框架式重力储能系统经济性分析.pdf
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1、第8卷 第3期2 0 2 3年6月分布式能源D i s t r i b u t e d E n e r g yV o l.8 N o.3J u n.2 0 2 3D O I:1 0.1 6 5 1 3/j.2 0 9 6-2 1 8 5.D E.2 3 0 8 3 0 7框架式重力储能系统经济性分析刘晓辉,袁 康,白亚奎,魏旭红(青岛绿色发展研究院有限公司,山东省 青岛市 2 6 6 1 0 9)摘要:框架式重力储能系统不受地理条件的限制,便于进行规模化的扩展和应用,是实现重力储能未来大规模商业应用的一种有效方式,逐渐受到人们的重视。基于对框架式重力储能系统的结构组成分析和成本计算,对框架式重
2、力储能系统的经济性进行了分析,得到了不同系统容量的框架式重力储能系统的投资成本和平准化储能度电成本,可为框架式重力储能系统的项目建设和运营提供参考。关键词:框架式;重力储能;经济性分析中图分类号:T K 0 2 文献标志码:AE c o n o m i c A n a l y s i s o f F r a m e G r a v i t y E n e r g y S t o r a g e S y s t e mL I U X i a o h u i,YUAN K a n g,B A I Y a k u i,WE I X u h o n g(Q i n g d a o G r e e n
3、D e v e l o p m e n t R e s e a r c h I n s t i t u t e C o.,L t d.,Q i n g d a o 2 6 6 1 0 9,S h a n d o n g P r o v i n c e,C h i n a)A B S T R A C T:F r a m e g r a v i t y e n e r g y s t o r a g e s y s t e m i s n o t l i m i t e d b y g e o g r a p h i c a l c o n d i t i o n s,e a s y t o s
4、c a l e e x p a n s i o n a n d a p p l i c a t i o n,i s a n e f f e c t i v e w a y t o a c h i e v e l a r g e-s c a l e c o mm e r c i a l a p p l i c a t i o n s o f g r a v i t y e n e r g y s t o r a g e i n t h e f u t u r e,a n d g r a d u a l l y r e c e i v e d p e o p l e s a t t e n t i
5、 o n.B a s e d o n t h e s t r u c t u r a l c o m p o s i t i o n a n a l y s i s a n d c o s t c a l c u l a t i o n o f t h e f r a m e g r a v i t y e n e r g y s t o r a g e s y s t e m,t h e e c o n o m y o f t h e f r a m e g r a v i t y e n e r g y s t o r a g e s y s t e m i s a n a l y z e
6、 d,a n d t h e i n v e s t m e n t c o s t a n d t h e q u a s i e n e r g y s t o r a g e p o w e r c o s t o f t h e f r a m e g r a v i t y e n e r g y s t o r a g e s y s t e m w i t h d i f f e r e n t s y s t e m c a p a c i t i e s a r e o b t a i n e d,w h i c h c a n p r o v i d e r e f e r
7、 e n c e s f o r t h e c o n s t r u c t i o n a n d o p e r a t i o n o f t h e f r a m e g r a v i t y e n e r g y s t o r a g e s y s t e m.K E Y WO R D S:f r a m e;g r a v i t y e n e r g y s t o r a g e;e c o n o m i c a n a l y s i s基金项目:风力发电机组塔筒损伤监测项目(Q D Y Y-E-X N-2 0 2 2 0 3)T h i s w o r k
8、 i s s u p p o r t e d b y W i n d T u r b i n e T o w e r D a m a g e M o n i t o r i n g P r o j e c t(Q D Y Y-E-X N-2 0 2 2 0 3)0 引言 近年来,随着新能源技术的不断发展和双碳目标的不断驱动,以风力发电和光伏发电为代表的新能源发电的装机规模越来越大,在电力能源中的占比也越来越高。随着社会经济的不断发展,人们的生产生活对电能的需求也在逐渐增加,电力能源供需时空和地域矛盾有时依然存在,尤其是炎热的夏季,有些地域也会出现用电紧缺的局面,严重影响人们的正常生产生活1-2
9、。由于电能是过程性能源,不能直接存储,而是用多少生产多少,因此,将电能通过其他形式的能量储存起来逐渐受到人们的重视,多种储能技术如雨后春笋般涌现,如电化学储能电池、抽水蓄能,飞轮储能和重力储能等。而且,人们对众多储能技术的经济性和商业运营模式等进行了广泛的研究,现在电化学储能、抽水蓄能和飞轮储能等技术已经相对比较成熟且开始大规模应用3-7。在众多的储能技术中,重力储能是一种持续性很高的新型储能系统,虽然尚未有大规模应用,但凭借其原理简单、响应快速、性能稳定和绿色环保等优点开始逐渐受到人们的青睐,且具有实现长储能时长和兆瓦级储存容量的潜力,对此人们也进行了大量的研究和探索,先后提出了多种基于重力
10、势能的储能模式,如机车斜坡轨道储能系统,混凝土重力塔储能系统,基于废弃矿井的地下重力势能储能系统和活塞式重力储能系统等8-1 3。在市场商业化方面,国外走的是比较靠前的。2 0 1 6年,英国G r a v i t r i c i t y公司提出了基于废弃矿井进行重力储能的方案,并于2 0 2 1年在爱丁堡利斯4 8 分布式能源第8卷 第3期完成了2 5 0kW的重力储能示范项目。2 0 1 6年,美国G r a v i t y P o w e r公司基于抽水蓄能机组提出活塞式重力储能并于2 0 2 1年G r a v i t y P o w e r公司开始在巴伐利亚建设兆瓦级示范工程。2 0
11、 1 8年,瑞士E n e r g y V a u l t 公司推出了容量达 3 5MWh塔吊式储能系统方案,并在2 0 2 0年建立了搬砖储能的商业示范原型 塔式搬砖储能9。1台7 0米的起重机高高耸立,6条吊臂从顶部伸出,上下搬动每块重3 5 t的砖块,这些砖块由土壤和废品制成。该系统自身重量很大,超过了2 0万t,需要深厚的地基保持其稳定性,且外部直接暴露空中,恶劣的天气会对系统的安全稳定产生很大的影响,如风载荷和沙尘暴,冰冻灾害等。2 0 2 1年,E V公司根据储能塔遇到的问题,更改设计从高塔转向2 0层的模块化建筑模式,推出了第二代储能系统E V x平台8。E V x平台就是一种框
12、架式重力储能系统。每个E V x建筑砖可以转化电量1 0MWh,砖块可以叠加,以满足能源需求,增强电网灵活性,系统转换效率为8 0%8 5%。2 0 2 2年,中国天楹成功引入了E V公司第二代技术E V x,并参与了重力储能技术的研发和升级,开始在江苏如东投资建设全球首个1 0 0MWh重力储能示范项目。已有文献对于这些新型的重力储能系统的技术特点进行了研究1 4-1 6,但是这些研究往往从技术发展现状和技术特点的角度进行的分析,没有从经济性角度具体进行分析和评价。而关于重力储能系统经济性的分析,多集中在对活塞式重力储能方案的分析和研究1 7-2 1,类似于E v x储能系统这种框架式的结构
13、不易受地理条件的限制,便于后续的规模化扩展和应用,但是,这种框架式储能系统经济性如何,尚无此方面的研究情况。本文基于对框架式重力储能系统的结构组成分析和成本计算,对框架式重力储能系统的各部分投资成本和系统经济性进行了分析,得到了4种系统容量分别为1 0、2 0、4 0和1 0 0MWh的储能系统的投资成本和储能平准化度电成本等数据,以便为重力储能规模化扩展提供参考。1 储能全寿命周期成本储能项目全生命周期成本由投资建设成本、更换成本、运行维护成本、价值回收等构成,可以通过项目周期内的平准化成本进行考核评估。基于储能全生命周期的储能平准化成本(l e v e l i z e d c o s t
14、o f s t o r a g e,L C O S)是目前国际上通用的储能成本评价指标,其算法是对项目生命周期内的成本和放电量进行平准化后计算得到的储能成本,即生命周期内的成本现值/生命周期内放电量现值2 2-2 3。此计算综合考虑了系统效率、寿命周期、运维成本和具有贴现率的货币的时间价值。框架式重力储能系统是由框架式钢结构、机电设备、地基基础和重物单元四大部分组成,建设这样的储能系统,初始投资成本主要包括框架式钢结构系统成本、地基基础成本、机电设备成本和重物单元成本。与化学电池储能等相比,重力储能的结构具有很大的可回收利用价值,尤其是重力储能系统的框架式结构和重物单元等,计算中需要考虑到可回
15、收结构的系统残值率。2 储能能量和系统框架尺寸计算本文以4种 系 统 容 量 分 别 为1 0、2 0、4 0和1 0 0MWh 的储能规模为例进行对比分析。重物单元的重量都设定为3 0 t,材料采用混凝土制作,混凝土密度按2 5 0 0 k g/m3,其尺寸为1m 1m 1 2m,系统设计的提升高度为2 5m,则系统总高度为3 7m,重物单元的最大存储能量为E=m g h=3 0 1 03k g9.8m/s22 5m=7.3 5 1 06J(1)式中:E为存储的重力势能,J;m为重物单元的质量,k g;h为系统提升的高度,m。能量单位J可以换算为电力常用的单位kWh,即 E=7.3 5 1
16、06J3.6 1 06J/(kWh)=2.0 4 2kWh(2)则理论上1个重物单元在系统提升高度内可以存储的电能约为2.0 4kWh。根据不同的系统容量,同时考虑系统的均匀对称布置情况,则可以计算出需要的重物单元的数量。经计算,1 0、2 0、4 0和1 0 0MWh 分别对应的重物单元的数量可以取为49 0 0、98 0 0、1 96 0 0和4 90 6 0个。根据重物单元的数量,假设重物单元都按照矩形阵列排布,49 0 0个重物单元在长度方向按1 0 0个布置,宽度方向按4 9个布置,形成1 0 04 9的分布矩阵,依次类推,98 0 0个重物单元形成1 4 07 0的分布矩阵,1 9
17、6 0 0个重物单元形成2 8 07 0的分布矩阵,4 90 6 0个重物单元形成4 4 61 1 0的分布矩阵。支撑重物单元的型钢柱之间间距取1.2m,则可以V o l.8 N o.3刘晓辉,等:框架式重力储能系统经济性分析4 9 分别计算出以上4种容量的系统框架尺寸,分别为1 2 0m 5 8.8m 3 7m、1 6 8m 8 4m 3 7m、3 3 6m8 4m3 7m和5 3 5.2m1 3 2m3 7m。3 钢结构系统成本框架式结构的主体就是钢结构系统,钢结构系统承载所有的重物单元的重量,也正是在钢结构系统高度内实现重物单元自身重力势能的生成与转换。因此,钢结构的主要作用就是支撑重物
18、单元的重力,保证重物单元在系统全寿命过程中的安全与可靠。从结构力学角度讲,钢结构框架主要承受系统重物的重力与自身的重力等竖向载荷以及随高度增加而产生的侧向载荷,如风载荷等2 4。框架结构体系的主要不足之处就是侧向刚度差,当高度较大时,需要设置支撑,以增强体系的抗侧弯刚度和整体稳定性。对于重力储能系统来说,重物所存储能量的多少直接与重物自身的重量以及重物重心所在的高度相关,重物自身重量大,则同样的重心高度下存储的势能就越大;重物重心所处的位置高,则同样的重物重量下存储的势能就越大。因此,为了尽可能的提高系统所存储的能量,在保证结构安全可靠的前提下需要尽可能的提高重物自身的重量和重物重心所处的高度
19、。但是,随着重物自身重量的增加和所处重心位置的增加,对支撑重物系统的钢结构的刚度就要增加,以确保钢结构在产生的变形和应力满足规范的要求,那么对钢材的需求量就增加,也会产生很大的经济成本,设计时需要综合考虑。为简化计算,本文采用抗弯能力强、施工简单、节约成本和结构重量轻的HW 1 0 01 0 068型钢作为钢结构系统的钢柱,其截面积为2 1.5 8mm2,材料为Q 2 3 5 B。以1 0MWh系统为例,重物单元数量为49 0 0个,型钢钢柱和重物单元如图1所示布置,型钢钢柱位于纵横交错的位置,用于支撑重物单元。重物单元的所有重量均被均匀分散给所有的钢柱承载,经理论计算,型钢材料截面所受压应力
20、约为1 3 8MP a,远远低 于 材 料 自 身 的 抗 压 强 度3 7 54 6 0 MP a。1 0MWh系统的长宽设置为1 0 0m4 9m,钢柱间隔1.2m排布,高度按3 7m计算,所需的型钢总长度为1 8 13 0 0m。为了提高框架结构的整体稳定性和刚度,需要增加支撑筋板,按图1所示在四周增加支撑筋板,可以在高度方向以2m为间隔设置1 8层筋板,则所需的支撑筋板长度约为1 7 64 0 0m,约为竖向钢柱的用钢总量的1倍。经核算,钢结构框架能够承受重物单元及自身的竖向载荷的作用而不会发生屈服,安全余量充足且结构变形能满足设计要求。因此,在计算钢结构材料成本时,考虑筋板的支撑作用
21、,全部的用钢量为竖向所用钢柱用钢量的2倍。钢材价格按照50 0 0元/t的价格计算(材料费40 0 0元/t材料费和安装费10 0 0元/t),则不同系统容量下的钢结构用钢成本计算详见表1。图1 框架钢结构俯视示意图F i g.1 F r a m e s t e e l s t r u c t u r e o v e r l o o k i n g s k e t c h m a p 表1 钢结构成本T a b l e 1 C o s t s h e e t o f s t e e l s t r u c t u r e储能方案规模系统外形尺寸型钢钢柱高度/m型钢钢柱长度方向数量型钢钢柱宽度方
22、向数量型钢钢柱质量/t系统用钢总量/t系统用钢单价/(元t-1)系统用钢总价/(1 08元)5MW/1 0MWh1 2 0m5 8.8 m3 7 m3 71 0 04 930 7 361 4 550 0 00.3 0 731 0MW/2 0MWh1 6 8m8 4m3 7m3 71 4 07 061 4 51 22 9 050 0 00.6 1 452 0MW/4 0MWh3 3 6m8 4m3 7m3 72 8 07 01 22 9 02 45 8 150 0 01.2 2 905 0MW/1 0 0MWh5 3 5.2m1 3 2m3 7m3 74 4 61 1 03 07 6 46 15
23、 2 750 0 03.0 7 645 0 分布式能源第8卷 第3期4 重物单元成本重物单元是重力储能系统的能量承载体,当外部电力充足时,外部电源提供的电能通过重力储能系统转换为重物单元的重力势能存储起来;当外部电力紧张时,重力储能系统启动工作,将自身存储的重力势能通过机电能量转换系统转换为电能输出,满足电力需求。重物单元的作用就是作为储能系统的能量承载体,对其没有特别的要求,可以由可回收利用的混凝土、废旧铸铁和铸钢等制作,也可由其他废弃物体如废矿石、废品等制作,具体需要由物体的密度,需求量的大小和材料成本造价等因素综合考虑决定。一般来说,对于一个重力储能系统来说,当系统容量达到兆瓦级及以上级
24、时,对重物单元的需求量是巨大的。例如,对于提升高度为3 0 m的储能系统来说,如果容量达到1 0MWh,不考虑能量损失,需要的重物单元的质量也得达到1 2.21 04 t之多。对于如此数量之大的材料需求来说,材料自身的价格成本就成为了影响系统经济性的主要因素。例如,对于废钢废铁来说,参照市场价格,其成本价格在12 0 0元/t左右,那么1 0MWh的重物单元成本则将达1.4 7亿元,初始投资巨大。而对于混凝 土 来 说,其 成 本 价 格 可 以 降 低 到1 2 0元/t,1 0MWh的重物单元成本仅需0.1 4 7 亿元。显而易见,重物单元选择混凝土是相对经济的方式。本文的重物单元成本计算
25、按照统一按照混凝土材料进行,具体的计算数据参见表2。此外,重物单元在系统全寿命周期中几乎没有 磨损,也不用维护,而且寿命期后可以继续用作其他重力储能系统的重物单元,对于后续用于重力储能项目来说具有很高的残值率。5 地基基础结构成本地基基础结构承载钢结构系统以及重物单元的所有重量,由于储能系统是依靠重力势能进行存储的模式,系统整体重量很大,而且系统高度比较高,占地面积也大,属于大型工程,需要综合考虑地质条件和所受竖向载荷以及其他水平载荷的作用,如风载荷和地震载荷,确定合适的地基基础设计等级。在成本核算方面,考虑到工程规模较大,对地基基础的承载力和变形的要求就比较高,采用天然地基往往不能满足要求,
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