儲能新生態(tài)的探索研究：共享儲能與數(shù)字儲能

　　文 | 慈松 江婷 周楊林

　　新型儲能作為新型電力系統(tǒng)中的重要組成部分正在迅速發(fā)展，但仍面臨經(jīng)濟(jì)性的掣肘和安全性的隱憂。共享儲能通過資源集約利用、優(yōu)化調(diào)度，為解決儲能的經(jīng)濟(jì)性問題提供了商業(yè)模式上的可行方案;數(shù)字儲能技術(shù)則為更大規(guī)模量級的儲能系統(tǒng)提供了本質(zhì)安全的技術(shù)方案，并進(jìn)一步優(yōu)化儲能經(jīng)濟(jì)效益。

　　儲能安全性與經(jīng)濟(jì)性難題案亟待全新的商業(yè)和技術(shù)解決方

　　在雙碳目標(biāo)的指引下，儲能的發(fā)展如火如荼，根據(jù)CNESA統(tǒng)計，截至2021年底，中國已投運電力儲能項目累計裝機(jī)規(guī)模46.1GW，同比增長30%。其中新型儲能累計裝機(jī)規(guī)模達(dá)到5729.7MW，同比增長75%。然而，新型儲能未來的良性可持續(xù)發(fā)展仍面臨隱憂。

　　第一，建設(shè)成本高。新能源產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長增加了產(chǎn)業(yè)上游原材料的供應(yīng)壓力，直接推高了電池價格，而電池占據(jù)了儲能系統(tǒng)成本的60%以上，導(dǎo)致儲能建設(shè)成本節(jié)節(jié)攀升;而“儲能配額制”直接增加了新能源發(fā)電企業(yè)的財務(wù)負(fù)擔(dān)。

　　第二，儲能資產(chǎn)利用率低下。服務(wù)于單個新能源場站的儲能設(shè)施利用率極低，大量資源處于閑置狀態(tài);根據(jù)中電聯(lián)最近發(fā)布的《新能源配儲能運行情況調(diào)研報告》，新能源配儲至多棄電期間一天一充一放運行，個別項目存在僅部分儲能單元被調(diào)用、甚至基本不調(diào)用的情況。從儲能等效利用系數(shù)看，調(diào)研的電化學(xué)儲能項目平均等效利用系數(shù)為12.2%，其中新能源配儲的等效利用系數(shù)僅為6.1%。

　　第三，項目收益受限。當(dāng)前的儲能主要服務(wù)于單一場站，以峰谷套利為主要的收益來源，經(jīng)濟(jì)效益有限;近日，山東省能源局下發(fā)《關(guān)于征求2023年全省電力市場交易有關(guān)工作意見的通知》，顯示了電力市場化改革進(jìn)一步推進(jìn)的趨勢，峰谷套利模式難以為繼;分散場站的儲能無法實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度與結(jié)算，難以通過容量租賃、調(diào)頻、調(diào)峰等多種電網(wǎng)側(cè)輔助服務(wù)獲得多樣化的收入。

　　第四，商業(yè)模式不通暢。儲能更多是發(fā)電企業(yè)的成本支出，不符合“誰提供，誰獲利;誰受益，誰分擔(dān)”的市場化原則，沒有形成有效的成本疏導(dǎo)機(jī)制，也難以形成獨立的市場主體。第五，儲能安全事故頻發(fā)，對行業(yè)發(fā)展形成掣肘。在高成本壓力下，部分項目選擇了性能較差、投資成本較低、產(chǎn)品性能差的儲能產(chǎn)品，增加了安全隱患，成為行業(yè)的“達(dá)摩克利斯之劍”。據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計，2022年1-8月，全國電化學(xué)儲能項目非計劃停機(jī)達(dá)到 329 次。而為了減少事故概率而采取的熱管理、消防、運維等措施進(jìn)一步加重了成本負(fù)擔(dān)。

　　第六，新型儲能運維難度大。儲能電站運維涉及到電氣、化學(xué)、控制等多專業(yè)，巡檢維修人員專業(yè)性有待提升。電化學(xué)電芯數(shù)量龐大，儲能項目電池單體顆數(shù)的規(guī)模已經(jīng)達(dá)到萬級甚至幾十萬級，人工巡檢維護(hù)難度極大。分散的儲能資源難以進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，管理難度大、運營成本高。

　　商業(yè)模式創(chuàng)新——以共享提升經(jīng)濟(jì)性

　　廣義上，共享儲能是引進(jìn)“共享經(jīng)濟(jì)”的理念，對分散的儲能進(jìn)行整合、再分配。在區(qū)域范圍內(nèi)，以電網(wǎng)為媒介，統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)的相關(guān)儲能資源，從而使儲能系統(tǒng)的使用效率最大化，提升新能源消納水平;通過將資源的所有權(quán)及使用權(quán)分離，一方面使資源所有者更多的取得收益，另一方面又使需求方以較低的價格使用了資源。

　　概念厘清：共享儲能與獨立儲能

　　筆者認(rèn)為，儲能資源所有權(quán)和使用權(quán)的分離是共享儲能區(qū)別于新能源配儲的本質(zhì)特征，而關(guān)于這種商業(yè)形態(tài)，當(dāng)前行業(yè)中存在諸多提法，包括共享儲能、獨立儲能、電網(wǎng)側(cè)獨立儲能、獨立共享儲能等等?，F(xiàn)對幾種提法進(jìn)行回顧、討論和厘清。

　　共享儲能主要有兩種建設(shè)運營模式。一是共建共享模式，即新能源發(fā)電企業(yè)共建，或發(fā)電企業(yè)與電力公司共建，并共同運營共享儲能。將儲能電站配置在新能源匯集站，為多個新能源場站調(diào)峰，實現(xiàn)資源全網(wǎng)共享。目前，青海、新疆主要開展此類共享儲能模式。二是共享租賃模式，即“以租代建”，由第三方投資建設(shè)儲能電站，將容量租賃給新能源場站以滿足其配儲要求。

　　除此以外，儲能電站還有可能按照規(guī)則參與輔助服務(wù)市場獲得調(diào)峰調(diào)頻收益。可見二者的區(qū)別主要在于建設(shè)運營主體是否為獨立第三方，而在共建共享模式中，建設(shè)運營主體應(yīng)當(dāng)由參與的多家企業(yè)共同組成項目公司，項目公司實質(zhì)上也是單獨核算的獨立主體。

　　根據(jù)《關(guān)于進(jìn)一步推動新型儲能參與電力市場和調(diào)度運用的通知》的定義，具備獨立計量、控制等技術(shù)條件，接入調(diào)度自動化系統(tǒng)可被電網(wǎng)監(jiān)控和調(diào)度，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和電力市場運營機(jī)構(gòu)等有關(guān)方面要求，具有法人資格的新型儲能項目，可轉(zhuǎn)為獨立儲能，作為獨立主體參與電力市場。

　　根據(jù)《甘肅省電力輔助服務(wù)市場運營暫行規(guī)則(征求意見稿)》中對獨立共享儲能與獨立儲能做了區(qū)分，總結(jié)起來，二者的主要區(qū)別在于，獨立儲能主要提供輔助服務(wù)，獨立共享儲能則以容量租賃為主要業(yè)務(wù)，輔之以輔助服務(wù)。

　　河北省發(fā)布的《關(guān)于征求<全省電網(wǎng)側(cè)獨立儲能和電源側(cè)共享儲能項目布局方案>意見的函》中提到，電網(wǎng)側(cè)獨立儲能項目對于滿足電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻需求，提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和新能源消納具有重要作用。廣義的共享儲能是指以電網(wǎng)為紐帶，將電網(wǎng)側(cè)、電源側(cè)、用戶側(cè)儲能電站資源進(jìn)行全網(wǎng)優(yōu)化配置，由電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，推動源網(wǎng)荷儲各端儲能能力全面釋放;狹義的共享儲能是將分散的新能源配套儲能，以集中方式實施建設(shè)，可同時服務(wù)于多個新能源場站促進(jìn)新能源消納。可見，電網(wǎng)側(cè)獨立儲能也具有新能源消納作用，而電源側(cè)共享儲能也由電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，二者并無顯著差異。

　　中信建投證券則認(rèn)為，共享儲能本質(zhì)上為獨立儲能運營的一類商業(yè)模式。

　　筆者認(rèn)為，共享儲能與獨立儲能具有三個方面的共性。應(yīng)用場景角度，二者都既可以用于電源側(cè)的新能源消納，又可以提供電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù);工程技術(shù)角度，二者都作為獨立場站接受電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度，參與電力市場交易;商業(yè)模式角度，二者都作為獨立主體進(jìn)行項目建設(shè)運營并獲取收益(即使項目由發(fā)電企業(yè)或電網(wǎng)企業(yè)單獨建設(shè)或共建，也通常以項目公司形式單獨核算，且商業(yè)模式不同于發(fā)電業(yè)務(wù)或電網(wǎng)業(yè)務(wù)，從而成為實質(zhì)上的獨立主體)。因此，下文將獨立儲能等同于共享儲能一并討論。

　　共享儲能的商業(yè)價值

　　相對于新能源側(cè)的分散式儲能，共享儲能實現(xiàn)了以下轉(zhuǎn)變：共享儲能通過商業(yè)模式的轉(zhuǎn)變實現(xiàn)了多方面的價值：

　　第一，經(jīng)濟(jì)價值，通過資源共享，減輕新能源企業(yè)的財務(wù)負(fù)擔(dān)。

　　第二，行業(yè)價值，拓寬儲能收益渠道，有望打通儲能商業(yè)模式、培育儲能的獨立市場主體地位，提高社會資本的投資積極性，從而推動行業(yè)的長期健康發(fā)展。

　　第三，技術(shù)價值，共享儲能的高效運行離不開復(fù)雜的調(diào)度和交易機(jī)制，其在此方面的探索與示范可為未來云儲能乃至虛擬電廠的調(diào)度提供寶貴的借鑒經(jīng)驗;同時，相對于分散儲能，共享儲能作為虛擬電廠的節(jié)點之一也將簡化調(diào)度、提高效率。

　　第四，社會價值，通過資源集約利用，系統(tǒng)性地減少資源閑置浪費(包括上游礦產(chǎn)開采和材料制造過程中的資源)及因此可能產(chǎn)生的潛在污染(如報廢電池的污染)，回歸能源革命之本義。

　　因此，國家和地方頻頻出臺政策、不斷優(yōu)化市場機(jī)制，鼓勵共享儲能的發(fā)展。

　　共享儲能深化發(fā)展需解決的問題

　　共享儲能通過商業(yè)模式創(chuàng)新，為儲能的降本增收、市場化演進(jìn)提供了一條可行路徑。業(yè)內(nèi)進(jìn)行了諸多探索與嘗試。據(jù)統(tǒng)計，2022年上半年，進(jìn)入前期規(guī)劃和可研設(shè)計、啟動EPC/設(shè)備采購、在建、投運階段約180個，項目總規(guī)模26.6GW/53.6GWh，然而，進(jìn)入實際投運/建設(shè)/啟動建設(shè)狀態(tài)的項目僅占總規(guī)劃項目的34.6%，折射了市場的諸多顧慮。

　　根據(jù)券商測算，一座100MW/200MWh的共享儲能電站，通過容量租賃和調(diào)峰輔助服務(wù)，分別可以獲得3000萬元/年的收入，投資成本有望在9年內(nèi)回收，IRR可達(dá)7.75%，經(jīng)濟(jì)性較好。但實際情況并非如此樂觀。在市場機(jī)制尚未健全的情況下，共享儲能仍然面臨出租率風(fēng)險，輔助服務(wù)的調(diào)用頻率、時長也難以保障，無法形成穩(wěn)定的收入。例如，在中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟舉辦的“儲能百家講堂”上，三峽能源慶云儲能示范項目的專家表示，為保證項目不虧損，該電站全年收益水平需為6000萬元以上，但是根據(jù)測算，該項目實際年收益僅能達(dá)到2000萬元。

　　共享儲能的進(jìn)一步發(fā)展尚需解決幾個方面的問題：

　　第一，機(jī)制問題，需通過示范項目和政策優(yōu)化進(jìn)一步推進(jìn)電力市場改革、優(yōu)化交易機(jī)制，促進(jìn)現(xiàn)貨市場、中長期市場以及輔助服務(wù)的各種交易品種全面開花，完善儲能交易場景，?寬儲能收益渠道。

　　第二，技術(shù)問題，共享儲能的交易以精準(zhǔn)高效調(diào)度技術(shù)為基礎(chǔ)，需加大在能源供需計量技術(shù)、通信技術(shù)、智能調(diào)度決策技術(shù)等方面的研究探索。

　　第三，安全問題，安全隱患一直是電化學(xué)儲能的頑疾，而相對于分散儲能，共享儲能的規(guī)模體量將進(jìn)一步提升，安全隱患隨之成倍增大，一旦發(fā)生安全事故，其波及范圍和危害程度不可估量。唯有解決安全問題，方可了卻共享儲能發(fā)展的后顧之憂。

　　共享儲能的使能技術(shù)——數(shù)字儲能

　　共享儲能呼喚安全性與經(jīng)濟(jì)性的實質(zhì)性突破——數(shù)字儲能技術(shù)提供了一種有效的解決方案。

　　數(shù)字儲能的范式創(chuàng)新

　　由于電池(電芯/電池模組/電池包)在生產(chǎn)和使用過程中所處物理環(huán)境(如溫度與氣壓)不同以及化學(xué)屬性的非線性變化，電池天然具有不一致性。電池的不一致性一方面造成了對電池系統(tǒng)進(jìn)行安全管理的難度的指數(shù)級增長，另一方面造成了電池系統(tǒng)性能發(fā)揮的短板效應(yīng)，使系統(tǒng)壽命大打折扣，降低了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，也造成了資源的巨大浪費。

　　傳統(tǒng)的電池制造和電池管理思想一味追求電池一致性，但收效甚微。數(shù)字儲能從第一性原理出發(fā)，通過將互聯(lián)網(wǎng)屏蔽終端差異性的技術(shù)體系引入電池儲能領(lǐng)域，創(chuàng)造性地提出了自適應(yīng)動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)(以下簡稱“可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)”)的設(shè)計思想和系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)了對電池固定串并聯(lián)應(yīng)用范式的變革性創(chuàng)新。

　　在基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?；姵貎δ芟到y(tǒng)中，電池模組內(nèi)每個最小控制單元均通過若干個可控開關(guān)連接，電池模組之間采用電力電子開關(guān)連接形成電池簇。大規(guī)模數(shù)字電池儲能系統(tǒng)可以通過功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足高耐壓等級和大功率傳輸?shù)囊?，同時采用含有直流隔離級的雙有源橋，通過移相調(diào)節(jié)控制，靈活地實現(xiàn)功率均衡和電氣隔離，以達(dá)到對荷電狀態(tài)差異性大的電池模組進(jìn)行充放電均衡控制的目的。

　　可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方式

　　可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了從模擬系統(tǒng)到數(shù)字系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，模擬能量流將被由網(wǎng)絡(luò)化連接的低壓低功耗金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)電力電子開關(guān)離散化為時間序列上的“能量片”(energy slice)，并可將電池資產(chǎn)的所有者、電池荷電狀態(tài)(SOC)、電池健康狀態(tài)(SOH)等信息數(shù)據(jù)附加在“能量片”上;然后，由程序控制的電池網(wǎng)絡(luò)控制器將對來自不同電芯的“能量片”進(jìn)行重組和優(yōu)化，從而實現(xiàn)對電池模擬能量流的細(xì)粒度數(shù)字化處理和網(wǎng)絡(luò)化管控，使電池能量的管控顆粒度從傳統(tǒng)的電池簇級、小時級細(xì)化為電池單體/模組級、毫秒級。

　　可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)將電池單體之間的連接方式從傳統(tǒng)的硬性物理連接變?yōu)橛沙绦蚩刂频娜嵝赃B接，使單體之間的物理連接能夠根據(jù)具體情況進(jìn)行動態(tài)重構(gòu)，在國際上率先實現(xiàn)了電池能量流與信息流的離散化同頻處理，通過數(shù)字信號處理與傳輸原理從根本上解決了電池系統(tǒng)短板效應(yīng)，極大提升了儲能系統(tǒng)的有效容量、循環(huán)壽命、可靠性和安全性。

　　此外，可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)將傳統(tǒng)模擬電池系統(tǒng)“格式化”為數(shù)字儲能資產(chǎn)，實現(xiàn)了能量的信息化，將電池能量變?yōu)榛ヂ?lián)網(wǎng)可視可管的網(wǎng)絡(luò)資源，不但提高了系統(tǒng)運維的自動化程度，更使儲能無縫融入互聯(lián)網(wǎng)業(yè)態(tài)，促進(jìn)了儲能系統(tǒng)與信息技術(shù)的深度融合，將有效推動“互聯(lián)網(wǎng)+電池”的能量服務(wù)模式。

　　數(shù)字儲能的本質(zhì)安全機(jī)制

　　本質(zhì)安全強(qiáng)調(diào)的是從根源上消除大部分危險因素、降低事故發(fā)生概率，而非在事故發(fā)生后盡可能減低故障帶來的損失。

　　動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)從兩個層面保證了儲能系統(tǒng)的本質(zhì)安全，一是降低熱損耗、防止熱堆積，從而最大程度降低故障發(fā)生概率，二是在故障發(fā)生后采取及時動作來避免熱失控。

　　降低熱損耗。傳統(tǒng)電池網(wǎng)絡(luò)往往避免采用并聯(lián)方案，而可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)具備電池模組間的均衡能力，且電池之間的柔性連接能夠有效遏制環(huán)流帶來的影響，因此能夠?qū)崿F(xiàn)電池的可控并聯(lián)。經(jīng)過計算，對于n并的系統(tǒng)，可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)中每個電芯的發(fā)熱功率是傳統(tǒng)電池網(wǎng)絡(luò)的1/n3，這表明動態(tài)可重構(gòu)的連接方式能夠有效降低電芯的熱功率，抑制溫度的升高。

　　防止熱堆積。可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)通過電芯間的動態(tài)重組防止熱堆積。當(dāng)負(fù)載功率較小時，可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)會采用“N選k”的控制模式，即在每個重構(gòu)周期內(nèi)會在N個并聯(lián)電芯中選擇k個接入系統(tǒng)，未被選中的電芯不會有電流經(jīng)過，也就不會產(chǎn)生新的熱量。在重構(gòu)周期結(jié)束后，控制器會根據(jù)電芯的狀態(tài)重新選擇新的電池組合接入系統(tǒng)，若某個電芯接入系統(tǒng)的時間過長，系統(tǒng)則會將該電芯從系統(tǒng)中斷開一段時間，以防止出現(xiàn)局部過熱的情況。

　　避免熱失控。根據(jù)國內(nèi)外研究資料，鋰電池充微短路發(fā)展到熱失控實際是一個比較漫長的過程。磷酸鐵鋰電芯的自發(fā)熱起點溫度一般在100~130℃，儲能電池正常使用溫度在50℃以下，那么在50~100℃的溫度變化過程是對電芯進(jìn)行溫控處理的關(guān)鍵窗口，這個窗口時間是小時級。依托可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)開關(guān)的通斷特性，在運行過程中可以斷開開關(guān)測量相應(yīng)模組的開路電壓(OCV)，OCV的暫態(tài)過程可以通過在斷開后增加的10毫秒延時來克服。OCV能夠準(zhǔn)確反映電池模組的狀態(tài)，可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)據(jù)此進(jìn)行模組故障診斷與處置，實現(xiàn)毫秒級?撲重構(gòu)，微秒級故障精準(zhǔn)隔離，避免熱失控，將事故扼殺在搖籃里。

　　數(shù)字儲能對儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性提升

　　數(shù)字儲能通過建立電池的可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對電池的柔性控制，在全生命周期中降低電池系統(tǒng)成本。

　　第一，接納電池的差異性，放寬電池選型要求，既無需選擇價格昂貴的大廠產(chǎn)品，又可以接受B品電池、退役電池，且無需對退役電池進(jìn)行拆解重組而可直接使用，將Capex降低30%。

　　第二，免于電池過充過放，系統(tǒng)年衰減率低于1%，且使每個電池模組“盡力而為”、充分發(fā)揮價值，從而將儲能系統(tǒng)壽命提高4倍。

　　第三，通過數(shù)字化手段進(jìn)行線上運維，無需人工巡檢;發(fā)生故障后在線上對故障電池進(jìn)行隔離，無需停機(jī)，保障系統(tǒng)整體可用性，Opex降低一半以上。

　　第四，在部分電池有效容量觸底時可隨時部分換新，無需整體停機(jī)，更無需對系統(tǒng)進(jìn)行整體重建，進(jìn)一步成倍提高效率、降低成本。

　　結(jié)語

　　儲能行業(yè)的長期可持續(xù)發(fā)展，既需要市場機(jī)制的逐步完善、商業(yè)模式的創(chuàng)新，也需要底層技術(shù)的賦能。數(shù)字儲能技術(shù)從經(jīng)濟(jì)性和安全性上克服儲能的兩大核心痛點，將為儲能發(fā)展帶來質(zhì)的飛躍。

來源：《能源》雜志  作者：慈松 江婷 周楊林