中国储能网讯：4、定义长时储能系统的持续时间以建立其提供资源充足性的能力  

除了便于沟通和交流之外，出于监管和市场的各种原因，为定性形容词指定数值也很常见。即使没有潜在的监管需求，为长时储能系统等定义生成基于储能应用的阈值也可能很有用。对于长时储能系统(LDES)来说，这种定义方的法最终将持续时间与特定应用（其提供固定储能容量的能力）联系起来。  

为了提供稳定的储能容量和支持资源充足性，并且越来越多地部署储能系统，采用固定容量也是一个重要方面。  

很多报告和文献中出现对于长时储能系统(LDES)的讨论。这也反映了现在或在不久的将来对长时储能系统(LDES)的旺盛需求，其中现有发电资产的退役或电力需求的增长，增加了对能够满足这些市场需求的长时储能系统的需求。

根据提供固定容量所需的最短持续时间来定义长时储能系统(LDES)，会导致随着时间和位置而变化的更大范围持续时间。因此，这种定义方法最终与第一种方法（一致性和易于沟通）相冲突。  

为了探索定义中可能存在的不一致，必须首先检查作为持续时间函数的容量信用，或储能系统的有效承载能力(ELCC)。简单地说，如果1MW的储能系统要完全取代1MW的传统发电设施，则需要有足够的持续时间来提供相等或更大的有效承载能力(ELCC)。  

有效承载能力(ELCC)反映了发电设施在大修时等停电风险峰值期间可用的能力，这通常对应于电力峰值需求期间，或者越来越多地对应于峰值净需求，其中净需求是正常需求减去可变可再生能源（VRE）提供的电力。图1显示了一个简单的近似方法示例，该方法用于计算将净峰值负载减少特定储能容量（基本上代表100%容量信用）所需的持续时间。在本例中，模拟替代佛罗里达州1,700MW的传统峰值发电容量。通过储能系统的额定容量来测量减少净负载所需的能量，在这种情况下约为7,000MWh，相当于大约4小时的持续时间。

图1.采用储能系统满足峰值需求  

可以使用简单的方法（例如图1中所示的方法）来估计作为持续时间函数的储能容量信用，主要使用线性降额。在之前的示例中，一个装机容量1,700 MW、持续时间为4小时的储能系统，可以提供大约1,700MW的有效承载能力(ELCC)（100%容量信用），并且具有相同装机容量且持续2小时的储能系统可以降额至850MW（意味着它将在4小时内以850MW输出电力）。  

在这个针对特定位置和电网组合的示例中，持续时间为4小时的储能系统可以为系统资源充足性贡献其装机容量的100%。虽然这是一个近似值，但研究发现，在美国夏季峰值期间的许多地区，4小时持续时间的储能系统可以提供更高的储能容量。这符合美国许多市场区域为满负荷信用设定的阈值。  

这一结果的含义是，至少在美国某些地区，目前不需要10小时持续时间的储能系统来提供系统级资源充足性。因此，基于应用场景的长时储能系统(LDES)定义（就提供固定容量所需的最短持续时间而言）与报告中建议的的定义（10小时以上）不符。此外，无法生成一致的基于应用场景的定义，因为持续时间由于以下四个主要原因而具有很大差异，如下所述。  

原因1：储能容量信用因区域负载模式而异

储能系统在峰值需求期间的储能容量取决于峰值期间的需求和持续时间。图2采用与图1相同的方法，但在本例中计算了纽约州所部署的储能系统的持续时间，并且考虑了储能系统的不同规模。因为纽约州经历了更长的负载峰值（此处用紫色区域表示更宽），该系统将需要大约5.5小时才能实现与上述佛罗里达州案例相同的净负载。  

图2.更长的净负载峰值会降低储能系统的容量信用（纽约州示例）  

一般来说，较长的峰值期间通常出现在夏季峰值期间。这导致储能容量信用有着显著的区域差异，并导致实现100%容量信用的持续时间不同。  

原因2：储能的容量信用因可再生能源部署而异  

净负荷峰值期间的长度也受到可变可再生能源（VRE）部署的影响，尤其是太阳能发电设施(PV)。图3提供了一个示例，说明了储能系统在没有与太阳能发电设施配套部署的情况下，满足电力系统峰值需求可能需要8小时或更长时间（蓝色箭头）的情况。然而，当储能系统从光伏发电设施每年获得20%的发电量时，这个储能系统只需要4小时的持续时间即可实现与8小时持续时间储能系统相同的降低净负荷水平（灰色箭头）。

图3采用太阳能发电设施可以缩小净负荷峰值，增加储能容量信用  

特别是在夏季峰值期间，与太阳能发电设施配套部署可以显著改变储能系统的容量信用，从而减少储能系统实现100%容量信用所需的持续时间。  

原因3：储能的容量信用由于部署规模不同而有所不同  

一个关键因素是储能部署本身的影响；储能系统在本质上是为了减少峰值电力需求，并产生更长的净负载峰值。图4提供了一个示例，显示了佛罗里达州使用的示例，按持续时间来顺序添加部署储能系统将如何满足时间更长的峰值期间。

图4.储能部署对所需持续时间的影响  

在这一示例中，随着储能部署的增加，维持高容量信用需要从4小时持续时间到最终10小时持续时间的系统过渡。  

原因4：在脱碳能源系统中，即使是10小时以上储能技术的容量信用也可能非常低

图4中的示例显示了添加储能系统如何增加储能系统保持高容量信用所需的持续时间。虽然这可以在一定程度上通过额外的太阳能发电设施提供的电力来抵消（图3），但在某些时候，峰值净负荷可以转移到太阳能发电设施（或风力发电设施）电力相对较低的时期。有了足够的可变可再生能源（VRE）和储能系统，峰值净负载期间可以持续数天的时间，这将需要更多的储能系统具有更长的持续时间以保持高容量信用。许多研究表明，包括表1中的几项研究，检验了接近或实现100%可再生能源供应的情景，并确定了在高净需求时期之前数周甚至数月对储能系统进行充电然后再放电多天的潜在需求。在这些情况下，10小时的储能系统可能具有非常低的容量信用，甚至具有100小时持续时间的储能系统对于某些应用场景来说也是不够的，例如解决电网拥塞地区电力长期中断的问题。

总的来说，这四个原因解释了表1中定义的大部分差异。长时储能系统(LDES)的定义强调其提供固定容量的能力，涵盖了广泛的用例和电网条件。使用4小时持续时间的长时储能系统的定义可能会考虑当前电网的情况，其中4小时的持续时间足以满足夏季峰值需求。而使用持续时间超过4小时的定义可能反映了当前处于冬季峰值期间的电力系统，在这些电力系统中，改变负载模式和增加储能规模会导致净负载峰值超过4小时。此外，长时储能系统(LDES)对一天以上时间的定义通常基于对主要依赖可变可再生能源（VRE）的电网的研究，并且可能需要足够的储能容量来解决低于平均水平的风力发电或太阳能发电的多天时间。  

5、更复杂的情况：经济和技术能力的影响  

前面的示例表明，高容量信用所需的持续时间阈值范围很广。然而，根据长时储能的“需求”来传达这一点忽略了更基本的问题，即这种需求最终是由储能系统的经济性驱动的，包括较短持续时间的储能系统适当降额。例如，图5显示了一个场景，其中可变可再生能源（VRE）和储能系统的组合产生大约10小时的净负载峰值。图5中的剩余发电窗口，其中6小时持续时间的降额的储能系统可以利用其在高功率下进行较短持续时间充电的能力，提供能源时移机会，可能部分或完全抵消与电力相关的成本。如上所述，这可以通过10小时持续时间的储能系统或将6小时持续时间的储能系统降额到装机容量的60%来提供。在这些情况下，降额意味着与长时储能系统相比，短时储能系统的功率组件可能尺寸过大（成本更高）。然而，这种超大规模的装机容量为工厂在大功率限电事件期间提供了额外的充电机会，特别是在大量部署太阳能发电设施的情况下。

图5.降额的储能系统可以利用大功率限电事件提供服务  

充电和放电的功率容量也限制了长时储能系统在可用时间方面所能达到的目标。假设图5中的储能系统具有相同的充电和放电率，那么具有80%充电往返效率(RTE)的10小时持续时间的储能系统将需要充电14小时，这意味着将在24小时中连续运行（也就是说放电10小时，充电14小时），这是储能系统每日运行的上限。这一操作还需要储能系统在充电14小时的时间内采用电网的电力。这一切都表明，高容量信用不能仅仅基于储能系统的持续时间，还取决于其及时经济地充电的能力，任何长时储能系统(LDES)的定义都必须考虑到这一限制因素。  

最终，储能技术的选择是由经济驱动的，这为定义长时储能系统增加了另一个维度。在某些情况下，满足长时储能的需求可以通过降额的短时储能系统来满足。  

6、结论  

一些分析报告指出，可变的可再生能源在电网中发挥的作用越来越大，由锂离子电池主导的持续时间为4小时储能系统难以满足这种需求。这种看法导致行业用户呼吁使用长期储能，并认识到在可再生能源和储能系统的各种部署场景下，净负荷峰值可能会延长至8小时或更长时间。然而，由于长期缺乏统一定义，阻碍了对当前和未来电网需求的沟通，包括接近100%脱碳主要依赖可再生能源的情景。

由于讨论和分析定义长时储能系统的动机和实践不同，因此不建议使用单一的长时储能系统的定义。

因为它可能过于武断，无法确定储能系统在电网发展过程中为其提供资源充足性所需的持续时间。然而，对于储能系统持续时间的定性描述应该伴随着定量的定义（例如，“在这项工作中，我们认为长时储能系统的持续时间为4个或更长时间”）。此外，建议分析师和储能行业人士考虑他们选择的长时储能系统的定义。

对于那些只是为了方便而希望采用长时储能定义的人来说，建议使用美国高级研究计划署能源署(ARPA-E)的10～100小时的长时储能定义，这是因为：（1）这一时间范围满足“高容量信用”要求；（2）它与最大份额的文献引用保持一致；（3）它提供了现有储能技术（如锂离子电池）和季节性储能之间的区别氢储能或电转气等技术。  

但是，使用长时储能系统的定义需要小心谨慎，特别是如果使用该术语来暗示储能系统需要支持资源充足性。此外，由于部署太阳能发电设施，可以降低短时储能系统的储能容量（如果具有足够的成本效益），对持续时间4小时以上的储能系统需求就会减少，这使得对具有特定持续时间的储能技术的需求可能会成为成本问题。因此，是否需要持续10小时或更长时间的储能系统在很大程度上取决于具有一组特定条件的电网，其中包括区域负载模式、可再生能源部署、储能部署，以及竞争储能选项的经济性。在某一点上，可能需要部署季节性储能系统以支持资源充足性，并进一步支持能源脱碳。

因此，不可能有一个统一的、广泛适用的长时储能系统(LDES)定义，并以其具有支持资源充足性的能力作为基础。这一结果可能有些不确定，但反映了资源充足性评估总体上日益复杂的情况。包括风能、太阳能光伏和需求响应许多资源在容量信用方面具有基于时间、区域和部署的变化。监管和市场框架需要发展和进步以适应这一现实。具有不同持续时间的储能系统的作用，最终将取决于它们提供资源充足性的经济成本和收益，以及可以提供的其他服务。  

研究人员、分析师和行业用户需要仔细考虑他们选择的长时储能定义的动机，利益相关者之间的沟通将会得到改善，并将共同推进对储能系统在电力系统中发挥重要作用的理解。

作者：Paul Denholm、Wesley Cole、A.WillFrazier、Kara Podkaminer和Nate Blair  

来源：美国国家可再生能源实验室