电信运营商如何利用基站电池降低能源成本？ - 通信人家园

可再生能源的间歇性需要电网中额外的存储容量。锂离子电池可以满足这种日益增长的需求。随着社会越来越依赖移动通信，监管机构可能会要求运营商在蜂窝基站部署电池存储，以防电网中断。如果运营商使用蜂窝基站电池在夜间（电力价格便宜时）储存电力，并在白天（电力价格昂贵时）释放电力，那么蜂窝基站电池就可以收回成本。运营商通过为电网提供频率恢复服务还可以创造收入。芬兰电信运营商Elisa开发了一种将蜂窝基站电池存储变现的系统，并估测锂离子储能的投资回收期在三到五年之间。

欧盟可再生资源发电的比例从2010年的20%左右上升到2022年的40%以上。欧盟的目标是到2030年达到近70%，到2050年达到80%。虽然这有利于减少温室气体排放，但随着可再生能源发电比例的上升，间歇性的挑战也在增加。晚上没有阳光，而且也会常常出现好几天没有风的情况。在这些可再生能源供应较低的时期，电网运营商将如何弥补缺口呢？

一种解决方案是让其他发电厂做好填补空缺准备。核电站最适合基本负荷，因为它们无法轻易开启和关闭。燃气轮机可以很快投入使用，然而，这会产生温室气体排放。更环保的解决方案是在供过于求（强烈的阳光和风）的时候储存风能和太阳能，并在电力匮乏时释放出来。

能量存储有多种选择，包括压缩空气、抽水蓄能以及水解等。后者需要利用能量将水分子中的氢和氧分离，然后在燃料电池中（或通过燃烧）重新组合这些分子以释放能量。锂离子电池目前并不是最便宜的储能选择，但随着它们变得越来越普遍，其成本正在下降。锂离子电池现在被用于电动汽车、笔记本电脑和智能手机当中。根据《Our World in Data》，锂离子电池的价格从1991年的7523美元/千瓦时到2018年下降至181美元/千瓦时。根据彭博新能源财经报道，2023年，其价格降至139美元/千瓦时。

根据美国能源部的全球储能数据库资料显示，大多数（超过70%）的大型（1MW以上）电池储能项目是基于锂离子电池的。其他化学物质电池（每种化学物质的项目份额都不到10%）包括钠硫电池和铅酸电池。

许多移动运营商在其网络周围分布有电池为其基站提供备用电源。下一代移动网络（NGMN）联盟最近发布的网络能效白皮书指出，移动运营商正在其RAN和核心网中部署更多的备用电池容量。在电力供应可靠的市场，NGMN估测大多数RAN站点的电池容量在15到30分钟之间。如果需要的话，关闭某些频段可以延长电池使用时间。

Omdia实践负责人James Crawshaw表示，继汽车行业之后，电信行业是世界上最大的电池用户之一，与公用事业和能源行业并列。眼下的许多电池都是铅酸电池，根据Yudhistira等人的研究，铅酸电池没有锂离子电池环保。因此，许多移动运营商正逐渐用锂离子电池取代铅酸电池。

芬兰电信运营商Elisa是在网络中较早采用锂离子电池的公司，并发现锂离子电池具备双重功能：作为电网断电时的备用电源，以及作为储存多余电能并在需要时将其释放回电网的方式。这有助于电网运营商处理可再生能源的间歇性问题，并降低电信公司的能源成本。

Elisa打造了一种所谓的分布式能源存储（Distributed Energy Storage,DES）解决方案，利用备用电池的部分容量从电网吸收多余的电力，并在需要时（负荷转移）将其释放回电网。这对电网运营商有利，也能够帮助电信运营商创收，因为在产能过剩时期购买的电力比在高需求时期卖回电网的电力要便宜得多。

然而，根据Elisa的分析，移动运营商更大的经济潜力可能将来自参与自动频率恢复储备（aFRR）市场。电网中的交流电必须保持恒定的频率（世界大部分地区为50赫兹，美洲为60赫兹）。偏差大于1%可能会损坏电气设备和电网基础设施。

电网运营商有多种机制将频率保持在这个严格的范围内。首先，连接到电网的旋转电机具有惯性，可以在数秒内抵抗频率的降低。如果电网频率持续下降，则会启动二次响应或自动频率恢复储备（aFRR）以恢复正常频率。aFRR服务通常由水力发电厂和抽水蓄能设施（可在几秒钟内开始发电）或可在几分钟内联机的燃气轮机提供。考虑到抽水蓄能设施的可用性有限以及燃气轮机的温室气体排放，许多市场的监管机构正在考虑将电池储能系统作为一种潜在的频率恢复手段。

经过2022年夏季对200个蜂窝基站进行试验后，Elisa的分布式储能解决方案获得了芬兰传输系统运营商（Fingrid）的技术资格预审验收，可参与aFRR市场。Elisa还于2023年12月获得认证，可为干扰频率控制储备（FCR-D）提供服务，这需要比aFRR更快、更精确的控制行动。

·顶层规划器（top-level planner）：使用不同电力平衡市场的供需数据进行模拟，并确定在任何给定时间分配多少容量用于负载转移或电网平衡（aFFR）。

·中间层（middle layer）：负责监督电力流动和基站电力设备的状况，以确保资产的最佳利用，包括电池的使用寿命。

·控制器（controller）：选择应该调整哪些特定单元（例如，关闭某些频段）以响应负载转移计划的变化或电网运营商的平衡需求。

根据Elisa的估测（见图1），在芬兰的200个蜂窝基站（约占其覆盖范围的10%）部署DES解决方案，每月可从aFRR中产生3万至6万欧元的收入，并且节省了负载转移，这为该运营商带来了额外的好处。每月4.3万欧元的平均收入大约是Elisa目前在这200个蜂窝基站的电力支出的一半。

要想充分利用Elisa的DES解决方案，移动运营商必须在其蜂窝基站部署充足的锂离子电池。铅酸电池不仅对环境不友好，而且不太可能被电网运营商批准用于aFRR服务。以下这些因素使锂离子比铅酸更适合：

·锂离子电池在几乎整个放电循环中都能提供恒定的功率，而铅酸电池的功率随着电荷耗尽而明显耗散。

·铅酸电池可以经过1500次左右的充放电循环，之后其容量会明显下降，而锂离子电池在3000次循环后仍能保持80%左右的原始容量。

电池的容量必须考虑到移动网络运营商的要求（例如，在电网中断的情况下可提供3小时的供电）以及为aFRR提供服务的电量。Elisa估算，对于移动运营商来说，投资新的电池容量和DES系统本身的回报周期为三到五年。

Elisa在芬兰拥有大约2000个蜂窝铁塔站点，同时在城市地区的屋顶和室内也部署有小基站。假设每个站点每月的平均aFRR收入为215欧元，那么2000个蜂窝铁塔站点一年的总收入将在500万欧元左右。与Elisa 2022年21亿欧元的集团营业额相比，这一数字相对较小。然而，这似乎是一项明智的投资，回报期为3-5 年。如果Elisa能够说服其他电信公司效仿，他们就可以通过向大型运营商（拥有成千上万个基站）销售其DES解决方案，然后由这些大型运营商在其网络中实施该解决方案，从而获得更大的收益。

英国电信监管机构Ofcom最近发起了一项关于通信提供商网络和服务弹性的咨询，其中包括呼吁为移动网络提供备用电源。

Ofcom的事故报告显示，在2020年至2022年期间，英国固定和移动网络报告的事故中有25%是由电力相关问题引起的。

Ofcom指出，目前，移动RAN的电池备份量因移动运营商而异，具体体现在备份的蜂窝基站比例和供电持续时间方面。一些移动网络运营商拥有少量可提供数小时或数天备用电源（由柴油发电机供电）的蜂窝基站，通常是位于偏远地区的站点。还有些运营商在所有站点都配备有限的备用电源（由电池供电），但仅能维持短短10分钟。10分钟的时间看似不多，但英国电力监管机构Ofgem的数据显示，大多数停电时间都在3分钟以下。

Ofcom指出，在固定宽带市场，在安装新的FTTP机柜时，通常会配备支持4小时供电的备用电池。然而，那些比较老旧的机柜（特别是那些支持DSL等传统技术的机柜）通常没有电池。

Ofcom似乎不太可能强制要求移动运营商在其蜂窝基站安装电池，并指出，在英国所有RAN站点（在电池备份可能可行的地方）安装一小时的电池备用电源，可能会花费9亿至18亿英镑。然而，Ofcom确实建议核心站点应该配备支持至少5天的备用电源。核心网站点包括移动分组核心、IMS/语音平台、用户身份验证数据库、策略控制功能、DNS解析器和内容缓存。

核心网站点消耗移动网络约15%的能源，其中大部分（80%）由RAN消耗，其余（5%）由传输消耗。然而，维持5天的备用电源（相对于蜂窝基站的1小时）意味着核心网备用电源需要的容量是分布式RAN备用电源容量的20倍以上。考虑到成本，这可能会通过柴油发电机而不是电池来实现。然而，通过Elisa的DES方案，通过电池供电是可以实现的。

·NKOM要求在人口稠密地区需要有支持2小时供电的备用电源，在人口稀少地区则需要有支持4小时供电的备用电源。

·Traficom要求在人口稠密地区需要有支持4小时以上供电的备用电源，在人口稀少地区则需要有支持6小时以上供电的备用电源。

此外，Ofcom指出，澳大利亚政府的“Mobile Network Hardening Program”已经在全国农村和偏远地区的首批467个基站安装配备了支持12小时供电的电力备份容量。同时，将该计划扩展到更多地点的进一步融资正在进行当中。