中國儲能網(wǎng)訊：第8章 具有儲能系統(tǒng)的脫碳電力系統(tǒng)的治理
8.1簡介
此項研究的總體目標是探討儲能系統(tǒng)在降低未來電力系統(tǒng)總成本方面發(fā)揮的作用。而其研究主要關注美國電力系統(tǒng)和其經(jīng)濟范圍內的脫碳。盡管研究團隊討論的問題與其他發(fā)達地區(qū)相關，而他們得出的基本結論是，未來的脫碳電力系統(tǒng)將與當前的電力系統(tǒng)有著很大的不同，這將使當今的技術和措施越來越不充分。研究團隊建議監(jiān)管機構和電網(wǎng)運營商現(xiàn)在應該采取一些措施來應對這一挑戰(zhàn)。由于未來脫碳電力系統(tǒng)的有效治理將需要開發(fā)和部署新工具以及改革規(guī)則和法規(guī)，因此這一研究可以發(fā)揮重要作用。
在未來的脫碳電力系統(tǒng)中，風力發(fā)電和太陽能發(fā)電發(fā)揮的作用比當前重要得多。例如，國際能源署(IEA)最近在對全球脫碳路徑的研究報告中預測，到2050年，風力發(fā)電量和太陽能發(fā)電量將占全球發(fā)電量的70%，高于2020年的9%。風能和太陽能通常統(tǒng)稱為可再生能源，其發(fā)電是間歇性的：它們的電力輸出既可變又不能完全可預測，因為主要取決于風力和陽光資源可用性的變化，而不是電力系統(tǒng)運營商平衡供應和跟隨電力需求的變化（電力系統(tǒng)運營商現(xiàn)在管理大部分化石燃料發(fā)電設施電力輸出的方式），通過在基于投標或基于邊際成本的經(jīng)濟調度來提高需求（見圖8.1）。相比之下，在具有高比例可再生能源的電力系統(tǒng)中，由于風力和陽光強度的變化，電力供應量將隨著變化，并且其變化可能會非常突然。因此，未來的電力系統(tǒng)將需要應對前所未有的電力供應波動，以可靠地平衡電力供需?，F(xiàn)有的電力系統(tǒng)用于應對天氣引起的需求波動。而在未來，天氣變化引起的供電波動將影響電力供需；這些影響通常是相關的；這些相關性也會隨著天氣變化而變化。例如，空調需求增加和風力發(fā)電量減少可能與炎熱的日子有關。在大面積云層覆蓋的日子里，電力系統(tǒng)中的太陽能發(fā)電設施的電力輸出將會減少，從而產(chǎn)生高度相關性——而在以傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電為主的電力系統(tǒng)中基本上不存在發(fā)電設施之間的相關性。通過彌補可再生能源供需變化之間的差距，儲能系統(tǒng)將在采用高比例可再生能源的電力系統(tǒng)中平衡電力供需方面發(fā)揮重要作用。
圖8. 1電力系統(tǒng)的經(jīng)濟調度曲線
各種行業(yè)領域的電氣化可能會加劇這個問題。電力的某些用途（例如為電動汽車充電或電解生產(chǎn)氫氣）可能會通過減少運營以應對電力供應減少，從而有助于平衡電力供需。其他的情況可能會導致新的峰值負荷，這可能與天氣變化相關，同時減少了可再生能源的發(fā)電量，并使得供需平衡變得更加困難。
由于儲能系統(tǒng)可以在平衡電力供需方面發(fā)揮關鍵作用，從而保持具有高比例可再生能源的電力系統(tǒng)的可靠性，并且由于預計儲能技術成本大幅下降，因此在未來的脫碳電力系統(tǒng)中應該更加重要，并發(fā)揮比現(xiàn)在更多的作用。當今的電力系統(tǒng)運營商使用的方法以及相關監(jiān)管規(guī)則和政策制度，主要是為依賴可調度發(fā)電設施的電力系統(tǒng)開發(fā)的。正如研究團隊在本章中所討論的，投資和部署儲能系統(tǒng)以使其在未來的脫碳電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用，將會帶來新的運營和融資挑戰(zhàn)。它還將在監(jiān)管和市場設計方面提出挑戰(zhàn)，而這是本章的重點。
在當今競爭激烈的電力市場中，批發(fā)價格反映了發(fā)電設施在每個潛在需求的發(fā)電邊際成本。當需求低時，電力系統(tǒng)的邊際成本相對較低。當需求非常高時，平衡供需所需的最高成本發(fā)電的邊際成本可能非常高。簡而言之，經(jīng)濟調度曲線向上傾斜且相當穩(wěn)定，如圖8.1所示。員t系統(tǒng)運營商面臨的挑戰(zhàn)是隨著電力需求在每小時、每天、不同季節(jié)等方面的變化，沿著經(jīng)濟調度曲線調整可調度發(fā)電設施的輸出。對于具有可調度的化石燃料發(fā)電設施的電力系統(tǒng)，其典型的經(jīng)濟調度模型中沒有部署儲能系統(tǒng)。
與圖8.1中描述的電力系統(tǒng)相比，該電力系統(tǒng)建立在具有穩(wěn)定邊際成本（反映不同的熱效率和燃料成本）的可調度發(fā)電設施之上，可再生能源發(fā)電的供應該根據(jù)風力和陽光的外生變化而上下波動。因此，不存在圖8.1中描述這樣簡單的經(jīng)濟調度曲線。此外，風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的短期邊際成本始終接近于零。由此類發(fā)電設施主導的電力市場面臨設計挑戰(zhàn)：如何提供反映生產(chǎn)邊際成本的批發(fā)和零售價格信號，同時仍產(chǎn)生涵蓋投資和運營成本的預期收入。此外，如第1章和第6章所述，許多儲能技術的邊際運營成本也接近于零，并且在充電/放電循環(huán)中損失的能量相對較少。因此，這些技術引發(fā)了類似的市場設計問題。此外，以可再生能源和儲能技術為主的電力系統(tǒng)的運行特性，將會引發(fā)了重大的公平和風險承受能力問題，這些問題必須在設計未來的零售定價機制時加以解決。
8.2 高比例可再生能源電力系統(tǒng)的效率
在脫碳經(jīng)濟中，對電力系統(tǒng)的整體效率有兩個要求：首先，電力的生產(chǎn)和交付的總成本應該盡可能低，其中包括任何意外停電或減載的成本以及為了滿足碳排放限制采用的技術及其成本。這一效率通常被稱為生產(chǎn)效率，意味著生產(chǎn)和交付的成本反映現(xiàn)有技術的有效使用率，而需要重視生產(chǎn)效率面臨的兩個新挑戰(zhàn)。
首先，生產(chǎn)效率需要通過支持電力系統(tǒng)有效投資和運營決策的政策來實現(xiàn)碳排放限制。正如經(jīng)濟學家?guī)资陙硪恢痹跔幷摰哪菢樱行p少碳排放的核心要素是為碳排放設定一個適當?shù)膬r格，或者采取對碳排放征稅的形式，或者采取類似的總量控制與交易機制。
研究團隊假設碳定價政策已經(jīng)到位，就像研究團隊在第6章的建模練習中一樣。事實上，需要使用替代方案（包括可再生能源標準、清潔能源標準、投資稅收抵免和生產(chǎn)稅收抵免、上網(wǎng)電價以及適用的儲能系統(tǒng)的凈計量政策），而不是提高碳定價這樣不必要的電力成本，因此不利于通過電氣化實現(xiàn)經(jīng)濟范圍內的脫碳目標。由于研究團隊在建模工作中關注2050年的發(fā)展，研究團隊希望到未來的公共政策將演變?yōu)橹饕揽扛行У臋C制來為脫碳提供激勵。
實現(xiàn)最低成本的電力生產(chǎn)和交付的第二個復雜的新挑戰(zhàn)是，如上所述，現(xiàn)有市場和機制并不是為了有效利用儲能系統(tǒng)。雖然第6章中描述的建模分析側重于使用儲能系統(tǒng)來執(zhí)行跨期能源套利的潛力（有效地將可再生能源的電力從一個時間段轉移到另一個時間段），但正如研究團隊在第1章中討論的那樣，儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)還將提供更多的價值。低成本的電力生產(chǎn)和傳輸要求涉及儲能系統(tǒng)的投資和運營決策反映其所有價值。此外，一些電池儲能技術（特別是鋰離子電池）可以在小范圍內相對有效地部署。家庭、商業(yè)建筑或工業(yè)設施中的電池儲能系統(tǒng)也可以在批發(fā)層面有效地提供各種服務，但現(xiàn)有的公用事業(yè)法規(guī)、批發(fā)電力市場和零售定價制度并非旨在促進它們在批發(fā)層面的有效參與。
對電力系統(tǒng)效率的第二個要求是相關的：“零售價格”也就是為最終用戶提供的電力服務價格，并可能為第三方控制和使用某些負載提供激勵、電動車輛充電或其他電力負載。這個要求應該支持反映邊際成本的短期和長期決策?？稍偕茉吹倪呺H成本應該指導位于客戶的小型發(fā)電設施和儲能系統(tǒng)的投資和運營決策，以及使電力需求能夠響應短期價格變化的投資。支持零售費率對于支持成本最低的經(jīng)濟范圍內的電氣化作為經(jīng)濟范圍內脫碳的關鍵部分至關重要。
盡管存在局限性，但第6章中的優(yōu)化分析對采用高比例可再生能源的電力系統(tǒng)的特性具有重要意義。研究團隊的優(yōu)化是希望在碳排放限制的情況下最大限度地降低總體成本。所有決策由單個變量優(yōu)化驅動：能源邊際成本，反映每個時間間隔內發(fā)電或儲能系統(tǒng)供應成本的數(shù)值。在理論上，通過將可再生能源的邊際價值視為實際現(xiàn)貨價格，可以將這些優(yōu)化分析的結果轉化為完全競爭下的市場均衡，即在只有能源市場的系統(tǒng)中。在優(yōu)化的系統(tǒng)中，邊際成本作為完全競爭條件下的市場價格：指導調度和其他運營決策，以及所有投資決策。
第6章中建模的高效電力系統(tǒng)的兩個特征對市場和治理機構的設計具有特別重要的意義。首先，能源現(xiàn)貨批發(fā)價格的模型分布與現(xiàn)貨價格的當前分布非常不同。即使儲能系統(tǒng)被最佳地部署為“低買高賣”（從而將電力從充足時期轉移到短缺時期）。這反映了短期邊際成本接近于零的可再生能源發(fā)電的可變性、最優(yōu)解決方案中可再生能源發(fā)電的過剩供應以及需求側的可變性。
在研究團隊的模型中，實際上必須為每個時間點所需的電力支付邊際系統(tǒng)成本的用戶在理論上將面臨有效消費和投資的正確激勵。然而在實踐中，這種情況下最終用戶面臨的風險將是巨大的，對于家庭用戶和小型企業(yè)來說，這可能是無法容忍的。這些風險在2021年2月德克薩斯州的能源危機中顯現(xiàn)出來。幸運的是，正如研究團隊在第8.6節(jié)中所討論的，批發(fā)價格完全傳遞到零售價格對于誘導生產(chǎn)者和消費者的有效行為并不是必需的措施。
具有重要意義的高滲透率的可再生能源的電力系統(tǒng)的第二個特征是，電網(wǎng)規(guī)模和客戶場所的儲能系統(tǒng)是電力系統(tǒng)基本上其他元素的潛在替代品。有效的治理必須能夠在這些要素中做出成本最低的選擇。具有高比例可再生能源的電力系統(tǒng)中的最佳儲能容量與可再生能源發(fā)電量相輔相成，通過減少棄電需求和減輕間歇性發(fā)電來增加其價值。對碳排放的更嚴格限制會減少天然氣發(fā)電的使用，這將由長時儲能系統(tǒng)代替，從而增加儲能價值。通過需求響應在電力供應短缺時減少負載將減少需要部署的儲能系統(tǒng)。
更強大的區(qū)域和跨區(qū)域輸電網(wǎng)絡允許使用更多的風力發(fā)電和太陽能發(fā)電設施，并實現(xiàn)更廣泛的地理多樣化，從而降低可變性，并允許例如美國西部運營的太陽能發(fā)電設施將為美國東部的夜間負荷供電。增加輸電容量還減少了儲能系統(tǒng)的部署。最后，對于需求快速增長的電力系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)可以通過延遲擴展輸電系統(tǒng)或配電系統(tǒng)的需要來降低成本。
8.3 市場和制度結構
如上所述，電力系統(tǒng)表現(xiàn)出廣泛的市場和制度結構。傳統(tǒng)上，大部分電力是由垂直整合的投資者擁有的公用事業(yè)公司生產(chǎn)的，這些公司主要根據(jù)美國國家監(jiān)管委員會規(guī)定的零售電價出售給最終客戶。在垂直整合(VI)的電力系統(tǒng)中，公用事業(yè)公司擁有并控制發(fā)電、輸電和配電設施，為其服務區(qū)域內的零售消費者提供服務。此外，垂直整合的公用事業(yè)公司向合作社和市政公用事業(yè)公司銷售電力，而這些公用事業(yè)公司又根據(jù)美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(FERC)規(guī)定的批發(fā)合同向最終客戶銷售電力。
在美國東南部、西南部和西部大部分地區(qū)，傳統(tǒng)的垂直整合電力模型仍然占主導地位。因此，第8.4節(jié)考慮了對所有發(fā)電、輸電、儲能和配電資產(chǎn)擁有或簽訂合同的受監(jiān)管、垂直整合、投資者所有的公用事業(yè)公司的有效治理。公用事業(yè)公司并不擁有發(fā)電或儲能客戶場所的資產(chǎn)。在州和聯(lián)邦層面受到監(jiān)管。公用事業(yè)公司在向最終客戶提供電力方面并沒有競爭，零售客戶根據(jù)公用事業(yè)公司規(guī)定的零售電價支付費用。在這種案例結構中，批發(fā)市場價格并不透明。而在這種情況下，要求供電的短期邊際成本應該驅動決策，盡管在傳統(tǒng)上，并不隨著時間變化的零售電價被設定為公用事業(yè)公司的平均成本。當電力系統(tǒng)供電受限，供需平衡必須來自需求方時，相關邊際成本和現(xiàn)貨價格是未服務負荷的價值，其名稱為電力失負荷價值（VOLL）。
從上世紀90年代開始，美國大部分地區(qū)以及其他國家的電力部門進行了重組，以提供能源和輔助服務，例如備用容量和頻率調節(jié)。其基本思想是，這些市場的電力現(xiàn)貨價格將指導所有電力運營和投資決策，就像研究團隊優(yōu)化模型中電力的價值一樣。美國的七個區(qū)域實體稱為獨立系統(tǒng)運營商(ISO)或區(qū)域輸電組織(RTO)，現(xiàn)在運營這些市場和區(qū)域輸電系統(tǒng)并參與一些區(qū)域規(guī)劃。為簡單起見，研究團隊在討論中將它們都稱為獨立系統(tǒng)運營商(ISO)，這些公司管理和供應美國約60%的電力。
在美國的一些地區(qū)，電力部門重組伴隨著發(fā)電、輸電和配電的分離，以及發(fā)電的額外橫向分解。這些變化和商業(yè)發(fā)電機的進入導致非公用事業(yè)發(fā)電設施發(fā)揮更大的作用，在2020年占美國電力供應的47%左右。此外，美國14個州的電力分配仍然受到監(jiān)管，但有競爭力的零售供應商可以在批發(fā)市場購買電力并將其轉售給零售客戶。
為能源和輔助服務開發(fā)有競爭力的批發(fā)電力市場比許多人預期的還要復雜，但在當今主要依賴可調度化石燃料發(fā)電資源的電力系統(tǒng)中，這些市場現(xiàn)在在大多數(shù)情況下都具有良好的運營績效。然而，能源價格已被限制在遠低于損失負荷的價值(VolL) 的合理水平，并且已經(jīng)制定的電力系統(tǒng)可靠性標準從經(jīng)濟角度來看往往過高。獨立系統(tǒng)運營商(ISO)有時會采取退出市場行動來應對以下情況。強調電力系統(tǒng)的供需平衡 ，并管理相關的可靠性問題。因此，來自能源和輔助服務市場的收入通常沒有為滿足適用可靠性標準所需水平的發(fā)電投資提供足夠的激勵。這導致了資金短缺問題。同樣，由于它們限制了價格波動，具有低價格上限的能源和輔助服務市場可能會導致對儲能系統(tǒng)的投資。
為了應對資金短缺問題和發(fā)電設施投資不足引發(fā)的可靠性問題，美國大多數(shù)重組地區(qū)都增加了容量市場或相關的資源充足機制，以補充能源和輔助服務市場收入，以確保容量足以滿足可靠性標準。美國政府的氣候和清潔能源政策對可再生能發(fā)電設施和儲能的要求，導致對重組區(qū)域內的投資決策進行額外的監(jiān)管干預。這導致了所謂的混合系統(tǒng)，其中批發(fā)市場指導運營，但投資決策受到資源充足政策、政府脫碳承諾、政府強制采購劃部署可再生能發(fā)電設施和儲能系統(tǒng)以及相關監(jiān)管決策的嚴重影響。然而，這些電力系統(tǒng)中通常適用于能源、輔助服務和容量市場的規(guī)則在設計時并未考慮到儲能系統(tǒng)，現(xiàn)有資產(chǎn)的所有者并不急于鼓勵部署儲能系統(tǒng) 。美國聯(lián)邦和一些州正在努力改革這些規(guī)則。這些努力很重要，應該得到鼓勵。
第8.5節(jié)考慮了電力系統(tǒng)完全重組的極端情況，其中包含部署可再生能源發(fā)電設施和電網(wǎng)規(guī)模儲能系統(tǒng)的供應商。在這種結構中，輸配電仍然受到監(jiān)管，獨立系統(tǒng)運營商（ISO）為能源和輔助服務批發(fā)市場制定規(guī)則并運營，受到美國聯(lián)邦能源管理委員會監(jiān)管。與沒有批發(fā)市場的垂直整合公用事業(yè)公司相反，客戶在其場所內為分布式發(fā)電和儲能系統(tǒng)做出投資和運營決策。美國各州和聯(lián)邦法規(guī)在這種結構中都很重要。德克薩斯州電力可靠性委員會(ERCOT)可能最接近這種模式的例證，但美國東北部的電力系統(tǒng)也進行了大規(guī)模重組，使用了類似的批發(fā)能源市場設計，但增加了容量市場。
8.4 受監(jiān)管、垂直整合的電力系統(tǒng)
原則上，受監(jiān)管的垂直集成的電力系統(tǒng)可以最大限度地降低成本，從而實現(xiàn)生產(chǎn)效率，系統(tǒng)邊際成本和電力失負荷價值（VOLL）代表批發(fā)市場現(xiàn)貨價格。然而在實踐中，即使生產(chǎn)效率是公用事業(yè)公司的目標之一，實現(xiàn)它也很困難，其中有幾個原因：競爭性市場提供的成本控制措施大多缺失，監(jiān)管不完善并受制于利益集團，可再生能源的大規(guī)模發(fā)電和存儲給運營和投資決策帶來了新問題。
如第6章所述，垂直整合的公用事業(yè)公司通常沒有擁有和運營高比例可再生能源的電力系統(tǒng)的豐富經(jīng)驗，在這些電力系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)扮演著多種重要角色。同樣，大多數(shù)公用事業(yè)公司和系統(tǒng)運營商歷來對發(fā)電（包括購買的電力）、輸電和配電都有單獨的規(guī)劃流程，并且在規(guī)劃中幾乎沒有包括部署和采用電網(wǎng)規(guī)模儲能系統(tǒng)的經(jīng)驗。公用事業(yè)公司和電力系統(tǒng)運營商在美國各州和聯(lián)邦監(jiān)管機構的支持下，需要與大學、實驗室和其他機構進行合作研究，以開發(fā)工具管理電力系統(tǒng)，并在其長期規(guī)劃過程中更好地集成發(fā)電、輸電、存儲和配電選項。
采和儲能系統(tǒng)的高比例可再生能源的電力系統(tǒng)也將給美國各州和聯(lián)邦監(jiān)管機構帶來重大的新挑戰(zhàn)。由于公用事業(yè)公司對監(jiān)管產(chǎn)生的激勵措施做出反應，因此監(jiān)管機構擁有必要的專業(yè)人員和資源來設計和實施適合快速變化的環(huán)境，以及提高效率的激勵措施是很重要的。目前，大多數(shù)機構缺乏足夠的技術和經(jīng)濟專業(yè)知識來有效應對這些挑戰(zhàn)。為了在不產(chǎn)生過多成本的情況下實現(xiàn)電力系統(tǒng)和更廣泛的經(jīng)濟的脫碳，必須糾正這些缺陷。
建議8.1 應該大幅增加美國各州和聯(lián)邦監(jiān)管機構具有技術和經(jīng)濟專業(yè)知識以及預算的員工，以增強這些機構設計和實施監(jiān)管機制的能力。
由于美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(FERC)監(jiān)管輸電和批發(fā)能源和容量市場，而各州監(jiān)管零售電價和其他一切，受監(jiān)管的垂直整合公用事業(yè)公司可能利用所在州和聯(lián)邦監(jiān)管之間的差異（這種做法有時稱為監(jiān)管套利）導致低效投資決策的方式。另一方面，讓美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(FERC)和各州嘗試各種組織和監(jiān)管方法可能是有價值的。隨著電力行業(yè)的所有利益相關者進入未知領域，監(jiān)管機構之間加強溝通可能具有相當大的價值。
在許多情況下，位于客戶場所有用戶側儲能系統(tǒng)可以經(jīng)濟高效地提供電網(wǎng)規(guī)模儲能和發(fā)電相關服務，特別是由聚合商運營。但是，受監(jiān)管的公用事業(yè)公司更愿意擁有和使用儲能系統(tǒng)。各州監(jiān)管機構應該努力確保這樣不會導致缺乏競爭力，而在另一方面，對儲能系統(tǒng)所有權的限制（以及影響安裝的儲能系統(tǒng)裝機容量和類型的其他干預措施），可能會通過阻止儲能系統(tǒng)選擇獲取所有批發(fā)和與客戶相關的價值流。
建議8.2 美國各州監(jiān)管機構應制定規(guī)則，允許安裝在客戶的儲能系統(tǒng)和發(fā)電資產(chǎn)所有者在適當?shù)臈l款和條件下向垂直整合的公用事業(yè)公司提供服務，以促進對用戶側發(fā)電設施和儲能系統(tǒng)的有效投資和使用。
確保安裝在客戶場所的設備提供的儲能服務的適當條款可能需要以電力系統(tǒng)邊際成本從這些設備購買和銷售能源。
與其擁有和運營受傳統(tǒng)回報率監(jiān)管的電力設施，受監(jiān)管的垂直整合公用事業(yè)公司使用競爭性招標來采購發(fā)電、存儲和傳輸容量，或者最好是使用通過與第三方可再生能源和儲能供應商簽訂的長期合同，以技術中立的方式對不同類型的能源資產(chǎn)提供的服務進行投標。如果滿足績效標準（例如可用性），這些合同應涉及固定付款，因為從所涉及的能源設施生產(chǎn)更多電力的邊際成本通常接近于零。
（未經(jīng)允許，嚴禁轉載，不足之處，歡迎批評指正，未完待續(xù)）
