中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
席云華 楊再敏 彭道鑫 南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院
林小柯 孫展域 華南理工大學(xué)電力學(xué)院研究生
隨著新能源發(fā)電占比不斷提升，與之緊密相關(guān)的電化學(xué)儲(chǔ)能也進(jìn)入快速發(fā)展期。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和接入位置的不同，電化學(xué)儲(chǔ)能可分為表前儲(chǔ)能和表后儲(chǔ)能，其中，表前儲(chǔ)能是指與電網(wǎng)相連可被電網(wǎng)調(diào)度的、安裝在電源點(diǎn)及電網(wǎng)中的儲(chǔ)能。本文針對(duì)表前儲(chǔ)能發(fā)展進(jìn)行分析研究。
2021年以來(lái)，中央和地方政府層面出臺(tái)了多項(xiàng)支持儲(chǔ)能發(fā)展的政策，山東、廣東、江蘇、浙江等地都積極開(kāi)展儲(chǔ)能示范應(yīng)用。但從各地實(shí)際數(shù)據(jù)看，儲(chǔ)能還存在投資成本較高、商業(yè)模式不清晰、市場(chǎng)機(jī)制不完善、盈利模式較少等問(wèn)題，這在一定程度上制約了儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展。
在國(guó)際上，目前英國(guó)和美國(guó)加州等國(guó)家地區(qū)表前儲(chǔ)能發(fā)展形勢(shì)好、市場(chǎng)大、機(jī)制相對(duì)成熟。2016年以前，由于技術(shù)限制及扶持政策不完善，美國(guó)大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用也存在重重障礙，此后由于電網(wǎng)老舊和新能源發(fā)電占比逐年提升，迫切需要配備儲(chǔ)能以協(xié)助消納，滿(mǎn)足電網(wǎng)調(diào)度需求，美國(guó)能源部、聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(huì)和加州公用事業(yè)委員會(huì)等機(jī)構(gòu)通過(guò)制度改革推進(jìn)儲(chǔ)能商業(yè)化，推動(dòng)了美國(guó)特別是加州儲(chǔ)能市場(chǎng)的快速發(fā)展，值得借鑒。
本文首先分析加州電池儲(chǔ)能的發(fā)展情況、電網(wǎng)投入儲(chǔ)能的物理原因，然后分析政府的強(qiáng)制性配儲(chǔ)計(jì)劃和政策支持，以及儲(chǔ)能的物理表現(xiàn)，再對(duì)加州儲(chǔ)能的商業(yè)模式和具體案例盈利情況進(jìn)行分析，最后結(jié)合加州電池儲(chǔ)能快速發(fā)展歸納對(duì)我國(guó)的啟示。
01
加州電池儲(chǔ)能發(fā)展情況及投入電網(wǎng)的原因
美國(guó)是全球最大、增速最快的電池儲(chǔ)能市場(chǎng)。2021年底表前電池儲(chǔ)能規(guī)模為5.7GW/13.6GWh，占全部?jī)?chǔ)能的84%。加州是美國(guó)表前電池儲(chǔ)能發(fā)展最快，體量最大的市場(chǎng)之一。加州電力市場(chǎng)在2021年新增表前電池儲(chǔ)能近2.4GW，是上年新增規(guī)模的12倍以上。截至2022年9月加州有超過(guò)3GW儲(chǔ)能并網(wǎng)。目前，電網(wǎng)中幾乎所有的電池儲(chǔ)能都是3—4小時(shí)儲(chǔ)能，這與加州太陽(yáng)下山到晚間負(fù)荷高峰的時(shí)間基本匹配。
加州本地電源裝機(jī)容量中，天然氣發(fā)電、非化石能源發(fā)電各占接近一半。加州日照時(shí)間長(zhǎng)，平均日照峰時(shí)超過(guò)5小時(shí)，電源裝機(jī)為80GW，其中太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)接近14GW，約占17%。此外，加州是電力受入州，外購(gòu)電量占全年用電量的32%左右。在一年之中，風(fēng)光發(fā)電出力占全部電源出力的比重最大能達(dá)到66%，因此加州是典型的高比例新能源發(fā)電系統(tǒng)。日負(fù)荷在晚間達(dá)到峰值，導(dǎo)致從太陽(yáng)下山開(kāi)始需要?dú)怆姶罅?、快速地投入系統(tǒng)進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)。電池儲(chǔ)能非常適合加州市場(chǎng)，它能夠?qū)⒋罅康墓夥l(fā)電量時(shí)移至用電高峰期。
加州近年來(lái)受氣候變化影響，高溫、干旱導(dǎo)致山火頻繁、水電發(fā)電量下降，天然氣發(fā)電廠承受較大壓力。2015年阿里索（Aliso Canyon）天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)地下管道破損，引發(fā)天然氣多次、較大規(guī)模泄露，導(dǎo)致加州電網(wǎng)不堪重負(fù)。受環(huán)境及極端事件影響，加州多次遭遇較大規(guī)模停電，亦因此促進(jìn)了儲(chǔ)能配置，以支撐電力供應(yīng)。
加州是美國(guó)最富裕的州，在清潔能源方面，一直是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格、政策積極、技術(shù)創(chuàng)新最領(lǐng)先的州。2010年加州就開(kāi)始研究實(shí)施公共事業(yè)公司儲(chǔ)能強(qiáng)制采購(gòu)計(jì)劃。
2010年加州政府通過(guò)法令，要求州公用事業(yè)委員會(huì)（CPUC）研究制定高效、低成本儲(chǔ)能技術(shù)的強(qiáng)制采購(gòu)方案。此后CPUC花費(fèi)2年時(shí)間，組織研究?jī)?chǔ)能的成本、應(yīng)用場(chǎng)景、經(jīng)濟(jì)性、效益，采購(gòu)目標(biāo)的規(guī)模、機(jī)制等問(wèn)題。2013年10月，CPUC制定儲(chǔ)能強(qiáng)制采購(gòu)目標(biāo)計(jì)劃，要求大型電力公司在2020年前共采購(gòu)1325MW的儲(chǔ)能容量（相當(dāng)于最大負(fù)荷的1.64%），之后將目標(biāo)值增加了500MW容量。CPUC要求儲(chǔ)能至少提供4小時(shí)備用容量，以增加系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。
儲(chǔ)能強(qiáng)制采購(gòu)計(jì)劃的主要實(shí)施對(duì)象是獨(dú)立公用事業(yè)公司（IOUs），同時(shí)鼓勵(lì)小型電力公司（POUs）制定儲(chǔ)能采購(gòu)計(jì)劃。CPUC對(duì)儲(chǔ)能項(xiàng)目的評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)包括對(duì)于電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行、可再生能源并網(wǎng)等目標(biāo)的貢獻(xiàn)度。
儲(chǔ)能強(qiáng)制采購(gòu)計(jì)劃有力地推動(dòng)了加州儲(chǔ)能項(xiàng)目的快速規(guī)劃、部署，對(duì)推動(dòng)儲(chǔ)能應(yīng)用、構(gòu)建長(zhǎng)期穩(wěn)定的儲(chǔ)能市場(chǎng)起到了良好的政策示范效應(yīng)。美國(guó)多個(gè)州也效仿加州，制定發(fā)布了儲(chǔ)能采購(gòu)計(jì)劃。
02
支持儲(chǔ)能發(fā)展的政策
美國(guó)聯(lián)邦投資稅收抵免（ITC）政策對(duì)于新能源配置儲(chǔ)能的項(xiàng)目，最高可以抵減30%的前期投資額，大型電力公司配置的儲(chǔ)能項(xiàng)目也可享受ITC補(bǔ)貼。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)必須在一年內(nèi)至少有75%的時(shí)間由太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施充電而不是電網(wǎng)充電，才能獲得ITC的資格。根據(jù)美國(guó)國(guó)會(huì)最新動(dòng)向，ITC政策將繼續(xù)實(shí)施至2034年。
2008年聯(lián)邦政府為儲(chǔ)能進(jìn)入電能批發(fā)市場(chǎng)提供制度保障，2013年提出輸電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商可以選擇從第三方直接購(gòu)買(mǎi)輔助服務(wù)并明確了電儲(chǔ)能提供輔助服務(wù)的結(jié)算機(jī)制。2018年聯(lián)邦能源管理委員會(huì)（FERC）發(fā)布841號(hào)法案，要求系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商消除儲(chǔ)能參與容量、能量和輔助服務(wù)市場(chǎng)的障礙，法令規(guī)定在考慮物理和運(yùn)行特征的基礎(chǔ)上，允許電儲(chǔ)能參與容量、電量、輔助服務(wù)市場(chǎng)，并基于市場(chǎng)價(jià)格對(duì)其服務(wù)進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。
由于各州電力系統(tǒng)特點(diǎn)不同，更多具體的儲(chǔ)能政策由各州政府制定。除儲(chǔ)能強(qiáng)制采購(gòu)計(jì)劃外，加州還出臺(tái)了不少激勵(lì)性措施。戶(hù)用儲(chǔ)能可以參與加州自發(fā)電激勵(lì)計(jì)劃（SGIP）獲得補(bǔ)貼。按照聯(lián)邦能源管理委員會(huì)（FERC）的要求，CAISO在現(xiàn)有的市場(chǎng)規(guī)則之下完善了儲(chǔ)能參與市場(chǎng)的規(guī)則。
03
加州儲(chǔ)能的物理表現(xiàn)及發(fā)展規(guī)劃
根據(jù)CAISO報(bào)告，2022年夏季加州最大的發(fā)電資源是天然氣發(fā)電，占夏季最大高峰可用容量的55.8%；其次是水電，占13.3%，太陽(yáng)能發(fā)電占10.9%，基于其有效承載能力，電池儲(chǔ)能占6.0%，核電占4.5%，風(fēng)電占2.7%，需求響應(yīng)占2.2%，地?zé)崮馨l(fā)電2.2%，生物燃料發(fā)電1.2%，油電0.2%（見(jiàn)圖3）。
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠提供系統(tǒng)容量、輔助服務(wù)和靈活容量。其中輔助服務(wù)根據(jù)服務(wù)性質(zhì)可以分為有功、無(wú)功、黑啟動(dòng)三類(lèi)，有功服務(wù)又可以進(jìn)一步分為一次調(diào)頻、二次調(diào)頻等，儲(chǔ)能參加輔助服務(wù)維護(hù)了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步保證電能質(zhì)量。
圖3 2022年夏季CAISO最大負(fù)荷期間可用容量占比
數(shù)據(jù)來(lái)源：CASIO，2022 Summer Loads and Resources Assessment
儲(chǔ)能在加州還用于應(yīng)對(duì)突發(fā)的電力緊缺。2021年7月9日，俄勒岡州南部發(fā)生森林火災(zāi)，該州中斷了三條州際輸電線路的供電，導(dǎo)致加州電力緊缺，CASIO發(fā)布緊急警報(bào)并快速調(diào)度1GW儲(chǔ)能幫助供電。在森林火災(zāi)發(fā)生后的半年內(nèi)，加州大規(guī)模部署了電池儲(chǔ)能。
加州公共事業(yè)委員會(huì)（CPUC）已根據(jù)其綜合資源規(guī)劃（IRP）流程批準(zhǔn)了該州的首選系統(tǒng)計(jì)劃（PSP），未來(lái)十年該州將新增18.9GW公共事業(yè)規(guī)模太陽(yáng)能和15GW表前儲(chǔ)能。也就是說(shuō)2032年電池儲(chǔ)能裝機(jī)是2021年底的7倍以上，這將在很大程度上改變電力系統(tǒng)的運(yùn)行，從側(cè)面反映了儲(chǔ)能在加州電力系統(tǒng)發(fā)揮了積極作用，并受到系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商和州政府能源主管部門(mén)的認(rèn)可。
04
加州儲(chǔ)能的商業(yè)模式和盈利情況
加州儲(chǔ)能市場(chǎng)商業(yè)模式多樣，當(dāng)前項(xiàng)目收入主要來(lái)自于參與調(diào)頻市場(chǎng)，其次是為滿(mǎn)足發(fā)電充裕度，簽訂雙邊采購(gòu)合同，最后是進(jìn)入電能量市場(chǎng)通過(guò)電價(jià)套利（見(jiàn)圖4）。目前加州電能量市場(chǎng)電價(jià)差較小、高電價(jià)持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，不足以覆蓋儲(chǔ)能成本。未來(lái)隨著可再生能源棄電的增加，或現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)幅度的增加，儲(chǔ)能在電能量市場(chǎng)的參與度和收入可能會(huì)提升。從調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在加州商業(yè)上可行的儲(chǔ)能項(xiàng)目關(guān)鍵在于確保容量服務(wù)合同，并在能量、調(diào)頻等多個(gè)市場(chǎng)中調(diào)度資產(chǎn)。
從市場(chǎng)交易變化趨勢(shì)來(lái)看，儲(chǔ)能在2021年收益變化特征如下：
自2021年起，儲(chǔ)能項(xiàng)目從能量轉(zhuǎn)移和價(jià)格套利服務(wù)中獲得的收入，比調(diào)頻收入更多。這是因?yàn)檎{(diào)頻價(jià)格在2020年和2019年較高，但在2021年有所下降。由于未來(lái)輔助服務(wù)收入回報(bào)可能會(huì)更低，儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商正在尋找其他機(jī)會(huì)。
就單個(gè)項(xiàng)目而言，Pomona等早期儲(chǔ)能項(xiàng)目在批發(fā)市場(chǎng)獲得的收入在2018年達(dá)到峰值，2021年略有降低（見(jiàn)圖5）。這是因?yàn)閰⑴c輔助服務(wù)的儲(chǔ)能數(shù)量超過(guò)了市場(chǎng)所需的規(guī)模，新增儲(chǔ)能項(xiàng)目的規(guī)模越來(lái)越大，壓低了儲(chǔ)能參與輔助服務(wù)的價(jià)格。
盡管極端電價(jià)飆升時(shí)期顯著提高了2020年和2021年的收入，卻令儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商越來(lái)越依賴(lài)在幾天內(nèi)獲得較高的回報(bào)。隨著收入不確定性增加，容量合同收入等穩(wěn)定性收入對(duì)儲(chǔ)能變得至關(guān)重要。
圖4 幾個(gè)容量較大的儲(chǔ)能項(xiàng)目各月收益（單位：千美元/MW）
數(shù)據(jù)來(lái)源：BNEF，Business Models for Energy Storage California Examples
圖5 2017—2021年20MW/80MWh Pomona項(xiàng)目各月收益（千美元/MW）
數(shù)據(jù)來(lái)源：BNEF，Business Models for Energy Storage California Examples
總體來(lái)看，儲(chǔ)能沒(méi)有單一的最佳調(diào)度策略。在CAISO儲(chǔ)能有很多方式參與市場(chǎng)，并帶來(lái)可觀的收入。而國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能項(xiàng)目收益與加州項(xiàng)目存在較大差距。為了進(jìn)一步做儲(chǔ)能項(xiàng)目商業(yè)量化分析，下面選取加州較早投運(yùn)的項(xiàng)目來(lái)觀察收益及變化情況。為便于橫向比較，項(xiàng)目收益和成本均折算為單位兆瓦的數(shù)值。2018—2020年，Pomona項(xiàng)目的批發(fā)市場(chǎng)年收入為36.1萬(wàn)—39.7萬(wàn)美元/MW，充電成本為1.9萬(wàn)—5.2萬(wàn)美元/MW，年度凈收益為33.9萬(wàn)—37.7萬(wàn)美元/MW（見(jiàn)圖5和表1）。
表1 加州Pomona項(xiàng)目的年度收益情況（單位：萬(wàn)美元/MW）
注：容量收入為發(fā)電容量充裕性機(jī)制收入。
數(shù)據(jù)來(lái)源：BNEF，Business Models for Energy Storage California Examples
根據(jù)2022年7月山東電力交易中心披露的的獨(dú)立儲(chǔ)能參與山東電力市場(chǎng)年收益測(cè)算，某100MW/200MWh儲(chǔ)能電站（簡(jiǎn)稱(chēng)為A項(xiàng)目）目前收入包括容量租賃、現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)差、容量補(bǔ)償收入三部分。其中，容量租賃單價(jià)為300元/kW，按20%比例租賃，容量租賃費(fèi)約600萬(wàn)元；現(xiàn)貨市場(chǎng)收益為1256萬(wàn)元；容量補(bǔ)償收益為300萬(wàn)元，項(xiàng)目年度凈收益合計(jì)為2156萬(wàn)元（折合3.32萬(wàn)美元/MW），距項(xiàng)目盈虧平衡點(diǎn)凈收益6000萬(wàn)元人民幣（折合9.23萬(wàn)美元/MW）尚有較大差距。
由此可見(jiàn)，加州Pomona項(xiàng)目年收益是山東A項(xiàng)目的11倍，Pomona項(xiàng)目能取得可觀的收入主要原因是容量服務(wù)合同收益高（容量服務(wù)合同收益占批發(fā)市場(chǎng)收益的35%-40%）、充放電價(jià)差大、放電持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)（是山東A項(xiàng)目時(shí)長(zhǎng)的2倍），調(diào)頻收入高。
05
對(duì)我國(guó)儲(chǔ)能發(fā)展的啟示
電池儲(chǔ)能發(fā)展既由電力系統(tǒng)發(fā)展階段及資源稟賦等因素決定，也受發(fā)展戰(zhàn)略導(dǎo)向、政策和市場(chǎng)機(jī)制等因素影響。不同國(guó)家或地區(qū)，需根據(jù)自身國(guó)情采取合適的推動(dòng)儲(chǔ)能發(fā)展的模式。加州儲(chǔ)能快速發(fā)展是加州電力系統(tǒng)發(fā)展階段、資源條件推動(dòng)的產(chǎn)物，政府也實(shí)施了針對(duì)特定對(duì)象的強(qiáng)制性配儲(chǔ)計(jì)劃、投資補(bǔ)貼政策及其他激勵(lì)措施，并通過(guò)制定儲(chǔ)能發(fā)展規(guī)劃，完善政策和市場(chǎng)機(jī)制等保證儲(chǔ)能有合理的利潤(rùn)和生存空間。我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電較多的地區(qū)未來(lái)在靈活性資源和調(diào)節(jié)容量等方面與加州有相似需求，建議：
第一，有需要、有條件的地區(qū)對(duì)儲(chǔ)能示范性項(xiàng)目給予財(cái)政稅收等政策支持。目前我國(guó)對(duì)儲(chǔ)能的總體需求并不強(qiáng)烈，儲(chǔ)能的生存高度依賴(lài)市場(chǎng)電價(jià)和政府財(cái)稅政策支持，而社會(huì)對(duì)電價(jià)上漲的承受力有限，現(xiàn)有外部環(huán)境難以支持較大規(guī)模的儲(chǔ)能投入電力系統(tǒng)。儲(chǔ)能是國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)階段需要政策扶持和示范效應(yīng)。政府應(yīng)積極對(duì)示范性?xún)?chǔ)能項(xiàng)目給予財(cái)稅支持，但也要控制補(bǔ)貼規(guī)模和范圍；同時(shí)可授權(quán)相關(guān)機(jī)構(gòu)跟蹤受惠項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，研究?jī)?chǔ)能與新能源協(xié)調(diào)運(yùn)行技術(shù)、儲(chǔ)能發(fā)展機(jī)制、儲(chǔ)能對(duì)于電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行、可再生能源并網(wǎng)的貢獻(xiàn)、儲(chǔ)能充放電策略?xún)?yōu)化等，為未來(lái)儲(chǔ)能大規(guī)模發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。
第二，創(chuàng)新儲(chǔ)能成本分?jǐn)倷C(jī)制和商業(yè)模式，提升項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能電站參與的輔助服務(wù)類(lèi)別少，盈利模式單一，沒(méi)有合理的收益，社會(huì)主動(dòng)投資意愿不高。建議采用多收益疊加模式，增加儲(chǔ)能項(xiàng)目收益，提升儲(chǔ)能發(fā)展的積極性；對(duì)電網(wǎng)替代型儲(chǔ)能項(xiàng)目成本通過(guò)輸配電價(jià)回收。
第三，推動(dòng)各地完善儲(chǔ)能發(fā)展的政策框架。我國(guó)對(duì)于儲(chǔ)能項(xiàng)目落地性支持政策仍不完善，而各省電源結(jié)構(gòu)存在較大差異，具體政策的制定需要因地制宜，以地方為主、立足實(shí)際。建議①各省能源主管部門(mén)通過(guò)研究、示范項(xiàng)目建設(shè)、與利益相關(guān)方廣泛探討，制定儲(chǔ)能中長(zhǎng)期規(guī)劃和相應(yīng)政策；②針對(duì)不同位置和服務(wù)的儲(chǔ)能，制定專(zhuān)門(mén)的政策；③探討快速調(diào)頻、爬坡等輔助服務(wù)品種的設(shè)立，進(jìn)一步豐富儲(chǔ)能未來(lái)可參與的服務(wù)品種，完善市場(chǎng)機(jī)制和電價(jià)補(bǔ)償機(jī)制，不斷挖掘儲(chǔ)能應(yīng)用的價(jià)值。
參考文獻(xiàn)（上下滑動(dòng)查看）
[1] 楊捷.美國(guó)非抽蓄儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析及啟示[J].中國(guó)電力企業(yè)管理,2019(31):36-38.
[2] 2021Statistics.[R/OL].http://www.caiso.com/Documents/2021Statistics.pdf
[3] Storage was the compelling story of 2021, according to our newly published Annual Stats[R/OL]. http://www.caiso.com/about/Pages/ Blog/Posts/Storage-was-the-compelling-story-of-2021-according-to-our-newly-published-Annual-Stats.aspx.
[4] New video on historic growth of battery storage released[R/OL]. http://www.caiso.com/about/Pages/Blog/Posts/New-video-on-historic-growth-of-battery-storage-released.aspx
[5] 李岱昕. 美國(guó)加州儲(chǔ)能強(qiáng)制采購(gòu)目標(biāo)計(jì)劃對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展有何借鑒[R/OL]. https://news.bjx.com.cn/html/20170505/823799.shtml.
[6] 2022 Summer Loads and Resources Assessment[R/OL]. https://ww w.caiso.com/documents/2022-summer-loads-and-resources-assessment.pdf.
[7] Another side of the battery storage story.[R/OL]. http://www.ca iso.com/about/Pages/Blog/Posts/Another-side-of-the-battery-storage-story.aspx.
[8] Helen Kou. Business Models for Energy Storage California Examples[R]. 美國(guó): bloomberg NFF, 2022.
