刘坚：动力电池储能参与电力系统的需求响应的分析

时间:2015-12-30 14:45来源:中国电池联盟作者:西顾

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非常荣幸能够参加本次会议，今天我给大家演讲的题目是动力电池储能参与电力系统的需求响应的分析，实际上也是有一个研究的背景，目前我国也在经历一个非常快的能源转型，我们国家已经是全球最大的新能源发电装机的国家，这是2011到20050年的预测，可以看到风电、太阳能发电的增长速度非常快。到2050年，我们预测的是太阳能发电达到27亿千瓦，风电24亿千瓦，增速非常明显。像传统的火电发电装机的增速相对比较缓慢，特别是2025年之后，它的装机达到顶峰会逐年下降，2025年大概在八亿千瓦左右，水电由于资源、环境的障碍，未来的发展潜力比较有限。

我们需要在电力系统中需求一些新的灵活资源，满足电网供需的平衡。现在我们简单看一下新能源与系统之间的关系，绿色的曲线代表电网的原始符合，下面绿色的部分代表风电的储能，它的波动性是非常明显的，就会产生一个矛盾。从电量的角度来看，新能源规模不断提升，会挤掉传统火电的空间。因为风电光伏的波动明显，难以预测，我们需要更多灵活性资源调节，这时候就会产生电量与容量之间灵活性的矛盾，我们就要寻求除了火电之外的灵活性调节资源，满足供需平衡。

就电力系统灵活性资源的获取途径，国内外研究了很多，我们这里列举的美国国家可再生能源实验室，对这种所有灵活性和可调节资源进行梳理，系统侧可以通过优化调度和电力体制的改革，营造一个更灵活的竞争性的便利市场。包括在需求侧和一些需求响应的管理措施，包括灵活的发电技术、天然气和抽水蓄能技术等等，以及不同电网互联，更好的发掘区域电网内的系统。

包括这种储能和汽车，可以大幅度提升未来电力系统灵活调节的能力。今天我们的主题还是电池，我们看一下电动汽车和电池在国内现在发展的情况，这张表是我们近几年来新能源汽车的市场增长情况，2015年头十一个月，全国新能源汽车销量超过27万辆，超过去年的水平，超过美国同期的市场规模，成为全球最大的新能源汽车的市场。

如此快的新能源汽车市场，电力汽车响应的应用，带来非常大的推都作用。我们未来汽车保有量比重可以达到30%，全国汽车保有量达到四亿辆，四分之三是电动汽车，可以达到三亿辆左右，每辆车是七千瓦，60千瓦时，总共达到21亿千瓦，1260亿千瓦时。从技术参数方面，电网调动响应时间和传播速度完全不满足需求，目前我们最致命的问题是动力电池充电以后带来的电池寿命耗损。

我们看到了电动汽车做灵活调节理论的规模，实际上这种调节能力还是受到电动汽车用户出行行为的影响，我们可以看到由于电动汽车白天出行高峰到来的时候，与电网接入的比重大幅度下降，实际可调节容量会打一定折扣的。但是我们进一步对比以后，发现它的应用潜力还是巨大的。比如说左边这张图横轴代表一天24小时，纵轴代表一年52周，这是它的盘破速度与电动汽车。我们看到电力系统里面灵活调节的需求会随着季节的变化有一定程度的波动，基本上是出现在电动汽车早高峰出行之前和晚高峰出行之后，调节需求最高峰时段的状态完全可以给电网做灵活调节的服务。

电动汽车接入电网的方式基本上可以分为三种，第一类是有序充电，可变负荷的概念。第二是车网双向互动，V2G，可以分为两个方面，首先是充电，然后是放电，用于储能，最后是退役电池梯次利用。

具体计算电动汽车放电调节能力，首先是电动汽车本身的放电调节能力，灰色的部分表示一天24小时中充放电的规模上限，上面蓝色部分和绿色部分代表电动汽车随机充电的状态下的充电负荷的分布曲线。蓝色和绿色部分实际上电量是根据电网需求，一天24小时之内，在灰色的范围之内进行优化的部署。此外，由于不同种类的电动汽车，比如说具备双向互动灵活响应的速度，对电网的贡献实际上也是不同的，在具体的计算过程中，也是对不同的车型和渗透率进行了一个界定。假设到2030年左右，双向互动的汽车占到20%左右，有序充电占到60%，具备灵活调节能力的汽车，占到总数的80%以上。

第二个环节是动力电动汽车退役之后，一条是电动汽车本身的退役。假设退役的速度与传统燃油汽车是接近的，大部分是十年到二十年左右，最长的寿命可以达到三十年。

第二个是电池退役了，这里面假设固定的电池退役的速度，在车内作为动力电池的使用寿命八年，在车辆使用退役之后固定式的储能使用寿命大概是五年。基于这样的假设，对车辆保有量速度的预测，到2030年退役的动力电池固定储能总的储能规模大约是205G瓦时，可以达到2030年并网可调节容量超过50%，是非常大的一个资源潜力。

目前市场有一些车型具备了向电网放电的能力，比如说BYD的两款车，具备3.3千瓦交流外放的能力，可以作为移动充电车，可以作用于我们分散式的储能设备，给电网做调节。国外有一些相关的示范项目，比如说美国的PJM电网里面，他们的总的电网调控需求是九百MW，通过37500辆车的接入可以满足要求，他们把这些车辆编入到需求响应的资源目录，在2011年的时候降低调频、旋转备用，电动汽车经过一定的集成可以参与到交易过程，然后去收益。

就动力电池储能应用回收方面，在一些研究机构做过一些初步的分析。比如说在美国他们做了统计，发现基本上平均的车辆动力电池的退役容量达到70%。如果要是保持一定良好的储能，退役之后的动力电池仍然可以运行大约十年左右，寿命和梯次利用价值非常高。比如说人工拆解、组装和测试退役电池的成本非常高，仅次于购买动力电池的成本。实际上电池磨损的环境经济性最高，是一个重要的经济性边界。如果再进一步拆解，成本大幅度提升，梯次动力电池的成本就明显下降了。

另外，电池单体SOH数据是关键，如果具备了很好的数据收集，会对这样的成本下降带来非常好的作用。除此之外对不同的车型进行了分析，一旦电池做梯次利用，进行拆解和组装之后的售价还是要高于传统的动力电池成本。所以，实际上在美国这个市场地面，动力电池的梯次利用的程度比较明显。除了美国之外，其他一些国家和企业在做一些梯次利用的尝试，比如说像宝马，已经跟博世集团进行合作，回收电池，重组之后和当地的电网企业做储能。比如说戴姆勒，形成动力电池的生产、回收，储能再形成完整的产业链，预计在明年开始运行，也是目前全球最大的动力电池的实际项目。

在我们国家并没有非常完善的电力市场，无论是电动汽车还是储能也好，收益还是在分时电价和管理上面。比如说北京、上海、深圳在七毛钱到九毛钱左右，一些城市也推出了综合试点这样一些项目。工业用户可以通过电池和一些其他的技术，降低高负荷的容量就可以得到一部分的财政补贴，东部地区每千瓦降低有奖励440元。我们也考虑了汽车本身的调节，成本大约是2500元每千瓦时，固定成本是汽车电网之间的投资水平，边际的成本不是很高，取决于动力电池和充放电的效率。转化效率是90%的话，一年下来的成本是60块钱。

假设是两千次的循环，一天充放电一次，总的时间寿命是六年。分摊到每一度电的平均成本是1.43元，再加上动力电池的回收利用之后，全生命周期是三千次，均摊到每一度电是1.20元。再加上一些对需求侧管理的财政补贴，成本下降到0.98元，这样的价格对目前我们城市的峰谷电价差接近。

电动汽车和储能参与到电力系统需求响应的最大障碍是传统火电的调节容量和调节资源是类似的，因为电动汽车和储能资本是存在不规则情况，而且这种不规则是存在于能量两个纬度。我们要通过集成化系统方式让容量能够提升，使得这些调节资源的质量，降低分散的不确定性。然后是集成车辆运营模式，分散到各地电动汽车的资源，通过需求响应增加上游的交易。此外，集成运营商融合一些新生的技术，目前大家讨论多的是车联网的技术，大幅度提升集成运营的效率，进一步提高经济性。集成运营商对退役的动力汽车回收起到了角色，更好的整合动力电池，提升固定的储能。

最后做一个总结，首先是市场方法，电动汽车参与还是充电的方式，没有太多的障碍。V2G动力电池容量比较小，成本也比较高，所以做这方面的障碍还是会比较多，大规模的推广还是基于未来成本的快速下降。第三个是电池的梯次利用，潜力非常大，是未来得发展方向。但是电池磨损的标准化和健康状态的数据监测管理是重要的，可以降低梯次利用的成本，不论是对于电动汽车还是储能也好，目前在我国的收益来源是在工商业峰谷电价管理。随着未来改革的推进，建立一个完善的市场，未来用户电价差还会进一步拉大，在这方面的收益会进一步提升。

随着相关市场的完善，辅助服务市场是对于储能非常重要的市场条件，核心是建立一个非常完善的电价机制，可以更好的反映储能和电动汽车的响应时间的优势，提升他们在电动汽车市场的竞争优势。

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