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IRENA-全球储能典型应用系列-7:离网系统的高比例VRE支持

作者:梁海文 来源:DeepEnergy 发布时间:2021-04-03 浏览:次
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IRENA(国际可再生能源署)发布了《Electricity Storage Evaluation Framework: Assessing system value and ensuring project viability》。本文是报告第III部分全球8种储能应用案例的第7部分:离网系统的高比例VRE支持。

英文原文链接:

https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020

1. 挑战:保障发电充裕性

可持续发展目标7(联合国,SDG7)旨在保证2030年向所有人提供可负担的、可靠的、可持续的现代能源。目前,全球还有约10亿人无法使用电力,主要是偏远乡村地区。孤网新能源系统是一个关键的解决方案,尤其是柔性化的、易部署的光伏发电。

在能够获得电力的地方,居住在乡村地区的人们面临的主要的挑战是电力可靠供应。由于电力的不可靠供应,很多人经常遇到停电,因此要依赖昂贵的、有污染的柴油发电机做电网备用电源为日常需求(如照明)供电。

近年来,随着可再生能源发电成本的下降,电力部门已经在低碳化上取得很大进步。然而,可再生能源的应用仍需加速以保证2030年的目标实现。在实现7天/24小时的可靠供电方面,由于技术进步和成本下降,光储结合已成为离网系统、不可靠电网的关键方案。

2. 解决方案

应用光储系统可以提供能源存储,并在无阳光时使用。同时,在光伏成为离网系统、弱电网的主要电力来源时,也会提供更多的灵活性。光储相结合,几乎可以任意规模在世界上任何地方应用。

与光伏、风电一样,近年来,储能的成本也在快速下降,未来仍将继续下降。随着成本越来越有竞争力,并且未来成本更低,光伏未来在交直流混合微电网中的比例仍会上升。增加电池储能容量可以帮助光伏实现这一提升,从而将柴油发电的比例降低到几个百分点。

图1展示了2017年和2030年采用两种电池(镍锰钴NMC、镍钴铝NCA)的光伏发电份额在最小投资微电网中的比例。图中采用了能源模拟软件HOMER Pro的结果,输入数据是IRENA最新的储能成本报告。图58显示,2017年,2.5%的名义贴现率的光伏项目的最佳比例90%。这包括NCA、NCM两种电池。低风险的商业项目(10%的平均资本成本)中,光伏加NCA的份额是44.5%,光伏加NCM的份额是50.7%。在较高风险市场(15%的平均资本成本),主要是离网系统,光伏加NCA的比例是36%,光伏加NCM的比例是38%。

由于技术进步和成本降低,2030年的储能投资成本预计会下降50%。加速储能的应用可以为加速光伏应用提供帮助。最重要的是,结果显示,2030年,微电网中的可再生能源份额最佳比例会达到90%。这意味着不管平均资本成本(WACC)是多少(2.5%、10%、15%),所有的微电网预计都会达到90%以上的光伏份额。这要归功于光伏和电池成本的降低。

注:COE(cost of energy)是能源成本。

图1 混合微电网中的光伏份额

3. 离网系统中储能的应用

离网系统中储能的应用正获得越来越多的关注,尤其是在偏远地区、岛屿的微电网,那里无法从电网中获得电力,只能采用昂贵的、有污染的柴油发电。未来,将会有越来越多的光伏发电和少量的风电来替代柴油发电,最终为当地提供电力。

在离网系统中,储能支持高比例光伏代替柴油发电的一个实例是在美国Samoa群岛的Ta’u岛上建设的1.4MW光伏、6MWh锂电池(National Geographic,2019)。该项目是特斯拉的子公司SolarCity建造的,采用了60个特斯拉蓄电池Powerpack。该项目一年之内就完工了。就算遇到阴雨天,该系统也可以为岛上提供3天的电力供应。美国Samoa群岛,以及太平洋、加勒比、印度洋其他岛屿,正在从化石燃料的电力系统向新能源为主的电力系统转变。电池储能系统的建设是其中的关键技术,使这种转变成为可能。

由于柴油系统的运行成本上升,全球对光伏柴油结合的系统更为关注了,尤其是接入电网困难的地方。这种系统的典型案例是Chemtrols在2013年6月为印度Palladam的Alpine Knits棉纺织厂设计的一种1MWp的光柴混合解决方案。之前,该厂经常停电,这也是印度Tamil Nadu邦的常态。因此,该厂采用1.25MVA的柴油机发电来获得可靠电力供应。以前,对于柴油发电的运行成本超支和污染物排放,他们只能被动接受。为了降低用能成本,该厂采用了光柴结合的解决方案,安装了1MWp的屋顶光伏(SMA,2013)。

为了光伏和柴油发电机组的可靠运行,AlpineKnits采用了SMA太阳能技术公司的节能控制器。该控制器主要用于将比例高达60%(光伏相对于柴油发电的比例)的光伏与柴油系统进行整合,确保有效的电力供应。当光伏发电负荷的突然变化时,还有足够的热备用柴油机提供发电。这些都是由控制器自动控制的。

光伏柴油混合系统为棉纺织厂提供了可靠的电力供应,即使发生电网故障。在高峰时段,该厂接近60%的用电是光伏提供的。除了可靠的电力供应之外,棉纺织厂成功降低了用能成本和二氧化碳排放。除了这些收益,Alpine Knits还获得了可再生能源证书(RECs),可以在2017年3月之前以9300~13400印度卢比/MWh的价格进行交易。此后,新德里的中央电力监管委员会为该证书提供1000~2500印度卢比/MWh的定价。根据Chemtrols Solar的说法,RECs证书的出售每年可以带来额外的2000万印度卢布(约29万美元)收入。Alpine Knits棉纺织厂的案例表明光伏柴油混合系统可以大幅降低污染物排放和运行成本,同时提供可靠电力供应。

但是,无储能的混合系统只能在白天提供可再生能源电力。建造电池储能不仅可以白天充电、晚上放电,还可以提高电网中可再生能源的发电比例,提供多样化的服务。

在菲律宾的Paluan镇,菲律宾太阳能公司建设了东南亚最大的微电网项目,包括2MW光伏、2MWh的特斯拉锂电蓄电池Powerpack、2MW的柴油发电机作备用,见图2。该微电网项目包括了电池储能系统,为当地提供不间断的电力供应,进一步降低二氧化碳排放和成本。项目设计上,保证了白天所需的电力供应,同时储能的容量也满足夜晚用电需求。

来源:IRENA/E. Taibi。

图2 菲律宾Paluan镇微电网项目

在光储微电网实施之前,Paluan镇经历了很多次用电管制和非常不稳定的电力供应,一天内的持续时间会在3到8小时。微电网不仅提供了清洁能源,大幅降低了柴油消耗,还为居民提供了24小时不间断的稳定电力供应。该系统表明,利用岛上的资源条件可以比较容易地建设微电网,进而为日常需要提供清洁能源。

重要的是,整个项目没有采用任何补贴,证明光储系统在偏远地区是有竞争力且可行的。

Azores群岛最北端的Graciosa岛屿也是一个VRE结合储能显著降低柴油消耗的案例。之前,岛上居民100%依赖柴油发电。Graciosa决定给专项风光储结合的新能源发电系统。该系统包括4.5MW风电场、1MWp光伏阵列和3.2MWh锂电池储能系统,以及5.5公里的输电网。系统设计的可再生能源发电比例是65%。2018年12月的最终调试实验中,该混合微电网为岛上白天提供了100%的可再生能源电力(Graciolica Lda,2018;CRL,2018)。

3.2MWh的储能应用带来了显著的柴油燃料消耗节约,使得Graciosa电网可以在高比例可再生能源下运行。

来源:IRENA/E. Taibi。

图3 密克罗尼西亚联邦的Ulithi高中60kW光伏

4. 结论(案例7:离网系统的高比例VRE支持)

许多偏远地区和岛屿仍然严重依赖化石燃料,比如柴油,来获得电力。在这些地方,电力供应不稳定,一天中只有一部分时间可以获得电力。在目前的光伏和储能成本条件下,可再生能源替代化石燃料是一个可行的选项,并已成为最小投资方案,也是环境影响最小的方案。

为了在偏远的离网地区和岛屿推广微电网,电池系统是实现光伏、风电等可变资源平衡的关键。它可以将电力过剩时段的电能转移到供电不足的时段。在这种应用中,储能的价值在于:与VRE相结合,削减同步发电的需求,支持微电网实现高比例的VRE。

在离网系统中建造电池储能系统的收益还包括:减少环境影响、减少对价格波动的进口燃料依赖、提高用能自主性。此外,电池系统通过并网逆变器可以为电网提供必要的服务,包括黑启动、频率和电压控制、为预测偏差带来的光伏和风电不确定性提供备用。并网逆变器技术的兴起(并网逆变器往往与电池系统相连接)可以使电网系统完全切除任何形式的传统能源,并为电力系统提供所有需要的服务。虽然对于大规模电网(比如,MIGRATE 2020项目)[1],这些所需的服务仍然是一个研究课题,但是在微电网层面(几W到数十MW),经过十年以上的偏远和环境条件要求苛刻环境下的可靠运行记录,已经被证实是可用的技术。

本章节中的案例研究进一步突出了在微电网中应用更多的储能是如何显著降低化石燃料消耗并增加VRE比重的。这些现成的技术已经是可用的而且具有成本竞争力,有助于离网地区从100%柴油发电向可再生能源发电的转型。

5. 扩展阅读

可再生能源微电网是IRENA《创新图景报告》30种创新措施中的一种。更多信息参见:

IRENA(2019),“Innovation Landscape Brief:Renewable mini-grids”,International RenewableEnergy Agency,Abu Dhabi.

关键字:微电网,储能

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