欧洲市场的水电和季节性电力储能

一篇关于为什么拥有大型水库的水电站将越来越有用的文章。

关于储能的讨论已成为能源领域的焦点，而且这一趋势无疑将持续下去。在深入探讨电力行业的储能时，讨论的焦点往往是电池、飞轮、氢气等附加组件。尽管如此，我们讨论的还是一种已经存在的可再生能源储能：大型水库水力发电【1】。

我们有多少储能？储能在哪里？这有什么关系？

我将尝试在这里回答这些问题，让我们一起深入探讨。

在这篇文章中，我将使用《货币化储能》一书中的一些元素。这是一本很棒的参考书，我推荐给所有对春呢个感兴趣的人。

不同类型的储能

储能，特别是电力储能，可以根据储能旨在提供的特定服务以多种方式进行分类。可以根据持续时间要求进行分类，如下所示。在这种情况下，持续时间是指在释放之前需要存储能量的时间段。因此，可以确定四个不同的组：

第 1 组：长时储能（数周至数月）或季节性储能。例如，在夏季存储多余的太阳能并在冬季释放。或者存储春季多余的水力并在夏末和初秋释放【2】。

第 2 组：中长期（白天或昼夜）。这主要是为了进行能源套利，例如管理太阳能的每日过剩量。

第 3 组：短期至中期（最多几个小时）电力储能。主要用于电力备用和辅助服务。

第 4 组：主要用于电能质量的短时（几分钟）储能。

对于短时储能，每单位电力的投资成本应该较低。对于长时储能，情况应该相反，如图所示。当然，这些群体并非完全孤立。值得注意的是，锂离子电池通常被归类为第 3 类，但在第 2 类活动领域，尤其是在能源套利方面，其地位日益突出。

天然气作为季节性储能

长期或季节性储能是指在较长时间内（通常持续数周甚至数月）储能的能力。在欧洲和美国，冬季的能源需求往往显著增加，主要是因为供暖。为了应对这种季节性波动，已经开发了大量的天然气储存设施，容量高达 1000 TWh【3】，充当弥补冬季和夏季能源需求之间差距的重要缓冲。

我们的储能需求具有明显的周期性。最低水平通常在供暖期结束时达到。

没有化石燃料的解决方案是什么？

摘自前面提到的书：

这些关于电力和整个能源部门脱碳所需储能容量的粗略分析揭示了转换现有化石燃料或部署新储能系统所面临的 TWh 挑战。然而，这些长期储能系统的经济性可能是最难克服的挑战。第 5 章显示，到 2030-40 年，一个典型的季节性电力储能系统的终生成本将超过 500 美元/兆瓦时（电）。欧洲天然气网络在冬季排放高达 800 TWh，相当于约 320 TWh 的电力。

我同意这样的观点：实现深度脱碳最具挑战性的问题之一，特别是在电力行业和整个能源领域，是季节性储能的必要性及其相关成本。

作者主张将氢能作为唯一经济的解决方案，尽管他们承认氢能的成本相当高昂——每兆瓦时超过 500 美元，大约是历史电价的 10 倍。这一财务障碍凸显了他们的观点：这一困境是实现脱碳经济过程中最难克服的障碍之一。

不过，其他作者建议价格较低，范围从 207 欧元/兆瓦时到 284 欧元/兆瓦时。尽管成本降低，但以与现有天然气储量相当的规模储存能源（通常高达数百 TWh）在经济上不切实际，这一点仍然显而易见。

在脱碳的世界中我们真的需要季节性储能吗？

随着我们向脱碳世界迈进，一个相关的问题出现了：我们真的需要同样规模的季节性储能吗？科学界目前正在讨论这个问题，观点各异，从保守估计几天的能源消耗量到更为广泛的提议，涵盖几个月的能源消耗量。现实情况可能介于这两个极端之间，需要在过度建设可再生能源（随之而来的部分发电量削减）和投资储能解决方案之间进行微妙的权衡。

值得注意的是，季节性储能不应只考虑Dunkelflaute【4】时间只有几年，正如这些作者所述：

“虽然我们的时间序列分析支持了先前的研究结果，即持续供应短缺的时期不会超过两周，但我们发现最大能源短缺发生在更长的九周时间内。这是因为多个短缺时期可能紧随其后。”

当然，季节性储能的需求在很大程度上取决于每个国家的独特情况，各种因素使任何广泛的概括变得复杂。因此，我不会给出具体的数字。然而，我倾向于认为，我们可能需要一个相当于我们能源消耗量的数周缓冲期。因此，我们的储能需求可能会超过 100 TWh【5】，而且在我看来，很可能远高于这个估计。虽然氢能有可能满足这一需求，但它的经济成本相当高。

尽管如此，值得注意的是，我们有时会忽视一项已经为电力行业提供大量季节性储能容量的现有技术：大型水库水力发电。

菲尔扎水电站，阿尔巴尼亚最大的水库。

我们能考虑用水库作为水力发电储能吗？

有些人可能会认为，拥有大型水库的水力发电并不是一个合适的户能设施，因为我们不会像氢能那样储存可再生能源的瞬时能源盈余。不过，我认为有两个因素：

首先，这些水库中的水流代表着能量的流动。通过选择可再生能源而不是放水，我们本质上是将这些能量保存起来以备日后使用，这本身就是一种有效的储能形式。

其次，解决日常能源过剩问题，特别是太阳能发电产生的能源过剩问题，可以通过能源套利来有效管理，最有可能是通过电池、抽水蓄能和储热的组合【6】。

检查储能的能量模式可以发现明显的季节性波动，最低水平通常发生在供暖季节之后——让人想起在天然气储存中观察到的行为。以下是瑞典的情况（最高 30 TWh，即 30,000,000 MWh）。

瑞典水电储能模式。

下图显示了阿尔巴尼亚公共生产商 KESH 储能情况。最高点为 1,400 GWh 或 1.4 TWh。最大值通常在 6 月达到，因为雪已经完全融化，由于需要降温，消耗量正在增加。最低水平通常在 10 月或 11 月达到，那时雨水更多【7】。

阿尔巴尼亚上市公司KESH的储能模式。Y 轴以 GWh 为单位。2022、2023 和 2024 分别是绿线、深蓝线和浅蓝线。黄色是多年平均值。

欧洲有多少水电储能？

各国的此类储能规模差异很大。目前大约有 130 TWh【8】可用储能空间【9】下图显示，欧洲的能源分布非常不均衡。很明显，挪威和瑞典在储能份额中占据主导地位。这种利用水力发电储存大量能源的能力可能是电力消费在总能源消费中所占份额下降的主要原因【10】例如，北欧国家比德国高得多。

这篇最近的论文指出：

考虑到整个欧洲，据估计欧洲水库（不仅仅是水力发电）的理论储能容量为 220 TWh。挪威的储能容量（85 TWh）是欧洲最大的，超过任何欧盟成员国，例如奥地利（水库 3.2 TWh）、法国（9.8 TWh）、德国（0.3 TWh）、希腊（2.4 TWh）、意大利（7.9 TWh）、葡萄牙（2.6 TWh）、西班牙（18.4 TWh）、瑞典（34 TWh）和芬兰（5 TWh）。瑞士拥有 8.4 TWh。挪威的水力发电就像一个电池，平衡了邻国不稳定的可再生能源，拥有 1000 多个水库。

下图将存储的电力与总电力消耗进行了比较。需要注意的是，除阿尔巴尼亚外，数据均低于总电力消耗（这导致低估）【11】）来自Entso-e储能透明平台以及电力消费相关各种来源【12】。

橙色代表欧盟以外的国家，蓝色代表欧盟国家。平均值是通过考虑所有国家的总消费量得出的。

值得注意的是，与欧盟国家相比，欧盟以外的国家在水力发电厂储能的能源比例更高。整个欧洲的平均储能时间约为14 天，而仅在欧盟内部，这一时间就缩短至 7 天。然而，由于电网的限制，这些平均值应被视为高度理论化的，因此将挪威视为超大型欧洲电池是不切实际的。

此外，拥有大量水库的水力发电系统在使用过程中会遇到各种限制。监管限制（例如用于农业目的的水流管理或保护海洋生物的监管限制）可能会影响发电模式。

抽水蓄能电站的价值不断增长

向脱碳经济转型必然会导致供暖和运输对电力的依赖性增强，同时对太阳能和风能等可变能源的依赖性也会增加。随着化石燃料的逐渐减少，化石燃料提供的固有缓冲将不可避免地减少【13】。

从本质上讲，这些水电站很可能被战略性地使用，主要在电价达到发电合理的水平时启动——例如在高峰时段和冬季。随着能源系统经历范式转变，波动性无疑会增加，使得拥有大型水库的水力发电等电力缓冲随着时间的推移变得越来越有价值。显然，水力发电只能在有潜力的国家使用，这意味着这些国家与必须使用成本高得多的氢气作为长期储存解决方案的国家相比具有优势。

【1】水力发电既可以是径流式，也可以是水库式。径流式发电厂几乎没有或完全没有储存的能量，因此发电灵活。此外，还有抽水蓄能电站，可以将水抽回到较高的水库。

【2】这正是阿尔巴尼亚目前正在做的事情，那里的太阳能尚未得到大规模开发。

【3】从热量的角度来说。由于电能更有效地用于加热，因此，同样的电力储存量（以 TWh 计算）会少得多。

【4】Dunkelflaute是一个德语术语，英文中可以翻译为“黑暗的低潮”或“黑暗的平静”。它通常用来指阳光或风很少或根本没有的时期，无法产生太阳能或风能

【5】欧盟 2022 年的电力消耗为 2809 TWh。根据 Fit-for-55，2030 年的电力消耗将达到 3600 TWh。以 2 周为例，这相当于 138 TWh。

【6】抽水蓄能是将水从低位水库抽到高位水库的过程。一些抽水蓄能与大型水库水电站位于同一位置。

【7】2022年，由于能源危机，3月份也出现过低位。

【8】TWh 为1000MWh。130 TWh 略高于荷兰的总用电量。相比之下，特斯拉Megapack（装满电池的容器）的存储容量为 3 MWh。

【9】该数字是通过计算本网站提到的所有国家 2015 年至 2023 年的最低水平与最高水平之间的差值计算得出的。

【10】您可以在此处按来源在能源消耗主题中搜索最终总消耗量 (TFC)，以观察挪威和瑞典的电力份额与德国等国家相比高得多。

【11】仅使用了上市公司KESH的数据。不过，还有其他几座拥有大型水库的水电站，例如由 Statkraft 运营的Devoll。

【12】请注意，目的更多的是为了说明总储能量而不是准确性。

【13】有些人可能会说，我们可以用天然气来实现这一目标，当可再生能源不足时，天然气仍然可以发挥提供所需电力的关键作用。

作者：Julien Jomaux