儲能新生態(tài)的探索研究：共享儲能與數字儲能

　　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，但仍面臨經濟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)化調度，為解決儲能的經濟性問題提供了商業(yè)模式上的可行方案;數字儲能技術則為更大規(guī)模量級的儲能系統(tǒng)提供了本質安全的技術方案，并進一步優(yōu)化儲能經濟效益。

　　儲能安全性與經濟性難題案亟待全新的商業(yè)和技術解決方

　　在雙碳目標的指引下，儲能的發(fā)展如火如荼，根據CNESA統(tǒng)計，截至2021年底，中國已投運電力儲能項目累計裝機規(guī)模46.1GW，同比增長30%。其中新型儲能累計裝機規(guī)模達到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，建設成本高。新能源產業(yè)的爆發(fā)式增長增加了產業(yè)上游原材料的供應壓力，直接推高了電池價格，而電池占據了儲能系統(tǒng)成本的60%以上，導致儲能建設成本節(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)的財務負擔。

　　第二，儲能資產利用率低下。服務于單個新能源場站的儲能設施利用率極低，大量資源處于閑置狀態(tài);根據中電聯最近發(fā)布的《新能源配儲能運行情況調研報告》，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用、甚至基本不調用的情況。從儲能等效利用系數看，調研的電化學儲能項目平均等效利用系數為12.2%，其中新能源配儲的等效利用系數僅為6.1%。

　　第三，項目收益受限。當前的儲能主要服務于單一場站，以峰谷套利為主要的收益來源，經濟效益有限;近日，山東省能源局下發(fā)《關于征求2023年全省電力市場交易有關工作意見的通知》，顯示了電力市場化改革進一步推進的趨勢，峰谷套利模式難以為繼;分散場站的儲能無法實現統(tǒng)一調度與結算，難以通過容量租賃、調頻、調峰等多種電網側輔助服務獲得多樣化的收入。

　　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”的市場化原則，沒有形成有效的成本疏導機制，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、產品性能差的儲能產品，增加了安全隱患，成為行業(yè)的“達摩克利斯之劍”。據中電聯統(tǒng)計，2022年1-8月，全國電化學儲能項目非計劃停機達到 329 次。而為了減少事故概率而采取的熱管理、消防、運維等措施進一步加重了成本負擔。

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

　　商業(yè)模式創(chuàng)新——以共享提升經濟性

　　廣義上，共享儲能是引進“共享經濟”的理念，對分散的儲能進行整合、再分配。在區(qū)域范圍內，以電網為媒介，統(tǒng)一協調管理電源側、電網側、用戶側的相關儲能資源，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及使用權分離，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

　　筆者認為，儲能資源所有權和使用權的分離是共享儲能區(qū)別于新能源配儲的本質特征，而關于這種商業(yè)形態(tài)，當前行業(yè)中存在諸多提法，包括共享儲能、獨立儲能、電網側獨立儲能、獨立共享儲能等等?，F對幾種提法進行回顧、討論和厘清。

　　共享儲能主要有兩種建設運營模式。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峰，實現資源全網共享。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)則參與輔助服務市場獲得調峰調頻收益?？梢姸叩膮^(qū)別主要在于建設運營主體是否為獨立第三方，而在共建共享模式中，建設運營主體應當由參與的多家企業(yè)共同組成項目公司，項目公司實質上也是單獨核算的獨立主體。

　　根據《關于進一步推動新型儲能參與電力市場和調度運用的通知》的定義，具備獨立計量、控制等技術條件，接入調度自動化系統(tǒng)可被電網監(jiān)控和調度，符合相關標準規(guī)范和電力市場運營機構等有關方面要求，具有法人資格的新型儲能項目，可轉為獨立儲能，作為獨立主體參與電力市場。

　　根據《甘肅省電力輔助服務市場運營暫行規(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，總結起來，二者的主要區(qū)別在于，獨立儲能主要提供輔助服務，獨立共享儲能則以容量租賃為主要業(yè)務，輔之以輔助服務。

　　河北省發(fā)布的《關于征求<全省電網側獨立儲能和電源側共享儲能項目布局方案>意見的函》中提到，電網側獨立儲能項目對于滿足電網調峰調頻需求，提升電力系統(tǒng)調節(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為紐帶，將電網側、電源側、用戶側儲能電站資源進行全網優(yōu)化配置，由電網進行統(tǒng)一協調，推動源網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，可同時服務于多個新能源場站促進新能源消納。可見，電網側獨立儲能也具有新能源消納作用，而電源側共享儲能也由電網進行統(tǒng)一協調，二者并無顯著差異。

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

　　筆者認為，共享儲能與獨立儲能具有三個方面的共性。應用場景角度，二者都既可以用于電源側的新能源消納，又可以提供電網的調峰調頻輔助服務;工程技術角度，二者都作為獨立場站接受電網統(tǒng)一調度，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行項目建設運營并獲取收益(即使項目由發(fā)電企業(yè)或電網企業(yè)單獨建設或共建，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)務或電網業(yè)務，從而成為實質上的獨立主體)。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

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

　　第一，經濟價值，通過資源共享，減輕新能源企業(yè)的財務負擔。

　　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，技術價值，共享儲能的高效運行離不開復雜的調度和交易機制，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度提供寶貴的借鑒經驗;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(包括上游礦產開采和材料制造過程中的資源)及因此可能產生的潛在污染(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、市場化演進提供了一條可行路徑。業(yè)內進行了諸多探索與嘗試。據統(tǒng)計，2022年上半年，進入前期規(guī)劃和可研設計、啟動EPC/設備采購、在建、投運階段約180個，項目總規(guī)模26.6GW/53.6GWh，然而，進入實際投運/建設/啟動建設狀態(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。

　　根據券商測算，一座100MW/200MWh的共享儲能電站，通過容量租賃和調峰輔助服務，分別可以獲得3000萬元/年的收入，投資成本有望在9年內回收，IRR可達7.75%，經濟性較好。但實際情況并非如此樂觀。在市場機制尚未健全的情況下，共享儲能仍然面臨出租率風險，輔助服務的調用頻率、時長也難以保障，無法形成穩(wěn)定的收入。例如，在中關村儲能產業(yè)技術聯盟舉辦的“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，但是根據測算，該項目實際年收益僅能達到2000萬元。

　　共享儲能的進一步發(fā)展尚需解決幾個方面的問題：

　　第一，機制問題，需通過示范項目和政策優(yōu)化進一步推進電力市場改革、優(yōu)化交易機制，促進現貨市場、中長期市場以及輔助服務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，技術問題，共享儲能的交易以精準高效調度技術為基礎，需加大在能源供需計量技術、通信技術、智能調度決策技術等方面的研究探索。

　　第三，安全問題，安全隱患一直是電化學儲能的頑疾，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——數字儲能

　　共享儲能呼喚安全性與經濟性的實質性突破——數字儲能技術提供了一種有效的解決方案。

　　數字儲能的范式創(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)進行安全管理的難度的指數級增長，另一方面造成了電池系統(tǒng)性能發(fā)揮的短板效應，使系統(tǒng)壽命大打折扣，降低了系統(tǒng)經濟性，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。數字儲能從第一性原理出發(fā)，通過將互聯網屏蔽終端差異性的技術體系引入電池儲能領域，創(chuàng)造性地提出了自適應動態(tài)可重構電池網絡(以下簡稱“可重構電池網絡”)的設計思想和系統(tǒng)架構，實現了對電池固定串并聯應用范式的變革性創(chuàng)新。

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

　　可重構電池網絡的實現方式

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

　　可重構電池網絡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具體情況進行動態(tài)重構，在國際上率先實現了電池能量流與信息流的離散化同頻處理，通過數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，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，可重構電池網絡將傳統(tǒng)模擬電池系統(tǒng)“格式化”為數字儲能資產，實現了能量的信息化，將電池能量變?yōu)榛ヂ摼W可視可管的網絡資源，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網業(yè)態(tài)，促進了儲能系統(tǒng)與信息技術的深度融合，將有效推動“互聯網+電池”的能量服務模式。

　　數字儲能的本質安全機制

　　本質安全強調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)可重構電池網絡從兩個層面保證了儲能系統(tǒng)的本質安全，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)電池網絡往往避免采用并聯方案，而可重構電池網絡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，因此能夠實現電池的可控并聯。經過計算，對于n并的系統(tǒng)，可重構電池網絡中每個電芯的發(fā)熱功率是傳統(tǒng)電池網絡的1/n3，這表明動態(tài)可重構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?？芍貥嬰姵鼐W絡通過電芯間的動態(tài)重組防止熱堆積。當負載功率較小時，可重構電池網絡會采用“N選k”的控制模式，即在每個重構周期內會在N個并聯電芯中選擇k個接入系統(tǒng)，未被選中的電芯不會有電流經過，也就不會產生新的熱量。在重構周期結束后，控制器會根據電芯的狀態(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，以防止出現局部過熱的情況。

　　避免熱失控。根據國內外研究資料，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行溫控處理的關鍵窗口，這個窗口時間是小時級。依托可重構電池網絡開關的通斷特性，在運行過程中可以斷開開關測量相應模組的開路電壓(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能夠準確反映電池模組的狀態(tài)，可重構電池網絡據此進行模組故障診斷與處置，實現毫秒級?撲重構，微秒級故障精準隔離，避免熱失控，將事故扼殺在搖籃里。

　　數字儲能對儲能系統(tǒng)的經濟性提升

　　數字儲能通過建立電池的可重構網絡，實現對電池的柔性控制，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品，又可以接受B品電池、退役電池，且無需對退役電池進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，通過數字化手段進行線上運維，無需人工巡檢;發(fā)生故障后在線上對故障電池進行隔離，無需停機，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，更無需對系統(tǒng)進行整體重建，進一步成倍提高效率、降低成本。

　　結語

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

來源：《能源》雜志  作者：慈松 江婷 周楊林