基于削峰填谷的鈉硫電池儲能系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟分析

廖強強，陸宇東，周國定，葛紅花，仲雋偉

(1．上海電力能源轉(zhuǎn)換工程技術(shù)研究中心(上海電力學(xué)院)，上海市200090;2．上海市電力公司市區(qū)供電公司，上海市200080)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和電力市場的變化，電網(wǎng)峰谷差不斷加大，高峰時段電力緊缺，低峰時段電力有余，如2011年上海地區(qū)負(fù)荷的最大峰谷差為最高用電負(fù)荷的39%。高峰時段電力緊缺呈現(xiàn)2個重要的特征:一是高峰負(fù)荷的持續(xù)時間較短，通常大于95%最高用電負(fù)荷(超過30 000 MW)的時間不到全年的1%，平均每天不到15 min;二是最高負(fù)荷出現(xiàn)的時間很有規(guī)律，一般出現(xiàn)在上午10:00 ～11:00、下午2:00 ～3:00、晚上8:00 ～9:00 這3個時間段。電力需求側(cè)管理是轉(zhuǎn)移高峰負(fù)荷，減少電網(wǎng)峰谷差，緩解高峰電力緊缺的一項重要手段。在需求側(cè)管理措施方面，除了采用有效的市場手段和必要的行政手段來引導(dǎo)電力用戶錯峰、避峰以外，還可將具有“蓄水池作用”的儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)，以有效地實現(xiàn)需求側(cè)管理，減小負(fù)荷峰谷差，充分利用發(fā)電、輸配電設(shè)備，從而達(dá)到緩解高峰用電緊張及降低供電成本的目的。儲能技術(shù)包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)電磁儲能、鈉硫電池儲能等等［1-3］。鈉硫電池儲能技術(shù)具有能量密度高、轉(zhuǎn)換效率高、建設(shè)周期短、場地適應(yīng)性強等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文以日本Meisei 大學(xué)1 MW/8 MW·h的鈉硫電池儲能系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究在日本、美國和我國的電價結(jié)構(gòu)下該儲能系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性。

1 鈉硫電池儲能技術(shù)應(yīng)用狀況

鈉硫電池儲能技術(shù)是一種適用于削峰填谷的儲能技術(shù)。日本NGK 公司是世界上唯一能夠提供商業(yè)化鈉硫電池產(chǎn)品的企業(yè)，2010年生產(chǎn)能力達(dá)150 MW。目前NGK 公司生產(chǎn)的鈉硫電池模塊的額定功率為50 kW，容量為360 ～430 kW·h，能以100 kW 放電2 h，250 kW 放電30 s，在放電深度為90%時的循環(huán)周期為4 500次(壽命為15年)，轉(zhuǎn)換效率為85%。

1992年第1個鈉硫電池儲能系統(tǒng)開始在日本示范運行，2006年美國第1 套1.2 MW/7.2 MW·h 的鈉硫電池儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了商業(yè)運行，目標(biāo)是減輕當(dāng)?shù)仉娏θ萘匡柡偷膲毫吞岣吖╇姷目煽啃裕?］。2008年5月日本在青森縣51 MW 的Futamata 風(fēng)電場配備了總儲能功率和容量為34 MW/244.8 MW·h 的鈉硫電池儲能系統(tǒng)，目標(biāo)是平滑風(fēng)電出力，這是目前實際運行的最大功率的單座鈉硫電池儲能系統(tǒng)。2010年10月我國自主研制的100 kW/800 kW·h 的鈉硫電池儲能站在上海成功并網(wǎng)運行。從世界范圍來看，到目前為止有近250 座鈉硫電池儲能系統(tǒng)在全球運行，其中大部分建在日本，2/3 用于負(fù)荷調(diào)峰。表1為鈉硫電池的儲能應(yīng)用分布情況［5］。表2 為中國和日本鈉硫電池特性參數(shù)比較，其中A·h 是反映電池容量大小的指標(biāo)之一，其定義是按規(guī)定的電流進(jìn)行放電的時間。

表1 鈉硫電池儲能應(yīng)用分布比例Tab.1 Application distribution of NaS battery energy storage

表2 中國和日本鈉硫電池特性參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of NaS battery in China and Japan

從表1 中可以看出，作為一款能量密度較高的儲能電池，在電力儲能方面的應(yīng)用主要是負(fù)載均衡。

從表2 中可以看出，我國的鈉硫電池技術(shù)已經(jīng)和日本比較接近了，但是單體電池的一致性、電池系統(tǒng)的壽命及安全性等性能還需在實際應(yīng)用中經(jīng)受考驗。

關(guān)于鈉硫電池的價格，由于我國鈉硫電池產(chǎn)業(yè)還沒有規(guī)模化，國內(nèi)沒有相關(guān)數(shù)據(jù)可以參考。根據(jù)日本資源能源廳2009年的數(shù)據(jù)［8］，鈉硫電池單體價格為24 萬日元/kW 和2.5 萬日元/(kW·h)，按100 日元折7元人民幣來計算，折合成人民幣為16 800元/kW 和1 750元/(kW·h)。鈉硫電池系統(tǒng)的價格可以參照鈉硫電池儲能電站的造價來估算。2008年日本34 MW/244.8 MW·h(7.2 h 連續(xù)額定功率放電)的鈉硫電池儲能系統(tǒng)的造價約為100 億日元［8］，折算成人民幣約為20 600元/kW 和2 900元/(kW·h);2006年美國第1 套1.2 MW/7.2 MW·h(6 h 連續(xù)額定功率放電)的鈉硫電池儲能系統(tǒng)造價約為2 500 美元/kW［9］和420 美元/(kW·h)，按1 美元折8元人民幣計算，折合成人民幣約為20 000元/kW 和3 400元/(kW·h)。從這2個儲能電站造價成本來看，目前鈉硫電池儲能系統(tǒng)的成本為20 000元/kW 和3 000元/(kW·h)左右。由于我國物價的整體水平要低于美、日兩國，因此估計我國規(guī)模化后的鈉硫電池儲能系統(tǒng)的造價成本要低于上述2個數(shù)據(jù)。具有鈉硫電池生產(chǎn)能力的上海電氣鈉硫儲能技術(shù)有限公司，計劃2013年貫通具備5 ～10 MW 生產(chǎn)能力的產(chǎn)品中試線，2014年貫通50 MW 生產(chǎn)線，形成規(guī)模化生產(chǎn)能力。

2 鈉硫電池儲能系統(tǒng)削峰填谷運行情況

2002年8月，一座1 MW/8 MW·h 的鈉硫電池儲能系統(tǒng)在日本Meisei 大學(xué)開始運行。該大學(xué)高峰負(fù)荷為3 MW 左右，其中2 MW 由電網(wǎng)供電，高峰時段所缺的1 MW 負(fù)荷由鈉硫電池提供。表3 列出了鈉硫電池的主要參數(shù)。

表3 Meisei 大學(xué)鈉硫電池主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of NaS battery in Meisei university

圖1 和圖2 分別為鈉硫電池儲能系統(tǒng)日負(fù)荷運行曲線和周負(fù)荷運行曲線，均顯示了鈉硫電池很好的負(fù)載均衡能力。

圖1 1 MW 鈉硫電池儲能系統(tǒng)日負(fù)荷運行曲線Fig.1 Daily operation curves of 1 MW NaS battery energy storage system

圖2 1 MW 鈉硫電池儲能系統(tǒng)周負(fù)荷運行曲線Fig.2 Weekly operation curves of 1 MW NaS battery energy storage system

從圖1 可以看出，在22:00 ～6:00 時，電網(wǎng)提供的功率為1 800 kW 左右，用戶的需求功率為600 ～1 200 kW，多余的功率(1 200 ～600 kW)給鈉硫電池充電;在6:00 ～9:00 和18:00 ～22:00 時，電網(wǎng)提供的功率與用戶的需求功率一致，這時鈉硫電池既不充電也不放電;在9:00 ～18:00 時，電網(wǎng)提供的功率還在1 800 kW 左右，而用戶的高峰需求功率已達(dá)到2 800 kW左右，顯然這時電網(wǎng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶的電力負(fù)荷需求，1 000 kW 左右的供需負(fù)荷落差是通過鈉硫電池放電來填滿的。從圖2 可以看出，每天削峰填谷的功率和時間及削峰填谷的電量(充電電量或放電電量)都是不相同的。為了得到鈉硫電池運行期間的能量轉(zhuǎn)換效率，將充電電量、放電電量、加熱所需能量進(jìn)行日平均化，表4 為2003 －07 －27 ～2006 －03 －04 運行的日平均能量數(shù)據(jù)［10］。

表4 2003 －07 －27 ～2006 －03 －04 運行的日平均能量數(shù)據(jù)Tab.4 Annual average of daily operation from 2003 －07 －27 to 2006 －03 －04

該儲能系統(tǒng)的日運行模式為負(fù)載跟蹤模式，周運行模式為制式運行模式。由于周日或節(jié)假日用電負(fù)荷較低，電網(wǎng)供電負(fù)荷可以完全滿足需求，出于經(jīng)濟考慮，周日或節(jié)假日儲能系統(tǒng)只充電，不放電。鈉硫電池的能源轉(zhuǎn)換效率η 計算公式為

表4 統(tǒng)計了在946 天運行期間的每日充放電能量等數(shù)據(jù)，其中能源轉(zhuǎn)換效率包括了變流器系統(tǒng)(power conditioning system，PCS)(逆變器和整流器)所造成的損失。總的能源轉(zhuǎn)換效率達(dá)到77.9%，與抽水蓄能電站的換能效率相當(dāng)。扣除鈉硫電池不放電的周日或節(jié)假日后，鈉硫電池儲能系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換效率更是高達(dá)80.9%。

3 鈉硫電池儲能系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

為了簡化處理，把低谷電價作為充電電價，高峰電價作為放電電價，通過日本鈉硫電池儲能系統(tǒng)的真實運行數(shù)據(jù)，從儲能系統(tǒng)投資周期的角度比較日本東京、美國某地區(qū)、中國上海3個地區(qū)的電價機制的差異。

3.1 計算公式

(1)儲能系統(tǒng)的建設(shè)成本計算公式為

年運行成本計算公式為

式中:Cconst為建設(shè)成本，元;Enas為儲能系統(tǒng)總儲存能量，kW·h;C0為單位儲能的建設(shè)成本，元/(kW·h);Cop為年運行成本，元/年，按2% 的建設(shè)成本計算。

(2)儲能系統(tǒng)的年度總運行收益計算公式為

式中:Itot為年度總運行收益，元/年;Ipower為年度容量電價收益，元/年;Ienergy為年度電量電價收益，元/年;P1為容量電價，元/(kW·月);M 為1年中的月份數(shù);Pnas為鈉硫電池的輸出功率，kW;Edis為日放電電量，kW·h/d;Pdis為放電電價，元/(kW·h );Ech為日充電電量，kW·h/d;Eheat為日加熱所需電量，kW·h/d;Pch為充電電價，元/(kW·h );D 為1年中的天數(shù)。

(3)投資周期計算公式為

式中:Tinvest為投資周期，年;Inet為年凈收益，元/年。

3.2 算例分析

算例已知數(shù)據(jù):

(1)在Meisei 大學(xué)1 MW/8 MW·h 的鈉硫電池儲能系統(tǒng)中，Enas= 8 000 kW·h;C0= 3 000元/(kW·h);Pnas=1 000 kW;Edis=5 762.1 kW·h/d;Ech=6 940 kW·h/d;Eheat=455.1 kW·h/d。

(2)日本東京的最高容量電價為260 日元/(kW·月)，充電電價為6.16 日元/(kW·h)(低谷電價)，放電電價為32.25 日元/(kW·h)(高峰電價)［11］，匯率為1 日元=0.07元人民幣。

(3)美國Summit 抽水蓄能系統(tǒng)容量電價為11 美元/(kW ·月)［12］，充 電 電 價 為0.02 美元/(kW·h)(低谷電價)，放電電價為0.18 美元/(kW·h)(高峰電價)［13］，匯率為1 美元=6.2元人民幣。

(4)上海市電網(wǎng)實行的兩部制分時電價的用戶夏季銷售電價表(10 kV 工商業(yè)及其他用電)中基本容量電價為39元/(kW·月)，充電電價為0.245元/(kW·h)(谷時段銷售電價)，放電電價為1.074元/(kW·h)(峰時段銷售電價)。

將上述有關(guān)數(shù)據(jù)代入上面的計算公式進(jìn)行計算。按靜態(tài)投資計算，日本、美國、我國收回1 MW 鈉硫電池儲能系統(tǒng)投資成本所需要的年限分別為7.2、10.2、15.1年。按照放電深度為90%時的鈉硫電池儲能系統(tǒng)的預(yù)期壽命為15年(4 500次循環(huán))計算，日本、美國投資周期分別占儲能系統(tǒng)壽命周期的1/2和2/3 左右，而以我國上海的電價結(jié)構(gòu)來看，在鈉硫電池儲能系統(tǒng)的壽命周期內(nèi)既不虧損，也沒有收益。

造成上述結(jié)果的原因有2個。一是峰谷電價差的不同，上述計算中日本、美國、我國上海峰谷電價差分別為1.826，0.992，0.829元/(kW·h)，日本的峰谷電價差最大;峰谷電價比分別為5.24 ∶1、9 ∶1、4.38∶1，美國的峰谷電價比最大，但美國的低谷電價非常小。二是容量電價不同，上述計算中日本、美國、我國上海容量電價分別為218.4，818.4，468元/(kW·年)，美國的容量電價最大。假定上海充電電價仍然為0.245元/(kW·h)，放電電價按6 倍于充電電價，即1.47元/(kW·h)計算，容量電價按50元/(kW·月)計算，收回1 MW/8 MW·h 鈉硫電池儲能系統(tǒng)投資成本所需要的年限從15.1年縮短為9.4年。因此，為了更好地促進(jìn)提供電網(wǎng)削峰填谷等輔助服務(wù)的電池儲能系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，在電池儲能系統(tǒng)的容量電價及峰谷電價的制定方面應(yīng)參照國外的電價機制，研究適用于我國電池儲能服務(wù)的合理的電價機制。

4 結(jié) 論

(1)由于鈉硫電池儲能系統(tǒng)能量密度比較大，能量成本比較低，非常適合于削峰填谷等電力儲能服務(wù)。

(2)由于日本有較大的峰谷電價差，美國有較大的峰谷電價比和容量電價，因此鈉硫電池儲能系統(tǒng)在這2個國家提供削峰填谷等輔助服務(wù)是可以盈利的。

(3)為了促進(jìn)鈉硫電池等儲能技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)研究適用于我國電池儲能技術(shù)的合理的電價機制。

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