光热发电与光伏+储能的经济性对比,两种技术可互为补充

时间:2021-01-06 11:26来源:国家光热联盟

  2021年1月4日,《Energy Sources》在线发表题为《Making the sun shine at night: comparing the cost of dispatchable concentrating solar power and photovoltaics with storage》的论文。论文比较了三种在没有阳光的情况下提供可调度的太阳能发电技术路线下的成本比较。光伏(PV)与电池(BESS)或热能存储(TES)组合以及聚光太阳能(CSP)与TES。通过对没有阳光的不同时期进行建模,我们发现:PV + BESS在较短的存储时间方面具有竞争力,而CSP + TES在较长的存储时间(也超过PV + TES)方面具有经济优势。在当前成本下,相应的临界点为2–3小时(如果考虑到对未来成本发展的预期,则为4–10小时),PV + TES仅比CSP + TES具有更大的竞争力,而且可以大大降低PV的成本。因此,对于两种技术仍然存在明显的优势:较短存储时间的PV + BESS和较长技术的CSP + TES。

  论文指出:政策对太阳能发电经济性也有很大影响。由于CSP + TES和PV + BESS在某些存储要求方面具有竞争力,因此在2050年之前继续开发所有技术组合非常重要。随着化石发电机的逐步淘汰,提供可灵活调度的可再生能源是必然的选择。准备好不同的技术选择可以使我们能够利用针对不同需求曲线的最佳解决方案,并有助于最小化整体系统成本。最终,有关电力市场设计的政策决定将决定要求和奖励哪种程度的太阳能可调度性。

  由于短期和长期存储的系统价值不同,因此这些细分市场的收入可能也会有所不同。如,摩洛哥的Noor Midelt混合太阳能发电厂(800兆瓦)将是世界上第一个将PV和CSP与TES结合起来的太阳能项目,而没有将最初计划将PV + BESS纳入其中。由于光伏价格的降幅快于预期,因此该组合被认为是日落后一天和日落后5个小时以0.07美元/千瓦时的电力供应的最佳组合(SolarPACES,2020年)。
  为了在电力部门获得可持续发展的基础,CSP必须跟上预期的光伏成本大幅下降的预期(Jorgenson,Mehos和Denholm,2016年))。就降低成本而言,CSP的优势在于,全球安装的容量远小于光伏容量,这意味着,按照技术学习的理念,可以绝对减少相对较低的容量,从而实现成本降低。虽然CSP学习率还没有那样高PV,观察学习一直在某些时期高达18%(Lilliestam等人2017年),和CSP已经显示出所有可再生能源发电的最大年同期电力成本下降技术(2017-2018年为26%)(IRENA 2019b)。为了实现此分析中假设的中等成本降低,CSP的太阳能场和接收器系统的投资成本总共必须降低25%。全球有5.8吉瓦的CSP项目正在运行(SolarPACES 2019)和20%的学习率,CSP必须增加大约7 GW的全球容量才能实现这种中等成本。对于像欧盟(和西班牙),中国,美国或一些已经收集了CSP经验的中东和北非国家集团这样的大国家或世界地区,这似乎是可行的。如果这些地区之一选择为CSP明确建立支持政策,那么它们将有几种竞争性技术选择(包括也可以与PV结合使用的TES)可用于提供可调度的太阳能。PV + BESS适用于傍晚或早晨高峰,而CSP + TES可以在一整夜内提供基本负荷。因此,这两种选择可以相互补充,以在不同位置满足特定的需求曲线。
  为了使未来的电力系统能够满足短期和长期的灵活性需求,建议进一步开发PVS以及CSP + TES,并支持在电力市场中部署这两种方案;两种配置都可以在未来的可再生能源系统完全脱碳中发挥作用。这样,最佳技术组合将可用于不同的应用和时间范围,并有助于为深度脱碳的电力系统提供可调度的可再生电力

图1.累积装机容量的年增长率(根据IRENA(2019a)和CSP.guru(2020))

图2.结合电池存储和CSP(太阳能场,接收器,热能存储和功率块)的光伏概念化(注:使用Noun Project的Arthur Shlain(2019)创建的图形内容制作的概念图)

  直流电(DC)和交流电(AC)中的功率流。太阳辐射分为全局水平辐射(GHI)和直接法向辐射(DNI)。

图3.从收集太阳辐射到最终转换为交流电和相关成本参数的转换过程。(2018基于Lovegrove概念图)

图4.基于2007–2016年的典型气象年第29周的第一天,西班牙内华达山脉的建模日和位置的太阳剖面(GHI和DNI)

图5.光伏发电和电池系统的发电量和存储量

图6.在三种成本情况下,增加PV + BESS,CSP + TES和PV + TES的存储时间的特定成本

  PV + BESS始终是缩短存储时间的最经济的解决方案。CSP + TES在2–3小时(当前成本)和4–10小时(未来成本预测)后变得具有竞争力。

图7.组件太阳能场+接收器,TES和功率块的总CSP投资成本份额,取决于存储时间

  当前成本(左图),中成本(中图)和低成本(右图)方案。功率块的份额随着存储时间的增加而显着下降。

图8.根据存储时间,组件PV和BESS的总投资成本份额

  当前成本(左图),中成本(中图)和低成本(右图)方案。与CSP + TES相比,在所有存储时间中,两个组件PV和电池之间的比率几乎保持不变。

  论文地址:https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15567249.2020.1843565 (董清风 编译)

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