中國儲能網(wǎng)訊：評估用于調(diào)峰服務(wù)的電池儲能系統(tǒng)成本競爭力
如果忽略運營備用服務(wù)，用于調(diào)峰的電池儲能系統(tǒng)將會獲得兩個價值來源（或收入）：容量價值和能量時移價值。
容量價值是指與提供儲能容量相關(guān)的貨幣價值。這種在需要時提供可用容量能力是該價值的關(guān)鍵組成部分，因為它決定了提供與傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)施相同的電力服務(wù)所需的持續(xù)放電時間。在美國大部分地區(qū)，對于容量需求是由各州和市場監(jiān)管機構(gòu)以及當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運營商共同確定的。
2018年，美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會發(fā)布了第841號命令，其中包括要求該委員會管轄下的所有獨立系統(tǒng)運營商和區(qū)域輸電組織滿足以下的持續(xù)放電時間要求，如表3所示。
表3.美國各區(qū)域市場部署的儲能系統(tǒng)的持續(xù)放電時間要求
根據(jù)表3可以看出，除了電網(wǎng)運營商PJM公司的服務(wù)區(qū)域之外，其他地區(qū)的持續(xù)放電時間的要求都是4小時或更短時間。然而，一些地區(qū)對持續(xù)放電時間的要求也存在一些分歧，而持續(xù)放電時間的要求對于儲能系統(tǒng)成本競爭力有著顯著影響。
表3中的持續(xù)放電時間要求用于規(guī)劃目的以及容量市場。因此，持續(xù)放電時間4小時的電池儲能系統(tǒng)需要以與傳統(tǒng)天然氣發(fā)電設(shè)施相同的成本來提供容量服務(wù)。圖7顯示了儲能系統(tǒng)容量的總價值和邊際價值，假設(shè)需要4小時持續(xù)放電時間，容量付款為90美元/kW.年。
圖7.儲能系統(tǒng)提供容量價值，假設(shè)需要4小時的持續(xù)放電時間和90美元/kW.年的容量付款
在圖7中值得注意的是，作為持續(xù)放電時間函數(shù)的容量值只增加到電網(wǎng)運營商或監(jiān)管機構(gòu)要求的持續(xù)放電時間。在這一示例中，對于這個特定服務(wù)，持續(xù)放電時為6小時的電池儲能系統(tǒng)并不會比持續(xù)放電時為4小時的電池儲能系統(tǒng)獲得更多價值或收入。該圖還表明，在容量充足的地方，儲能系統(tǒng)提供的額外容量價值可能非常低。因此，在需求增加時，電池儲能系統(tǒng)或其他峰值容量來源在短期內(nèi)不一定具有成本競爭力。
除了容量價值之外，圖8顯示了使用了在兩個區(qū)域批發(fā)市場部署的儲能系統(tǒng)能量時移的年度價值的2019年數(shù)據(jù)。雖然其價值由于所在位置和輸電限制等因素有著很大差異，但作為持續(xù)放電時間函數(shù)的價值的總體趨勢是相似的。該圖表明，儲能系統(tǒng)在第一小時的價值最高，因為在市場中套利最大。隨著價差的減小，這種增量值迅速下降，在超過大約10小時的容量之后接近零。
圖8 使用能源市場價值的能量時移總價值和邊際價值示例
圖7和圖8中的價值組成部分的組合可用于估算總值，如圖9(a)所示。在這個例子中，大部分收入來自容量價值而不是能量時移，如圖中灰線所示，它代表來自容量總價值的一部分（假設(shè)需要4小時持續(xù)放電時間才能獲得90美元/kW-年的容量付款）。此外，一旦滿足持續(xù)放電時間的要求，能量時移的價值在超過4小時的增量非常小。這種組合推動儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性能作為持續(xù)時間的函數(shù)，如圖9(b)所示，就其B/C比作為持續(xù)放電時間的函數(shù)而言，使用了圖3中所示的鋰離子電池儲能系統(tǒng)的成本曲線。
圖9.使用圖3中的電池儲能系統(tǒng)成本來假設(shè)持續(xù)放電時間要求為4小時，提供峰值容量的電池儲能系統(tǒng)總價值和邊際價值以及B/C比率示例
在這一示例中，B/C比率僅在持續(xù)放電時間4小時的點上增加，在該點的邊際收益將下降，因為與容量相關(guān)的值降至零（如圖7所示）。而超過4小時附加的時長增量值僅等于能量時移增量值（圖8）。因此，一旦滿足提供特定市場服務(wù)的設(shè)備的最短持續(xù)放電時間，額外持續(xù)時間的回報將會迅速遞減，這表明隨著儲能部署用于各種應(yīng)用程序的過渡點。在此示例中使用圖3中的2020年成本估算值，并在沒有額外激勵或價值來源的情況下，最大B/C比率低于1。但是，使用2024年的成本估計值，在沒有任何額外激勵措施的情況下，B/C比率大于1。
這個簡化的例子通常與參考文獻一致，參考文獻發(fā)現(xiàn)與儲能容量相關(guān)的價值與能量時移相關(guān)價值相比更高。然而這個結(jié)果取決于市場結(jié)構(gòu)。在實際應(yīng)用中，應(yīng)該考慮到不斷變化的發(fā)電組合、對新容量的實際需求，以及限制峰值需求期間更高價格的市場規(guī)則，而確定長期的容量價值和能量時移價值（用于適當(dāng)比較儲能系統(tǒng)與替代方案）非常復(fù)雜。實際估計能量時移的價值（以及其他潛在的好處，如電網(wǎng)擁塞管理）需要按時間順序模擬來確定不同發(fā)電資源的運行方式，這些模擬通常可以揭示與傳統(tǒng)發(fā)電資源相比的額外價值，這些可以導(dǎo)致儲能系統(tǒng)具有更高的整體價值。
無論采用何種方法，電池儲能系統(tǒng)提供峰值容量的成本競爭力都有明顯的提高（即使沒有與這些市場飽和之前與運營備用相關(guān)的額外價值）。這種成本競爭力通過在與可再生能源發(fā)電設(shè)施混合部署獲得潛在機會。混合部署的主要優(yōu)勢（主要是與太陽能發(fā)電設(shè)施配套部署）可以利用聯(lián)邦投資稅收抵免。其額外的好處可以與降低的成本相關(guān)聯(lián)，其中包括選址、許可和共享組件方面?？傮w來說，儲能部署的吸引力體現(xiàn)在擬議混合部署儲能項目不斷增長的隊列中，并且這些擬議項目中的很大一部分包括持續(xù)放電時間4小時的儲能系統(tǒng)，這反映了當(dāng)前市場對于持續(xù)放電時間要求帶來的影響。
第二階段的限制：能源和容量價值下降，以及可再生能源部署的影響
由于調(diào)峰容量的市場規(guī)模大于運行備用的需求，第二階段儲能部署的潛力比第一階段大得多。美國約有261GW的專用調(diào)峰容量，預(yù)計未來幾十年將有數(shù)百吉瓦的傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)施退役，其中包括大量的峰值發(fā)電設(shè)施。一些峰值發(fā)電設(shè)施退役是由政策驅(qū)動的，例如影響空氣質(zhì)量和違反冷卻水法規(guī)，還有一些峰值發(fā)電設(shè)施退役是由于老化或工作壽命到期。然而，由于作為能源和容量價值的下降，部署的持續(xù)放電時間為6小時或時間更短的電池儲能系統(tǒng)只能滿足調(diào)峰容量的一小部分。隨著電力需求的增長，峰值期將變得更長，已經(jīng)部署的儲能系統(tǒng)可能無法滿足增長的峰值需求。與此同時，額外部署的儲能系統(tǒng)減少了峰值需求期間和非峰值需求期間價格之間差異，從而減少了套利/時移收益。
圖10在模擬場景中說明了這一概念，其中加利福尼亞州部署了充足的持續(xù)放電時間為4小時儲能系統(tǒng)，以滿足每年約8%的峰值需求。在本例中，儲能系統(tǒng)將峰值需求期間擴展到約6小時，這意味著持續(xù)放電時間為4小時的儲能系統(tǒng)只能滿足三分之二的峰值期需求期間的容量。這種部署還將顯著降低儲能系統(tǒng)的能量時移價值。
圖10.增加持續(xù)放電時間為4小時儲能系統(tǒng)的部署對凈負載的模擬影響
第二階段的限制基于隨著儲能部署而下降的能量時移和容量價值。然而，與太陽能發(fā)電設(shè)施(PV)混合部署的協(xié)同效應(yīng)可能會顯著增加第二階段儲能部署。太陽能發(fā)電設(shè)施可以通過改變能源需求的形態(tài)來增加儲能系統(tǒng)能量時移和容量價值。
圖11說明了太陽能發(fā)電設(shè)施如何縮小凈負載峰值。該示例從2013年峰值期間加利福尼亞州的正常負荷中減去模擬的太陽能發(fā)電量。這種協(xié)同作用不需要將太陽能發(fā)電設(shè)施或儲能設(shè)備共址部署在一起，因為其影響是整個系統(tǒng)的。然而共址部署也有一些好處，最顯著的是儲能系統(tǒng)可以獲得與聯(lián)邦投資稅收抵免相關(guān)財政激勵，以及共享的基礎(chǔ)設(shè)施和硬件的成本降低。因此，第二階段的大部分部署主要與太陽能+儲能混合部署項目相關(guān)。
圖11.加利福尼亞州高峰需求當(dāng)天負載形狀的變化（2013年的數(shù)據(jù)）
圖12說明了太陽能發(fā)電設(shè)施部署如何增加4～6小時的儲能系統(tǒng)裝機容量來抵消容量要求，并顯著擴展第二階段。在當(dāng)前的太陽能發(fā)電量的水平下，在美國部署裝機容量約為40GW持續(xù)放電時間為4～6小時儲能系統(tǒng)時，擴大的峰值需求期間將開始顯著降低額外儲能系統(tǒng)滿足峰值需求的能力。然而，當(dāng)太陽能發(fā)電設(shè)施提供約20%至25%的電力時，第二階段儲能部署的裝機容量將具有增加到100GW部署潛力。
圖12.第二階段的潛在機會：美國部署持續(xù)放電時間為4～6小時電池儲能系統(tǒng)的潛力
