中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：前言
美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）日前發(fā)布了儲(chǔ)能未來研究(SFS) 的一份名為“廣泛的儲(chǔ)能部署對(duì)電網(wǎng)運(yùn)營的影響”報(bào)告。儲(chǔ)能未來研究(SFS)是該實(shí)驗(yàn)室一項(xiàng)歷經(jīng)多年的研究項(xiàng)目，旨在探索儲(chǔ)能系統(tǒng)在美國電力行業(yè)發(fā)展和運(yùn)營中的作用和影響。儲(chǔ)能未來研究(SFS)旨在研究儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步對(duì)部署公用事業(yè)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)和分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的潛在影響，以及對(duì)未來電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施投資和運(yùn)營的影響。
這份報(bào)告使用美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)模型中的成本驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景作為起點(diǎn)，研究電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)營影響以及與可再生能源發(fā)電之間的關(guān)系。為此使用商業(yè)生產(chǎn)成本建模軟件PLEXOS，來評(píng)估到2050年美國累計(jì)部署210GW～930GW儲(chǔ)能系統(tǒng)的五個(gè)場(chǎng)景的每小時(shí)運(yùn)行情況。研究發(fā)現(xiàn)，從現(xiàn)在到2050年，儲(chǔ)能系統(tǒng)將在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用——通過存儲(chǔ)最低邊際成本的電力（通常是太陽能發(fā)電設(shè)施或風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的過量發(fā)電），并在每天的最高凈負(fù)荷期間發(fā)電。部署和運(yùn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)有助于整合可變可再生能源，并通過提供重要資源來提供持續(xù)可靠的電力。
儲(chǔ)能未來研究(SFS)系列提供的數(shù)據(jù)和分析以支持美國能源部發(fā)起的“儲(chǔ)能大挑戰(zhàn)”，這是一項(xiàng)旨在加速下一代儲(chǔ)能技術(shù)的開發(fā)、商業(yè)化和利用，并保持美國在儲(chǔ)能領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)地位的綜合計(jì)劃。儲(chǔ)能大挑戰(zhàn)采用用例框架來確保儲(chǔ)能技術(shù)能夠經(jīng)濟(jì)高效地滿足特定需求，它融合了多個(gè)類別的廣泛技術(shù)：電化學(xué)、機(jī)電、熱儲(chǔ)能、發(fā)電、建筑和電力電子。
儲(chǔ)能未來研究(SFS)一系列報(bào)告由美國能源部(DOE)旗下的美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室撰寫。該研究報(bào)告獲得美國能源部能源效率和可再生能源辦公室的贊助，并采用美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算資源進(jìn)行。而文章中表達(dá)的觀點(diǎn)不一定代表美國能源部的觀點(diǎn)。
摘要
由于成本的快速下降和儲(chǔ)能系統(tǒng)的巨大潛在價(jià)值，人們可以在未來看到電網(wǎng)上部署的裝機(jī)容量高達(dá)數(shù)百吉瓦的儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能未來研究(SFS)報(bào)告旨在探索儲(chǔ)能系統(tǒng)在美國不斷發(fā)展的電力部門中的潛在作用和影響。
該評(píng)估建立在之前發(fā)布的儲(chǔ)能未來研究(SFS)報(bào)告的基礎(chǔ)上，其中美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）在其公開可用的區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)模型中添加了新功能。研究表明，到2050年底，美國部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)的裝機(jī)容量有可能超過125GW，即使按照最保守的估計(jì)，這也將達(dá)到美國目前累計(jì)部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量的五倍多。
這一分析通過詳細(xì)的生產(chǎn)成本建模進(jìn)入到區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)儲(chǔ)能部署率較高的場(chǎng)景，以觀察每小時(shí)、每日和每年的運(yùn)營以及相關(guān)儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)值。總體而言，這一場(chǎng)景的電力系統(tǒng)方案成功運(yùn)行，表明到2050年底無需擔(dān)心電網(wǎng)的負(fù)載平衡。成功的負(fù)載平衡表明在以前的工作中對(duì)區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)的各種改進(jìn)在設(shè)想這些未來場(chǎng)景方面是有效的。
研究表明，儲(chǔ)能系統(tǒng)與太陽能發(fā)電設(shè)施的可用性高度一致，太陽能發(fā)電設(shè)施具有可預(yù)測(cè)的發(fā)電周期，這與儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電和放電的需求非常吻合。另一方面，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電周期并不穩(wěn)定，并且經(jīng)常長時(shí)間的過度發(fā)電，可能持續(xù)數(shù)小時(shí)或數(shù)天，這比在這里研究的儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間要長得多。盡管儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在利用太陽能發(fā)電設(shè)施和風(fēng)力發(fā)電方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，但與太陽能發(fā)電設(shè)施的協(xié)同作用更加一致。電網(wǎng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)與可再生能源發(fā)電設(shè)施配套部署和運(yùn)營，可以有效地提供能源時(shí)移和降低峰值負(fù)載服務(wù)。盡管儲(chǔ)能系統(tǒng)的年容量系數(shù)較低，這在本質(zhì)上受到其充電需求的限制，但具有非常高的利用率，這表明儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)資源充足性的巨大貢獻(xiàn)。
最后，報(bào)告還發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)提高了多種電力資產(chǎn)的效率。例如，在研究的未來的電網(wǎng)場(chǎng)景中，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過利用風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電等可再生能源的過度發(fā)電來取代燃煤發(fā)電和天然氣發(fā)電設(shè)施，從而減少電力系統(tǒng)的碳排放量。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以減少化石燃料發(fā)電設(shè)施的污染物的排放，這可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦慕】祹聿焕绊?，特別是那些生活在化石燃料發(fā)電設(shè)施附近的居民。儲(chǔ)能系統(tǒng)也會(huì)改進(jìn)和穩(wěn)定電網(wǎng)的運(yùn)行，提高了某些輸電線路的利用率，同時(shí)減少了在電力線路的擁塞。儲(chǔ)能系統(tǒng)如何通過增加或減少使用量來影響附近的輸電取決于當(dāng)?shù)貤l件，研究還發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)通常會(huì)提高輸電資產(chǎn)的利用率。這些發(fā)現(xiàn)表明，在同時(shí)部署和運(yùn)營能源資產(chǎn)時(shí)，進(jìn)一步分析應(yīng)考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)和輸電線路的獨(dú)特交互。
總的來說，儲(chǔ)能未來研究的分析結(jié)果表明，長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)在未來電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用的機(jī)會(huì)越來越大。該分析表明，通過減少過度發(fā)電、減少化石燃料發(fā)電設(shè)施運(yùn)營和排放，以及提高輸電系統(tǒng)的利用率，部署更多的長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提高運(yùn)營效率。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)在最高凈負(fù)載時(shí)間提供容量方面發(fā)揮著重要作用。儲(chǔ)能未來研究還研究長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用，特別是在高度脫碳的電網(wǎng)條件下，例如接近100%清潔能源的電網(wǎng)條件下。
1.導(dǎo)言
在成本下降和完成可再生能源目標(biāo)的推動(dòng)下，太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的部署在全球范圍內(nèi)不斷增加。與此同時(shí)，電池成本的下降導(dǎo)致能源開發(fā)商對(duì)部署儲(chǔ)能系統(tǒng)以提供電網(wǎng)服務(wù)的興趣日益濃厚，其中包括能源轉(zhuǎn)移和調(diào)峰服務(wù)。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的儲(chǔ)能未來研究評(píng)估了到2050年的儲(chǔ)能部署途徑，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)將成為大容量電力系統(tǒng)的重要貢獻(xiàn)者，到2050年美國累計(jì)部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量容量將達(dá)到132GW。這種儲(chǔ)能部署主要由能源價(jià)值（能源轉(zhuǎn)移）和容量價(jià)值（在電力系統(tǒng)需要時(shí)提供電力）的組合驅(qū)動(dòng)。
當(dāng)部署電力系統(tǒng)上時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提供許多好處，其中包括能量轉(zhuǎn)移、減少化石燃料發(fā)電設(shè)施的運(yùn)營、提供輔助服務(wù)、促進(jìn)系統(tǒng)資源充足性，以及可能推遲輸電線路或其他電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)。在提供能源轉(zhuǎn)移的過程中，作為凈能源消費(fèi)者的儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠以較低的價(jià)格存儲(chǔ)可用的能源，以便在電力價(jià)格較高時(shí)釋放。隨著電力系統(tǒng)中的零邊際成本可再生能源的份額持續(xù)增長，儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)主要用途是在可再生能源發(fā)電設(shè)施過度發(fā)電期間存儲(chǔ)電力，另一個(gè)好處是使用存儲(chǔ)的電力來避免或減少啟動(dòng)成本高昂的化石燃料發(fā)電設(shè)施。儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以提供輔助服務(wù)或作為備用電源，為電力系統(tǒng)提供可靠的電力來源。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過在電力系統(tǒng)需要時(shí)放電來滿足峰值需求。
最后，儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以提供其他一些難以量化的好處，例如避免或推遲輸電系統(tǒng)或配電系統(tǒng)的升級(jí)，特別是在傳統(tǒng)發(fā)電資源可能難以選址建設(shè)的地區(qū)。
大多數(shù)電力系統(tǒng)模型只能同時(shí)代表這些潛在利益中的一小部分，因?yàn)檫@些利益在規(guī)模和時(shí)間上分布廣泛。在考慮未來投資時(shí)，電力系統(tǒng)規(guī)劃或容量擴(kuò)展模型會(huì)盡可能地考慮這些不同的價(jià)值流以抵消前期成本。但是，規(guī)劃模型通常無法考慮詳細(xì)的運(yùn)行參數(shù)或完全獲得儲(chǔ)能系統(tǒng)（或其他資產(chǎn)）可能提供的所有服務(wù)。運(yùn)行分析通常需要使用具有不同目標(biāo)函數(shù)和時(shí)間的多個(gè)模型。例如，生產(chǎn)成本建模就是這樣一種工具，可以提供對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的詳細(xì)洞察，包括可能看起來與當(dāng)今電力系統(tǒng)大不相同的未來的電力系統(tǒng)。例如，在某些儲(chǔ)能系統(tǒng)未來研究場(chǎng)景中，儲(chǔ)能部署達(dá)到數(shù)百吉瓦，而截至2021年美國累計(jì)部署了23GW的儲(chǔ)能系統(tǒng)，但絕大多數(shù)來自抽水蓄能發(fā)電設(shè)施。那么儲(chǔ)能密集型電力系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)是什么樣子，與現(xiàn)在有何不同？不同類型的儲(chǔ)能系統(tǒng)將如何相互交互？這些操作如何隨季節(jié)、場(chǎng)景和儲(chǔ)能配置而變化？
為了回答這些問題，這項(xiàng)工作評(píng)估了區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)模型確定的場(chǎng)景的詳細(xì)操作，以使用商業(yè)生產(chǎn)成本模型軟件PLEXOS以每小時(shí)為基礎(chǔ)來明確實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能部署率較高的場(chǎng)景的操作。該研究使用一系列場(chǎng)景來評(píng)估儲(chǔ)能系統(tǒng)在每日、季節(jié)性和年度基礎(chǔ)上可能扮演的角色，以及該角色如何隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置和系統(tǒng)資源組合而變化。（注：PLEXOS是采用基于數(shù)學(xué)原理的優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)的經(jīng)濟(jì)型優(yōu)化軟件。PLEXOS提供最新的可視化功能、數(shù)據(jù)處理和分布式計(jì)算方法，可以為電力、水和天然氣提供強(qiáng)大的高性能仿真系統(tǒng)。）
2.方法和數(shù)據(jù)
儲(chǔ)能系統(tǒng)未來研究的主要目標(biāo)是檢查未來電力路徑，這些路徑可以看到美國大量而持續(xù)地部署儲(chǔ)能系統(tǒng)。了解大規(guī)模輸電和發(fā)電系統(tǒng)如何隨著儲(chǔ)能部署而發(fā)展是這項(xiàng)研究的核心。該建模的目的是識(shí)別和評(píng)估各種儲(chǔ)能部署路徑的成本和收益?？紤]到電力系統(tǒng)的復(fù)雜性，這不能采用單一模型的大系統(tǒng)模型來實(shí)現(xiàn)。為此，研究采用了“確定成本最低的投資路徑”和“詳細(xì)模擬預(yù)計(jì)未來系統(tǒng)的操作”兩個(gè)主要系統(tǒng)模型，并將它們結(jié)合起來。
在分析的第一步中，使用區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)來確定在技術(shù)成本和性能的各種演變下輸電和發(fā)電資產(chǎn)的最低成本投資集。區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)用于長期的電力系統(tǒng)規(guī)劃工作，因?yàn)樗C合了電力部門變革和投資的許多不同限制和驅(qū)動(dòng)因素，其中包括技術(shù)和燃料價(jià)格、政策和法規(guī)、技術(shù)性能限制、燃料供應(yīng)限制、以及負(fù)載形狀和總需求的變化，以確定投資路徑。第二步，是使用PLEXOS來模擬從目前到2050年（在給定場(chǎng)景下）預(yù)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的每小時(shí)的時(shí)間尺度來運(yùn)行。PLEXOS的結(jié)果可用于評(píng)估未來預(yù)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的供需沒有遇到任何重大挑戰(zhàn)。
2.1分析中的五個(gè)關(guān)鍵場(chǎng)景
該分析基于美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)容量擴(kuò)展模型生成的場(chǎng)景，該模型代表美國電力系統(tǒng)在134個(gè)地區(qū)由聚合輸電走廊連接，以對(duì)電力系統(tǒng)退役和發(fā)電、輸電和發(fā)電投資進(jìn)行成本最低的系統(tǒng)優(yōu)化。該模型優(yōu)化了電力系統(tǒng)的投資，包括電力系統(tǒng)在每個(gè)時(shí)間尺度中的運(yùn)行。這一研究中的其他報(bào)告包含對(duì)區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)模型、其輸入以及與這項(xiàng)工作相關(guān)的各種改進(jìn)的完整討論。
研究報(bào)告的分析重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)中實(shí)施的以下五個(gè)關(guān)鍵場(chǎng)景：
·參考場(chǎng)景（Ref）：該場(chǎng)景遵循到2050年的所有成本和技術(shù)演進(jìn)作為參考假設(shè)。
?低成本電池場(chǎng)景（Low-Cost Batt）：該場(chǎng)景設(shè)定電池的最低成本。
?低成本太陽能發(fā)電場(chǎng)景（Low-Cost PV）：該場(chǎng)景設(shè)定太陽能發(fā)電設(shè)施的最低成本。
?高天然氣成本/低成本電池場(chǎng)景：該場(chǎng)景設(shè)定的高成本的天然氣發(fā)電和最低成本的電池。
?零碳場(chǎng)景：該場(chǎng)景反映了未來研究中的零碳能源場(chǎng)景，該場(chǎng)景比上述四種場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)了更多的儲(chǔ)能部署（以MW為單位）。
圖1顯示了2020～2050年五種場(chǎng)景中按發(fā)電設(shè)施類型劃分的裝機(jī)容量和年發(fā)電量。所有場(chǎng)景都顯示太陽能發(fā)電設(shè)施、風(fēng)力發(fā)電設(shè)施和儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量的增長，這在很大程度上是由于這三種資源的技術(shù)成本下降。這些能源取代了核電和煤電，在某些情況下還取代了天然氣發(fā)電。天然氣發(fā)電在高天然氣成本/低成本電池場(chǎng)景中最為明顯，該場(chǎng)景使用高天然氣成本以及零碳場(chǎng)景，該場(chǎng)景要求到2050年將替代所有的燃煤發(fā)電設(shè)施和天然氣發(fā)電設(shè)施。其他三種場(chǎng)景（參考場(chǎng)景、低成本電池和低成本太陽能發(fā)電）遵循天然氣成本軌跡的中間情況，導(dǎo)致到2050年仍將采用大量的天然氣發(fā)電。
圖1.評(píng)估的五種場(chǎng)景中的總發(fā)電量和裝機(jī)容量組合
圖2顯示了在相同場(chǎng)景和年份下按技術(shù)類型劃分的已經(jīng)安裝的儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量。需要注意的是，在儲(chǔ)能未來研究中沒有考慮部署持續(xù)時(shí)間超過12小時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。2020年，幾乎所有的的長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)都是現(xiàn)有的抽水蓄能發(fā)電設(shè)施。到2030年，將會(huì)看到持續(xù)時(shí)間較短的電池儲(chǔ)能技術(shù)（持續(xù)時(shí)間為2小時(shí)和4小時(shí)）的部署急劇增加，因?yàn)檫@些技術(shù)被認(rèn)為具有鑒于其較小的裝機(jī)容量，成本最低。到2040年，持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位，但開始看到持續(xù)時(shí)間為6小時(shí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署。到2050年，持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)仍然是所有場(chǎng)景中最主要的儲(chǔ)能技術(shù)，但一些場(chǎng)景（尤其是零碳場(chǎng)景）顯示部署更長持續(xù)時(shí)間的電池，例如持續(xù)時(shí)間為8小時(shí)和10小時(shí)電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)。由于成本下降，持續(xù)時(shí)間更長的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在未來幾年變得更具成本競(jìng)爭(zhēng)力。在零碳場(chǎng)景的情況下，持續(xù)時(shí)間更長的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)也更有價(jià)值，因?yàn)樗鼈兡軌蛟诟L的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，并提供更高的容量信用。最后，即使是在建模時(shí)間范圍內(nèi)部署最少的儲(chǔ)能系統(tǒng)（參考場(chǎng)景），到2050年部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量也將增加大約10倍。
圖2.研究報(bào)告中考慮的五種場(chǎng)景下按技術(shù)類型分類的ReEDS儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量
2.2 PLEXOS的構(gòu)想
生產(chǎn)成本建模從區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)開始，其中包括輸電系統(tǒng)、可再生能源發(fā)電設(shè)施和傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)施的類型、裝機(jī)容量和位置，以及每小時(shí)負(fù)荷和可變的發(fā)電數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)與每小時(shí)運(yùn)營儲(chǔ)能系統(tǒng)一起傳遞到生產(chǎn)成本模型。研究報(bào)告使用PLEXOS這樣一種商用生產(chǎn)成本模型來模擬區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)確定的未來電力系統(tǒng)的每小時(shí)運(yùn)行。生產(chǎn)成本模型的目標(biāo)是優(yōu)化發(fā)電資源的調(diào)度，以更經(jīng)濟(jì)有效地滿足負(fù)荷，并受到所有限制（例如可再生資源、傳輸可用性和運(yùn)營實(shí)踐）的限制。
區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)在其算法中簡(jiǎn)化了調(diào)度，以便為未來幾十年的投資決策提供信息。這允許模型考慮關(guān)鍵的操作限制和挑戰(zhàn)，但仍然足夠簡(jiǎn)單以保持計(jì)算的易處理性。然而，由于區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)沒有明確模擬每年時(shí)間范圍的8,760小時(shí)調(diào)度，因此它無法解決許多對(duì)確保能量平衡和儲(chǔ)能優(yōu)化運(yùn)行至關(guān)重要的運(yùn)行限制。因此，PLEXOS模擬區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)確定的電網(wǎng)擴(kuò)建的每小時(shí)運(yùn)行，以衡量運(yùn)營成本并驗(yàn)證供需平衡。使用輸電網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化區(qū)域近似評(píng)估基本輸電充足性，以及評(píng)估儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)度。儲(chǔ)能系統(tǒng)在PLEXOS中定義為裝機(jī)容量（MW）和持續(xù)時(shí)間（h）和由區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)確定的位置。與區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)的所有服務(wù)假設(shè)一致，儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)過共同優(yōu)化以提供能源和輔助服務(wù)。
該分析涵蓋美國各州，其中包括三個(gè)獨(dú)立的同步互連區(qū)域：東部互連區(qū)域、西部互連區(qū)域和德克薩斯互連區(qū)域。因?yàn)檫@個(gè)地理足跡很廣泛，容量擴(kuò)展建模和生產(chǎn)成本建模簡(jiǎn)化輸電系統(tǒng)的表示。在這一建模中，美國電力系統(tǒng)由134個(gè)區(qū)域組成，這些區(qū)域由輸電線路相連。因此，區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)和PLEXOS都將限制之間的流動(dòng)，但不會(huì)限制在這些區(qū)域內(nèi)。
生產(chǎn)成本建模步驟的目標(biāo)是測(cè)試容量擴(kuò)展場(chǎng)景的運(yùn)營影響，提供跨場(chǎng)景的每小時(shí)調(diào)度的詳細(xì)圖片，并深入了解儲(chǔ)能容量調(diào)度的優(yōu)化。
就這一研究報(bào)告而言，生產(chǎn)成本模型的主要輸出包括：
?識(shí)別任何未提供服務(wù)的負(fù)載或未提供服務(wù)的儲(chǔ)備，這可能表明資源充足性問題。
?不同時(shí)間尺度的發(fā)電構(gòu)成，其時(shí)間從每小時(shí)到每年。
?發(fā)電的總可變運(yùn)營成本（包括燃料成本、啟動(dòng)和關(guān)閉成本以及可變運(yùn)維成本）
?抽水蓄能設(shè)施和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等能源受限資源的調(diào)度和利用。
?資源組合每年和在任何特定時(shí)間提供儲(chǔ)備。
?輸電系統(tǒng)簡(jiǎn)化表示的使用和擁塞。
?在特定的時(shí)期（例如，高可再生能源/低負(fù)荷時(shí)期和低可再生能源/高負(fù)荷時(shí)期）進(jìn)行調(diào)度。
3.儲(chǔ)能部署率高的未來場(chǎng)景的運(yùn)營結(jié)果
本節(jié)將討論在儲(chǔ)能未來研究五個(gè)場(chǎng)景中部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)，了解儲(chǔ)能系統(tǒng)在每天、季節(jié)性和年度基礎(chǔ)上所起到的重要作用。還研究了儲(chǔ)能系統(tǒng)隨著時(shí)間的推移而變化的角色，從2020年系統(tǒng)的表示開始到2050年的建模。
3.1儲(chǔ)能系統(tǒng)在年度運(yùn)營中的作用
儲(chǔ)能系統(tǒng)在本質(zhì)上不同于大容量電力系統(tǒng)上的大多數(shù)發(fā)電設(shè)施，因?yàn)樗诩夹g(shù)上不是一種發(fā)電資源。為了向電力系統(tǒng)提供電力，儲(chǔ)能系統(tǒng)必須首先存儲(chǔ)能量，并且由于電源轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致效率損失。由于需要充電和相關(guān)的效率損失，容量系數(shù)圖用點(diǎn)來表示每種場(chǎng)景中存儲(chǔ)的平均年容量系數(shù)。在所有年份和場(chǎng)景中，年容量系數(shù)都保持在25%以下（在某些情況下低于10%）。為了理解圖3中的容量系數(shù)趨勢(shì)，首先考慮在擴(kuò)容模型中部署儲(chǔ)能系統(tǒng)的原因，其中包括：
?能源轉(zhuǎn)移資源：晝間儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)能源套利，尤其是在越來越多的低成本資源（如太陽能發(fā)電設(shè)施）可供充電的情況下。隨著電池成本的下降，更多的能源轉(zhuǎn)換機(jī)會(huì)變得經(jīng)濟(jì)。
?容量資源：儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種可靠的資源，有助于滿足凈需求高峰期。
在某些情況下（參考場(chǎng)景和低成本太陽能場(chǎng)景），容量系數(shù)會(huì)隨著時(shí)間略有增加，其原因是：(1)持續(xù)時(shí)間更長電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署相對(duì)增加，從而提供更高的平均容量系數(shù)；（2）更多地部署零邊際成本資源（太陽能和風(fēng)能）進(jìn)行套利。在其他情況下（低成本電池和高天然氣成本/低成本電池），盡管在某些情況下增加了使用時(shí)間更長的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署，但儲(chǔ)能容量平均系數(shù)在2030年后下降；這發(fā)生在具有低成本電池假設(shè)的場(chǎng)景中，因?yàn)榧词固桌麢C(jī)會(huì)較少，采用低成本電池也可能是經(jīng)濟(jì)的。在這四種場(chǎng)景中，容量系數(shù)的趨勢(shì)主要是由儲(chǔ)能系統(tǒng)扮演的第一個(gè)角色（能量轉(zhuǎn)移）驅(qū)動(dòng)的。然而，第五種場(chǎng)景（零碳場(chǎng)景）顯示到2050年的年容量系數(shù)最低。在這種情況下，在高天然氣成本/低成本電池的場(chǎng)景下運(yùn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)的時(shí)間只有約55天。鑒于零碳場(chǎng)景中的全天候顯著縮減，儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間更少，從而降低了平均容量系數(shù)。在這種情況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)扮演的第二個(gè)角色（作為容量資源）類似于很少運(yùn)行的天然氣調(diào)峰電設(shè)施。
儲(chǔ)能系統(tǒng)仍然扮演著第一個(gè)角色（能量轉(zhuǎn)移）。零碳中的套利機(jī)會(huì)雖然發(fā)生的頻率較低，但利潤豐厚，因?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)正在以零邊際成本發(fā)電，采用可再生能源電力取代成本昂貴的化石燃料發(fā)電設(shè)施的電力（邊際成本約為200美元/MWh）。
盡管圖3顯示的年容量系數(shù)較低，但圖中的三角形（顯示每個(gè)地區(qū)僅前10個(gè)凈負(fù)載小時(shí)的平均儲(chǔ)能容量系數(shù)）講述了不同的故事。該計(jì)算揭示了在這些時(shí)間內(nèi)的高容量系數(shù)，通常遠(yuǎn)高于75%。這些小時(shí)代表了電力系統(tǒng)面臨供電壓力的時(shí)期，而儲(chǔ)能系統(tǒng)在這些時(shí)期的貢獻(xiàn)很大。在大多數(shù)情況下，由于儲(chǔ)能部署容量較高，前10個(gè)凈負(fù)載小時(shí)內(nèi)的儲(chǔ)能容量系數(shù)在2050年最低。隨著電力系統(tǒng)上的儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量增加，新部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)的收益遞減，表明趨于飽和。與年容量系數(shù)類似，前10個(gè)凈負(fù)荷小時(shí)的平均系數(shù)在2050年零碳場(chǎng)景中最低，其原因與年容量系數(shù)在該場(chǎng)景中最低的原因相同。
圖3.不同年份和場(chǎng)景中儲(chǔ)能資產(chǎn)的年容量系數(shù)，按年平均值（上圖）和前10個(gè)凈負(fù)載小時(shí)（按地區(qū)）計(jì)算
圖4.2050年所有場(chǎng)景下每種儲(chǔ)能技術(shù)的年容量系數(shù)（上圖）和每日放出的儲(chǔ)能容量百分比（下圖）
最后，報(bào)告研究了2050年高天然氣成本/低成本電池場(chǎng)景中每日排放的儲(chǔ)能容量百分比與可變發(fā)電量貢獻(xiàn)之間的關(guān)系（如圖5所示）。在這里，將區(qū)域能源部署系統(tǒng)(ReEDS)區(qū)域的集合繪制為一個(gè)點(diǎn)；這樣做將足跡劃分為美國18個(gè)區(qū)域，在某種程度上接近區(qū)域輸電組織/獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商的足跡或市場(chǎng)區(qū)域。每個(gè)區(qū)域都是一個(gè)點(diǎn)，每日放電容量的百分比與太陽能發(fā)電占總發(fā)電量的百分比（左圖）或風(fēng)力發(fā)電占總發(fā)電量的百分比（右圖）。盡管該圖表現(xiàn)出很大的變化，但太陽能發(fā)電量增加與每日放電容量百分比（或每日能量循環(huán)）增加之間存在明顯關(guān)系，而風(fēng)力發(fā)電量增加與每日放電容量百分比減少之間存在明顯關(guān)系。太陽能發(fā)電的正相關(guān)關(guān)系表明，隨著太陽能發(fā)電量的增加，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求增加——儲(chǔ)能系統(tǒng)在白天可以利采用太陽能發(fā)電設(shè)施過量電力進(jìn)行充電，并在早晚的峰值期期放電。另一方面，也看到風(fēng)力發(fā)電的相反關(guān)系。先前的分析表明，風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的過量發(fā)電通常會(huì)持續(xù)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的時(shí)間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該研究中部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間。在這些風(fēng)力發(fā)電過剩期間，儲(chǔ)能系統(tǒng)充滿電之后而無需放電，直到過發(fā)電期間停止，從而降低了平均日使用容量。
圖5.報(bào)告中美國18個(gè)區(qū)域中到2050年每日放電的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量百分比與可變發(fā)電量占發(fā)電量的百分比制
本節(jié)說明儲(chǔ)能系統(tǒng)如何在所有配置和電網(wǎng)組合中有效地提供降低峰值服務(wù)（以及能源轉(zhuǎn)移）。盡管儲(chǔ)能系統(tǒng)的年容量系數(shù)較低，本質(zhì)上受到其充電需求的限制，但在電力系統(tǒng)需要更多容量的前10個(gè)凈負(fù)載小時(shí)內(nèi)，它具有非常高的利用率（在許多情況下超過75%）。
（未完待續(xù)）
