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電網與儲能:替代抑或互補關系?

2020-01-21 12:01:05   原文來源:中國財經觀察報

各種儲能技術的成本在過去若干年實現大幅下降,特別是鋰離子電池技術,這對于傳統上需要實時平衡、存儲困難的電力系統無疑是一個結構性變化。儲能系統允許能量在時間上轉移,而電網系統允許能量在地理上轉移。隨著可再生能源占比的增加,其波動性與地理上的限制,使得系統必須具有額外的靈活性,以保持在各個時間尺度上的平衡。現有被廣泛討論的提高系統靈活性的方法就是增加電力存儲能力(比如低谷平衡)與擴大傳輸網絡。二者往往被認為是互相替代的關系,當然,也不乏二者之間存在互補性的觀點。

在發達國家,電網的建設與擴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如果能夠跟上,可以彌補電網的部分角色,儲能也會再次被看好。過去的一段時間,電網側儲能在我國各個地區的安裝呈現加速的趨勢。并且,從過去的經歷來看,電網的建設速度往往也是非常快的。那么,關于二者是互補還是替代角色的討論就非常關鍵了。因為它涉及系統更高靈活性能否有效實現,是否可以收益大于成本的方式(所謂有經濟效率)實現,以及是否能以更好、更低成本實現系統目的(所謂成本有效性)。本期專欄,我們將討論這個問題。

過去的故事與事實

在當前的調度體系下,儲能與普通發電電源并無區別,所謂系統級儲能的上馬完全是“泡沫”。

2017 年,輸電系統服務商TenneT 和電池制造商Sonnen開始在試點項目中使用區塊鏈,調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絡瓶頸的方法是降低北部發電廠的功率輸出,同時提高南部發電廠的功率輸出。現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服務。北部的電池在阻塞發生時儲存電網的電力,同時南部的電池(在高峰需求時)將向電網供電。

2017年,我國政府發布《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見》。儲能項目,尤其是電池儲能項目,在發電側、電網側、用戶側、微電網、通信儲能、應急電源等都有廣泛應用。

2019年9月,國家發展改革委召開加強儲能技術學科專業建設推進產業人才培養和技術創新座談會,強調儲能技術與產業的安全性、經濟性與可循環性。

2018年,電網側儲能建設一度紅火。江蘇、河南、湖南等地陸續開展了百兆瓦級別的電網側儲能項目建設。截至2018年6月底,全國投運電化學儲能項目的累計裝機為53.3 萬千瓦,在用戶側的占50%,發電側與電網領域的分別占35%、15%。其中,70%是鋰離子電池。成本回收與盈利,主要是通過峰谷價差實現。

儲能到底是替代還是補充電網的角色,不同的研究給出了很混雜的結果。其答案往往取決于很多的前提條件,特別是涉及需求、供應以及儲能的空間分布,可再生能源與需求特性的相關性,以及儲能運行的模式(比如參與何種市場、在何種時間尺度上進行充放電循環)。

我國的電網結構與歐美存在很大的差異。在歐美,基本是網狀電網(meshed- grid),幾乎不存在“大飛線式”的長距離“點對點”“點對網”線路,專門用于電力傳輸。因為,一方面,建設電網線路的基本動機是聯網解決阻塞問題主要是發揮電網的需求與供應的“平滑效應”,而不是輸電,電源永遠是在本地平衡后,再調劑余缺,從而減少輸電需求,這是一個一致性的思路;另一方面,高壓電網很貴,現實中征地困難,建設緩慢。如果一個地區的需求旺盛,建設本地電源,實現本地化供應往往是最優選擇,而不是選擇遠方的電力輸送。從技術層面來講,在電源分布均勻的電力系統中,其無功與功角穩定也更容易保障。

我國電網系統級儲能的安裝,往往服從于改善并網特性、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,也很少隨著目標地需求變化,這給送、售兩端都造成了經濟上的“無謂損失”(deadweight loss),屬于需要盡快取消的電力傳輸與運行方式。

邏輯

我國電網系統級儲能的安裝,往往服從于改善并網特性、平滑出力的目的,從而更加有利于外送。

從技術上來說,儲能的系統價值很清楚,它可以提供:能源的存儲,在價格低的時候充電,在合適的時候放電,從而進行價格套利;頻率控制,提供向上向下的平衡調節,速度很快;電壓控制;峰荷轉移,放電的過程也是削減峰荷的過程。這些價值如何貨幣化,成為可行商業模式,與市場設計息息相關,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“平滑機組出力”均不是其目的,這(應該)是一個互聯電力系統的基本功能。現實中,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境中的儲能來緩解電網阻塞,如果是安裝在阻塞線路高發電成本的一端,那么儲能在低谷充電,高峰放電,會有效降低高峰時期其他機組需要的發電量,降低阻塞情況。這一角色與擴大的電網連接往往是一樣的降低本地機組發電量。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電成本的一端,那么擴大的電網連接會增大該端的發電量,因為電量可以傳輸到更貴的另一端,從而增加對高峰點儲能放電的需求。電網的阻塞越緩解,傳輸的電量越大,從而儲能的需要(替代本地發電,尋找價格高點)也越大。二者往往是互補的。

聯網意味著之前獨立的電網建立了物理聯絡,從而整個市場可以變得更大,彼此聯系與交換電力變得可能或者更大。此外,從系統運行角度來看,由于彼此之間的可能需求特性不同,存在大區域的平衡效應,以及可以共享一些備用,潛在地有做大蛋糕的可能性。輸電,比聯網的含義要小得多,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,電網與儲能的關系是非常微妙的,完全不是上述通過加入儲能來解決電網阻塞的邏輯,因為根本不存在電網阻塞,儲能的應用目標是改善電廠出力特性。首先,總體而言,電網是為了達到平滑出力目的,儲能也是同樣如此,二者的功能一樣。儲能大規模加入后必然替代電網,比如有些自發自用用戶安裝大容量儲能后,幾乎可以“脫網”了,二者是替代關系。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,從而提高電網線路利用率與容量需求,二者是互補的;此外,其服從于一個完全不正當、不合理的目的基荷僵直外送。這樣的基荷電力不受目標地歡迎,屬于特權垃圾電,儲能的加入無疑會惡化這種趨勢,使得線路的利用率因為市場問題而下降,二者存在沖突。

小結

筆者在2016年曾提到,儲能應用需要避免的是一種錯誤的組合缺乏波動性定價的市場、對儲能放電單獨補貼、補貼通過消費者消化、何時放電由調度說了算。目前,這句話對于改革中的我國電力系統仍然有效。在當前的調度體系下,儲能與普通發電電源并無區別,所謂系統級儲能的上馬完全是“泡沫”。

電網聯網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。在解決網絡阻塞問題上,二者是互補還是替代,往往取決于儲能是安裝在高電價側,還是低電價側。

在我國“大飛線式”外送格局下,電網與儲能是通過互補來實現基荷僵直外送的,這恰恰是整個系統靈活性不足的主要障礙。抑制這一無效率體系的關鍵,在于調度范式的改變以及網狀電網的構建,消滅“點對點”“點對網”的僵直外送模式。

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