储能未来研究：大范围储能部署对电网运行的影响（英）

存储期货研究 广泛存储部署对电网运营的影响 JennieJorgenson、A.WillFrazier、PaulDenholm和NateBlair 存储期货研究 广泛存储部署对电网运营的影响 JennieJorgenson、A.WillFrazier、PaulDenholm和NateBlair 建议引用：Jorgenson、Jennie、A.WillFrazier、PaulDenholm和NateBlair。2022.广泛存储部署对电网运营的影响。科罗拉多州戈尔登：国家可再生能源实验室。NREL/TP-6A40-80688。https://www.nrel.gov/docs/fy22osti/80688.pdf。 注意 这项工作由美国能源部(DOE)的可持续能源联盟(AllianceforSustainableEnergy,LLC)运营的国家可再生能源实验室根据合同编号DE-AC36-08GO28308撰写。资金由美国能源部能源效率和可再生能源办公室太阳能技术办公室、美国能源部能源效率和可再生能源办公室风能技术办公室、美国能源部能源效率和可再生能源办公室水力技术办公室提供资金美国能源部能源效率办公室和可再生能源战略分析办公室。此处表达的观点不一定代表DOE或美国政府的观点。 该报告可从国家可再生能源实验室(NREL)免费获取，网址为www.nrel.gov/publications。 1991年之后产生的美国能源部(DOE)报告和越来越多的1991年之前的文件可通过www.OSTI.gov免费获得。 封面照片由iStock提供 NREL在含有回收成分的纸张上打印。 前言 本报告是美国国家可再生能源实验室的存储未来研究(SFS)出版物系列之一。SFS是一项多年研究项目，旨在探索储能在美国电力行业发展和运营中的作用和影响。SFS旨在研究能源存储技术进步对公用事业规模存储部署和分布式存储采用的潜在影响，以及对未来电力系统基础设施投资和运营的影响。研究结果和支持数据将作为一系列出版物发表。下一页的表格列出了他们将在SFS下审查的计划出版物和具体研究主题。 本报告是SFS系列的第六份，使用NREL区域能源部署系统(ReEDS)模型中的成本驱动情景作为起点 ，研究电网规模存储部署的运营影响以及此部署与变量贡献之间的关系可再生能源。我们使用商业生产成本建模软件来评估到2050年达到210吉瓦(GW)到930吉瓦的已安装存储容量的五个场景的每小时运行情况。我们发现，从现在到2050年，存储在这些电力系统中发挥着重要作用——通过存储最低边际成本发电（通常是太阳能或风能发电厂的过度发电），并在一天和一年的最高净负荷期间发电。存储有助于整合可变可再生能源，并通过提供重要资源来提供持续可靠的电力。 SFS系列提供数据和分析以支持美国能源部的储能大挑战，这是一项旨在加速下一代储能技术的开发、商业化和利用并保持美国在储能领域的全球领导地位的综合计划。储能大挑战采用用例框架来确保存储技术能够经济高效地满足特定需求，它融合了多个类别的广泛技术：电化学、机电 、热能、柔性发电、柔性建筑和电力电子。 更多信息、与本报告相关的任何支持数据、系列中其他报告的链接以及有关更广泛研究的其他信息，请访问https://www.nrel.gov/analysis/storage-futures.html。 标题说明与本报告的关系 存储部署的四个阶段：存储在美国电力系统中的作用扩展框架 储能技术建模输入数据报告 昼夜储存的经济潜力美国电力部门 分布式存储客户采用场景 定义长期储能的挑战 广泛存储部署对网格运营的影响 关于即将到来的储能部署浪潮的关键知识 通过基于当前和未来潜在存储部署的四个阶段的概念框架探索新的、具有成本竞争力的固定式储能的角色和机会，并提出一个储能的价值主张，这可能导致具有成本效益的部署达到数百吉瓦(GW)装机容量 回顾广泛应用于电力行业的机械、热能和电化学存储技术的当前特性。提供已部署的特定商业技术（包括锂离子电池系统和抽水蓄能水电）的成本、性能特征和位置可用性的当前和未来预测。 评估公用事业规模昼夜存储的经济潜力以及存储容量增加可能对电力系统演进和运营产生的影响 评估客户在几个未来场景中采用分布式昼夜存储 ，以及对分布式发电部署和电力系统演进的影响 描述了长期能量存储的单一统一定义以反映存储能量的持续时间和应用的挑战。 评估几种电力系统演进场景中储能的运行和相关价值，并探讨昼夜储能对电网运行的影响 综合和总结整个系列以及相关分析和报告的发现，并确定进一步研究的主题 就本报告中讨论的成本和性能特征的影响提供更广泛的背景，包括它们可能在存储部署的各个阶段启用的特定网格服务。该框架得到本报告中情景结果的支持。 提供有关电池和抽水蓄能水电成本和性能值的详细背景信息，用作本报告中执行的建模的输入。 分析公用事业规模的存储部署和网格演进场景，并为本报告提供输入场景。 分析分布式存储采用场景，以测试与本报告中建模的网格存储部署并行的各种成本轨迹和假设。 支持关于存储在网格中的角色、价值和影响的更广泛讨论的思考。 这份报告。 包括对研究所有其他方面的讨论 ，并为本报告的结果提供背景 致谢 我们要感谢整个存储期货研究团队以及我们的美国能源部(DOE)战略分析办公室同事作为本文件的核心贡献者所做的贡献。这些贡献者包括国家可再生能源实验室(NREL)的WesleyCole、ChadAugustine、KevinMcCabe、BenSigrin、AshreetaPrasanna、JessicaLau和MadelineGeocaris，以及美国能源部的KaraPodkaminer、PaulSpitsen和ZacharyEldredge。 我们还要感谢其他NREL工作人员的反馈和贡献，包括BradyCowiestoll、TrieuMai、LukeLavin、GregBrinkman、DougArent，以及指导分析过程的技术审查委员会。 这项工作由美国能源部(DOE)的可持续能源联盟(AllianceforSustainableEnergy,LLC)运营的国家可再生能源实验室根据合同编号DE-AC36-08GO28308撰写。资金由美国能源部能源效率办公室和可再生能源太阳能技术办公室、美国能源部能源效率办公室和可再生能源风能技术办公室提供， 美国能源部能源效率办公室和可再生能源水电技术办公室和美国能源部能源效率办公室和可再生能源战略分析办公室。该研究是使用 计算资源由能源部能源效率和可再生能源办公室赞助，位于国家可再生能源实验室。文章中表达的观点不一定代表美国能源部或美国政府的观点。美国政府保留且出版商通过接受文章发表，承认美国政府保留非独家、已付费、不可撤销的全球许可，以出版或复制本作品的已出版形式，或允许他人这样做，出于美国政府的目的。 首字母缩略词列表 CAISO加州独立系统运营商DOE美国能源部 GW吉瓦 MISO中洲独立系统运营商兆瓦兆瓦 MWh兆瓦时 NREL国家可再生能源实验室PSH抽水蓄能水电 光伏光伏 TWh太瓦时 执行摘要 由于技术成本的快速下降和储能的巨大潜在价值，我们可以在未来的电网上看到数百吉瓦的储能。储能未来研究(SFS)旨在探索储能在美国不断发展的电力部门中的潜在作用和影响，特别是储能技术的进步如何影响公用事业规模和分布式存储的部署，以及影响用于未来电力系统基础设施的投资和运营 。这份报告（该系列的第六份）评估了美国高储能电力系统的每小时运行情况，储能容量从213吉瓦到932吉瓦不等。 该评估基于之前发布的存储未来研究报告，其中NREL在其公开可用的区域能源部署系统(ReEDS)模型中添加了新功能，以针对能源存储的一系列成本和性能假设构建成本最低的情景(A.W.弗雷泽等人 ，2021）。情景显示，到2050年底，美国的存储容量有可能超过125吉瓦(GW)，即使按照最保守的估计——比当前的美国存储容量增加五倍多（A.W.Frazier等人，2021年）。 此分析通过详细的生产成本建模返回到ReEDS高存储场景，以观察每小时、每日和每年的运营以及相关的存储价值。总体而言，我们发现ReEDS中设想的高储能（通常是高可变发电）电力系统方案成功运行，没有未提供的能源和低储备违规1，表明到2050年底无需担心每小时负载平衡。成功的每小时负载平衡表明在以前的工作中对ReEDS的各种改进在设想这些未来情景方面是有效的。 每天，我们发现存储操作与太阳能光伏(PV)的可用性高度一致，太阳能光伏(PV)具有可预测的每日开关周期，这与存储充电和放电的需求非常吻合。另一方面，风的每日周期不太明显，并且经常经历长时间的过度发电，持续数小时或数天，这比我们在这里探索的存储持续时间要长得多。尽管存储可以在利用光伏和风能方面发挥关键作用，但与光伏的协同作用更加一致。每年，存储在所有配置和电网组合中有效地提供时移和峰值负载降低服务。尽管存储的年容量系数较低，这在本质上受到其充电需求的限制，但在跨场景和年份的前10个净负载小时内（当系统需要容量时），它具有非常高的利用率（在许多情况下超过75%）和能源最多——表明对系统资源充足性的巨大贡献。 最后，我们还发现存储提高了多种电力系统资产的效率。例如，我们发现在这些未来的电网情景中 ，存储通过利用零边际排放源的过度发电来减少电力系统的二氧化碳排放总量像风能和太阳能一样取代煤炭和天然气发电。此外，存储 1储备短缺最严重的情景会出现所有所需储备短缺0.3%。 2这些ReEDS情景考虑了最长持续时间为10小时的电池部署和最长持续时间为12小时的抽水蓄能水电。 可以阻止这些发电机的启动，从而减少标准污染物的排放，这可能会对健康状况不佳的低收入人群产生不成比例的影响，特别是那些生活在火电厂附近的人。存储也影响输电网的运行。我们发现存储增加了某些传输线路的利用率（通过观察到的拥塞量来量化），同时减少了在其他线路上观察到的拥塞 。存储如何通过增加或减少使用量来影响附近的传输取决于当地条件，但我们发现，存储通常会鼓励传输资产的更高利用率。 这些发现表明，在同时部署和运营资产时，进一步分析应考虑存储和传输的独特交互。 总的来说，本次和之前的存储未来研究分析的结果表明，日间存储（即持续时间长达12小时的存储 ）在未来电力系统中发挥重要作用的机会越来越大。该分析表明，通过减少过度发电、减少发电机启动和排放以及提高输电系统的利用率，更大程度地部署昼夜存储可以提高运营效率。此外，存储在最高净负载时间提供容量方面发挥着重要作用。未来的工作可以研究长期存储资源的作用，特别是在高度脱碳的电网条件下，例如接近100%清洁能源的电网条件下。 目录 1 2方法和数据2 2.1分析场景二 2.2PLEXOS5的配方 3高存储期货情景7的运营结果 3.1储能在年度运营中的作用7 3.2储能在每小时和季节性运营中的作用12 3.3存储灵敏度18 3.3.1存储的增量运营价值18 3.3.2存储和热力舰队21 3.3.3存储和传输25 4结论30 5参考文献31 附录。情景结果33 图列表 图1.评估的五种情景中的总发电量和容量组合4 图2.本研究考虑的五种情况下按技术类型分列的ReEDS存储容量分析5 图3.不同年份和情景中存储资产的年容量系数，计算为年平均值（上图）和前10个净负载小时（按地区）8 图4.每种存储技术的年容量因子（上图）和每日释放的存储容量百分比（下图）20509 图5.本分析中18个地区中每个地区2050年每日排放的存储容量百分比，与可变发电量百分比作图一代11 图6.2020年、2030年、2040年和2050年高NG成本/低成本Batt案例的平均日净负荷曲线（如下所示）削减） ............................................................................