中國儲能網(wǎng)訊：本報告由美國國家可再生能源實驗室（NREL）撰寫，該實驗室由美國能源部（DOE）委托美國可持續(xù)能源聯(lián)盟運營，美國能源部能源效率和可再生能源辦公室為其提供資助。
前言
本報告是美國國家可再生能源實驗室（NREL）發(fā)布的“儲能未來研究（SFS）”系列報告之一。儲能未來研究（SFS）是一個持續(xù)多年的研究項目，主要探索儲能系統(tǒng)在美國電力行業(yè)發(fā)展和運營中發(fā)揮的作用和影響。該項目旨在研究儲能技術的進步對于部署公用事業(yè)規(guī)模儲能系統(tǒng)和分布式儲能系統(tǒng)的潛在影響，以及對未來電力系統(tǒng)基礎設施投資和運營的影響。其研究結果和數(shù)據(jù)將通過一系列出版物對外發(fā)表。下面表格列出將在儲能未來研究（SFS）項目的計劃和研究主題。
本報告是儲能未來研究（SFS）系列的第一份報告，通過基于當前和未來的儲能部署的四個階段的概念框架，探討了具有成本競爭力的新型儲能系統(tǒng)在市場中的角色和機會，并提出了儲能系統(tǒng)的價值主張，這可能會促進更具成本效益的儲能部署。該概念框架為其后續(xù)報告的審議提供了更廣泛的背景，其中包括電力系統(tǒng)的演變情景及其運行影響的建模，以及分析的詳細結果。
儲能未來研究（SFS）項目將提供數(shù)據(jù)和分析結果為美國能源部倡導的儲能大挑戰(zhàn)提供支持。這是一個全面的計劃，致力加快開發(fā)、利用、商業(yè)化運營下一代儲能技術，并致力保持美國在儲能領域的全球領導地位。儲能大挑戰(zhàn)采用了一個用例框架，以確保儲能技術能夠經(jīng)濟高效地滿足特定的需求，其中包含了多個類別的儲能技術：電化學、機械儲能、熱儲能、抽水蓄能、電力電子技術等。
儲能未來研究（SFS）項目的計劃和研究主題
摘要
美國的電力系統(tǒng)迄今為止擁有并運營了裝機容量約為23GW的抽水蓄能發(fā)電設施?？紤]到不斷發(fā)展的儲能技術和不斷變化市場條件，預計未來幾十年的儲能部署將采用多種儲能技術。成本的下降增加了儲能系統(tǒng)在美國電力系統(tǒng)中的重要性。這項研究利用對最近儲能部署趨勢、預測和分析的深入了解提供了一個框架，描述了儲能系統(tǒng)的價值主張，為美國公共事業(yè)部門和監(jiān)管機構提供幫助，并促使開發(fā)商能夠更好地為儲能系統(tǒng)發(fā)揮的作用做好準備，并了解需要仔細分析以確保成本最優(yōu)的儲能部署。
為了探索具有成本競爭力的儲能系統(tǒng)發(fā)揮的作用和面臨的市場機會，該報告使用了一個基于當前和未來潛在儲能部署四個階段的概念框架（見表1）。這四個階段從較短持續(xù)放電時間過渡到較長持續(xù)放電時間的儲能系統(tǒng)，考慮了成本和價值如何隨著持續(xù)放電時間的增長而發(fā)生變化，并將儲能系統(tǒng)持續(xù)放電時間的關鍵指標與未來的部署機會聯(lián)系起來。
表1 儲能部署的四個階段摘要
在美國，總裝機容量為23GW抽水蓄能發(fā)電設施主要是在1990年之前建造的，其目的是提供峰值容量和能量時移等電力服務。抽水蓄能發(fā)電設施可以提供持續(xù)放電時間較長的多種電力服務，其服務跨越了四個階段的框架，并且其用途也在不斷發(fā)展，以滿足不斷變化的電網(wǎng)需求。然而，多種因素導致美國在抽水蓄能發(fā)電設施的開發(fā)方面停頓了幾十年，美國從1990年到2011年幾乎沒有進行新的建設和部署。
不斷變化的市場條件（例如電力批發(fā)市場和新技術的引入）表明自從2011年以來的美國儲能部署可能會走上一條不同道路，
與建設持續(xù)放電時間8小時以上的抽水蓄能發(fā)電設施不同，美國近年來部署的儲能系統(tǒng)基本上都是持續(xù)放電時間較短的儲能系統(tǒng)，預計新的儲能部署將會出現(xiàn)持續(xù)放電時間不斷增長的發(fā)展趨勢。
這一調(diào)查報告在四個階段框架中描述了這一發(fā)展趨勢，這一框架描述了儲能系統(tǒng)的成本和價值是如何隨著持續(xù)放電時間的增長而變化的。而儲能系統(tǒng)的持續(xù)放電時間增長（或儲能容量的增加）都會增加更多的成本。相比之下，大多數(shù)電網(wǎng)服務的價值不一定會隨著儲能資產(chǎn)的增加而增加。
如果持續(xù)放電時間是固定的，儲能系統(tǒng)的價值可能不會增加，或者即使增加也可能快速遞減。在美國目前的電力市場上，許多電網(wǎng)服務的價值可以通過分散的、并且持續(xù)放電時間相對較短的的儲能系統(tǒng)來實現(xiàn)（例如，大多數(shù)儲能系統(tǒng)的持續(xù)放電時間少于1小時）。而隨著持續(xù)放電時間的延長，儲能成本也在不斷增加，其特點是儲能系統(tǒng)的持續(xù)放電時間的增長與特定的服務和技術的發(fā)展進步保持一致。
這項研究工作中采用的四個階段的概念框架簡化了儲能行業(yè)和電力系統(tǒng)更復雜的演變過程，同時提出了四個不同的階段，而各階段之間的界限可能有些模糊，因為各階段之間的過渡將在不同地區(qū)不同時間發(fā)生，并且一些特定服務的市場已經(jīng)飽和?？稍偕茉窗l(fā)電設施在各地區(qū)的部署以及混合部署對于各個階段的過渡和市場規(guī)模產(chǎn)生很大影響。
第一階段始于2011年左右，其特點是美國市場主要部署1小時或更短時間的儲能系統(tǒng)，這是由于出現(xiàn)了新技術并重組市場，允許以具有成本競爭力的方式提供運行備用服務。在第一階段，短時儲能系統(tǒng)的部署受到運行備用市場總體要求限制，包括調(diào)節(jié)備用、應急備用和頻率響應等服務，美國用于運行備用的儲能系統(tǒng)裝機容量將低于30GW。
第二階段的特點是部署持續(xù)放電時間2～6小時的儲能系統(tǒng)用于提供峰值容量。第二階段已經(jīng)在美國一些地區(qū)開始出現(xiàn)，鋰離子電池儲能系統(tǒng)在這一階段變得具有成本競爭力。隨著電池價格的持續(xù)下跌，電池儲能系統(tǒng)有望在更多應用場景中具有成本競爭力。這些儲能資產(chǎn)的大部分價值來自于對傳統(tǒng)峰值發(fā)電設施（主要是天然氣發(fā)電設施）的替代，但它們也從能源時移/能源套利中獲取價值。第二階段的潛在機會受到當?shù)鼗騾^(qū)域峰值需求的時間的限制，其裝機容量約為40GW。然而，峰值需求期間將會受到可再生能源發(fā)電量的主要影響，特別是太陽能發(fā)電量，這將會縮短峰值需求期間。第二階段的特點之一是太陽能發(fā)電增加了儲能系統(tǒng)的價值（提高了儲能容量），而反過來，儲能系統(tǒng)也增加了太陽能發(fā)電的價值（通過將其電力轉(zhuǎn)移到需求更高的峰值期間來增加價值）。因此，在美國25%電力來自太陽能發(fā)電設施的情況下，更多地部署太陽能發(fā)電設施可以將第二階段的儲能部署的潛力擴大到裝機容量為100GW以上。
第三階段的區(qū)別較小，但其特點是成本更低和技術得以改進，使儲能系統(tǒng)在滿足更長時間（4～12小時）同時具有成本競爭力。這可能是由于在第二階段大量部署了持續(xù)放電時間為2～6小時的儲能系統(tǒng)。第三階段的儲能部署包括各種儲能新技術，其中也包括了現(xiàn)有的抽水蓄能發(fā)電設施。第三階段的儲能技術還包括下一代壓縮空氣和基于熱儲能或機械儲能的各種儲能技術。此外，這一階段的儲能系統(tǒng)可能提供額外的價值來源，例如太陽能發(fā)電和風能發(fā)電的能量轉(zhuǎn)移，以解決電力供需不匹配的問題。此項研究報告指出，美國在第三階段將具有部署裝機容量100GW儲能系統(tǒng)或更多的潛在機會，以及在美國幾個地區(qū)將建設抽水蓄能發(fā)電設施。值得注意的是，第二階段和第一階段的儲能部署可能是混合部署，其中包括一些獨立部署的儲能系統(tǒng)，但大部分儲能系統(tǒng)是與可再生能源發(fā)電設施配套部署的，而這些儲能系統(tǒng)可以獲得稅收抵免。與第二階段一樣，額外增加的可再生能源發(fā)電（特別是太陽能發(fā)電量）可以擴大第三階段的儲能容量，使可再生能源發(fā)電設施的發(fā)電量超過50%。
第四階段是最不確定的階段。它描述了一個可能的未來發(fā)展情景。在未來的電力市場，持續(xù)放電時間長達幾天到幾個月的儲能系統(tǒng)將被用來在電力部門存儲更多的可再生能源電力，或作為多個行業(yè)部門脫碳的一部分。這一領域的儲能技術包括壓縮空氣儲能系統(tǒng)，可以將能量儲存在大型地下洞穴或地層中，儲存的時間極長，損失更低。這種低損耗的儲能系統(tǒng)允許季節(jié)性的能源轉(zhuǎn)移，并為工業(yè)過程和原料生產(chǎn)提供充足電力。第四階段儲能技術的特點通常是，擴展裝機容量的成本很高，但擴展持續(xù)放電時間相關的成本很低。因此，采用儲能容量等傳統(tǒng)指標進行衡量的用處不大，如果再加上燃料在非電力部門應用的潛在用途，將第四階段的儲能技術與其他儲能技術進行比較就更加困難。在美國，第四階段儲能技術潛在部署的裝機容量達到數(shù)百GW，這些儲能技術可能解決更長時間的電力需求。
報告中的四個階段框架旨在描述具有成本競爭力的儲能技術演變，但更重要的是，它確定了利益相關者評估儲能系統(tǒng)和其他靈活性來源的替代途徑所需的關鍵要素。具體地說，對所需的各種電網(wǎng)服務（包括裝機容量和持續(xù)放電時間）進行改進，可以有助于更深入地了解各種儲能技術與非儲能資源（如響應性需求）之間的權衡。這樣的特征將有助于確保部署的儲能技術組合有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運營，這將最終提高電力系統(tǒng)需要的儲能容量和靈活性。
1、簡介
在本世紀初，美國累計部署的儲能系統(tǒng)的裝機容量只占到電力系統(tǒng)發(fā)電設施總裝機容量的一小部分（不到3%）。但是隨著成本下降、新型儲能技術的涌現(xiàn)，以及可變可再生能源（VRE）發(fā)電量的增長，人們對大規(guī)模部署儲能的潛力越來越感興趣。
在競爭激烈、監(jiān)管嚴格的能源行業(yè)中，儲能系統(tǒng)必須提供符合電力系統(tǒng)需求的經(jīng)濟可行的服務。這個報告中描述了儲能系統(tǒng)的價值主張，該價值主張可以實現(xiàn)經(jīng)濟高效的部署，其裝機容量可能高達數(shù)百GW，并將促使美國電網(wǎng)發(fā)生重大變化。本報告第2節(jié)和第3節(jié)從估值、成本和收益方面為近期和未來的儲能部署奠定了基礎。然后，第4～7節(jié)描述了未來儲能部署的設想，其中包括以下四個階段：
?第1階段：提供運行備用的短時儲能系統(tǒng)（第4節(jié)）
?第2階段：電池儲能系統(tǒng)在電力需求峰值期間應用的興起（第5節(jié)）
?第3階段：低成本儲能系統(tǒng)的時代（第6節(jié)）
?第4階段：多日儲能到季節(jié)性儲能（第7節(jié)）
雖然這份調(diào)查報告呈現(xiàn)了四個不同的階段，但每個階段之間的邊界有些模糊。每個階段都以儲能系統(tǒng)的持續(xù)放電時間和提供的相應服務來描述。而報告討了儲能技術和市場需求，包括對每個階段的潛在部署估計，以及隨著短時儲能市場機會飽和與儲能成本下降的過渡點可能出現(xiàn)的情況。還展示了每個階段（特別是第二階段到第四階段）的規(guī)模如何受到可再生能源發(fā)電量的主要影響。
在這四個階段中的第一個階段，即部署短時儲能系統(tǒng)（持續(xù)放電時間為1小時以下）以提供運行備用服務，實際上已經(jīng)部署了近10年時間。第二階段，美國一些地方最近開始部署電池儲能系統(tǒng)作為調(diào)峰設施，其持續(xù)放電時間為2～6小時。第三階段是向成本較低、持續(xù)放電時間較長的儲能系統(tǒng)過渡，這可能包括商業(yè)開發(fā)各個階段的一系列儲能技術。第四階段是持續(xù)放電時間非常長的儲能系統(tǒng)（12小時以上），在極端的大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電設施部署的情況下將成為一種經(jīng)濟可行的技術。此次調(diào)查目的是考慮美國儲能部署具有的巨大潛力，以便公用事業(yè)公司、監(jiān)管機構，以及開發(fā)商可以更好地為這種部署做好準備，并且能夠理解仔細分析以確保在成本效益方面達到最優(yōu)部署的必要性。這項工作還考慮了儲能系統(tǒng)的角色隨著電網(wǎng)發(fā)展發(fā)生的變化，以及儲能系統(tǒng)作為容量資源的重要性。
雖然此次調(diào)查發(fā)現(xiàn)了基于當前可以盈利服務的儲能技術的巨大潛在機會，但實際部署的機會非常不確定，特別是對于后期階段（主要是第三階段和第四階段），這可能需要采用具有不確定成本和性能的新技術。
2、2010年之前的儲能部署
在重組電力市場（始于2000年）之前，美國已經(jīng)部署了23GW以上儲能系統(tǒng)，其中絕大部分是抽水蓄能發(fā)電設施。在垂直整合公用事業(yè)公司的最低成本規(guī)劃下，這些抽水蓄能發(fā)電設施主要是作為傳統(tǒng)化石燃料峰值容量的替代方案而建造的，為了解決核電站和燃煤發(fā)電廠提供基本負荷電力帶來的問題，同時也是為了減少使用日益昂貴的傳統(tǒng)調(diào)峰設施（例如采用石油和天然氣的發(fā)電廠）。其他動機包括美國1978年發(fā)布的《發(fā)電廠和工業(yè)燃料使用法規(guī)》對建設燃氣發(fā)電廠的限制。抽水蓄能發(fā)電設施提供了一種增加基本負荷資源靈活性的方法，能夠滿足峰值期間的電力需求，從而抵消了對成本更高的石油和天然氣發(fā)電能力的需求。
抽水蓄能發(fā)電設施的建設和交付周期通常很長，這導致在上世紀90年代以來很少建設此類項目。圖1顯示了截至2010年這些抽水蓄能電站的累積部署情況，以及其他儲能技術部署情況（主要是1992年建成的一個壓縮空氣儲能設施）。
圖1.美國1950年-2010年累計的儲能部署的裝機容量
在上世紀90年代之后，美國很少建設抽水蓄能發(fā)電設施，這主要是有多種因素，其中包括更具成本效益的燃氣輪機的出現(xiàn)、1978年《發(fā)電廠和工業(yè)燃料使用法規(guī)》的廢除以及天然氣成本的降低，這些因素導致天然氣發(fā)電廠在1990年到2010年得以迅速發(fā)展，以提供峰值容量。
美國現(xiàn)有的抽水蓄能發(fā)電設施繼續(xù)提供固定容量、能源時移和運行備用等電力服務，預計在可預見的未來仍將繼續(xù)提供這些服務，并隨著電網(wǎng)的發(fā)展而調(diào)整其角色，例如增加對可再生能源發(fā)電設施或電網(wǎng)黑啟動能力的集成使用。因此，在這個調(diào)查報告中四個階段框架中部署新的儲能系統(tǒng)是對現(xiàn)有抽水蓄能發(fā)電設施提供服務的一種補充。此外，美國有可能升級和改造現(xiàn)有的抽水蓄能電站，并將提高效率和響應時間。而與第三階段相關的內(nèi)容將會討論新一代抽水蓄能發(fā)電設施的部署。（未完待續(xù)，嚴禁轉(zhuǎn)載）
