Omdia洞察|電信運營商如何利用基站電池降低能源成本？

可再生能源的間歇性帶來挑戰

歐盟可再生資源發電的比例從2010年的20%左右上升到2022年的40%以上。歐盟的目標是到2030年達到近70%，到2050年達到80%。雖然這有利于減少溫室氣體排放，但隨著可再生能源發電比例的上升，間歇性的挑戰也在增加。晚上沒有陽光，而且也會常常出現好幾天沒有風的情況。在這些可再生能源供應較低的時期，電網運營商將如何彌補缺口呢？

一種解決方案是讓其他發電廠做好填補空缺準備。核電站最適合基本負荷，因為它們無法輕易開啟和關閉。燃氣輪機可以很快投入使用，然而，這會產生溫室氣體排放。更環保的解決方案是在供過于求（強烈的陽光和風）的時候儲存風能和太陽能，并在電力匱乏時釋放出來。

儲能是綠色解決方案

能量存儲有多種選擇，包括壓縮空氣、抽水蓄能以及水解等。后者需要利用能量將水分子中的氫和氧分離，然后在燃料電池中（或通過燃燒）重新組合這些分子以釋放能量。鋰離子電池目前并不是最便宜的儲能選擇，但隨著它們變得越來越普遍，其成本正在下降。鋰離子電池現在被用于電動汽車、筆記本電腦和智能手機當中。根據《Our World in Data》，鋰離子電池的價格從1991年的7523美元/千瓦時到2018年下降至181美元/千瓦時。根據彭博新能源財經報道，2023年，其價格降至139美元/千瓦時。

根據美國能源部的全球儲能數據庫資料顯示，大多數（超過70%）的大型（1MW以上）電池儲能項目是基于鋰離子電池的。其他化學物質電池（每種化學物質的項目份額都不到10%）包括鈉硫電池和鉛酸電池。

移動運營商擁有大量電池

許多移動運營商在其網絡周圍分布有電池為其基站提供備用電源。下一代移動網絡（NGMN）聯盟最近發布的網絡能效白皮書指出，移動運營商正在其RAN和核心網中部署更多的備用電池容量。在電力供應可靠的市場，NGMN估測大多數RAN站點的電池容量在15到30分鐘之間。如果需要的話，關閉某些頻段可以延長電池使用時間。

Omdia實踐負責人James Crawshaw表示，繼汽車行業之后，電信行業是世界上最大的電池用戶之一，與公用事業和能源行業并列。眼下的許多電池都是鉛酸電池，根據Yudhistira等人的研究，鉛酸電池沒有鋰離子電池環保。因此，許多移動運營商正逐漸用鋰離子電池取代鉛酸電池。

芬蘭電信運營商Elisa是在網絡中較早采用鋰離子電池的公司，并發現鋰離子電池具備雙重功能：作為電網斷電時的備用電源，以及作為儲存多余電能并在需要時將其釋放回電網的方式。這有助于電網運營商處理可再生能源的間歇性問題，并降低電信公司的能源成本。

Elisa分布式儲能解決方案

Elisa打造了一種所謂的分布式能源存儲（Distributed Energy Storage,DES）解決方案，利用備用電池的部分容量從電網吸收多余的電力，并在需要時（負荷轉移）將其釋放回電網。這對電網運營商有利，也能夠幫助電信運營商創收，因為在產能過剩時期購買的電力比在高需求時期賣回電網的電力要便宜得多。

然而，根據Elisa的分析，移動運營商更大的經濟潛力可能將來自參與自動頻率恢復儲備（aFRR）市場。電網中的交流電必須保持恒定的頻率（世界大部分地區為50赫茲，美洲為60赫茲）。偏差大于1%可能會損壞電氣設備和電網基礎設施。

頻率恢復

電網運營商有多種機制將頻率保持在這個嚴格的范圍內。首先，連接到電網的旋轉電機具有慣性，可以在數秒內抵抗頻率的降低。如果電網頻率持續下降，則會啟動二次響應或自動頻率恢復儲備（aFRR）以恢復正常頻率。aFRR服務通常由水力發電廠和抽水蓄能設施（可在幾秒鐘內開始發電）或可在幾分鐘內聯機的燃氣輪機提供。考慮到抽水蓄能設施的可用性有限以及燃氣輪機的溫室氣體排放，許多市場的監管機構正在考慮將電池儲能系統作為一種潛在的頻率恢復手段。

經過2022年夏季對200個蜂窩基站進行試驗后，Elisa的分布式儲能解決方案獲得了芬蘭傳輸系統運營商（Fingrid）的技術資格預審驗收，可參與aFRR市場。Elisa還于2023年12月獲得認證，可為干擾頻率控制儲備（FCR-D）提供服務，這需要比aFRR更快、更精確的控制行動。

DES組件

Elisa的智能能源管理系統確保電池容量得到最佳的收益和運營效果。該解決方案有三個組成部分：

·頂層規劃器（top-level planner）：使用不同電力平衡市場的供需數據進行模擬，并確定在任何給定時間分配多少容量用于負載轉移或電網平衡（aFFR）。

·中間層（middle layer）：負責監督電力流動和基站電力設備的狀況，以確保資產的最佳利用，包括電池的使用壽命。

·控制器（controller）：選擇應該調整哪些特定單元（例如，關閉某些頻段）以響應負載轉移計劃的變化或電網運營商的平衡需求。

DES的收入潛力

根據Elisa的估測（見圖1），在芬蘭的200個蜂窩基站（約占其覆蓋范圍的10%）部署DES解決方案，每月可從aFRR中產生3萬至6萬歐元的收入，并且節省了負載轉移，這為該運營商帶來了額外的好處。每月4.3萬歐元的平均收入大約是Elisa目前在這200個蜂窩基站的電力支出的一半。

圖1：Elisa對其DES解決方案收入潛力的估算。資料來源：Elisa。

Elisa的DES商業案例

要想充分利用Elisa的DES解決方案，移動運營商必須在其蜂窩基站部署充足的鋰離子電池。鉛酸電池不僅對環境不友好，而且不太可能被電網運營商批準用于aFRR服務。以下這些因素使鋰離子比鉛酸更適合：

·鋰離子電池在幾乎整個放電循環中都能提供恒定的功率，而鉛酸電池的功率隨著電荷耗盡而明顯耗散。

·鋰離子電池的充電時間比鉛酸電池快四倍左右。

·鉛酸電池可以經過1500次左右的充放電循環，之后其容量會明顯下降，而鋰離子電池在3000次循環后仍能保持80%左右的原始容量。

·鋰離子電池的容量不受放電倍率的影響，而鉛酸電池在高放電倍率下的容量可低至額定容量的60%。

電池的容量必須考慮到移動網絡運營商的要求（例如，在電網中斷的情況下可提供3小時的供電）以及為aFRR提供服務的電量。Elisa估算，對于移動運營商來說，投資新的電池容量和DES系統本身的回報周期為三到五年。

Elisa在芬蘭擁有大約2000個蜂窩鐵塔站點，同時在城市地區的屋頂和室內也部署有小基站。假設每個站點每月的平均aFRR收入為215歐元，那么2000個蜂窩鐵塔站點一年的總收入將在500萬歐元左右。與Elisa 2022年21億歐元的集團營業額相比，這一數字相對較小。然而，這似乎是一項明智的投資，回報期為3-5 年。如果Elisa能夠說服其他電信公司效仿，他們就可以通過向大型運營商（擁有成千上萬個基站）銷售其DES解決方案，然后由這些大型運營商在其網絡中實施該解決方案，從而獲得更大的收益。

監管機構可能會引導移動運營商部署更多電池

英國電信監管機構Ofcom最近發起了一項關于通信提供商網絡和服務彈性的咨詢，其中包括呼吁為移動網絡提供備用電源。

Ofcom的事故報告顯示，在2020年至2022年期間，英國固定和移動網絡報告的事故中有25%是由電力相關問題引起的。

Ofcom指出，目前，移動RAN的電池備份量因移動運營商而異，具體體現在備份的蜂窩基站比例和供電持續時間方面。一些移動網絡運營商擁有少量可提供數小時或數天備用電源（由柴油發電機供電）的蜂窩基站，通常是位于偏遠地區的站點。還有些運營商在所有站點都配備有限的備用電源（由電池供電），但僅能維持短短10分鐘。10分鐘的時間看似不多，但英國電力監管機構Ofgem的數據顯示，大多數停電時間都在3分鐘以下。

Ofcom指出，在固定寬帶市場，在安裝新的FTTP機柜時，通常會配備支持4小時供電的備用電池。然而，那些比較老舊的機柜（特別是那些支持DSL等傳統技術的機柜）通常沒有電池。

Ofcom似乎不太可能強制要求移動運營商在其蜂窩基站安裝電池，并指出，在英國所有RAN站點（在電池備份可能可行的地方）安裝一小時的電池備用電源，可能會花費9億至18億英鎊。然而，Ofcom確實建議核心站點應該配備支持至少5天的備用電源。核心網站點包括移動分組核心、IMS/語音平臺、用戶身份驗證數據庫、策略控制功能、DNS解析器和內容緩存。

核心網站點消耗移動網絡約15%的能源，其中大部分（80%）由RAN消耗，其余（5%）由傳輸消耗。然而，維持5天的備用電源（相對于蜂窩基站的1小時）意味著核心網備用電源需要的容量是分布式RAN備用電源容量的20倍以上。考慮到成本，這可能會通過柴油發電機而不是電池來實現。然而，通過Elisa的DES方案，通過電池供電是可以實現的。

Ofcom指出，挪威和芬蘭的電信監管機構NKOM和Traficom分別出臺了具體的電源備份法規。

·NKOM要求在人口稠密地區需要有支持2小時供電的備用電源，在人口稀少地區則需要有支持4小時供電的備用電源。

·Traficom要求在人口稠密地區需要有支持4小時以上供電的備用電源，在人口稀少地區則需要有支持6小時以上供電的備用電源。

此外，Ofcom指出，澳大利亞政府的“Mobile Network Hardening Program”已經在全國農村和偏遠地區的首批467個基站安裝配備了支持12小時供電的電力備份容量。同時，將該計劃擴展到更多地點的進一步融資正在進行當中。

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