储能在分布式发电及微网中的应用及收益分析

第三章储能在分布式发电及微网中的应用及收益分析分布式发电及微网日益成为能源领域的应用热点之一,按照国家能源规划,到2020年,分布式发电的装机容量将达到2.1亿千瓦,占全国总装机的11%。储能作为分布式发电及微网的关键支撑技术,在该领域具有巨大的应用潜力。 一、储能在分布式发电及微网中的应用现状 1. 储能在分布式发电及微网中的应用现状 分布式发电是指位于用户所在地附近,不以大规模远距离输送电力为目的,所生产的电力除由用户自用和就近利用外,多余电力送入当地配电网的发电设施、发电系统或有电力输出的能源综合梯级利用多联供系统。 微网可分为并网型微电网和离网型微电网两大类,其中并网型微电网既可并入大电网运行,也可以在外部电网故障情况下,转为独立运行模式继续为微网内重要负荷供电;离网型微电网不和常规电网相连,利用自身的分布式电源满足微网内负荷的需求。 CNESA的项目库数据显示,截止到2013年底,分布式发电及微网已经成为储能最热点的应用领域之一,美国、中国及欧洲是发展最快的地区,其中美国在项目数量及装机容量方面都占据世界领先,中国位列第二。 就目前已开展的项目来看,包含储能系统的分布式发电及微网项目主要应用于社区、工业、商业、户用、偏远地区,军方等领域。其中,社区类的项目数量是最多的,占所有项目数量的50%,主要分布在美国和日本。其次是海岛和偏远地区类储能项目,分别占总项目数量的12%和9%,主要在中国和美国。由此可见,储能在解决居民用电安全以及解决无电人口用电问题方面的巨大市场潜力。在应用技术方面,锂离子电池、铅酸电池是在这一领域应用最多的技术。其中,锂离子电池装机容量占总容量的50%,是近年来被认为应用领域最广且非常有发展前景的技术;铅酸电池,由于其便宜的价格,相对成熟的技术,在预算不高或早期建设的微网系统中成为最佳选择,现有市场份额占总容量的27%。钠硫电池、液流电池在这一领域也有一定的应用,装机容量分别占总容量的8%。 2. 储能在分布式发电及微网中的主要应用 储能是分布式发电及微网的关键支撑技术,尤其是在包含可再生能源技术的分布式发电及微网系统中发挥着重要作用。其作用可概括为3个方面。 稳定系统输出使用储能解决分布式电源中电压脉冲、涌流、电压跌落和瞬时供电中断等动态电能质量问题,对系统起稳定作用;通过由分布式发电系统提供所需的平均负荷、储能提供短时峰值负荷的方式,平滑用户负荷曲线。 备用电源适量的储能可以在分布式发电单元不能正常运行的情况下起备用作用。如在分布式太阳能系统不能发电的夜间,分布式风电系统在无风的情况下,或者其他类型的分布式发电系统检修的情况下等,储能可以起到备用的作用。 提高调度灵活性储能能够使得不可调度的分布式发电系统作为可调度机组运行,实现与大电网的并网运行,并在必要时向大电网提供削峰、紧急功率支持等服务。储能的容量越大,系统的调度就更加自由化,但须在调度自由化获取的利益与成本之间找到经济平衡点。 另外,储能在分布式发电及微网中应用还能提高现有发输配用电设备的利用率、降低运行成本、减少用户的用电费用等。 结合储能能发挥的具体作用,工、商、民用、无电人口、海岛等领域,成为了目前最为热点的分布式发电及微网储能应用领域。其中,德国、日本在工、商、民用领域的应用较多,中国和美国分别在无电人口用电问题解决和海岛微网方面关注度较高,社区储能在日本和美国应用较多,军方储能在美国也有不少应用。 本文将对储能在普通居民、工商业用户并网分布式及微网中的应用、以及储能在离网分布式发电及微网中的应用进行重点分析,并对两种模式的经济收益进行探讨,以期为储能在这些前景较好的应用领域中快速实现商业化应用提供借鉴。 二、现有政策和电价机制对分布式发电及微网储能的影响 分布式能源系统出现至今已有几十年,由于其对能源的高效利用,已成为发达国家应对全球气候变化和实现节能减排的有效措施。各国政府制定了相关法律、出台鼓励政策,使得分布式能源系统在这些国家得到长足发展。 2012年,中国国家能源局发布《分布式发电管理暂行办法》,鼓励企业、专业化能源服务公司和包括个人在内的各类电力用户投资、建设、经营分布式发电项目,并对用户给予一定补贴,分布式能源市场在我国也迎来发展机遇。 为促进分布式发电及微网的发展,中国出台的相关政策有: 2012年2月,国家能源局,《分散式接入风电项目开发建设指导意见》 2012年4月,国家能源局,《分布式发电管理办法(征求意见稿)》和《分布式发电并网管理办法(征求意见稿)》 2013年7月,财政部,《关于分布式光伏发电实行按照电量补贴政策等有关问题的通知》 2013年9月,国家能源局,国开行,《关于开展分布式光伏发电金融支持试点工作的通知》 2013年9月,国家能源局,《全面解决无电人口用电问题3年行动计划(2013-2015年)》 除以上分布式发电相关政策外,各省市发布的分布式光伏发电电量补贴政策,阶梯电价、峰谷电价、两部制电价等电价政策也可对分布式发电及微网的发展产生一定的影响,同时也提升了储能在该领域应用的预期。这其中,直接的补贴政策以及电价政策更是与储能在该领域应用时的经济收益密切相关。 三、分布式发电及微网储能应用的收益分析 1.收益点分析 储能在分布式发电及微网系统中主要有四个收益点:分时电价电费管理,容量费用管理,提高供电可靠性,以及提高电能质量。 分时电价电费管理在电价较低时向电池充电,在电价高峰时,电池向本地负荷放电,通过低买高卖(用)套利或者减少本地电费的支出。影响收益的主要因素是峰谷电价,另外储能系统的效率、放电时间及相关补贴也会直接影响收益的多少。 基本电费管理基本电费按照用户的变压器容量或最大需用量(即一月中每15 分钟或30 分钟平均负荷的最大值)作为计算电价的依据,每月固定收取,不以实际耗电数量为转移。基本电费管理中,储能的收益通过在容量费低的时段保存电量,在容量费率高的时段使用,从而降低用户用电功率,降低容量费用来实现。基本电费管理主要面向工业用户。影响收益的主要因素包括:容量/需量费率,储能系统容量、放电时间等。 提高供电可靠性在发生停电故障时,储能为用户供电,避免故障修复过程中的电能中断,以保证供电可靠性。在提高供电可靠性方面,降低断电事故,减少损失是储能给用户带来的主要获益点。 提高电能质量部署在负荷端的储能在短期故障的情况下,减少电压波动、频率波动、功率因数、谐波以及秒级到分钟级的负荷扰动等对电能质量的影响。投入储能所获得的收益,可以通过计算电能质量事件发生造成的损失(即价值)来量化。影响收益的主要因素有:电能质量不合格事件的次数、低质量的电力服务给用户造成的损失程度、配备的储能系统的容量指标等。 除了上述四种收益点外,储能还可以优化微电网中的可再生能源发电机组的运行、降低电力损失和排放等,实现环境效益和社会效益。 2. 并网分布式发电及微网中储能应用的收益分析 普通居民并网分布式发电及微网中储能应用的收益分析 目前所指的户用储能系统,一般是配合太阳能屋顶 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 承建,存储中午多余电量用于夜间使用。这种储能形式可以充分利用大面积屋顶,解决电网供电高峰压力,提高电力自给自足程度,提高用电安全性。户用储能的规模在5kwh~20kwh,可以应用于家用屋顶,农舍屋顶。 (1)中国案例分析 假设北京市郊区的一个四口之家,每天耗电8.5度,配置5kw光伏,5kwh 的储能装置。根据北京市居民阶梯电价 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,并考虑国家分布式光伏电量补贴电价,通过计算,该光伏+储能系统全年可为用户节约电费约1642元。如果该家庭执行居民峰谷电价标准,根据2006年北京市发改委发布的《关于居民分户电采暖电价问题的通知》的相关规定,计算所得采暖期储能系统可为用户节约电费约383元。 由此可见,目前的电价标准下,相对于系统的安装成本,光伏储能系统只能为普通居民用户带来少量的收益,不足以吸引大量用户投资自建光伏储能系统。 (2)德国应用分析 储能在德国普通居民用户领域的发展被认为是全球最具发展潜力的方向,该国不断升高的可再生能源比例、对可再生能源发电起助推作用的各种法规 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 (例如可再生能源法、择优排序发电规则)、居民侧高电价、针对光伏的电价补贴机制FIT 逐年下降等都不断刺激并促进了德国普通居民应用储能设施。 2013年,德国光伏储能补贴政策正式确立,该政策将提供相当户用储能设备成本的30%的补贴,并通过德国发展银行RfW 对购买光伏储能设备的单位 或个人提供低息贷款。在这一补贴政策下,以一个新安装的、总成本为19500EUR 的、配备有3.3kWh锂离子电池系统的5kWp的光伏系统为例,计算可得储能系统可获得的总补贴为3000EUR,补贴额度可观。德国光伏储能市场将在这一政策下,获得大的发展。 工商业用户并网分布式发电及微网中储能应用的收益分析 工商业配置储能系统的目的主要是电费管理,其中包括容量电费管理以及分时电价管理。国内,工商业用户容量电费高,且分时电价体系的进一步应用,为储能技术在工商业用户端进行分时电价管理提供了可能性。 (1)中国案例分析 2012 年4 月,金风北京亦庄经济开发区厂区“金风智能微网工程”完成建设,项目包含风力发电2500kW,太阳能光伏发电503kW,储能电池540kWh,感应电机300kW,微型燃气轮机130kW。 微网系统目前主要为厂区提供生产和生活用电,储能系统主要起到控制联络线功率的长期波动以及进行瞬时功率调节的作用。另外,微网还将考虑进行电动汽车相关的实证。 计算表明,目前微电网的运行,每年可以为公司节约电费约134万元,每年向电网售电可获得收益40多万。另外该项目还在节能减排方面做出了一定的贡献。 如果不安装新能源发电设施,仅靠储能电池利用峰谷电价差进行充放电操作,假设位于江苏的某工业用户安装一套8MWh、效率为70%的储能电池系统,在当地的电价条件下,通过计算表明,每年可节约电量电费130万,容量费用48万。 (2)美国应用分析 美国商用和工业用电计费包含两部分:常规电费,即根据用电总量计算的费用;高峰需量电费,即在计费周期里的企业自身用电高峰时段的需量电费(demand charge)。这样的电价机制以及用电负荷需求就为储能在电网低谷时段储电、高峰时段放电,且在设备启动时稳定用电电压、降低最大容量需求,以达到电费管理的目的而提供了市场机会。 美国加州Gills洋葱加工厂是一个通过储能设施降低用电费用的典型例子。 2012年4月,Gill 工厂引入普能公司600kW/3.6MWh 的全钒液流电池储能系统,通过负荷低谷充电,峰段放电的方式,为工厂节约电费。项目运行后,可帮助工厂节约数十万美元的电费(包括常规电费和需量电费)。另外,该项目还获得了加州SGIP 激励计划120万美元的资助。 3. 离网分布式发电及微网中储能在应用的收益分析 偏远地区离网分布式发电及微网中储能应用的收益分析 (1)中国案例分析 内地偏远地区,如西藏自治区,目前还有一部分群众没有用上电,而这部分群众大部分生活在比较偏远的山区,传统的电网很难覆盖到该地区,但当地的风光资源丰富,风力等级比较高且持续时间长,日照时间长且太阳辐照度较高,非常适合建立风光互补微网发电来解决当地群众的用电问题。 华电天仁电力技术有限公司在西藏地区投资建设了西藏班戈公路段道班微网系统,采用35kW风力发电、25kWp光伏发电、540kWh储能蓄电池组,解决了当地居住办公人员的用电问题。经过现场考察和统计,该微网系统目前年用电量约83000kWh。结合系统安装运行维护等成本,计算所得度电成本为1.85 元,西藏本地柴油发电度电成本一般为 2.65 元,因此该系统具有一定的经济性。(2)美国军方应用分析 美国军方设置了许多高比例的可再生能源目标,这些目标推动着微电网在美国军方能源系统的应用。可提供稳定的能源供应,并可同时避免能源价格剧烈变动或袭击影响的功能系统对军方来说至关重要。微网,既能增加可再生能源的利用,同时又能降低对大电网和柴油发电机的依赖,是军方实现安全、稳定供能的一个现实选择。而储能是独立微网中的一个关键部分。 在试验平台(Test Bed)和SPIDERS 计划支持下,美国国防部已建设了多个微网系统,容量已经从2011 年的228MW 增长到2012 年的578MW。锌溴液流电池,锂离子电池,高级铅酸电池和钠镍电池(如Durathon电池)等都在这其中取得了一定的应用机会。 由于对储能技术的成本较不敏感,且对供电安全性和稳定性要求较高,因此,相对于电网储能领域,储能在成本较高时期应用在军方微网系统中较为可行,且有前景。 海岛离网分布式发电及微网中储能应用的收益分析 在一些远离大陆的偏远海岛,由于经济及生活品质的不断提高,对电力的需求越来越大,对其可靠性要求也越来越高。解决海岛供能的主要方式有建立自治独立系统和与大陆主网互联两种方式。其中与大陆主网互联,代价高昂,因此自治独立系统是目前的主流方式。 以往的自治独立系统多以柴油发电机为主,近年来,从降低成本、保护环境、可持续发展等角度考虑,含储能装置的风光供电系统逐渐引起各方重视。(1)中国案例分析 2011 年5 月,由国家电力集团投资建设的东福山岛风光储微网供电系统投运。该系统含210kW 风力发电机、100kW 太阳能光伏电池组、200kW 柴油发电机、1000Ah 蓄电池。 目前,全岛的用电基本实现由新能源提供。 计算表明,作为独立型微电网,东福山岛风光柴储系统如果单纯依靠电价获利,显然是不经济的。但从节约成本来看,用风光柴储系统替代柴油发电机组节约了发电成本,且比敷设电缆,与大陆电网相连更为经济。 (2)美国应用分析 在美国,夏威夷的大岛(Big Island)和毛伊岛(Maui Island),阿拉斯加的科迪亚克岛(Kodiak Island),波多黎各,以及美国在加勒比海部分岛屿,都建设了储能项目。例如位于阿拉斯加南部海岸的科迪亚克岛,2012年秋天,在建设4.5MW的Pillar Mountain 风电项目二期工程时,就额外增加了一个3MW的储能系统。 目前,储能应用于海岛项目中,主要还是基于技术考量,如保障系统稳定性、提高接入可再生能源比例、做系统备用等。从成本来看,相对于柴油发电或铺设海底电缆,储能型微电网项目能节约一定的发电成本,但尚不能获得盈利。未来,随着储能技术的不断突破,成本不断下降,储能设备有望更多的应用在海岛供能项目中,不但能改善海岛电力结构,提高人们的生活质量,还能使发电企业更快地回收成本,甚至获得盈利。在世界范围内,以储能技术为支撑的互补发电方式正逐渐成为海岛发展可再生能源和微电网系统的一个明显的方向。