Assessing the role for long-duration energy storage in microgrids considering resilience, energy cost savings, and CO2 emission reductions
本研究评估了长时储能（LDES）在微电网中增强韧性、降低成本和减少排放方面的作用，发现虽然长时储能在应对高韧性、正午高峰负荷方面具有特定优势，但在当前及预期的未来条件下，与锂离子储能相比，其通常仍不具备经济性。
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想象一个能够抵御风暴的社区微电网。当主线路中断时，这个被称为微电网的局部系统可以脱离电网运行，为医院、工厂或大学校园维持供电。几十年来，在长时间停电期间保持这些灯光亮起的标准方法一直是依赖柴油发电机或天然气发动机。这些机器非常可靠，只要有燃料就可以运行数日。然而，它们燃烧化石燃料，会向大气中排放二氧化碳并产生局部污染。随着世界寻求更清洁的能源，工程师们一直在寻找一种方法，用电池取代这些吵闹且污染严重的发动机。
电池面临的挑战是时间问题。目前大多数可用的电池（如电动汽车中的锂离子电池）非常擅长存储几小时的能量。它们非常适合平滑每日用电高峰或应对短时间的风暴。但如果停电持续两天或一周，这些标准电池就会耗尽电量。这正是被称为长时储能的新型技术进入视野的地方。这些系统旨在储存能量更长的时间，可能长达数天甚至数周，且单位能量成本比标准电池更低。对于能源规划者来说，关键问题在于这些持久力强的电池是否是构建微电网的关键，从而使微电网不仅在停电期间具有韧性，而且在成本和清洁度上足以完全取代化石燃料发电机。
加州大学圣地亚哥分校的一位研究人员致力于通过建立一个详细的计算机模型来模拟微电网的实际运作方式，以回答这个问题。他们不仅仅是在真空环境下观察这项技术；他们还模拟了南加州七种不同商业建筑在真实世界环境下的表现。他们测试了这些建筑在三种不同情景下的表现：现行规则、未来电力成本上升且技术变得更便宜的情景，以及一项禁止微电网产生所有碳和污染物排放的严格新政策。他们还研究了三种不同类型的长时储能系统，范围从8小时系统到巨大的100小时系统，并将它们与太阳能电池板、短期电池和燃气发电机的标准组合进行了对比。
他们的模拟结果清晰且有些令人惊讶。在他们测试的几乎所有情景中，长时电池并不是最经济的选择。最具成本效益的微电网仍然依赖于太阳能电池板、标准锂离子电池和天然气发电机的组合。研究人员发现，长时电池和标准的短期电池实际上在竞争同一项工作：即削减用电需求的高峰以节省公用事业账单。由于标准电池在处理这种日常任务时效率更高，因此在经济竞争中胜出。长时系统虽然能够储存更多能量，但与更便宜、更高效的替代方案相比，其安装和运行成本往往过高。
即使研究人员将模拟推向未来，假设所有新技术的成本都会下降且电价会上涨，长时电池仍然没有成为最佳选择。标准锂离子电池成本的下降使其更具吸引力，掩盖了长时系统的潜在优势。研究还观察了如果严格的环保规则迫使微电网停止使用化石燃料会发生什么。在这些零排放政策下，运行微电网的成本显著上升。虽然长时电池可以略微增加太阳能的使用并减少对天然气的依赖，但它们仍无法使微电网比其他方案更便宜。事实上，研究中最昂贵的微电网正是那些试图将长时电池作为主要储能方案的微电网。
然而，研究也发现了一个非常小的例外。研究人员发现，长时储能对于具有独特用电模式的特定类型建筑具有潜在的应用空间。这些是规模较小的建筑，其电力需求在一天中间会剧烈飙升，正好与太阳能电池板产量最高的时段相匹配。在测试的众多情景中，仅有两个涉及这些特定小型建筑且处于最严格零排放规则下的情景，长时电池系统最终比标准配置略显便宜。这表明，虽然长时储能可能不是所有微电网的通用解决方案，但它可以在能源使用与发电时机完美契合的特定专业应用领域找到一席之地。
该研究还强调了可靠性、成本和清洁度之间难以调和的权衡。研究人员发现，无论他们如何配置微电网，都无法同时实现最低成本、最高可靠性和最低排放。那些依赖本地太阳能和储能以避免从主电网购买电力的微电网，为了确保能在长时间停电期间生存，往往会在本地燃烧更多的化石燃料，从而增加了其整体碳足迹，相比之下，直接从公用事业公司购买清洁电力反而碳排放更低。反之，那些试图实现完美清洁的微电网往往必须更多地依赖主电网，这意味着它们在停电期间的独立性较低。
最终，研究表明，通过长时电池单方面解决清洁且具韧性的微电网问题的愿景尚未成为现实。这项技术前景广阔，并在提供长期停电期间的韧性方面发挥作用，但它目前还不是运行微电网最便宜或最高效的方式。目前最务实的路径仍然是太阳能电池板、标准电池和燃气发电机的组合，而长时储能则在等待其在更具体、更定制化应用场景中的时刻。通往一个完全清洁且具韧性的局部电网是一个复杂的过程，虽然长时储能是工具箱中的一件强大工具，但它本身并不是开启大门的唯一魔力钥匙。
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