4、第一階段：短時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)以提供運(yùn)營(yíng)備用
在上世紀(jì)80年代之后，美國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)進(jìn)入一個(gè)低潮期，而到了本世紀(jì)初，美國(guó)市場(chǎng)才重新燃起對(duì)儲(chǔ)能部署興趣。而儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入批發(fā)市場(chǎng)提供運(yùn)營(yíng)備用服務(wù)，為其提供了一個(gè)直接競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)會(huì)，并展示了與提供這些服務(wù)的傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)施相比的潛在價(jià)值。
盡管運(yùn)營(yíng)備用由眾多服務(wù)和產(chǎn)品組成，但它們都代表了發(fā)電商或電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商增加電力產(chǎn)量或減少電力產(chǎn)量的能力。這些備用服務(wù)是根據(jù)不同時(shí)間尺度上供需的隨機(jī)變化而提供的。不同的運(yùn)營(yíng)備用服務(wù)之間的區(qū)別有三個(gè)因素：
?多少反映了儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率，這是以裝機(jī)容量（MW）來(lái)衡量的。
?多快反映了所需的響應(yīng)速度，是儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)備用事件的響應(yīng)所需時(shí)間（h）衡量的。
?多長(zhǎng)是必須保持電力輸出的持續(xù)時(shí)間有多長(zhǎng)，對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用儲(chǔ)能容量（MWh）來(lái)衡量的。
這三個(gè)因素在運(yùn)營(yíng)備用的應(yīng)用如圖4所示，該圖顯示了提供運(yùn)營(yíng)備用服務(wù)的電力輸出低于最大輸出，并且能夠根據(jù)其運(yùn)行極限提供一些備用容量。
圖4 運(yùn)營(yíng)備用服務(wù)的三個(gè)特征
盡管特定的運(yùn)營(yíng)備用服務(wù)由于地區(qū)不同而有不同的名稱，但在這里重點(diǎn)介紹兩大類產(chǎn)品，它們存在于美國(guó)所有地區(qū)和市場(chǎng)，并且價(jià)值較高：
?應(yīng)急備用服務(wù)用于快速應(yīng)對(duì)大型發(fā)電廠或相關(guān)輸電線路發(fā)生故障而導(dǎo)致的容量損失。
?調(diào)峰備用服務(wù)用于解決電力供應(yīng)或需求中較小的隨機(jī)變化。
總之，任何儲(chǔ)能資產(chǎn)能夠提供的電力服務(wù)取決于其裝機(jī)容量和運(yùn)行狀態(tài)，這意味著它必須保持足夠的能量來(lái)響應(yīng)備用事件。
每個(gè)區(qū)域的市場(chǎng)還建立了發(fā)電商和電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商參與運(yùn)營(yíng)儲(chǔ)備供應(yīng)所需的響應(yīng)率規(guī)則。例如，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商可能要求發(fā)電設(shè)施或儲(chǔ)能系統(tǒng)在10分鐘內(nèi)增加產(chǎn)量，以提供應(yīng)急備用服務(wù)。
這個(gè)規(guī)則還規(guī)定了必須保持增加電力輸出的時(shí)間長(zhǎng)度，通常在15～30分鐘范圍內(nèi)。例如，應(yīng)急備用市場(chǎng)可能需要提供這種服務(wù)的發(fā)電設(shè)施或儲(chǔ)能系統(tǒng)至少保持30分鐘的電力輸出。對(duì)于能夠提供這種服務(wù)的裝機(jī)容量為1MW儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它需要具有30分鐘的持續(xù)放電時(shí)或0.5MWh儲(chǔ)能容量。
第一階段的儲(chǔ)能服務(wù)價(jià)值
歷史的市場(chǎng)價(jià)值可用于估算提供各種服務(wù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的近似價(jià)值。運(yùn)營(yíng)備用服務(wù)的價(jià)格通常以1小時(shí)內(nèi)可用的儲(chǔ)能容量單位（MWh）來(lái)衡量，它代表一段時(shí)間內(nèi)可用于響應(yīng)的儲(chǔ)能容量。提供應(yīng)急備用服務(wù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)即使不需要提供電力，也會(huì)為此獲得費(fèi)用。更簡(jiǎn)單地說(shuō)，儲(chǔ)能系統(tǒng)只需做好響應(yīng)準(zhǔn)備，然后在接到通知時(shí)做出響應(yīng)，就可以獲得收入。2019年，應(yīng)急備用服務(wù)的平均市場(chǎng)價(jià)格為3美元/MWh至27美元/MWh，加權(quán)平均值約為11美元/MWh。提供應(yīng)急備用服務(wù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)基本上是在充電狀態(tài)下“閑置”的，并等待響應(yīng)。當(dāng)被調(diào)用時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)將一直放電到事件結(jié)束，然后盡快充電，以便恢復(fù)到充電狀態(tài)，并再次準(zhǔn)備提供應(yīng)急備用服務(wù)。
估算調(diào)峰備用服務(wù)的價(jià)值更為復(fù)雜。與很少使用的應(yīng)急備用不同，提供調(diào)峰備用需要根據(jù)需求的隨機(jī)微小變化相當(dāng)頻繁地提供電力。提供調(diào)峰備用服務(wù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)將更加頻繁地充放電，但它會(huì)根據(jù)電網(wǎng)需求不斷增加和減少電力輸出。這種頻繁的充放電會(huì)導(dǎo)致電池提早退化，并產(chǎn)生額外的成本。然而，調(diào)峰備用服務(wù)的價(jià)格通常高于應(yīng)急備用的價(jià)格；2019年美國(guó)的平均調(diào)峰備用價(jià)格范圍為6美元/MWh到32美元/MWh，而加權(quán)平均價(jià)格約為15美元/MWh。
在任何一種情況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)都可以在接近100%的時(shí)間內(nèi)提供運(yùn)行備用服務(wù)。即使成本下降之前，這種幾乎可以在100%的時(shí)間提供的服務(wù)為儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了一個(gè)具有成本效益的切入點(diǎn)。
提供這些服務(wù)的一個(gè)關(guān)鍵方面是，一旦滿足最短的持續(xù)放電時(shí)間要求（“多長(zhǎng)時(shí)間”），持續(xù)放電時(shí)間更長(zhǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)就不會(huì)獲得額外價(jià)值。
圖5(a)顯示了在亞利桑那州公共服務(wù)公司的電價(jià)6.26美元/ kW-月（75美元/ kW-年）情況下，提供運(yùn)營(yíng)備用服務(wù)和30分鐘持續(xù)放電時(shí)間要求的儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)值的具體示例。一個(gè)持續(xù)放電時(shí)間為10分鐘的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的裝機(jī)容量需要減額到三分之一，以提供30分鐘的電力服務(wù)，因此這個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)每年將獲得大約25美元/千瓦（100%可用性）收入。這個(gè)曲線上的每個(gè)點(diǎn)顯示10分鐘儲(chǔ)能系統(tǒng)增量的值。其總值隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)持續(xù)放電時(shí)間的增加而增加，直到持續(xù)放電時(shí)間達(dá)到30分鐘，此時(shí)為該服務(wù)添加額外持續(xù)放電時(shí)間的值為零。
(a)假設(shè)電價(jià)為75美元/千瓦年，儲(chǔ)能系統(tǒng)的總價(jià)值和邊際價(jià)值示例
(b)假設(shè)90%的電池可用性和鋰離子電池成本估算的總收益成本和邊際收益成本(B/C)比率示例
圖5 提供運(yùn)行備用服務(wù)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)值示例
圖5（b）顯示了提供這一服務(wù)的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的總收益成本和邊際收益成本(B/C)之間的比率，假設(shè)在圖3中的2020年電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本估算和儲(chǔ)能系統(tǒng)90%的可用性的條件下。從圖中可以看出，由于初始成本較高，持續(xù)放電時(shí)間為10分鐘儲(chǔ)能系統(tǒng)的B/C比率小于1。然而，增加第二個(gè)10分鐘的B/C比率要高得多，因?yàn)樗紤]了額外能量的增量收益。而增加的第三個(gè)10分鐘的持續(xù)放電時(shí)間（總共30分鐘）可以最大化項(xiàng)目的B/C比率。如果為這個(gè)儲(chǔ)能項(xiàng)目再增加10分鐘的時(shí)間（總共40分鐘），即使邊際B/C比率為零，整個(gè)項(xiàng)目的B/C比率仍將大于1。因此，部署持續(xù)放電時(shí)間為40分鐘的儲(chǔ)能項(xiàng)目似乎是一項(xiàng)合理的投資。但是，將持續(xù)放電時(shí)間從30分鐘增加到40分鐘，實(shí)際上會(huì)降低儲(chǔ)能項(xiàng)目的整體回報(bào)，并不是一個(gè)最佳投資，這也反映在30分鐘之后的零邊際價(jià)值曲線中。邊際價(jià)值的這種變化就是將邊際成本和收益作為持續(xù)放電時(shí)間的函數(shù)進(jìn)行比較至關(guān)重要的原因。
儲(chǔ)能系統(tǒng)提供具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的運(yùn)行各用的能力促使美國(guó)大量部署持續(xù)放電時(shí)間為1小時(shí)或更短的時(shí)間的儲(chǔ)能系統(tǒng)（見(jiàn)表2）。
表2. 2011-2019年持續(xù)放電為1小時(shí)或更短的公用事業(yè)規(guī)模（>0.5MW）儲(chǔ)能部署情況
表2中的儲(chǔ)能系統(tǒng)包括部署的裝機(jī)容量為656MW的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、47MW的飛輪儲(chǔ)能設(shè)施和18MW的其他電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。
第一階段儲(chǔ)能部署的限制：總體要求
第一階段受限于美國(guó)電力系統(tǒng)所需的高價(jià)值運(yùn)營(yíng)備用服務(wù)的總量，如圖6所示。調(diào)峰備用的需求由凈負(fù)荷的變化大小所驅(qū)動(dòng)，應(yīng)急備用的需求是由輸電線路故障的規(guī)模所驅(qū)動(dòng)。這兩項(xiàng)服務(wù)在美國(guó)的總需求量約為18GW；相比之下，美國(guó)峰值需求超過(guò)600GW。這意味著這些市場(chǎng)有可能迅速飽和。
除了現(xiàn)有的運(yùn)營(yíng)備用市場(chǎng)之外，現(xiàn)有頻率響應(yīng)要求的貨幣化可能會(huì)增加第一階段的儲(chǔ)能部署規(guī)模。頻率響應(yīng)是發(fā)電設(shè)施快速自動(dòng)響應(yīng)頻率變化的能力，通常由裝有調(diào)速器的發(fā)電設(shè)施提供。這是目前僅在德克薩斯州電力可靠性委員會(huì)(ERCOT):地區(qū)提供的市場(chǎng)服務(wù)，但美國(guó)其他地區(qū)對(duì)頻率響應(yīng)市場(chǎng)的興趣正在增長(zhǎng)。而估算頻率響應(yīng)的潛在價(jià)值是困難的；鑒于頻率響應(yīng)需要更高的響應(yīng)率，調(diào)峰備用的市場(chǎng)價(jià)格可能是一個(gè)合理的下限。然而，與其他儲(chǔ)能系統(tǒng)提供的服務(wù)一樣，調(diào)峰備用潛在市場(chǎng)總量有限，美國(guó)的頻率響應(yīng)市場(chǎng)的需求約為8.2GW?？傮w而言，這將導(dǎo)致用于運(yùn)營(yíng)備用的短時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署低于26GW（如圖6所示），第一階段儲(chǔ)能部署的經(jīng)濟(jì)機(jī)會(huì)可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這一水平。
圖6.美國(guó)電網(wǎng)對(duì)第一階段儲(chǔ)能系統(tǒng)可能提供的運(yùn)行備用服務(wù)的當(dāng)前要求
5、第二階段： 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力需求峰值期間應(yīng)用的興起
隨著第一階段的運(yùn)營(yíng)備用市場(chǎng)飽和以及電池價(jià)格下降創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)，美國(guó)一些地區(qū)過(guò)渡到第二階段：部署持續(xù)約2～6小時(shí)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)以提供峰值容量。峰值容量用于滿足炎熱夏季或某些地區(qū)極寒時(shí)期短期峰值需求。調(diào)峰容量通常由循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃發(fā)電機(jī)提供的。然而，電池成本的持續(xù)下降提高了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)力。美國(guó)一些州已經(jīng)進(jìn)入第二階段，并開(kāi)始部署電池儲(chǔ)能系統(tǒng)替代峰值發(fā)電廠。
在第一階段，由于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量的限制，通常只部署提供單一服務(wù)的短時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)。而主要旨在提供運(yùn)行備用服務(wù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)很難提供額外電力服務(wù)。
而用于調(diào)峰的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通常提供多種電力服務(wù)，其中包括提供運(yùn)行備用和能源時(shí)移等服務(wù)。這樣的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以同時(shí)提供容量和能量轉(zhuǎn)移服務(wù)，因?yàn)殡娏r(jià)格最高的時(shí)期與峰值需求期間高度相關(guān)（電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在此期間放電）。而電力低價(jià)時(shí)期也是低需求時(shí)期（電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在此期間充電），因此當(dāng)有大量備用容量可用于停電風(fēng)險(xiǎn)較低時(shí)。因此，容量和能量時(shí)移這兩項(xiàng)服務(wù)可以堆疊。
除了容量和能量轉(zhuǎn)移之外，持續(xù)放電時(shí)間更長(zhǎng)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以提供運(yùn)行備用服務(wù)。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在充電時(shí)，只要充電達(dá)到足以滿足備用時(shí)長(zhǎng)要求，并已預(yù)留足夠的能量來(lái)滿足其容量服務(wù)，就可以提供運(yùn)行備用服務(wù)。它還可以在充電和放電之間的“空閑”期間提供這樣的服務(wù)。
因此，第一階段和第二階段中的儲(chǔ)能系統(tǒng)可能會(huì)有相當(dāng)大重疊，因?yàn)榈诙A段部署的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)還提供運(yùn)營(yíng)備用服務(wù)以增加收入。在成本足夠低的情況下，一些地區(qū)可能會(huì)通過(guò)使用持續(xù)放電時(shí)間為2小時(shí)到6小時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)提供能源、容量和運(yùn)行備用服務(wù)，從而在很大程度上跳過(guò)第一階段。
因此，而峰值容量的價(jià)值是過(guò)渡到第二階段的主要驅(qū)動(dòng)力，盡管提供備用服務(wù)作為輔助應(yīng)用可能會(huì)產(chǎn)生一些額外價(jià)值。
