目前,大多数系统被部署在单一的应用程序:降低需量,备用电源,或者储存光伏弃电。这导致电池超过一半的系统寿命被闲置或未被充分利用。”全球著名咨询机构IHS Markit的JULIAN JANSEN在接受采访时说。

然而,尽管公用事业和监管机构一直在玩弄价值叠加的理念,甚至为了利用储能的不同应用而采取了一些小的改变,但大规模的价值叠加仍有待广泛实施。2018年1月,美国加州公用事业委员会通过向批发市场、配电网、输电系统和其他用途提供多种服务,为储能制定了新的市场规则。在该法令中,美国加州公用事业委员会承认,目前的市场规则,包括公用事业标准合同和项目收费,未能支持一种能源获得多种服务的可能。

“储能的商业模式依赖于价值积累,为客户提供一套服务,例如当地公用事业和电网。通过将两个或三个不同的合同叠加在一起,你就可以获得不同服务的报酬。为此,您需要非常细致地衡量不同的服务,以避免重复支付。监管模式需要演变,以允许这种契约式的努力。这在大多数地区还没有实施。”美国Stem公司POLLY SHAW说。

另一个叠加服务的机会是使用人工智能(AI)。人工智能打开了许多可能性,以最大限度地从储能项目获取回报。这包括执行预测分析、机器学习、大数据和边缘计算。可以获取和分析有关负荷、发电、天气、附近电网拥堵和电价的数据。

“储能背后的全部秘密武器不是硬件产品,而是控制充放电及其网络运行的软件。越来越多地将人工智能用于预测分析、天气模式、建筑物的负荷行为、客户可用的设计选项、预测负荷行为以及决定充电还是放电,以实现客户经济价值的最大化。”POLLY SHAW表示。

人工智能也是累积不同合同收入的关键。它可以驱动储存在电池网络中的未使用能源的“输送”,作为一种虚拟集成的资源,输送到那些需要电力的电网位置。例如,在某一天,储能系统可能能够执行可再生能源加固,同时也有助于管理使用时间收费和参与需求响应程序。不过,每个演习的次数和时间将取决于云层、建筑物的运作时间表和负荷要求,以及某一天的其他因素。如果没有一个明智的优化方法,这可能会导致错过的经济机会和影响的电池性能或运行寿命。

“这一切都是通过复杂的算法进行优化,这些算法通常是人工智能驱动的,目的是尽可能多地获取价值,同时保持电池系统的完整性和退化状况。”储能系统集成商NRStor技术负责人MOE HAJABED认为。

它可以是一个由安装在消费者、最终用户或高度使用场所(如工业设施)的数千个混合储能单元(电力、热力等)组成的网络,这项任务的速度和复杂性需要超级人工智能。

C. 探索行业与行业之间的耦合机会

除了使用电池外,储能技术也在推动乘用车的电气化。储热和化学储能正在成为部门耦合的关键推动者。简单地说,部门耦合充当了清洁能源和消费者之间的纽带。

“我们真的是为了行业耦合而设计的,而不仅仅是为了套利或销售电池。9年前,我们认识到需要大规模、长期绿色的灵活性能源。”全球最大风电设备生产商西门子歌美飒研究人员HASAN OZDEM表示。

储热可以捕获工业产生的热量,在能源价格最高时由公司出售,从而创造新的收入来源。例如,钢铁公司可以将燃料供应与发电分开:一种储存烟气热量的方式,然后用它来发电,再以最高价格出售。

“如果你在一个工业综合体旁边经营一个风电场,你可以将多余的风能以热能的形式储存起来,并将这些热能以加工热的形式释放到工业综合体中。你也可以做区域供暖,或者你也可以用蒸汽涡轮机发电。”德国储能企业KRAFTBLOCK CEO MARTIN SCHICHTEL向世界能源理事会介绍。

此外,西门子歌美飒等公司正在考虑利用蓄热来改造传统发电厂。这种技术的储能原理很简单,就是将可再生能源产生的多余电能,通过用一种巨大的“吹风机”,将成千上万吨的火山碎石加热到600摄氏度,从而将电能转化为热能;当电网需要储能系统发电时,通过的传统的蒸汽轮机就可将储存的热能转化为电能。如果与外界隔离好的话,火山石的热能可以储存几个星期。

氢作为一种化学储能的形式越来越受到关注。它可以长期储存大量可再生能源的能力进一步证明了其在清洁能源转型中的重要性。氢可以通过作为可再生能源的储存介质来促进脱碳,并因此影响到仍然依赖燃料的部门。经过处理的氢提供了高等级的热量,可用于运输作为燃料,用于工业作为原料,用于农业作为肥料。

“我们将氢视为价值链的合理延伸,氢不仅生产和销售绿色电力,还可以生产和销售绿色氢。我们看到绿色运输,氢作为能源载体。在钢铁行业,或在炼油厂,作为一个过程气体,氢也是一个非常有价值的季节性存储介质,因为它是一种气体,同时有很高的能量密度,并将帮助我们将大量的能量在夏季和冬季之间转换。”奥地利最大的能源公司Verbund氢能中心负责人RUDOLF ZAUNER说。

氢的储存潜力对电网特别有利,因为氢可使可再生能源得以大量且长期的储存。这意味着,当氢气过多或不足时,可以通过平衡发电来帮助显著提高能源系统的灵活性,从而提高整个欧洲的能源效率。

这些应用可能促进能源系统在能源效率问题和环境方面的改进。

第四步:采用适合环境的启用机制

A. 向他人学习并与之合作,找出最适合的对策

在全球范围内,不同的国家和地区正在努力推动储能的发展。根据所进行的采访,脱碳目标是实施储能领域政策改革的一个关键因素。

不同的国家根据其电力系统的结构采取不同的路线。例如,英国以强调敏捷管理和竞争而闻名。

“在英国,监管机构一直致力于识别和解决储能方面的监管和政策障碍。例如,存在一种双重收费的问题,同时对电力的进口和出口征税,在这种情况下,储能将受到惩罚。英国对这一做法正在审核中。英国的做法不是直接支持,而是试图消除监管摩擦,释放市场的力量。”英国咨询机构Everoze公司能源专家Felicity Jones表示。

其他国家采取了不同的方法,包括直接补贴、储能技术授权、配有储能的风光电站的发电量可以获得多倍的可再生能源证书等。

B.确保对表后储能没有偏见

从历史上看,电网运营商、独立电力供应商和公用事业公司都投资于无功存储设备,为自己或电网提供特定的好处。随着储能成本下降,储能的所有权也在扩大。正如访谈中提到的,虽然用户侧储能在历史上一直是由自我消费的逻辑驱动的,但它越来越多地是由提供系统级服务的机会驱动的。另外,虽然公用事业公司大多与电表前的储能有关,但它们越来越多地参与电表后的项目,以提供电表前的应用程序。

“顾客想要选择,他们想要独立。世界正在向一个分散的系统发展,在这个系统中,用户希望自己发电,并希望控制自己的电力成本。这正成为仪表后安装储能的主要驱动因素。但这一切都取决于市场,以及通过向电网提供服务而将资产货币化的能力。”MOE HAJABED说道。

尽管用户侧储能部署正在加速,但许多法规目前不允许这些资产接受延迟服务的付款或者为电网提供服务。

“世界上有很多地方不允许你在电网上发电。如果国家允许消费者自己发电和自由管理自己的能源,将对太阳能和电池联合项目在许多商业或工业场所的运作和经济效益有巨大的好处,这是采用光伏+储能这类技术的巨大动力。”美国Avalon 液流电池公司总裁兼首席产品官MattHarper认为。

因此,针对用户侧储能应将更多的重点放在减少障碍方面,在网络接入和收费方面做到不歧视和公平竞争性采购。

第五步:分享信息,促进研发

A. 保持长远的眼光,促进研发,特别是长期储能

传统的储能,包括以泵或水库为基础的水电设备和铅酸电池,已经存在了一个多世纪。过去十年的特点是,人们对传统和先进的储能技术的兴趣日益浓厚。已经注意到先进的电池,压缩空气,飞轮储能,以及基于热和气体的存储技术。

尽管如此,电池技术,尤其是锂离子电池,正受到最多的关注,并取得了最大的进展。锂离子技术占到2015年新能源部署的95%以上。在消费电子和汽车动力领域的大量投资之后,锂离子电池组的平均价格在2010年到2018年间下降了85%。

正如许多受访者所强调的那样,向低碳的过渡不太可能由单一的能源存储技术来实现。例如,较长的储能生命周期对于电网尤其重要。未来的市场,如集成快速充电和长时间存储,可能有比锂离子电池更适合的其他技术,成本更低。

“很多人认为7*24小时的储能解决方案技术就在眼前,但这不是真的,它还有很长的路要走。”西门子智利负责人LUIS MEEHRSON表示。

然而,最近的投资方向表明,储能行业的投资仍然集中在电池技术上。仅在2019年第三季度,储能技术公司的风险投资就超过19亿美元,未来还在继续增长,但19亿美元中只有不到10%被用于非锂离子技术。

“锂离子电池在我们身边已经存在了很长一段时间,但碰巧已经扩大到了工业领域。它成为一个明显的风口。投资者和政策制定者对其他技术则不那么放心,也不那么清楚。这也与风险偏好有关,有非凡的回报相对无风险。反过来,似乎有一种与锂离子电池相关的锁定效应。”可再生能源开发商Ion Ventures公司专家Hassen Bali表示。

储能技术的部署和系统集成在很大程度上取决于研发力度。

“我们对很多储能技术仍然知之甚少,这应该作为一项长远研究来进行。这意味着它应该由政府驱动。政客们希望看到事情发生的时间范围与他们担任民选公职的时间相关,这可能会造成一种倾向,让他们倾向于迅速采取行动。但我认为,储能是一个我们应该放眼长远的领域。”ANDREW CAMPBELL说道。

除了支持技术革新外,还优先在一系列应用中证明储能项目的实用性和商业可行性,示范项目是获取有关储能系统宝贵知识的机会。

“有很多人在为能源系统的创新而哭泣。但当你想出一个办法时,首先碰到的第一个问题是这个方法是否已经运行了至少10年?这使得大规模开发任何东西都具有挑战性。”MARTIN SCHICHTEL无奈地表示。

B. 促进整个行业的信息共享

除了技术成本,目前讨论的重点是经济盈利能力和该行业的发展。尽管如此,作为该简报的一部分所进行的访谈,突出了在启动储能和资助示范项目方面普遍缺乏认识。

“大多数公用事业或输电运营商从来没有见过电池合同,他们不知道如何创建一个。就在我们说话的时候,所有这些东西都是在这个行业里创造出来的。”DNV GL管理服务集团资深顾问SUDIPTA LAHIRI 略显夸张地说道。

对于非公用事业所有的项目,重点是可靠的外包收入合同,以提供稳定的项目现金流。表前储能的收入合同通常有三种形式:储能收费协议、容量销售协议或混合购买协议(PPA)。《储能收费协议》和《容量销售协议》的结构类似,通常管理独立存储项目的产品和服务销售。相比之下,混合PPA适用于可再生能源或传统能源发电项目与储能项目的集成。

“与为太阳能项目融资相比,大规模储能项目背后的融资结构仍有些不清晰和不成熟。你想想太阳能的大规模部署,融资水平非常低,它的一部分是本身技术成本的降低。但实际上,很多都是金融创新和工程围绕着这些项目如何融资,如何运作,以及如何将这些成本在很长一段时间内分散掉。我认为,储能仍处于过渡时期。”MATT HARPER表示。

众所周知,储能系统收入合同应该包括电池系统向公用事业公司出售产品和服务的交易、电池系统向安装电池的工商业客户提供产品和服务的交易,以及将两者结合在一起的交易。

(注:本文原标题为“FIVE STEPS TO ENERGY STORAGE”,编译有删改。)

关键字:储能系统

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