4、第一階段：短時儲能系統(tǒng)以提供運營備用
在上世紀80年代之后，美國儲能市場進入一個低潮期，而到了本世紀初，美國市場才重新燃起對儲能部署興趣。而儲能系統(tǒng)進入批發(fā)市場提供運營備用服務，為其提供了一個直接競爭的機會，并展示了與提供這些服務的傳統(tǒng)發(fā)電設施相比的潛在價值。
盡管運營備用由眾多服務和產品組成，但它們都代表了發(fā)電商或電網運營商增加電力產量或減少電力產量的能力。這些備用服務是根據(jù)不同時間尺度上供需的隨機變化而提供的。不同的運營備用服務之間的區(qū)別有三個因素：
?多少反映了儲能系統(tǒng)的功率，這是以裝機容量（MW）來衡量的。
?多快反映了所需的響應速度，是儲能系統(tǒng)對備用事件的響應所需時間（h）衡量的。
?多長是必須保持電力輸出的持續(xù)時間有多長，對于儲能系統(tǒng)來說，采用儲能容量（MWh）來衡量的。
這三個因素在運營備用的應用如圖4所示，該圖顯示了提供運營備用服務的電力輸出低于最大輸出，并且能夠根據(jù)其運行極限提供一些備用容量。
圖4 運營備用服務的三個特征
盡管特定的運營備用服務由于地區(qū)不同而有不同的名稱，但在這里重點介紹兩大類產品，它們存在于美國所有地區(qū)和市場，并且價值較高：
?應急備用服務用于快速應對大型發(fā)電廠或相關輸電線路發(fā)生故障而導致的容量損失。
?調峰備用服務用于解決電力供應或需求中較小的隨機變化。
總之，任何儲能資產能夠提供的電力服務取決于其裝機容量和運行狀態(tài)，這意味著它必須保持足夠的能量來響應備用事件。
每個區(qū)域的市場還建立了發(fā)電商和電網運營商參與運營儲備供應所需的響應率規(guī)則。例如，電網運營商可能要求發(fā)電設施或儲能系統(tǒng)在10分鐘內增加產量，以提供應急備用服務。
這個規(guī)則還規(guī)定了必須保持增加電力輸出的時間長度，通常在15～30分鐘范圍內。例如，應急備用市場可能需要提供這種服務的發(fā)電設施或儲能系統(tǒng)至少保持30分鐘的電力輸出。對于能夠提供這種服務的裝機容量為1MW儲能系統(tǒng)來說，它需要具有30分鐘的持續(xù)放電時或0.5MWh儲能容量。
第一階段的儲能服務價值
歷史的市場價值可用于估算提供各種服務的儲能系統(tǒng)的近似價值。運營備用服務的價格通常以1小時內可用的儲能容量單位（MWh）來衡量，它代表一段時間內可用于響應的儲能容量。提供應急備用服務的儲能系統(tǒng)即使不需要提供電力，也會為此獲得費用。更簡單地說，儲能系統(tǒng)只需做好響應準備，然后在接到通知時做出響應，就可以獲得收入。2019年，應急備用服務的平均市場價格為3美元/MWh至27美元/MWh，加權平均值約為11美元/MWh。提供應急備用服務的儲能系統(tǒng)基本上是在充電狀態(tài)下“閑置”的，并等待響應。當被調用時，儲能系統(tǒng)將一直放電到事件結束，然后盡快充電，以便恢復到充電狀態(tài)，并再次準備提供應急備用服務。
估算調峰備用服務的價值更為復雜。與很少使用的應急備用不同，提供調峰備用需要根據(jù)需求的隨機微小變化相當頻繁地提供電力。提供調峰備用服務的儲能系統(tǒng)將更加頻繁地充放電，但它會根據(jù)電網需求不斷增加和減少電力輸出。這種頻繁的充放電會導致電池提早退化，并產生額外的成本。然而，調峰備用服務的價格通常高于應急備用的價格；2019年美國的平均調峰備用價格范圍為6美元/MWh到32美元/MWh，而加權平均價格約為15美元/MWh。
在任何一種情況下，儲能系統(tǒng)都可以在接近100%的時間內提供運行備用服務。即使成本下降之前，這種幾乎可以在100%的時間提供的服務為儲能系統(tǒng)提供了一個具有成本效益的切入點。
提供這些服務的一個關鍵方面是，一旦滿足最短的持續(xù)放電時間要求（“多長時間”），持續(xù)放電時間更長的儲能系統(tǒng)就不會獲得額外價值。
圖5(a)顯示了在亞利桑那州公共服務公司的電價6.26美元/ kW-月（75美元/ kW-年）情況下，提供運營備用服務和30分鐘持續(xù)放電時間要求的儲能系統(tǒng)價值的具體示例。一個持續(xù)放電時間為10分鐘的電池儲能系統(tǒng)的裝機容量需要減額到三分之一，以提供30分鐘的電力服務，因此這個電池儲能系統(tǒng)每年將獲得大約25美元/千瓦（100%可用性）收入。這個曲線上的每個點顯示10分鐘儲能系統(tǒng)增量的值。其總值隨著儲能系統(tǒng)持續(xù)放電時間的增加而增加，直到持續(xù)放電時間達到30分鐘，此時為該服務添加額外持續(xù)放電時間的值為零。
(a)假設電價為75美元/千瓦年，儲能系統(tǒng)的總價值和邊際價值示例
(b)假設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 提供運行備用服務的電池儲能系統(tǒng)的價值示例
圖5（b）顯示了提供這一服務的鋰離子電池儲能系統(tǒng)的總收益成本和邊際收益成本(B/C)之間的比率，假設在圖3中的2020年電池儲能系統(tǒng)成本估算和儲能系統(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)放電時間為10分鐘儲能系統(tǒng)的B/C比率小于1。然而，增加第二個10分鐘的B/C比率要高得多，因為它考慮了額外能量的增量收益。而增加的第三個10分鐘的持續(xù)放電時間（總共30分鐘）可以最大化項目的B/C比率。如果為這個儲能項目再增加10分鐘的時間（總共40分鐘），即使邊際B/C比率為零，整個項目的B/C比率仍將大于1。因此，部署持續(xù)放電時間為40分鐘的儲能項目似乎是一項合理的投資。但是，將持續(xù)放電時間從30分鐘增加到40分鐘，實際上會降低儲能項目的整體回報，并不是一個最佳投資，這也反映在30分鐘之后的零邊際價值曲線中。邊際價值的這種變化就是將邊際成本和收益作為持續(xù)放電時間的函數(shù)進行比較至關重要的原因。
儲能系統(tǒng)提供具有成本競爭力的運行各用的能力促使美國大量部署持續(xù)放電時間為1小時或更短的時間的儲能系統(tǒng)（見表2）。
表2. 2011-2019年持續(xù)放電為1小時或更短的公用事業(yè)規(guī)模（>0.5MW）儲能部署情況
表2中的儲能系統(tǒng)包括部署的裝機容量為656MW的鋰離子電池儲能系統(tǒng)、47MW的飛輪儲能設施和18MW的其他電池儲能系統(tǒng)。
第一階段儲能部署的限制：總體要求
第一階段受限于美國電力系統(tǒng)所需的高價值運營備用服務的總量，如圖6所示。調峰備用的需求由凈負荷的變化大小所驅動，應急備用的需求是由輸電線路故障的規(guī)模所驅動。這兩項服務在美國的總需求量約為18GW；相比之下，美國峰值需求超過600GW。這意味著這些市場有可能迅速飽和。
除了現(xiàn)有的運營備用市場之外，現(xiàn)有頻率響應要求的貨幣化可能會增加第一階段的儲能部署規(guī)模。頻率響應是發(fā)電設施快速自動響應頻率變化的能力，通常由裝有調速器的發(fā)電設施提供。這是目前僅在德克薩斯州電力可靠性委員會(ERCOT):地區(qū)提供的市場服務，但美國其他地區(qū)對頻率響應市場的興趣正在增長。而估算頻率響應的潛在價值是困難的；鑒于頻率響應需要更高的響應率，調峰備用的市場價格可能是一個合理的下限。然而，與其他儲能系統(tǒng)提供的服務一樣，調峰備用潛在市場總量有限，美國的頻率響應市場的需求約為8.2GW?？傮w而言，這將導致用于運營備用的短時儲能系統(tǒng)的部署低于26GW（如圖6所示），第一階段儲能部署的經濟機會可能遠遠低于這一水平。
圖6.美國電網對第一階段儲能系統(tǒng)可能提供的運行備用服務的當前要求
5、第二階段： 電池儲能系統(tǒng)在電力需求峰值期間應用的興起
隨著第一階段的運營備用市場飽和以及電池價格下降創(chuàng)造了新的機會，美國一些地區(qū)過渡到第二階段：部署持續(xù)約2～6小時的電池儲能系統(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)極寒時期短期峰值需求。調峰容量通常由循環(huán)燃氣輪機或內燃發(fā)電機提供的。然而，電池成本的持續(xù)下降提高了電池儲能系統(tǒng)競爭力。美國一些州已經進入第二階段，并開始部署電池儲能系統(tǒng)替代峰值發(fā)電廠。
在第一階段，由于電池儲能系統(tǒng)裝機容量的限制，通常只部署提供單一服務的短時儲能系統(tǒng)。而主要旨在提供運行備用服務的儲能系統(tǒng)很難提供額外電力服務。
而用于調峰的電池儲能系統(tǒng)通常提供多種電力服務，其中包括提供運行備用和能源時移等服務。這樣的電池儲能系統(tǒng)可以同時提供容量和能量轉移服務，因為電力價格最高的時期與峰值需求期間高度相關（電池儲能系統(tǒng)在此期間放電）。而電力低價時期也是低需求時期（電池儲能系統(tǒng)在此期間充電），因此當有大量備用容量可用于停電風險較低時。因此，容量和能量時移這兩項服務可以堆疊。
除了容量和能量轉移之外，持續(xù)放電時間更長的電池儲能系統(tǒng)還可以提供運行備用服務。電池儲能系統(tǒng)在充電時，只要充電達到足以滿足備用時長要求，并已預留足夠的能量來滿足其容量服務，就可以提供運行備用服務。它還可以在充電和放電之間的“空閑”期間提供這樣的服務。
因此，第一階段和第二階段中的儲能系統(tǒng)可能會有相當大重疊，因為第二階段部署的電池儲能系統(tǒng)還提供運營備用服務以增加收入。在成本足夠低的情況下，一些地區(qū)可能會通過使用持續(xù)放電時間為2小時到6小時的儲能系統(tǒng)來提供能源、容量和運行備用服務，從而在很大程度上跳過第一階段。
因此，而峰值容量的價值是過渡到第二階段的主要驅動力，盡管提供備用服務作為輔助應用可能會產生一些額外價值。
