100%可再生能源系统中的电网与储能

### 100%可再生能源系统中的电网与储能 #### 1. 电网的基本平衡原理 在整个电网中，电力的生产和消耗应该相互平衡，可用公式表示为：$\sum_{i} P_{i} = \sum_{j} C_{j}$，其中$P_{i}$是位置$i$处的电力生产，$C_{j}$是位置$j$处的电力消耗。 对于电网中的每个位置，与电网其他部分的交换量$T_{i}$等于本地生产和消耗之间的差值，即$P_{i} - C_{i} = T_{i}$。 与电网其他部分的交换受到所有连接的总传输容量$T_{max}$的限制，需满足不等式$|P_{i} - C_{i}| \leq T_{max}$。净消耗（$C_{i} - P_{i}$）和净生产（$P_{i} - C_{i}$）都受传输容量的限制。本地的要求不像整个电网那样严格，只有当本地生产和消耗差异较大，可能超出传输容量时，才需要进行本地平衡。可以利用各种灵活性形式和储能方式来避免传输容量被超出，从而在无需额外投资传输容量的情况下增加本地消耗和/或生产。本地的限制主要由本地净生产和/或净消耗的增加决定，而非生产随时间的变化或生产容量的不可预测性。 “传输容量”不仅指热容量，还包括电压降或升、谐波失真、稳定性等。“承载能力方法”可用于系统、透明地研究在无需额外灵活性或传输容量的情况下，本地可连接的额外生产或消耗的量。 #### 2. 储能的作用 生产和消耗所提供的灵活性在很大程度上与储能有关。部分灵活性来自行为改变，但主要来源是使用储能来分离能源的生产和消耗。储能选项有助于系统的稳定性，储能持续时间对确保能源系统的长期可靠性很重要，储能时间越长，储能选项越有用。同时，储能过程中的能量损失以及实际存储所需的能量也很关键，一些储能选项需要能量转换，这也会带来损失。 在100%可再生能源系统中，有以下几种储能选项： | 储能类型 | 描述 | 储能时间 | 能量损失 | | --- | --- | --- | --- | | A. 可再生能源存储 | 例如基于水库的水电，可将能量存储数月，损失形式为水库中水的蒸发；一些太阳能装置可将能量以热熔盐的形式存储，损失形式为盐的冷却，存储时间通常限制在几小时，但示范项目计划有24小时的存储时间。 | 数月（水电）；几小时 - 24小时（太阳能熔盐） | 水蒸发（水电）；盐冷却（太阳能熔盐） | | B. 空间加热和冷却存储 | 与被加热或冷却建筑物的热容量相关的自然存储，热时间常数从几小时到超过24小时不等，存储时间取决于温差和温度舒适区，可达约1小时，无转换损失和待机损失，能源效率高。 | 几小时 - 超过24小时 | 无 | | C. 热和冷存储 | 通常以热水或冷水的形式存储，通过良好的隔热可限制热损失，存储数小时；极端情况下，可在地下含水层中存储能量，可达数月，如斯德哥尔摩阿兰达机场用于季节性冷热存储。 | 几小时 - 数月 | 热损失 | | D. 燃料存储 | 燃料是一种自然的能量存储形式，几乎可以无限期存储，但某些燃料类型的存储需要消耗能量，如冷却存储装置。转换损失高，但长存储可能性使其可能成为确保能源系统可靠性的重要缓冲。 | 几乎无限期 | 存储时的能量消耗；高转换损失 | | E. 电池存储 | 未来部分交通将由电网充电的电池供电，这是一种自然存储形式，能量可长时间存储且损失不大，但实际存储时间受限于为电动汽车供电的需求，通常为几小时。大量电动汽车电池中的能量可用于平衡电网。 | 几小时 | 低 | | F. 电池临时存储 | 通过在战略位置的电池临时存储过剩电力，以维持电力生产和消耗的全球或本地平衡。 | - | - | 从电网的角度看，有三种储能类型： - **类型I**：一次能源在转换为电力之前的存储，如大坝后面的水存储和热力发电的燃料存储。 - **类型II**：电力以其他形式的存储，如电池存储和抽水蓄能。主要缺点是需要两次转换，但现代电池（如锂离子电池）的转换损失相对较小。优点是几乎可在电网的任何地方进行存储，不受生产或消耗地点的限制，合适的位置选择可减少电网对传输容量的需求。 - **类型III**：能源在使用前以其他形式的存储，如为几小时后加热而存储在水箱中的热水。后两种情况的转换损失较小，但存在存储损失，抽水蓄能受限于特定位置。 mermaid图如下： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(一次能源):::process -->|转换| B(电力):::process B -->|存储| C(类型II存储):::process A -->|存储| D(类型I存储):::process C -->|使用| E(能源利用):::process D -->|转换| B E -->|存储| F(类型III存储):::process F -->|使用| E ``` #### 3. 100%可再生能源系统中的可靠性 在传统电网中，对供电可靠性的研究较为充分，会区分电力生产、传输（长距离运输）和分配（短距离运输）的可靠性。在100%可再生能源系统中，这三个层次可能更难区分，这将强烈影响可靠性的计算方式以及在运营和规划中的纳入方式。不同角色对可靠性的看法不同： - **消费者视角**：消费者希望在需要时能获得电力，可靠性与按需供电有关，可通过每年停电次数和停电持续时间来量化。与传统能源系统的区别在于用电时间，一些应用需要即时用电，而对于有自然储能的应用，对电力的需求是在一定时期内的平均容量，而非随时的功率容量。例如，空间加热或冷却时，可靠性要求可设定为室温；电池充电时，要求是车辆需要时电池中有一定的最小能量。当有其他能源可用时，电力供应的可靠性会更复杂，同样的电力容量缺失在不同日子可能被定义为中断或不中断。总体而言，不同消费者的可靠性要求不同，难以给出涵盖所有消费者的总体定义。 - **生产者视角**：电力生产者需要电网传输所生产的能源，中断指生产的能源无法传输到消费者（包括存储）的情况，可能是由于连接缺失、本地或全球生产过剩。在传统电力系统中，电价随时间变化，生产者不能交付潜在生产的能源会导致收入损失。在100%可再生能源系统中，边际成本低甚至为零，电价也低，生产者可能不太担心无法向电网供电，但这可能导致系统运营商面临电力短缺问题。 - **系统运营商视角**：系统运营商的职责是确保在需要时提供电力，需限制本地和全球电力短缺事件的数量。电力需求有瞬时需求和较分散的需求两种形式，分散需求在供应不足时会转变为瞬时需求。系统运营商需避免以下三种情况： - 一个或多个消费者和生产者与电网其他部分无电气连接。 - 本地需求无法满足或本地过剩生产无法传输到电网其他部分。 - 全球生产短缺或过剩。 系统运营商必须避免这些情况。避免第一种情况需要可靠的组件和/或备用供应路径；避免后两种情况需要优化电力能源的需求和供应。需求侧包括电力消耗、功率转换为燃料和电网中任何储能的充电；供应侧包括直接从可再生源生产、燃料转换为电力和电网中任何储能的放电。如果将燃料视为一种储能形式，电力供需平衡有四个不同部分。 考虑可再生能源电力生产的五种不同供应水平，系统运营商需根据供应与需求的关系决定储能的充电或放电： 1. **供应水平1**：直接来自可再生源加上储能放电的总供应容量不足以满足功率需求，所有可用的储能放电容量将被用于减少未满足的需求。 2. **供应水平2**：可再生能源的供应容量不足以满足功率需求，但使用部分储能放电容量可满足功率需求，剩余的储能容量可留作后用或用于满足部分能源需求，这需要考虑储能的充电状态、预期的未来需求和可再生能源的未来生产。 3. **供应水平3**：可再生能源的供应容量足以满足总功率需求，剩余部分可用于供应部分能源需求和/或给储能充电。当储能中有足够能量时，存储的能量甚至可用于供应总能源需求，系统运营商需要优化储能的充放电与能源需求供应。 4. **供应水平4**：可再生能源的供应容量超过功率需求和能源需求之和，总功率需求将得到满足，剩余部分用于给储能充电。 5. **供应水平5**：可再生能源的供应容量超过功率需求、能源需求和储能充电容量之和，所有需求应得到满足，剩余的可再生能源将被削减。 mermaid图如下： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(可再生能源生产):::process -->|供应水平1| B(功率需求未满足):::process A -->|供应水平2| C(使用部分储能放电满足功率需求):::process A -->|供应水平3| D(满足功率需求，剩余用于能源需求和/或储能充电):::process A -->|供应水平4| E(满足功率和能源需求，剩余给储能充电):::process A -->|供应水平5| F(满足所有需求，削减剩余能源):::process G(储能):::process -->|放电| C G -->|充电| D G -->|充电| E ``` 综上所述，100%可再生能源系统中的电网运行、储能利用和可靠性保障是一个复杂的系统工程，需要综合考虑各种因素，以实现能源的高效、可靠供应。 #### 4. 不同供应水平下的电网操作分析 为了更深入理解系统运营商在不同供应水平下的决策逻辑，下面对每个供应水平进行详细分析。 | 供应水平 | 供应与需求关系 | 系统运营商决策 | 影响及考虑因素 | | --- | --- | --- | --- | | 供应水平1 | 直接来自可再生源加上储能放电的总供应容量＜功率需求 | 启用所有可用的储能放电容量，优先满足部分功率需求 | 此情况表明能源供应严重不足，可能导致部分非关键负载断电。需考虑储能剩余容量，避免过度放电影响后续供电 | | 供应水平2 | 可再生能源供应容量＜功率需求，但加部分储能放电容量可满足 | 使用部分储能放电满足功率需求，剩余储能容量可留用或供应部分能源需求 | 需综合评估储能的充电状态、未来需求和可再生能源生产预测。若过度使用储能，可能在未来供应不足时面临更大风险 | | 供应水平3 | 可再生能源供应容量≥总功率需求 | 满足功率需求后，剩余部分用于供应部分能源需求和/或给储能充电 | 此时可优化储能的充放电策略，以平衡能源的即时利用和未来储备。例如，根据储能成本和未来能源价格波动进行决策 | | 供应水平4 | 可再生能源供应容量＞功率需求 + 能源需求 | 满足功率和能源需求，剩余部分给储能充电 | 可充分利用过剩能源进行储能，提高能源利用率。但需考虑储能设备的充电容量和寿命，避免过度充电 | | 供应水平5 | 可再生能源供应容量＞功率需求 + 能源需求 + 储能充电容量 | 满足所有需求，削减剩余可再生能源 | 削减能源意味着部分可再生能源未被利用，需评估削减成本和对可再生能源发展的影响，考虑是否有其他方式利用这部分能源 | mermaid图如下： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(供应水平1):::process -->|决策| B(启用全部储能放电):::process C(供应水平2):::process -->|决策| D(部分储能放电+剩余留用或供能):::process E(供应水平3):::process -->|决策| F(满足功率后供能和/或充电):::process G(供应水平4):::process -->|决策| H(满足需求后充电):::process I(供应水平5):::process -->|决策| J(满足需求后削减能源):::process B -->|影响| K(部分负载可能断电):::process D -->|影响| L(需评估未来风险):::process F -->|影响| M(优化充放电策略):::process H -->|影响| N(考虑储能设备情况):::process J -->|影响| O(评估削减成本和影响):::process ``` #### 5. 应对可靠性挑战的策略 由于100%可再生能源系统中可靠性计算和保障面临诸多挑战，系统运营商和相关参与者可采取以下策略： - **加强储能设施建设**：不同类型的储能方式各有优缺点，应根据实际需求和地理条件合理布局。例如，在水资源丰富地区发展水电储能；在城市地区利用建筑物的热容量进行空间加热和冷却存储。同时，不断研发和改进储能技术，降低能量损失和成本。 - **优化电网结构**：提高电网的灵活性和适应性，减少传输限制。可以通过建设智能电网，实现对电力流的实时监测和控制，合理分配电力资源。例如，采用分布式能源系统，减少长距离传输带来的损耗和风险。 - **需求侧管理**：引导消费者调整用电习惯，实现需求响应。对于一些非关键负载，可以在电力供应紧张时适当减少用电。例如，通过电价激励机制，鼓励消费者在低谷时段使用电器设备。 - **多元化能源供应**：除了可再生能源，合理保留一定比例的传统能源或其他备用能源，以应对极端情况。例如，在可再生能源供应不足时，启动燃气发电等备用电源。 #### 6. 未来展望 随着技术的不断进步和对可再生能源的重视，100%可再生能源系统将成为未来能源发展的趋势。但要实现这一目标，还需要解决许多技术和管理上的问题。 - **技术创新**：继续研发高效的储能技术、智能电网技术和可再生能源发电技术，提高能源转换效率和可靠性。例如，开发新型电池材料，提高电池的储能密度和寿命。 - **政策支持**：政府应出台相关政策，鼓励可再生能源的发展和应用，提供补贴和优惠措施，促进储能设施建设和电网升级。 - **国际合作**：能源问题是全球性问题，各国应加强合作，共享技术和经验，共同推动100%可再生能源系统的发展。例如，在跨国电网互联方面开展合作，实现能源的优化配置。 总之，100%可再生能源系统中的电网、储能和可靠性保障是一个相互关联的复杂体系。通过合理的规划、技术创新和管理策略，我们有望实现能源的可持续供应，为人类创造一个更加清洁、可靠的能源未来。