美國(guó)儲(chǔ)能容量占比中，電池儲(chǔ)能占較大份額。
2003年以來(lái)，美國(guó)大型儲(chǔ)能容量的增加，大部分都是來(lái)自電池儲(chǔ)能。
2016年，美國(guó)安裝了197兆瓦的大型電池儲(chǔ)能項(xiàng)目后，美國(guó)的年新增電力容量達(dá)到了歷史最高水平。
2017年，美國(guó)第一個(gè)大型電池儲(chǔ)能裝置投入使用，到2017年底，就有708兆瓦發(fā)電量投入運(yùn)行。
美國(guó)大多數(shù)電池儲(chǔ)能裝置使用的是鋰離子電池，但設(shè)計(jì)參數(shù)，如功率、能量容量和持續(xù)時(shí)間卻因地區(qū)和項(xiàng)目而異。
一|美國(guó)大型電池儲(chǔ)能
美國(guó)90%的大型電池儲(chǔ)能項(xiàng)目，分布在七個(gè)有組織的獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（isos）或區(qū)域運(yùn)輸組織（rtos）控制的五個(gè)區(qū)域，以及阿拉斯加和夏威夷（ak/hi）等非相鄰州中，如圖1所示。
圖1 按地區(qū)劃分的大規(guī)模美國(guó)電力和能源容量（2017年）
這些地區(qū)占美國(guó)大規(guī)模電力總?cè)萘康?3%，而這種狀況是由這些地區(qū)的市場(chǎng)設(shè)計(jì)和政策差異造成的。
2003年至2017年，美國(guó)安裝了734兆瓦的大型電池儲(chǔ)能容量，其中近40%位于PJM互連中，如圖2所示。
圖2. 按地區(qū)劃分的美國(guó)大型電池儲(chǔ)能裝置（2017年）
PJM全拼為“PJM INT.，L.L.C.”，是經(jīng)美國(guó)聯(lián)邦能源管制委員會(huì)（FERC）批準(zhǔn)，于1997的3月31日成立的一個(gè)非股份制有限責(zé)任公司，實(shí)際上是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（ISO）。
PJM目前負(fù)責(zé)美國(guó)13個(gè)州以及哥倫比亞特區(qū)電力系統(tǒng)的運(yùn)行與管理。作為區(qū)域性ISO，PJM負(fù)責(zé)集中調(diào)度美國(guó)目前最大、最復(fù)雜的電力控制區(qū)，其規(guī)模在世界上處于第三位。
2012年，PJM創(chuàng)造了一個(gè)新的頻率調(diào)節(jié)市場(chǎng)，其條件非常有利于電池的儲(chǔ)能。
雖然PJM的總裝機(jī)量占美國(guó)現(xiàn)有大型電池儲(chǔ)能容量的18%，但卻占2017年美國(guó)能源容量的44%，如圖3所示。
圖3. 按地區(qū)劃分的美國(guó)大型電池儲(chǔ)能容量（2003—2017）
美國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)量中的大型電池儲(chǔ)能裝機(jī)量的平均功率為5兆瓦，平均持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)，如圖4所示。
圖4. 按地區(qū)劃分的美國(guó)大型電池儲(chǔ)能的功率容量和持續(xù)時(shí)間（2017年）
PJM中的裝置傾向于以功率為導(dǎo)向，具有更大的容量和更短的持續(xù)時(shí)間，以滿足頻率調(diào)節(jié)應(yīng)用。
PJM中的大型電池儲(chǔ)能裝置的平均功率為12兆瓦，且平均持續(xù)時(shí)間小于45分鐘。
截至2016年底，美國(guó)大型電池儲(chǔ)能容量的一半以上是由獨(dú)立發(fā)電商（IPP）所有。
就能源容量而言，美國(guó)大型電池儲(chǔ)能的總體所有權(quán)在IPP和投資者擁有的公用事業(yè)公司（IOU）之間更加平衡，如圖5所示。
圖5. 按地區(qū)和所有權(quán)類型劃分的美國(guó)大型電池儲(chǔ)能容量（2016年）
在阿拉斯加，大多數(shù)大型電池容量屬于合作社所有，是國(guó)家發(fā)電資產(chǎn)較為常見的所有制類型。
美國(guó)國(guó)有電力公司擁有6%的大型電池儲(chǔ)能電力容量，由一個(gè)大型（30兆瓦/20兆瓦時(shí)）裝置驅(qū)動(dòng)，該裝置位于南加州，隸屬于灌溉區(qū)。
二|美國(guó)小規(guī)模電池儲(chǔ)能
2013年，加利福尼亞州制定了一項(xiàng)儲(chǔ)能任務(wù)（大會(huì)法案2514），要求其投資者所有的公用事業(yè)公司到2024年在輸電、配電和客戶層面安裝1325兆瓦的儲(chǔ)能裝置。
2016年，美國(guó)公用事業(yè)公司報(bào)告了66兆瓦的小型儲(chǔ)能容量。超過60%的電力裝在商業(yè)部門，31%裝在工業(yè)部門。
此外，美國(guó)小規(guī)模儲(chǔ)能容量中，有近90%都在加利福尼亞州，特別是由四家公用事業(yè)公司擁有，即南加州愛迪生（SCE）、太平洋天然氣和電力公司（PGE）、圣地亞哥天然氣電力公司（SDGE）、薩克拉門托市政公用事業(yè)區(qū)，如圖6所示。
圖6. 按部門劃分的美國(guó)小型儲(chǔ)能能力（2016年）
加利福尼亞州商業(yè)部門的大多數(shù)小型儲(chǔ)能設(shè)施都在SCE和SDGE的標(biāo)準(zhǔn)中，分別占50%和38%。加州工業(yè)部門的71%的小型倉(cāng)庫(kù)都在PGE的管轄范圍內(nèi)。
加利福尼亞州小規(guī)模儲(chǔ)能發(fā)電容量的很大一部分可歸因于該州的自發(fā)電激勵(lì)計(jì)劃（SGIP），該計(jì)劃為安裝客戶現(xiàn)場(chǎng)分布式發(fā)電提供了財(cái)政激勵(lì)。
截至2016年年底，SGIP提供了49兆瓦的儲(chǔ)能回扣，這是加州所有小型儲(chǔ)能容量，占83%。
通過SGIP獲得回扣，有助于加利福尼亞州的儲(chǔ)能授權(quán)（大會(huì)法案2514），該法案要求2024年之前安裝200兆瓦的儲(chǔ)能裝置。
2017年5月，加州公用事業(yè)委員會(huì)通過命令SCE、PGE和SDGE采購(gòu)額外的500兆瓦分布式儲(chǔ)能，包括不超過125兆瓦的儲(chǔ)能，實(shí)施了第2868號(hào)裝配法案。
截至2017年12月，一些開發(fā)商向ELA報(bào)告，預(yù)計(jì)在2018年至2021年期間，239兆瓦的大型電池儲(chǔ)能將在美國(guó)投入使用。
考慮到安裝儲(chǔ)能設(shè)施所需的短期規(guī)劃期，計(jì)劃容量不一定反映出這段時(shí)間內(nèi)的全部構(gòu)建，但可以將估計(jì)值用作趨勢(shì)指標(biāo)。
據(jù)報(bào)道指出，加利福尼亞州占計(jì)劃中大規(guī)模電池儲(chǔ)能的77%。
2018年，AEO第一次將儲(chǔ)能電站以外的儲(chǔ)能的運(yùn)行或容量預(yù)測(cè)納入模型結(jié)果中。
AEO根據(jù)《年度能源展望》預(yù)測(cè)，假設(shè)美國(guó)現(xiàn)行法律和政策的實(shí)施，項(xiàng)目大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電量增長(zhǎng)50 gig，到2050年，大規(guī)模電池儲(chǔ)能容量預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到40GW，如圖7所示。
圖7. 美國(guó)大規(guī)模風(fēng)能、太陽(yáng)能和電池容量預(yù)測(cè)（2020—2050年）
除加利福尼亞州外，擁有小型儲(chǔ)能容量的州還有紐約、夏威夷和喬治亞州，其中大部分容量安裝在商業(yè)部門，如圖8所示。
圖8. 按行業(yè)分列的美國(guó)加州以外的小型儲(chǔ)能能力（2016年）
三|美國(guó)化學(xué)電池
電池儲(chǔ)能中的化學(xué)電池有幾種不同類型，包括鋰離子電池、鎳基電池、鈉基電池、鉛酸電池和液流電池。
鋰離子電池占大容量電力裝機(jī)容量的80%以上，具有循環(huán)效率高、響應(yīng)時(shí)間快的特點(diǎn)。此外，它的高能量密度使其成為了便攜式電子和電動(dòng)汽車行業(yè)的首選電池。
鎳基電池是美國(guó)最早在一些大型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中使用的電池。如2003年在阿拉斯加費(fèi)爾班克斯增加的系統(tǒng)。鎳基電池通常具有高能量密度和可靠性，但循環(huán)壽命相對(duì)較低。
鈉基電池的容量，截至2016年底，占美國(guó)裝機(jī)大型電力容量的3%，裝機(jī)大型能源容量的12%。這種類型的電池是一種基于豐富材料的成熟技術(shù)，循環(huán)壽命長(zhǎng)，適合長(zhǎng)放電應(yīng)用。這些系統(tǒng)基于鉬電聚合物材料，需要較高的工作溫度（~300“C）。
鉛酸電池是最古老的蓄電池形式之一，始于19世紀(jì)中期，是一種成熟的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于乘用車。截至2016年底，在美國(guó)安裝的大型電池儲(chǔ)能容量中，鉛酸電池占2%-3%。
此外，由于其能量密度和循環(huán)壽命相對(duì)較低，因此電網(wǎng)規(guī)模部署有限。美國(guó)最早的大型電池儲(chǔ)能裝置使用的是鎳基和鈉基電池，如圖9所示。
圖9. 美國(guó)大型化學(xué)電池容量（2003—2016）
2011年以來(lái)，美國(guó)大多數(shù)裝置都選擇了鋰離子電池，包括最初依賴不同化學(xué)物質(zhì)的舊系統(tǒng)改造。
例如，2012年，杜克能源公司在德克薩斯州西部的諾里斯風(fēng)力發(fā)電廠增加了36兆瓦的鉛酸蓄電池儲(chǔ)能，但在2016年，用鋰離子電池取代了原鉛酸電池。
液流電池是一種新興的電池儲(chǔ)能技術(shù)。2016年，阿維斯塔公用事業(yè)公司在華盛頓州安裝了美國(guó)第一個(gè)大型液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。另外兩個(gè)由華盛頓和加利福尼亞的電力公司于2017年安裝。
電池有物理操作限制，如功率輸出和放電持續(xù)時(shí)間。這些約束通常是為了優(yōu)化向網(wǎng)格交付某些類型的服務(wù)或應(yīng)用程序而設(shè)計(jì)的。圖10說明了每種應(yīng)用可獲得的總功率和能量容量。
圖10. 美國(guó)大型電池存儲(chǔ)服務(wù)的應(yīng)用（2016年）
四|美國(guó)電池儲(chǔ)能成本
電池儲(chǔ)能技術(shù)的成本取決于技術(shù)特性，如系統(tǒng)的功率和能量容量。根據(jù)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間、費(fèi)用可分為三大類，即能量、容量與功率。
從在電力容量和能源容量方面來(lái)看，由2013年至2016年美國(guó)安裝的大型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)分析，如表1所示，短期電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的平均功率為13mw，中期電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率為13.8mw，相比而言，長(zhǎng)期電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的平均容量要小得多，為2.7兆瓦。
表1. 按持續(xù)時(shí)間劃分的大型蓄電池組資本成本估算的樣本特征
相比之下，中長(zhǎng)期電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的平均能量容量均超過15mWh，而短時(shí)間電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的平均能量為4.7mWh，是長(zhǎng)時(shí)間電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的三分之一。
與持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的電池相比，持續(xù)時(shí)間較短的電池系統(tǒng)通常具有較低的標(biāo)準(zhǔn)化功率成本（美元/千瓦），反之亦然，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間系統(tǒng)的總系統(tǒng)成本分布在更大的儲(chǔ)能基礎(chǔ)上。盡管如此，但標(biāo)準(zhǔn)化成本值的范圍還是由技術(shù)和特定地點(diǎn)的要求驅(qū)動(dòng)，如圖11所示。
圖11. 按持續(xù)時(shí)間劃分的大型電池存儲(chǔ)系統(tǒng)的總安裝成本
與非儲(chǔ)能技術(shù)不同的是，電池儲(chǔ)能可以在一天中的不同時(shí)間提供和消耗能量，創(chuàng)造了成本和收入流的不尋常組合，使其成了更具挑戰(zhàn)性的發(fā)電技術(shù)。
確定電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的一個(gè)挑戰(zhàn)是用電網(wǎng)上運(yùn)行的技術(shù)與電池儲(chǔ)能技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，確保儲(chǔ)能技術(shù)正在使用，以及該技術(shù)存在哪些收入機(jī)會(huì)。另一個(gè)挑戰(zhàn)是隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)的退化。所謂退化，是指與電池部件或系統(tǒng)的使用或使用壽命相關(guān)的電池功率或能量性能的持續(xù)下降。
儲(chǔ)能系統(tǒng)通常在電池系統(tǒng)的使用壽命中以指定的時(shí)間間隔收縮一定的性能水平。性能有時(shí)可以通過以商定的充放電速率的全周期功率輸入和輸出來(lái)表征。
儲(chǔ)能系統(tǒng)操作員可以通過以下兩種方式在系統(tǒng)使用壽命內(nèi)交付約定的系統(tǒng)性能，一是增加比需要更多的儲(chǔ)能或放電容量，隨著系統(tǒng)的老化，其容量將保持在或高于系統(tǒng)壽命后期所需的合同容量。二是持續(xù)升級(jí)，替換其中的某些部分，以在其生命周期內(nèi)保持約定的性能。
但是，以上操作，存在兩個(gè)問題，一是導(dǎo)致更高的初始安裝成本，二是導(dǎo)致整個(gè)儲(chǔ)能設(shè)施使用壽命期間更高的操作和維護(hù)成本。
因此，僅比較不同電池系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化成本，并不一定能夠捕獲壽命成本的變化。
五|市場(chǎng)和政策驅(qū)動(dòng)因素
電池在物理上能夠?yàn)樵S多應(yīng)用提供服務(wù)，每個(gè)應(yīng)用都有利于電力系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)參與者，包括輸電和配電系統(tǒng)操作員、發(fā)電資源和消費(fèi)者。
但是，根據(jù)美國(guó)現(xiàn)有的市場(chǎng)規(guī)則和其他政策，儲(chǔ)能服務(wù)這些應(yīng)用程序的功能能力可能受到限制。隨著技術(shù)的成熟和工業(yè)的發(fā)展，這種情況已經(jīng)開始改變，一些地區(qū)的利益相關(guān)者已經(jīng)獲得了融資、采購(gòu)和運(yùn)營(yíng)等方面的經(jīng)驗(yàn)。
美國(guó)大部分儲(chǔ)能活動(dòng)由批發(fā)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商和國(guó)家級(jí)監(jiān)管機(jī)構(gòu)領(lǐng)導(dǎo)。isos/rtos是獨(dú)立的、由聯(lián)邦監(jiān)管的非盈利組織，可確?？煽啃?，優(yōu)化批發(fā)電力的供需投標(biāo)。
美國(guó)許多現(xiàn)有的市場(chǎng)規(guī)則可能不考慮作為電力消費(fèi)者和生產(chǎn)商的電池儲(chǔ)能的獨(dú)特運(yùn)行參數(shù)和物理限制。然而，由FERC isos/rtos采取的行動(dòng)已經(jīng)開始為儲(chǔ)能開辟一條道路，以參與其市場(chǎng)。
2011年，沒干過發(fā)布的FERC 755號(hào)訂單，該訂單要求ISO/RTO市場(chǎng)提供更快的斜坡頻率調(diào)節(jié)的資源補(bǔ)償。
根據(jù)755號(hào)訂單，PJM將其頻率調(diào)節(jié)市場(chǎng)分為了兩種服務(wù)，即快速爬坡服務(wù)和較低爬坡服務(wù)。
2015年，超過180兆瓦的大型電池儲(chǔ)能容量在PJM運(yùn)營(yíng)區(qū)上線。然而，PJM開始觀察其頻率調(diào)節(jié)市場(chǎng)結(jié)構(gòu)中的操作問題，并改變了其頻率調(diào)節(jié)信號(hào)。自PJM做出這些改變以來(lái)，該地區(qū)的大型電池儲(chǔ)能裝置已經(jīng)趨于穩(wěn)定。
此外，美國(guó)其他系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商已實(shí)施市場(chǎng)規(guī)則的相關(guān)變更，包括開發(fā)用于儲(chǔ)能、指定參與模型、降低大小要求、允許聚合和定義持續(xù)時(shí)間要求的獨(dú)特資產(chǎn)類別。但是，這些地區(qū)沒有看到與PJM相同級(jí)別的大規(guī)模電池儲(chǔ)能部署。
2018年2月，F(xiàn)ERC發(fā)布了第841號(hào)命令，要求系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商消除在容量、能源和輔助服務(wù)市場(chǎng)中參與電力儲(chǔ)能資源的障礙。每個(gè)ISO/RTO必須修改其電價(jià)，包括識(shí)別電儲(chǔ)能資源物理操作特性的市場(chǎng)規(guī)則。
六 |美國(guó)國(guó)家級(jí)政策行動(dòng)
除FERC活動(dòng)外，迄今為止，美國(guó)涉及儲(chǔ)能的聯(lián)邦政策已被限制，涉及儲(chǔ)能的大多數(shù)政策行動(dòng)都處于州一級(jí)。國(guó)家一級(jí)的政策行動(dòng)包括制定采購(gòu)任務(wù)、制定激勵(lì)措施，以及要求將儲(chǔ)能納入長(zhǎng)期規(guī)劃?rùn)C(jī)制。
2013年，美國(guó)加州公用事業(yè)委員會(huì)（CPUC）實(shí)施了《2514號(hào)裝配法案》，授權(quán)投資者所有的公用事業(yè)公司在2020年前在輸電、配電和客戶水平上采購(gòu)1325兆瓦的儲(chǔ)能。所有產(chǎn)能必須在2024年前投入使用。
2015年，為了響應(yīng)阿萊克在洛杉磯郊外的阿利索峽谷天然氣儲(chǔ)能設(shè)施要求，加州現(xiàn)有電池儲(chǔ)能容量的60%以上被安裝完畢；此外，俄勒岡州通過了一項(xiàng)法律，規(guī)定到2020年，兩個(gè)電力公司各獲得5兆瓦時(shí)的儲(chǔ)能能量。
2016年5月，為了幫助解決因天然氣供應(yīng)受到限制而帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，CPUC授權(quán)南加州愛迪生電力公司加快對(duì)儲(chǔ)能的招標(biāo)。到2016年12月，系統(tǒng)新增了62兆瓦的電池儲(chǔ)能容量。CPUC還加快了圣地亞哥燃?xì)夂碗娏菊谶M(jìn)行的38兆瓦電池的采購(gòu)。
2017年5月，CPUC通過命令投資方所有的公用事業(yè)公司購(gòu)買最多500兆瓦的分布式儲(chǔ)能裝置（包括不超過125兆瓦的客戶現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)能裝置），實(shí)施了第2868號(hào)裝配法案，生成了激勵(lì)計(jì)劃，為儲(chǔ)能安裝提供財(cái)政激勵(lì)。
2017年6月，馬薩諸塞州能源部制定了到2020年達(dá)到200兆瓦時(shí)的儲(chǔ)能目標(biāo)。
2018年1月，紐約宣布了到2025年1.5千兆瓦的儲(chǔ)能目標(biāo)。截至2018年5月，除加利福尼亞州外的三個(gè)州也制定了儲(chǔ)能授權(quán)或目標(biāo)。
此外，美國(guó)其他一些州，如內(nèi)華達(dá)州，允許將儲(chǔ)能系統(tǒng)納入可再生產(chǎn)品組合標(biāo)準(zhǔn)。除目標(biāo)外，國(guó)家還提供了財(cái)政獎(jiǎng)勵(lì)，包括贈(zèng)款、對(duì)試點(diǎn)項(xiàng)目的支持和稅收獎(jiǎng)勵(lì)。
2018年，馬里蘭貝甘托為住宅和商業(yè)系統(tǒng)的安裝成本提供了30%的稅收抵免。美國(guó)很多州要求公用事業(yè)公司制定綜合資源計(jì)劃，以證明各公用事業(yè)公司能夠通過發(fā)電、輸電和能效投資的組合滿足長(zhǎng)期需求預(yù)測(cè)，同時(shí)將成本降至最低。
將儲(chǔ)能納入這些計(jì)劃可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)閮?chǔ)能不同于傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)和需求側(cè)資源。例如，儲(chǔ)能具有獨(dú)特的操作限制，可以在整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)點(diǎn)上相互連接，可以服務(wù)于各種應(yīng)用程序，并且面臨著政策和可能影響系統(tǒng)盈利能力的法規(guī)。
不過，盡管如此，美國(guó)一些州已經(jīng)開始要求公用事業(yè)將儲(chǔ)能納入綜合資源計(jì)劃，包括亞利桑那州、加利福尼亞州、康涅狄格州、科羅拉多州、佛羅里達(dá)州、印第安納州、肯塔基州、馬薩諸塞州、新墨西哥州、北卡羅來(lái)納州、俄勒岡州、猶他州、弗吉尼亞州和華盛頓州。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，美國(guó)風(fēng)能和太陽(yáng)能的增長(zhǎng)將提供儲(chǔ)能發(fā)展，并提供風(fēng)力或太陽(yáng)能發(fā)電量較大的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的可再生能源，以滿足高峰電力需求。
在長(zhǎng)期規(guī)劃模型中，美國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)建設(shè)依然存在挑戰(zhàn)。由于建設(shè)的目的是提供數(shù)十年的結(jié)果，因此模型結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化經(jīng)常發(fā)生。
根據(jù)美國(guó)EIA（環(huán)境影響評(píng)價(jià)）對(duì)多種能源類型的比較，如風(fēng)能、太陽(yáng)能和儲(chǔ)能，隨著能源儲(chǔ)能市場(chǎng)和應(yīng)用的發(fā)展，美國(guó)將以電池儲(chǔ)能為代表，進(jìn)一步繼續(xù)發(fā)展。（參考資料來(lái)源：美國(guó)能源信息管理局）
