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(shù)的進(jìn)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(chǔ)設(shè)施投資和運營的影響。其研究結(jié)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(dāng)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(jī)會，并提出了儲能系統(tǒng)的價值主張，這可能會促進(jìn)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(xì)結(jié)果。
儲能未來研究（SFS）項目將提供數(shù)據(jù)和分析結(jié)果為美國能源部倡導(dǎo)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(shù)，并致力保持美國在儲能領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)地位。儲能大挑戰(zhàn)采用了一個用例框架，以確保儲能技術(shù)能夠經(jīng)濟(jì)高效地滿足特定的需求，其中包含了多個類別的儲能技術(shù)：電化學(xué)、機(jī)械儲能、熱儲能、抽水蓄能、電力電子技術(shù)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(jī)容量約為23GW的抽水蓄能發(fā)電設(shè)施?？紤]到不斷發(fā)展的儲能技術(shù)和不斷變化市場條件，預(yù)計未來幾十年的儲能部署將采用多種儲能技術(shù)。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(yù)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(jī)構(gòu)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(zhǔn)備，并了解需要仔細(xì)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(jī)會，該報告使用了一個基于當(dāng)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(guān)鍵指標(biāo)與未來的部署機(jī)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(jī)容量為23GW抽水蓄能發(fā)電設(shè)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(wù)。抽水蓄能發(fā)電設(shè)施可以提供持續(xù)放電時間較長的多種電力服務(wù)，其服務(wù)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(dǎo)致美國在抽水蓄能發(fā)電設(shè)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(jìn)行新的建設(shè)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(shù)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(shè)持續(xù)放電時間8小時以上的抽水蓄能發(fā)電設(shè)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(yù)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(wù)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(wù)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(wù)和技術(shù)的發(fā)展進(jìn)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(fù)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(wù)的市場已經(jīng)飽和。可再生能源發(fā)電設(shè)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(shù)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(wù)。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(yīng)急備用和頻率響應(yīng)等服務(wù)，美國用于運行備用的儲能系統(tǒng)裝機(jī)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(yīng)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(shè)施（主要是天然氣發(fā)電設(shè)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(jī)會受到當(dāng)?shù)鼗騾^(qū)域峰值需求的時間的限制，其裝機(jī)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(shè)施的情況下，更多地部署太陽能發(fā)電設(shè)施可以將第二階段的儲能部署的潛力擴(kuò)大到裝機(jī)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(shù)得以改進(jìn)，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(shù)，其中也包括了現(xiàn)有的抽水蓄能發(fā)電設(shè)施。第三階段的儲能技術(shù)還包括下一代壓縮空氣和基于熱儲能或機(jī)械儲能的各種儲能技術(shù)。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(fēng)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(jī)容量100GW儲能系統(tǒng)或更多的潛在機(jī)會，以及在美國幾個地區(qū)將建設(shè)抽水蓄能發(fā)電設(shè)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(shè)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(kuò)大第三階段的儲能容量，使可再生能源發(fā)電設(shè)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(dá)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(lǐng)域的儲能技術(shù)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(shù)的特點通常是，擴(kuò)展裝機(jī)容量的成本很高，但擴(kuò)展持續(xù)放電時間相關(guān)的成本很低。因此，采用儲能容量等傳統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行衡量的用處不大，如果再加上燃料在非電力部門應(yīng)用的潛在用途，將第四階段的儲能技術(shù)與其他儲能技術(shù)進(jìn)行比較就更加困難。在美國，第四階段儲能技術(shù)潛在部署的裝機(jī)容量達(dá)到數(shù)百GW，這些儲能技術(shù)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(shù)演變，但更重要的是，它確定了利益相關(guān)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(guān)鍵要素。具體地說，對所需的各種電網(wǎng)服務(wù)（包括裝機(jī)容量和持續(xù)放電時間）進(jìn)行改進(jìn)，可以有助于更深入地了解各種儲能技術(shù)與非儲能資源（如響應(yīng)性需求）之間的權(quán)衡。這樣的特征將有助于確保部署的儲能技術(shù)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(jì)初，美國累計部署的儲能系統(tǒng)的裝機(jī)容量只占到電力系統(tǒng)發(fā)電設(shè)施總裝機(jī)容量的一小部分（不到3%）。但是隨著成本下降、新型儲能技術(shù)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(yán)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(jì)可行的服務(wù)。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(jì)高效的部署，其裝機(jī)容量可能高達(dá)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(chǔ)。然后，第4～7節(jié)描述了未來儲能部署的設(shè)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(yīng)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(yīng)服務(wù)來描述。而報告討了儲能技術(shù)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(jī)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(wù)，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(shè)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(shù)。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(shè)施部署的情況下將成為一種經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)。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(jī)構(gòu)，以及開發(fā)商可以更好地為這種部署做好準(zhǔn)備，并且能夠理解仔細(xì)分析以確保在成本效益方面達(dá)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(dāng)前可以盈利服務(wù)的儲能技術(shù)的巨大潛在機(jī)會，但實際部署的機(jī)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(shù)。
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(shè)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(shè)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(fù)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(shè)施（例如采用石油和天然氣的發(fā)電廠）。其他動機(jī)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(shè)燃?xì)獍l(fā)電廠的限制。抽水蓄能發(fā)電設(shè)施提供了一種增加基本負(fù)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(shè)施的建設(shè)和交付周期通常很長，這導(dǎo)致在上世紀(jì)90年代以來很少建設(shè)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(shù)部署情況（主要是1992年建成的一個壓縮空氣儲能設(shè)施）。
圖1.美國1950年-2010年累計的儲能部署的裝機(jī)容量
在上世紀(jì)90年代之后，美國很少建設(shè)抽水蓄能發(fā)電設(shè)施，這主要是有多種因素，其中包括更具成本效益的燃?xì)廨啓C(jī)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(dǎo)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(shè)施繼續(xù)提供固定容量、能源時移和運行備用等電力服務(wù)，預(yù)計在可預(yù)見的未來仍將繼續(xù)提供這些服務(wù)，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(shè)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(shè)施提供服務(wù)的一種補(bǔ)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(yīng)時間。而與第三階段相關(guān)的內(nèi)容將會討論新一代抽水蓄能發(fā)電設(shè)施的部署。（未完待續(xù)，嚴(yán)禁轉(zhuǎn)載）
