探究能源互聯(lián)網(wǎng)背景下電力儲能技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

高 標(biāo)

(國網(wǎng)浙江綜合能源服務(wù)有限公司)

0 引言

在我國社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的新形勢背景下, 新能源行業(yè)也迎來了全新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn), 其中電力儲能技術(shù)作為現(xiàn)代科技發(fā)展的必然產(chǎn)物, 在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下電力儲能也被賦予了全新的含義, 該技術(shù)不但能保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與可靠性, 還能有效優(yōu)化電能輸出的過程, 因此必須對能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的電力儲能技術(shù)研究予以高度重視。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下電力儲能技術(shù)的作用

1.1 提高可再生能源的發(fā)電效率

能源互聯(lián)網(wǎng)背景為可再生能源提供了多種利用方式, 有助于滿足供熱、發(fā)電、制氫等多個方面的要求[1]。在現(xiàn)代社會發(fā)展中可再生能源呈現(xiàn)出持續(xù)增長的發(fā)展態(tài)勢, 但在可再生能源發(fā)電間歇性以及大規(guī)模波動的影響下, 同樣伴隨著不確定性的電源側(cè)以及不平衡的電網(wǎng)功率風(fēng)險。基于此, 在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下可以深入研究電力儲能技術(shù)的具體應(yīng)用, 將其與可再生能源發(fā)電方式相結(jié)合, 通過這種方式降低可再生能源發(fā)電的隨機(jī)性。與此同時, 電網(wǎng)級儲能的有效應(yīng)用還能在一定程度上提高可再生能源發(fā)電的適應(yīng)性, 使得儲能成為一種可調(diào)度資源, 有助于整體提高電網(wǎng)運(yùn)行中可再生能源的發(fā)電效率。

1.2 實(shí)現(xiàn)能源交易自由化

能源互聯(lián)網(wǎng)背景對原有的能源交易模式創(chuàng)新提供了強(qiáng)有力的支持, 在激烈的能源市場競爭中可以帶動能源生產(chǎn)者和消費(fèi)者參與的積極性, 著重強(qiáng)調(diào)兩者在能源市場中占據(jù)的主體地位, 并且兩者之間的角色轉(zhuǎn)換還能有效優(yōu)化局部區(qū)域中的能源配置,綜合提高局部區(qū)域的能源利用率。最重要的是, 基于能源互聯(lián)網(wǎng)背景應(yīng)用電力儲能技術(shù), 還能大幅度提高能源配置效率, 同時保證電能資源分配的合理性。

1.3 加強(qiáng)多元能源系統(tǒng)能量管理

在局域多元能源系統(tǒng)支持下, 管理組可以根據(jù)價格信息調(diào)整能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲、消費(fèi)等多個環(huán)節(jié), 并將系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的成本控制在允許范圍內(nèi),真正為電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性提供良好保障。在電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中, 可以借助電力儲能技術(shù)加強(qiáng)儲能和釋能管理, 并將其作為系統(tǒng)運(yùn)行決策的重要基礎(chǔ)。系統(tǒng)可以根據(jù)儲能狀態(tài)的動態(tài)變化確定儲能功率的大小和方向, 在系統(tǒng)內(nèi)部形成供需平衡的狀態(tài)[2]。此外, 對系統(tǒng)不同轉(zhuǎn)換元件的功率進(jìn)行分配,還能整體提高系統(tǒng)運(yùn)行效率及企業(yè)可獲得的經(jīng)濟(jì)效益。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下電力儲能技術(shù)的應(yīng)用模式

2.1 廣域能源網(wǎng)應(yīng)用模式

在大規(guī)模能源生產(chǎn)和傳輸中可以利用廣域能源網(wǎng)提供能量緩沖, 以便于系統(tǒng)廣域能量調(diào)度, 同時維持系統(tǒng)能量的供需平衡。廣域能源網(wǎng)作為一種網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu), 在能源交易市場中可以吸引大容量儲能運(yùn)營主體, 在能量購入或賣出過程中可以結(jié)合能源指定使用情況, 以此保證電力儲能技術(shù)的調(diào)節(jié)服務(wù)水平。

2.2 局域能源網(wǎng)應(yīng)用模式

局域能源網(wǎng)中的系統(tǒng)運(yùn)行通常需要以儲能和能源轉(zhuǎn)換裝置之間的配合為基礎(chǔ), 根據(jù)儲能狀態(tài)和供需預(yù)測信息判斷決策局域網(wǎng)中的能源生產(chǎn)和消耗情況, 從而做出正確的能源生產(chǎn)和消耗決策, 全方位跟蹤、管控能源市場的購買和賣出情況。在虛擬能源站中很難預(yù)測不同分散生產(chǎn)者的行為, 電動汽車、分布式電源等聚合管理的難度也隨之增加。在虛擬能源站管理中可以融合儲能基礎(chǔ), 保證虛擬能源站的運(yùn)行效率[3]。分散的能源生產(chǎn)者可以利用電力儲能技術(shù)強(qiáng)化自身的能量供應(yīng)能力, 以潛移默化的方式提高能源生產(chǎn)者在能源市場中的參與程度。

3 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下常見的電力儲能技術(shù)

3.1 儲熱技術(shù)

儲熱技術(shù)主要包括潛熱儲能、顯熱儲能、化學(xué)儲熱等多種類型, 當(dāng)介質(zhì)溫度升高時, 熱存儲即為顯熱儲能最顯著的特點(diǎn)。潛熱儲能在材料相變的前提下可以吸收熱量或釋放熱量, 如最常見的固-液相變儲能模式。相變儲能和顯熱儲能之間最大的區(qū)別在于前者的溫度較為穩(wěn)定, 且能量密度大?；瘜W(xué)儲熱指利用化學(xué)可逆反應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能存儲, 這種模式下的儲能技術(shù)具有顯著的寬溫域階級儲熱特點(diǎn), 并且化學(xué)儲熱的能量密度也遠(yuǎn)高于潛熱儲能、顯熱儲能等其他模式的儲熱技術(shù)?；瘜W(xué)儲熱技術(shù)在材料選擇上提出的要求相對較高, 因此應(yīng)盡可能選擇潛熱儲能、顯熱儲能等技術(shù)類型。

3.2 電化學(xué)儲能技術(shù)

電化學(xué)儲能技術(shù)具有安裝靈活、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn), 在電網(wǎng)系統(tǒng)中可以利用電化學(xué)儲能技術(shù)提高能量服務(wù)和功率服務(wù)效果。與此同時, 電化學(xué)儲能技術(shù)對新能源發(fā)電快速波動具有一定的抑制效果, 在保證電網(wǎng)調(diào)頻的穩(wěn)定性的同時, 還能強(qiáng)化微電網(wǎng)能量管理,因此電化學(xué)儲能技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。近年來電化學(xué)儲能技術(shù)已在電力系統(tǒng)運(yùn)行中得到了廣泛應(yīng)用,如鋰離子電池的使用率遠(yuǎn)高于鈉硫電池的使用率。在弱電網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)連接相對偏遠(yuǎn)的地區(qū)使用電池儲能技術(shù), 還能通過太陽能或風(fēng)能發(fā)電的方式緩解該地區(qū)面臨的電力資源分配壓力。此外, 電化學(xué)儲能項(xiàng)目在新能源場站、微電網(wǎng)、配電網(wǎng)等領(lǐng)域中也得到了廣泛應(yīng)用[4]。但在電化學(xué)儲能技術(shù)實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展過程中,仍無法擺脫壓縮空氣儲能、抽水蓄能等因素帶來的影響, 這也使得該技術(shù)在能源市場中面臨巨大的競爭壓力。針對于此, 在未來發(fā)展階段可以充分發(fā)揮電化學(xué)儲能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢, 進(jìn)一步提高電化學(xué)儲能技術(shù)在能源市場中占據(jù)的份額。

3.3 氫儲能技術(shù)

氫儲能技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中涉及多道復(fù)雜的工序, 我國工業(yè)生產(chǎn)中的氫氣主要源于煤和天然氣。隨著現(xiàn)代科技手段的快速發(fā)展和進(jìn)步, 國外發(fā)達(dá)國家正嘗試?yán)眯履茉粗茪? 如新能源發(fā)電電解水制氫的方法, 盡管這種方法很可能造成大量能源損耗, 但在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時期使用新能源制氫的方法, 可以顯著提高新能源所具有的利用價值。目前固體聚合物電解水制氫技術(shù)、堿性電解槽技術(shù)在風(fēng)電波動中具有較高的適用性, 而光催化直接裂解水技術(shù)的制氫效果最為理想, 該技術(shù)中使用的半導(dǎo)體光催化劑材料本身具有較高的利用價值。但我國在制氫技術(shù)領(lǐng)域的研究上仍有所欠缺, 其制氫效率也遠(yuǎn)無法滿足工業(yè)化發(fā)展需求。在氫能輸送過程中, 主要利用現(xiàn)存的天然氣管網(wǎng), 將新能源制氫輸入天然氣管道, 即可實(shí)現(xiàn)氫能輸送, 盡管這種輸送方式的經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng), 但氫氣很可能對天然氣管道造成腐蝕, 因此在未來發(fā)展階段相關(guān)技術(shù)人員可以將重心放在氫能專用輸送管道的研究上, 通過該項(xiàng)目研究大幅度提高氫能的利用率。

4 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下電力儲能技術(shù)發(fā)展問題

能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的電力儲能技術(shù)發(fā)展面臨的問題可以分為技術(shù)性和戰(zhàn)略性兩個層面, 其中技術(shù)性問題可以歸結(jié)為各類儲能技術(shù)存在的性能指標(biāo)缺陷, 而戰(zhàn)略性問題則指儲能產(chǎn)業(yè)在實(shí)際發(fā)展中面臨的國家層面的問題[5]。首先, 電力儲能技術(shù)的技術(shù)性問題可以從提高性能、降低成本兩個方面著手,圍繞著壽命、功率密度、能量密度等性能指標(biāo), 以高質(zhì)量表現(xiàn)上述指標(biāo)的儲能技術(shù)為儲能產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。其次, 儲能技術(shù)戰(zhàn)略性問題主要體現(xiàn)在核心技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、市場機(jī)制、商業(yè)化運(yùn)行等方面。當(dāng)前我國現(xiàn)行的儲能核心技術(shù)體系仍缺乏堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ), 在頂層設(shè)計(jì)和底層設(shè)計(jì)方面仍有待完善, 并且現(xiàn)有的核心技術(shù)體系也遠(yuǎn)無法滿足儲能行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)需求, 從而導(dǎo)致技術(shù)落后于規(guī)劃的不利局面。與此同時, 儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展還與工程、環(huán)境、消防等領(lǐng)域息息相關(guān), 在儲能項(xiàng)目實(shí)施過程中既需要以基礎(chǔ)為支撐, 又需要不斷完善各領(lǐng)域的運(yùn)行制度及標(biāo)準(zhǔn)體系。

5 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下電力儲能技術(shù)的未來發(fā)展

5.1 儲能容量化

在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下可以利用可再生能源完成集中發(fā)電、輸送、消納等環(huán)節(jié), 在保證儲能系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上提高其獲得的經(jīng)濟(jì)效益[6]。對大規(guī)模儲能系統(tǒng)中的可再生能源進(jìn)行分配和規(guī)劃時, 必須綜合考慮電力資源的總體規(guī)劃和調(diào)配, 重點(diǎn)關(guān)注儲能選址、容量分配以及選型等要素。其中儲能調(diào)配主要介于傳統(tǒng)能源和新能源之間的匹配,在實(shí)踐過程中可以利用儲能選擇、設(shè)計(jì)、容量分配等手段保證發(fā)輸電資源分配的合理性, 切實(shí)提高電力資源的綜合利用率。

5.2 能源流優(yōu)化

由于多能源耦合局域網(wǎng)中的輸入、輸出能量配置之間存在明顯差異, 因此需要利用CHP 將外界供應(yīng)的電能轉(zhuǎn)化為熱能[7]。能源路徑選擇和配置很可能加大能源互聯(lián)網(wǎng)管理的難度, 但其同樣可以為能源互聯(lián)網(wǎng)耦合系統(tǒng)建設(shè)以及能源流優(yōu)化提供強(qiáng)大的推動力?；诖? 設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)元件功率, 借助優(yōu)化模型保證能源配置的合理性, 采用軟件停機(jī)合并的方式有效解決系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的能源配置問題, 以此構(gòu)建儲能、釋能、閑置三種運(yùn)行狀態(tài)。

5.3 交易市場化

在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下使用電力儲能技術(shù)時, 應(yīng)在市場競爭中為參與者創(chuàng)造最大化的經(jīng)濟(jì)利益, 但這同樣使得能源市場交易的無序性和自發(fā)性增加, 不利于能源互聯(lián)網(wǎng)管理。一旦能源局域網(wǎng)系統(tǒng)中的能源價格發(fā)生變化, 系統(tǒng)邊際價值也會隨之發(fā)生相應(yīng)的變動,從而影響整個系統(tǒng)的能源分配情況, 因此企業(yè)管理人員在儲能行業(yè)發(fā)展中還需要通過價格控制的方式減少系統(tǒng)能源變化。

6 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下重點(diǎn)發(fā)展的電力儲能技術(shù)

6.1 能量調(diào)度和能量優(yōu)化技術(shù)

多能源耦合局域網(wǎng)使得能源輸入、輸出路徑的復(fù)雜程度增加, 因此可以通過外部電力供應(yīng)的方式將電鍋爐轉(zhuǎn)化為熱能, 或者利用CHP 獲取熱量。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下可以采用網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的方式處理設(shè)備故障, 但其同樣會對能源流路徑造成一定的影響, 特別是能源路徑和能量分配方式就會影響能源互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行效果。基于此, 在實(shí)踐過程中可以通過能量調(diào)度與優(yōu)化管理的方式降低其對能源互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)造成的影響, 如設(shè)計(jì)人員可以深入研究能量優(yōu)化分配問題, 基于不同構(gòu)建建立機(jī)組組合模型, 利用該模型還原儲能狀態(tài)、釋能狀態(tài)以及空閑狀態(tài), 直觀清晰地展示不同工作狀態(tài)的變化過程, 進(jìn)而有效減少系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的成本。

6.2 大容量儲能和可再生能源發(fā)電協(xié)同調(diào)度技術(shù)

在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的可再生能源利用, 但在電網(wǎng)運(yùn)行中集中式可再生能源發(fā)電仍然伴隨多個方面的問題, 如系統(tǒng)充裕度、運(yùn)行安全以及經(jīng)濟(jì)性問題等, 但利用儲能技術(shù)對大容量可能進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃即可避免以上問題, 但需要保證儲能選型的合理性, 不斷優(yōu)化儲能布局、容量配置等問題, 在輸電資源配合下提高可再生能源的利用率。在可再生能源發(fā)電的協(xié)同調(diào)度技術(shù)應(yīng)用過程中, 通常需要關(guān)注儲能系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量與調(diào)峰調(diào)頻, 真正將新能源融入到本地或塊區(qū)域內(nèi)[8]。目前我國大容量儲能規(guī)劃與可再生能源的協(xié)同調(diào)度技術(shù)發(fā)展仍處于探索階段, 在未來發(fā)展階段仍需深入探索新能源發(fā)電方面存在的問題。

6.3 儲能與能量轉(zhuǎn)換裝置的集成設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)配置技術(shù)

在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下必須保證各能源之間的耦合關(guān)系與時代發(fā)展需要相適應(yīng), 實(shí)現(xiàn)儲能容量的合理化配置, 并在多能源耦合系統(tǒng)儲能與轉(zhuǎn)換裝置中融合系統(tǒng)評價指標(biāo), 如能耗、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等常見的系統(tǒng)評價指標(biāo)。其中經(jīng)濟(jì)指標(biāo)指初始投資運(yùn)行成本及整個考察階段的運(yùn)行成本, 在模型優(yōu)化過程中可以從設(shè)備負(fù)載率、可靠性約束等因素著手進(jìn)行調(diào)整。在電力系統(tǒng)運(yùn)行中必須考慮儲能對運(yùn)行頻率和電壓造成的影響, 綜合考慮儲能動態(tài)特性, 以免其對能源利用率及可靠性造成不利影響。基于此, 在未來發(fā)展中我國仍需要關(guān)注多能源耦合系統(tǒng)中的儲能設(shè)計(jì)與容量規(guī)劃問題, 這也是該領(lǐng)域研究的主流方向。

7 結(jié)束語

電力儲能技術(shù)在我國現(xiàn)代社會發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用, 尤其體現(xiàn)在帶動國民經(jīng)濟(jì)增長等方面。在全球能源互聯(lián)網(wǎng)的智能化發(fā)展背景下, 促進(jìn)電力儲能技術(shù)與能源互聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)融合, 可以對我國傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新, 同時挖掘更多有益于我國國民生活的新能源及可再生能源。但我國能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展仍具有一定的優(yōu)化空間, 需要以電力儲能技術(shù)發(fā)展為突破點(diǎn), 在戰(zhàn)略指導(dǎo)下促進(jìn)電力儲能技術(shù)的市場化應(yīng)用。