IRENA（國際可再生能源署）發(fā)布了《Electricity Storage Evaluation Framework: Assessing system value and ensuring project viability》。本文是報告第III部分全球8種儲能應(yīng)用案例的第6部分：節(jié)約調(diào)峰電廠投資。
英文原文鏈接：
https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020
1. 挑戰(zhàn)：保障發(fā)電充裕性
為了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，發(fā)電必須時刻與用電相等。為了做到這一點，電網(wǎng)運營商必須制定計劃并調(diào)度發(fā)電廠來滿足短期內(nèi)的需求。此外，還必須保證足夠的中長期發(fā)電容量，來滿足預(yù)測的高峰負(fù)荷和一定的裕量要求[1]。VRE比例較低的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，由于傳統(tǒng)的發(fā)電主要是蒸汽發(fā)電的，最直接的辦法是購買足夠滿足未來需求的容量。熱力發(fā)電機(jī)組有一個清晰定義的可靠容量[2]，這個容量是基于事故停機(jī)率計算出來的。事故停機(jī)率是機(jī)組非計劃停機(jī)的概率。對于水力發(fā)電來說，因為能源的限制（蓄水不是無限的），估算這個可靠容量要更復(fù)雜一些。這時，每個電力系統(tǒng)就需要根據(jù)他們的一套成熟的方法來計算等價可靠容量。所以，在VRE比例低時，電網(wǎng)運營商可以比較容易地確定裝機(jī)容量是否足以保證可靠性水平。
然而，當(dāng)VRE比例提高時，問題產(chǎn)生了。VRE是變化的，這意味著VRE出力只是部分可預(yù)測的，導(dǎo)致很難估算這些資源的可靠容量。在高VRE比例下，保障電網(wǎng)的可靠性對于電網(wǎng)運營商來說非常具有挑戰(zhàn)性。一些文獻(xiàn)中提供了不同的估算VRE資源可靠容量的方法。其中一個最有名的是有效載荷容量（ELCC）方法，是由Garver（1966）首先提出的。簡而言之，這種方法是基于加入VRE之后會增加多少需求來達(dá)到電網(wǎng)沒有VRE時的可靠性水平來確定可靠容量的。這種方法被廣泛引用。然而，在具體應(yīng)用中卻沒有那么簡單。它需要一個迭代過程并且采用優(yōu)化技術(shù)和VRE發(fā)電的歷史數(shù)據(jù)。
因此，隨著VRE的引入，由于VRE的波動性和不確定性，計算保障電網(wǎng)合理可靠性水平所需的電網(wǎng)容量變得很有挑戰(zhàn)性。不準(zhǔn)確的容量估算會導(dǎo)致錯誤的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，進(jìn)一步，導(dǎo)致不必要的調(diào)峰電廠投資增長，也就是電網(wǎng)容量過剩。目前，雖然受很多其他因素影響，一些電網(wǎng)已經(jīng)產(chǎn)生了容量過剩（如意大利、西班牙和德國等）。容量過剩會導(dǎo)致發(fā)電廠的長期停機(jī)，從而無法收回投資。此外，容量過剩還會阻礙VRE應(yīng)用，因為電力系統(tǒng)不需要這些VRE資源供給（del Rio and Janeiro，2016）。
總之，必須好好規(guī)劃發(fā)電充裕性來避免不必要的、昂貴的調(diào)峰電廠投資來避免容量過剩。
2. 解決方案：容量機(jī)制vs稀缺價格
有一些解決方案可以保障市場化的發(fā)電充裕性，Battle和Rodilla將其主要分為兩類（2013）：a）單一能量市場，監(jiān)管方不參與；b）安全供應(yīng)機(jī)制，監(jiān)管方參與。
單一能量市場
單一能量市場解決方案認(rèn)定市場價格指標(biāo)足以保障發(fā)電充裕性。該方案設(shè)定，電力市場是充分競爭的，價格可以反映出電網(wǎng)何時需要新增發(fā)電容量。低電價通常意味著電網(wǎng)有足夠的發(fā)電容量，則在電力市場中新增發(fā)電容量是無法盈利的。然而，隨著需求增長和容量削減，電價升高并達(dá)到“稀缺價格”[3]。此時，價格很高，意味著需要新增發(fā)電容量且能夠回收投資成本。
然而，現(xiàn)實卻是，市場并不是完美的，等待“稀缺價格”并不是可行方案。此外，依賴稀缺性定價的電力系統(tǒng)通常允許監(jiān)管方某種程度的干預(yù)，因為監(jiān)管方是不會冒著電力系統(tǒng)可靠性的風(fēng)險來等待稀缺價格出現(xiàn)的。
單一能源市場的真實案例包括ERCOT（美國，Rexas）、NEM（澳大利亞）和AESO（加拿大，Alberta），雖然AESO計劃在2019年實施一種安全供應(yīng)機(jī)制。
安全供應(yīng)機(jī)制
安全供應(yīng)機(jī)制意味著監(jiān)管方需要進(jìn)行干預(yù)以保障發(fā)電充裕性。這些機(jī)制可以分為價格機(jī)制（也被叫做容量付費）和容量機(jī)制。
（1）價格機(jī)制為發(fā)電方設(shè)定了提供可靠容量的收入，但是他們并不明確需要的容量，因此監(jiān)管方無法為電網(wǎng)到底需要多少容量設(shè)定目標(biāo)。購買的容量可能比實際需要的容量高，也可能低。
（2）容量機(jī)制下，監(jiān)管方明確所需的容量來保障發(fā)電充裕性，允許市場進(jìn)行定價。這些機(jī)制可以分為三類：容量市場機(jī)制（如Guatemala、西澳大利亞）、可靠性產(chǎn)品延遲交付的長期競價機(jī)制（如巴西、新英格蘭ISO和PJM）和作為可靠性產(chǎn)品的戰(zhàn)略儲備機(jī)制（如新西蘭）。
在這兩種機(jī)制中，安全供應(yīng)機(jī)制看起來能更好地激勵儲能系統(tǒng)應(yīng)用。此外，在單一能源市場中，由于容量限制、電池衰減，儲能資源可能并不能產(chǎn)生足夠的收益。在市場中根據(jù)所需容量進(jìn)行付費可能會有更好的盈利能力。
因此，在這種情況下，監(jiān)管方需要進(jìn)行干預(yù)來保障發(fā)電充裕性[4]，這就需要對安全供應(yīng)機(jī)制進(jìn)行創(chuàng)新。這些機(jī)制如何激勵儲能的建設(shè)并確保減少調(diào)峰電廠容量，仍然需要進(jìn)一步研究。
3. 安全供應(yīng)機(jī)制下的儲能應(yīng)用
如上所述，監(jiān)管方采用安全供應(yīng)機(jī)制來購買足夠的容量并將電網(wǎng)保持在一定的可靠性水平上。但是，這些機(jī)制通常只包括熱力發(fā)電廠和水電廠。隨著VRE和新技術(shù)（如儲能系統(tǒng)）的引入，這些機(jī)制需要重新設(shè)計以允許新技術(shù)為系統(tǒng)的可靠性發(fā)揮作用，并避免不必要的調(diào)峰電廠投資。如果能夠很好的設(shè)計這些機(jī)制，儲能可能能夠消除調(diào)峰電廠的投資需求。
例如，在英國已經(jīng)實施的安全供應(yīng)機(jī)制允許儲能項目的參與。這項機(jī)制作為2013年電力市場改革的一部分，是一種對延遲交付可靠性產(chǎn)品的長期競價機(jī)制。這種機(jī)制有兩種競價方式：T4，提前4年進(jìn)行（容量在4年后才需要）；T1，提前1年進(jìn)行。批評意見認(rèn)為這實際上是獎勵與核電和燃煤電廠的交易，盡管核電和燃煤電廠的參與度每年都在下降。根據(jù)KPMG（2018）報告，儲能項目合約已經(jīng)從容量市場中獲得了獎勵。
來源：KPMG（2018）。
圖1 2018~2022年英國在容量市場競價成功的分布式容量
2017年，英國政府引入了基于放電時長的儲能減額系數(shù)[5]，這會導(dǎo)致2021~2022年儲能容量下降。減額系數(shù)反映了不同儲能方式對供應(yīng)安全的貢獻(xiàn)。相對于短時間儲能（比如1小時，對應(yīng)的減額系數(shù)是36.11%）（Everoze，2017），它鼓勵長時間儲能（4小時以上），相應(yīng)的減額系數(shù)是96.11%。由于采用先進(jìn)快速調(diào)頻服務(wù)競標(biāo)，導(dǎo)致英國市場短時儲能占據(jù)主導(dǎo)地位。這導(dǎo)致在最近的T4競價中500MW儲能容量獲得獎勵的部分沒能達(dá)到150MW。不得不提的是，2018年，歐盟法院裁決英國容量市場不合法，英國容量市場目前已經(jīng)不再運行（Cuff，2018）。但雙方目前正在運作重啟容量市場。
儲能可參與的潛在容量市場包括：
（1）美國。聯(lián)邦能源管理委員會（FERC）的最近一項條令允許儲能參與容量市場。它允許獨立電網(wǎng)運營商修改費率，建立能夠識別儲能物理和運行特性的規(guī)則（Walton，2018）。
（2）加拿大Alberta。2017年1月，Alberta政府決定與Alberta電力系統(tǒng)運營商（AESO）合作設(shè)計和實施容量市場。儲能可以參與該容量市場，盡管需要滿足以下條件：a）最小儲能規(guī)模是在1MW以上；b）儲能資產(chǎn)必須能夠連續(xù)放電4小時。此外，所有的發(fā)電和儲能資產(chǎn)必須提供它們的爬坡能力，這表明容量市場包含了靈活性要求。Alberta至今尚未在容量市場進(jìn)行競拍，但是2019年曾計劃實施一項在2021年實施的儲能容量（AESO，2018）。
（3）意大利。該容量機(jī)制也是一種基于容量的機(jī)制，在2018年1月被歐盟委員會批準(zhǔn)。Mastropietro等（2018）的文獻(xiàn)中提供了意大利容量機(jī)制的綜述。
4. 儲能可以節(jié)約調(diào)峰電廠投資
英國已經(jīng)通過容量機(jī)制建設(shè)儲能項目，但是意大利、Alberta等有類似機(jī)制的地方至今還未形成交易。本章節(jié)闡釋儲能建設(shè)對提供可靠容量的影響。
節(jié)約調(diào)峰電廠投資金已獲得廣泛研究，比如Massachusetts的荷電狀態(tài)報告（Cutomized EnergySolutions et al.，2016）。他們估計1766MW儲能會產(chǎn)生23億美元的收益，其中的10.93億美元與降低尖峰容量有關(guān)。這將延緩調(diào)峰電廠的資金投入，降低容量市場成本。作者還展示了有無儲能時的需求曲線形狀。
來源：Customized EnergySolutions et al.（2016）。
圖2 2020年Masachusetts州有無儲能時的需求曲線
更進(jìn)一步的案例是Strategen（2017）提供的一篇報告中提到的。該報告研究了在紐約市通過儲能替代調(diào)峰電廠的可行性。他們發(fā)現(xiàn)儲能是替代傳統(tǒng)燃?xì)庹{(diào)峰電廠的一個非常好的選項，可以在保證系統(tǒng)可靠性的同時降低污染物排放。他們提供了一種評估儲能經(jīng)濟(jì)性的方法，結(jié)果表明，相對于燃?xì)庹{(diào)峰電廠，在經(jīng)濟(jì)性上儲能正在變得越來越有競爭力。此外，他們提到在紐約獨立系統(tǒng)運營商（NYISO）市場設(shè)計下，儲能給系統(tǒng)帶來的效益并沒有得到補(bǔ)貼。如果這些效益是可以貨幣化的，也就是說，儲能系統(tǒng)能夠為他們帶來收益，那么建設(shè)更多的儲能是劃算的，有助于避免額外的調(diào)峰電廠建設(shè)投資。
電力儲能與光伏相結(jié)合可以有效替代調(diào)峰電廠。太陽能和儲能可以提供可靠容量，這將進(jìn)一步減少調(diào)峰電廠建設(shè)，增加節(jié)約能力。目前的一個實例是Florida電力照明公司準(zhǔn)備在2021年建設(shè)409MW/900MWh的儲能電池以替代兩個天然氣電廠。該儲能項目將成為全球最大的電池建設(shè)項目。該儲能電站會從Manatee縣在運的一個光伏發(fā)電場獲得充電。通過節(jié)約燃料費用，電池預(yù)計為消費者節(jié)約1億美元，避免1百萬噸二氧化碳排放（Geuss，2019）。這個案例表明了儲能和光伏結(jié)合后，是如何避免調(diào)峰電廠投資的。在該案例中，儲能最大化了光伏的可靠容量，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可調(diào)度的能源，可以更容易地參與安全供應(yīng)機(jī)制。同時，這也可以使光伏為主的系統(tǒng)效益最大化。因此，必須將光伏和儲能通過某種協(xié)同作為一種單一的來源進(jìn)行研究（Denholm and Margolis，2018）。
在本實例研究中，正如Stenclik 等人（2018）所述，必須考慮尖峰負(fù)荷減少的時長效應(yīng)。這種效應(yīng)意味著儲能的時長與本應(yīng)用有關(guān)。比如，在美國，因為電池儲能可以提供4小時以上的放電時間，所以被認(rèn)為是一種可靠容量來源。如果少量的儲能可以覆蓋一定的高風(fēng)險尖峰時段，這種假設(shè)是正確的。但是，當(dāng)儲能比例增加后，用于替代調(diào)峰電廠的4小時儲能的效用會降低，儲能時長必須增加。
來源：Stenclik et al.（2018）。
圖3 尖峰負(fù)荷降低的時長效應(yīng)
5. 結(jié)論（案例6：節(jié)約調(diào)峰電廠投資）
系統(tǒng)運營商必須保障電力系統(tǒng)的可靠容量來覆蓋所有時段的尖峰負(fù)荷需求。VRE的可靠容量無法簡單確定，其比例提高后，保證發(fā)電充裕度會很有挑戰(zhàn)性，并且可能導(dǎo)致電網(wǎng)的容量過剩。電力系統(tǒng)必須保證準(zhǔn)確的價格指標(biāo)或者實施安全供應(yīng)機(jī)制以獲取足夠的容量滿足尖峰負(fù)荷要求。
相對其他選項，安全供應(yīng)機(jī)制可能是對儲能的一種較好的選項，它可以為儲能提供額外的現(xiàn)金流。通過安全供應(yīng)機(jī)制應(yīng)用的儲能案例是英國的容量市場，其他國家或地區(qū)也在實施儲能可以參與的容量機(jī)制。
儲能可用來覆蓋尖峰負(fù)荷，避免調(diào)峰電廠投資。這已經(jīng)在紐約市、Massachusetts州、Florida州的項目案例研究中被證實了。Florida州計劃建設(shè)世界上最大的電池儲能項目。
6. 擴(kuò)展閱讀
在IRENA《創(chuàng)新圖景報告》中，電力儲能被認(rèn)為是可再生能源驅(qū)動的未來中一項關(guān)鍵技術(shù)，重新設(shè)計容量市場也是30個創(chuàng)新措施之一。更多信息參見：
IRENA（2019），“InnovationLandscape for a renewable powered future：Solutions tointegrate variable renewables”，InternationalRenewable Energy Agency，Abu Dhabi.
IRENA（2019），“InnovationLandscape Brief: Redesigning capacity markets”，InternationalRenewable Energy Agency，Abu Dhabi.
注釋：
[1]容量裕量一般按照尖峰負(fù)荷的一定比例確定，代表電網(wǎng)在尖峰負(fù)荷時段還需要多少額外的容量。
[2]可靠容量是指可用的發(fā)電或輸電資源容量，這些容量要保證在給定的時間是可用的。
[3]稀缺價格是運行備用市場和批發(fā)市場中非常高的價格，反映了系統(tǒng)的稀缺情況。通常，當(dāng)電力稀缺時，運行備用價格上升，然后能源價格上升，來反映備用容量的成本機(jī)會。稀缺價格應(yīng)能夠激勵新技術(shù)在合適的時間進(jìn)入市場，尤其是最需要容量的時候（Hogan，2013）。
[4]是否需要這種干預(yù)，或者單一能源市場是否是足夠有效的，尚存爭議。
[5]減額系數(shù)修正了給儲能項目的付費，來反映他們對安全供應(yīng)的貢獻(xiàn)。
原文來源：
IRENA,2020. Electricity Storage Evaluation Framework: Assessing system value and ensuring project viability.
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https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020
