中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：6.3.4 未來(lái)的能源邊際值
（1）批發(fā)能源的價(jià)格波動(dòng)
建模中的電力系統(tǒng)的能源邊際值，可以作為由區(qū)域輸電組織(RTO)或獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(ISO)組織在美國(guó)批發(fā)電力市場(chǎng)中的現(xiàn)貨價(jià)格或邊際價(jià)格。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用圖6.22所示的頻帶檢查邊際值的分布，研究了碳排放限制和儲(chǔ)能容量對(duì)能源邊際值分布的影響。這些范圍包括以下邊際值：(1)0～5美元/MWh，主要以高比例可再生能源發(fā)電期間為特征；(2)5～50美元/MWh，天然氣發(fā)電是邊際發(fā)電；(3)50～200美元/MWh，當(dāng)天然氣發(fā)電設(shè)施需要啟動(dòng)且其相關(guān)成本必須回收時(shí)；(4)200美元/MWh以上，這對(duì)應(yīng)于稀缺事件，包括儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間和甩負(fù)荷事件。因?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)的邊際成本基于機(jī)會(huì)成本，所以它會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化——因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)充電和放電可以發(fā)生在所有電力價(jià)格變化范圍內(nèi)。
圖6.22 德克薩斯州的基本情況假設(shè)（僅限鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)）下的能源邊際值
與之前的研究一致，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)可再生能源滲透率增加會(huì)導(dǎo)致一些時(shí)間的電力價(jià)格非常低。
與直覺(jué)相反，以變異系數(shù)(CoV)衡量的價(jià)格分布隨著碳排放限制的日益嚴(yán)格而下降（表6.14），因?yàn)殡娏r(jià)格高的時(shí)間有限增加了未加權(quán)平均值。因此，批發(fā)電力現(xiàn)貨價(jià)格的水平、范圍和變化很可能與當(dāng)今獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(ISO)和區(qū)域輸電組織(RTO)管理的批發(fā)市場(chǎng)中的情況大不相同，如圖6.22中德克薩斯州的基本情況所示。
研究團(tuán)隊(duì)的研究表明，隨著碳排放限制政策的收緊，持續(xù)時(shí)間的持續(xù)增加，其邊際值成本低于5美元/MWh，價(jià)格區(qū)間持續(xù)下降5～50美元/MWh。這些趨勢(shì)反映了可再生能源發(fā)電份額的增加和天然氣發(fā)電量的下降。圖6.22表明，在5gCO2/kWh的情況下，0～5美元/MWh的價(jià)格范圍包括高達(dá)62%的時(shí)間。如前所述，此處建模的0gCO2/kWh案例反映了對(duì)凈零碳電力系統(tǒng)的嚴(yán)格定義——僅依賴可再生能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)并導(dǎo)致分布兩端的邊際價(jià)值大幅增加。而隨著碳排放限制收緊，這導(dǎo)致平均價(jià)格持續(xù)上漲。
研究團(tuán)隊(duì)的模型結(jié)果基于有效代表純粹能源電力市場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其中所有批發(fā)（以及零售）交易均以電力現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格進(jìn)行。雖然不能直接比較，但研究團(tuán)隊(duì)從德克薩斯州電力可靠性委員會(huì)(ERCOT)市場(chǎng)中參考了最新的（2019年）現(xiàn)貨價(jià)格，并總結(jié)了它們的分布。從圖6.22可以清楚地看出，隨著德克薩斯州的電力系統(tǒng)脫碳，批發(fā)能源價(jià)格分布發(fā)生相當(dāng)大的變化。與2019年相比，研究團(tuán)隊(duì)的模型結(jié)果意味著更多的低價(jià)時(shí)段和更多的高價(jià)時(shí)段。但是可以注意到，研究團(tuán)隊(duì)并未嘗試對(duì)德克薩斯州電力可靠性委員會(huì)(ERCOT)服務(wù)區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的建模。其采用可能影響價(jià)格信號(hào)的市場(chǎng)干預(yù)和容量補(bǔ)償機(jī)制。此外，美國(guó)的其他獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(ISO)和區(qū)域輸電組織(RTO)或歐盟的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商尚未采用純粹能源批發(fā)市場(chǎng)模式。美國(guó)大多數(shù)電力系統(tǒng)也有容量市場(chǎng)和相對(duì)較低的能源市場(chǎng)價(jià)格上限，這會(huì)將一些現(xiàn)貨價(jià)格變化（以及研究團(tuán)隊(duì)目前討論的收入變化）轉(zhuǎn)變?yōu)槿萘績(jī)r(jià)格。然而，由于任何電力系統(tǒng)都必須滿足盈虧平衡的限制條件，因此從理論上說(shuō)，每種技術(shù)的總收入應(yīng)該不受影響，盡管容量市場(chǎng)的增加可能會(huì)影響盈虧平衡的容量組合。
為了說(shuō)明能源的邊際價(jià)值如何與電力系統(tǒng)運(yùn)行和可再生能源資源可用性相關(guān)，研究團(tuán)隊(duì)比較了圖6.23中的兩個(gè)時(shí)間框架。左側(cè)的時(shí)間間隔具有高可再生能源資源可用性，這導(dǎo)致頻繁的可再生能源削減（顯示為可再生能源潛力和服務(wù)負(fù)載之間的區(qū)域）。因此，能源的邊際價(jià)值接近0美元/MWh。當(dāng)使用碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)的天然氣發(fā)電設(shè)施需要在特定的時(shí)間間隔內(nèi)運(yùn)行時(shí)，其價(jià)格約為60美元/MWh，而當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)放電以滿足負(fù)載時(shí)，也觀察到約250美元/MWh的價(jià)值峰值。相比之下，圖中右側(cè)顯示了可再生能源可用性較低的時(shí)期，在此期間，通常需要天然氣發(fā)電來(lái)滿足超過(guò)可再生能源電力輸出的負(fù)載要求。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 (CCGT)和碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)處于邊緣時(shí)，其價(jià)格約為60美元/MWh。如果還需要不帶碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)的開(kāi)放式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)（OCGT），其價(jià)格將攀升至100/MWh～130美元/MWh，而當(dāng)不帶碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)的開(kāi)放式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)（OCGT）運(yùn)行時(shí)（第29～30天），其價(jià)格在150/MWh～180美元/MWh之間。
圖6.23 德克薩斯州在10 gCO2/kWh的基本情況假設(shè)（僅鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)）下的系統(tǒng)運(yùn)行和能量邊際值
圖6.24表明，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)（液流電池 、金屬空氣電池、熱儲(chǔ)能或氫氣儲(chǔ)能）的成本優(yōu)化部署主要用于減少能源邊際價(jià)值較高（即高于200美元/MWh）的頻率，并增加接近或低于50美元/MWh的邊際價(jià)值。后一種效果與通過(guò)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)部署看到的可再生能源縮減減少一致（圖6.10）。表6.1表明，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)傾向于降低能量的未加權(quán)平均值，同時(shí)也降低能量邊際值的波動(dòng)性，以變量系數(shù)(COV)衡量，相對(duì)于基本情況（表6.14中的TM0）。在建模的不同碳排放限制條件下，與電力系統(tǒng)中存在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)資源時(shí)的基本情況相比，其波動(dòng)性平均降低了33%。雖然長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)度可以幫助消除能源邊際價(jià)值的一些波動(dòng)，但長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的存在本身并不能改變更廣泛的趨勢(shì)，即在能源邊際價(jià)值接近于零的情況下增加小時(shí)數(shù)以及在碳限制下增加峰值價(jià)格。
圖6.24 德克薩斯州不同儲(chǔ)能組合的能源邊際價(jià)值
研究發(fā)現(xiàn)，未來(lái)低碳電力系統(tǒng)中能源邊際價(jià)值的水平、范圍和變化將與當(dāng)今獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(ISO)和區(qū)域輸電組織(RTO)或管理的批發(fā)市場(chǎng)中的價(jià)值大不相同。
（2）收入分析
在此處使用的容量擴(kuò)展模型(CEM)建模中，它涉及具有完美遠(yuǎn)見(jiàn)和規(guī)模回報(bào)的最低成本線性優(yōu)化，所有資源都實(shí)現(xiàn)收支平衡，這意味著建模期間的總收入等于總投資和運(yùn)營(yíng)成本。
通過(guò)按價(jià)格區(qū)間分析系統(tǒng)運(yùn)行和收入分配，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)不同的技術(shù)在不同的價(jià)格區(qū)間運(yùn)行并以不同的方式獲得收入，這取決于給定技術(shù)是邊際資源的可能性（圖6.25）。隨著碳排放限制更加嚴(yán)格，可再生能源發(fā)電設(shè)施的以更低的價(jià)格運(yùn)行，并開(kāi)始依靠更少的高價(jià)時(shí)間來(lái)賺取盈虧平衡所需的收入。例如，對(duì)于10gCO2/kWh克和5gCO2/kWh時(shí)情況下的風(fēng)力發(fā)電，其90%和96%的收入來(lái)自風(fēng)力發(fā)電價(jià)格高（高于50美元/MWh）期間提供的33%和35%的能源。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施、鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和天然氣發(fā)電、碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)）的結(jié)果相似，這意味著在能源批發(fā)電力市場(chǎng)下，這些資源需要在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)獲得大部分收入設(shè)計(jì)。此外，優(yōu)化確保模型中的全部成本回收，因?yàn)槟Ｐ图僭O(shè)負(fù)載和可再生能源可用性可以預(yù)見(jiàn)。實(shí)際上，很難為發(fā)電和儲(chǔ)能資產(chǎn)的投資提供資金，因?yàn)檫@些資產(chǎn)的大部分收入必須依賴于一年的少數(shù)運(yùn)營(yíng)時(shí)間。
圖6.25 德克薩斯州按價(jià)格區(qū)間劃分的技術(shù)運(yùn)營(yíng)情況
6.4 結(jié)論和要點(diǎn)
本章詳細(xì)介紹了研究團(tuán)隊(duì)的建模分析結(jié)果，探討了到2050年在向低碳電力系統(tǒng)過(guò)渡中采用儲(chǔ)能系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)因素。研究團(tuán)隊(duì)考慮了儲(chǔ)能技術(shù)成本和性能屬性以及其他因素之間的相互作用，包括替代能源的成本。可再生能源發(fā)電技術(shù)、需求增長(zhǎng)、需求靈活性和可再生能源資源的質(zhì)量等。研究團(tuán)隊(duì)還研究了碳限制的嚴(yán)格程度如何影響這些相互作用。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，電力系統(tǒng)幾乎完全脫碳（即平均排放強(qiáng)度為5gCO2/kWh）可以通過(guò)部署可再生能源發(fā)電設(shè)施和鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)以及不經(jīng)常使用的可調(diào)度自然天然氣發(fā)電來(lái)實(shí)現(xiàn)，與沒(méi)有碳排放限制的情景相比，電力成本增加了21%（例如德克薩斯州）到36%（例如美國(guó)東北部），而不會(huì)造成電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性問(wèn)題。與此同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)基于部署可再生能源發(fā)電設(shè)施和鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)排除使用天然氣發(fā)電的電力（換句話說(shuō)，其目標(biāo)是零碳排放而不是凈零排放）的完全脫碳是邊際價(jià)格要貴得多。換句話說(shuō)，通過(guò)可再生能源和鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的組合，將無(wú)碳發(fā)電份額從大約90%～93%（如表6.9中的5gCO2/kWh碳排放情況所示）增加到100%的增量成本，這是相當(dāng)高的。這一觀察結(jié)果與其他基于可再生能源發(fā)電設(shè)施和鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的零碳電力系統(tǒng)建模研究的結(jié)果一致。它提供了一個(gè)令人信服的理由，將公共和私人資源集中在進(jìn)一步提高一系列技術(shù)的成本和性能屬性上，包括新興的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)、可調(diào)度的替代低碳或無(wú)碳發(fā)電技術(shù)，以及可以從大氣中去除碳的負(fù)排放技術(shù)。
雖然這些廣泛的觀察適用于這項(xiàng)研究的所有區(qū)域，但研究團(tuán)隊(duì)的模型揭示了系統(tǒng)成本、儲(chǔ)能系統(tǒng)的最佳部署和不同碳排放限制下的最佳發(fā)電組合的顯著區(qū)域差異。這些差異主要反映了風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電資源質(zhì)量的差異，因此也反映了研究團(tuán)隊(duì)研究的美國(guó)三個(gè)地區(qū)零碳發(fā)電技術(shù)成本的差異。值得注意的是，在這些地區(qū)中，在無(wú)限制政策情景下，美國(guó)東北部地區(qū)的可再生能源資源質(zhì)量最低，碳排放量最高。相對(duì)于其他地區(qū)，在相同的技術(shù)假設(shè)條件下，美國(guó)東北部地區(qū)通常也認(rèn)為實(shí)現(xiàn)給定碳排放目標(biāo)的系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）最高。也就是說(shuō)，如果沒(méi)有顯著限制碳排放的政策，美國(guó)東北地區(qū)不會(huì)徙自然地減少其發(fā)電量的排放量。相比之下，德克薩斯州由于具有豐富的風(fēng)力和太陽(yáng)能資源，看到了顯著的自然減少。而在研究團(tuán)隊(duì)的模型中，碳排放量沒(méi)有任何額外的政策干預(yù)，盡管政策干預(yù)對(duì)于該州電力部門的完全脫碳也是必要的。在這些維度上，美國(guó)東南部介于美國(guó)東北部和德克薩斯州之間。簡(jiǎn)而言之，應(yīng)對(duì)凈零能源的挑戰(zhàn)因地區(qū)的資源而異。
研究團(tuán)隊(duì)的模型強(qiáng)調(diào)了長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)可用性對(duì)脫碳電力系統(tǒng)的多重影響，其中包括減少可調(diào)度發(fā)電的需求、降低系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）、減少可再生能源棄電，以及減少批發(fā)電價(jià)的可變性。這些影響的強(qiáng)度取決于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本和性能屬性，還取決于系統(tǒng)因素和其他技術(shù)的屬性（例如可再生能源資本成本和可用性）。最重要的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)性能參數(shù)（就系統(tǒng)價(jià)值而言）是儲(chǔ)能容量成本，其次是放電效率——而這一發(fā)現(xiàn)得到了研究團(tuán)隊(duì)的建模以及最近使用相同分析方法的論文的支持。本文還指出，充放電裝機(jī)容量成本和充電效率是次要的。同樣，研究團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果表明，當(dāng)部署長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，成本最優(yōu)的持續(xù)時(shí)間范圍為數(shù)天，而不是數(shù)周或數(shù)月。在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)選項(xiàng)中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)氫氣（和其他形式的化學(xué)儲(chǔ)能）如果用電力生產(chǎn)并用作燃料以使其他最終用途脫碳，則可以提供獨(dú)特的價(jià)值主張，從而創(chuàng)建支持可再生能源的大型靈活負(fù)載電力行業(yè)一體化。
儲(chǔ)能的成本優(yōu)化調(diào)度與發(fā)電資源的成本優(yōu)化調(diào)度不同，不能簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的價(jià)值順序或時(shí)間不變的經(jīng)濟(jì)原則，這一事實(shí)凸顯了具有大量?jī)?chǔ)能部署的電力系統(tǒng)調(diào)度的復(fù)雜性增加。雖然研究團(tuán)隊(duì)的建模結(jié)果假設(shè)對(duì)未來(lái)的負(fù)載和可再生能源可用性具有完美的預(yù)見(jiàn)性，但現(xiàn)實(shí)世界電力系統(tǒng)運(yùn)行的不確定性（關(guān)于負(fù)載和可再生能源可用性）將使優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)度更具挑戰(zhàn)性。因此，需要改進(jìn)用于電力系統(tǒng)調(diào)度的軟件工具，以支持未來(lái)低碳電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能資源的經(jīng)濟(jì)高效利用以及需求靈活性和可再生能源。從美國(guó)電力市場(chǎng)的角度來(lái)看，研究團(tuán)隊(duì)的第一個(gè)建議可以通過(guò)以下方式實(shí)施：(1)增加能源交付電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)技術(shù)計(jì)劃的示范活動(dòng)資金，該計(jì)劃由美國(guó)能源部電力辦公室在其2022財(cái)年預(yù)算申請(qǐng)中提出；(2)擴(kuò)大電網(wǎng)彈性、可靠性和靈活性計(jì)劃由高級(jí)研究計(jì)劃署能源(ARPA-E)提議，用于支持可靠電網(wǎng)運(yùn)行軟件的研究和商業(yè)化。
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)成本最低的電力系統(tǒng)和替代儲(chǔ)能技術(shù)部署進(jìn)行建模，考慮了可再生能源可用性的年際和年內(nèi)變化以及其他經(jīng)濟(jì)部門擴(kuò)大電氣化的需求增加，假設(shè)對(duì)未來(lái)成本和運(yùn)營(yíng)有完美的預(yù)見(jiàn)性條件。雖然這種方法比之前探索電力和能源系統(tǒng)脫碳途徑的研究有所改進(jìn)，但它仍然沒(méi)有完全解決所有因素，這將影響未來(lái)低碳電力系統(tǒng)的發(fā)展和儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)揮的作用。
首先，由于數(shù)據(jù)限制，研究團(tuán)隊(duì)沒(méi)有模擬極端天氣事件對(duì)需求方的影響。由于氣候變化，這些可能影響電力需求和供應(yīng)的事件在未來(lái)可能變得更加重要。因此，進(jìn)一步描述天氣驅(qū)動(dòng)的需求和供應(yīng)不確定性將非常有用。其次，出于計(jì)算可處理性的原因，研究團(tuán)隊(duì)不得不求助于使用多區(qū)域電網(wǎng)表示的兩個(gè)研究區(qū)域（美國(guó)東南部和東北部）的代表性周來(lái)近似年度電網(wǎng)運(yùn)行?？偟膩?lái)說(shuō)，這些因素再加上研究團(tuán)隊(duì)對(duì)完美遠(yuǎn)見(jiàn)的假設(shè)，意味著研究團(tuán)隊(duì)的結(jié)果可能低估了儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)值和在低碳電力系統(tǒng)中具有成本效益的儲(chǔ)能部署規(guī)模。通過(guò)進(jìn)一步的數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化系統(tǒng)建模，存在一些機(jī)會(huì)來(lái)促進(jìn)對(duì)這些問(wèn)題的理解。
與此同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)建模中的其他假設(shè)可能會(huì)導(dǎo)致高估儲(chǔ)能價(jià)值的結(jié)果。首先，作為先進(jìn)的電力系統(tǒng)規(guī)劃研究中的常見(jiàn)做法，研究團(tuán)隊(duì)忽略了基于使用的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)退化（與其相反，研究團(tuán)隊(duì)將退化視為與電池更換相關(guān)的固定運(yùn)維成本）。如果包括退化，它可能會(huì)降低這些儲(chǔ)能資源的價(jià)值。其次，研究團(tuán)隊(duì)的模型沒(méi)有考慮基于生物能源發(fā)電的可用性，無(wú)論是否有碳捕獲或其他可調(diào)度的可再生能源（如地?zé)幔?。如果這些資源可用，并且隨時(shí)隨地可用，那么它們的部署可以幫助最大限度地減少?gòu)慕咏耆撎嫉某杀居绊?，并可能顯著降低長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)值。例如，如果具有碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)或直接空氣捕獲的生物能源系統(tǒng)能夠以合理的成本實(shí)現(xiàn)，那么它們可以產(chǎn)生的負(fù)碳排放可以實(shí)現(xiàn)“凈零”碳電力系統(tǒng)，同時(shí)仍然允許使用一些自然能源。
最近的一些研究表明，獲得電力部門內(nèi)部或外部產(chǎn)生的負(fù)排放會(huì)降低電力部門儲(chǔ)能技術(shù)的價(jià)值。最后，研究團(tuán)隊(duì)的分析基于未來(lái)（2050年）的最低成本投資計(jì)劃以及該年的相應(yīng)技術(shù)成本預(yù)測(cè)。實(shí)際上，隨著時(shí)間的推移，可再生能源和其他資源投資將逐漸增加，可能導(dǎo)致投資成本高于這個(gè)假設(shè)。如果將電力行業(yè)脫碳的目標(biāo)日期提前，例如在2035年至2050年之間，幾乎肯定會(huì)產(chǎn)生更高的系統(tǒng)成本，因?yàn)榕c可能提高一些現(xiàn)有熱力發(fā)電設(shè)施相關(guān)的建設(shè)成本以及新興市場(chǎng)因?qū)W習(xí)而降低成本的機(jī)會(huì)減少儲(chǔ)能部署。在研究團(tuán)隊(duì)的分析中，并沒(méi)有嘗試量化這些因素的成本和系統(tǒng)影響。
本章的討論說(shuō)明了旨在有效實(shí)現(xiàn)深度脫碳和可靠電力系統(tǒng)的長(zhǎng)期投資規(guī)劃的復(fù)雜性。它還強(qiáng)調(diào)了基礎(chǔ)研究對(duì)于推進(jìn)用于投資規(guī)劃的先進(jìn)模型的重要性，以及電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商需要不斷審查和更新其規(guī)劃方法以納入最佳可用方法。
美國(guó)各個(gè)司法管轄區(qū)的電力系統(tǒng)規(guī)劃和可靠性評(píng)估的現(xiàn)有實(shí)踐越來(lái)越認(rèn)識(shí)到納入提高電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)時(shí)間分辨率以及年際變化的重要性，但這些只是需要解決的幾個(gè)因素中的兩個(gè)。正如2021年2月德克薩斯州發(fā)生的電網(wǎng)中斷事件所強(qiáng)調(diào)的那樣，系統(tǒng)規(guī)劃需要更有效地考慮需求和供應(yīng)的變化，尤其是在極端天氣事件下，以及投資組合中各個(gè)發(fā)電設(shè)施的電力供應(yīng)之間的相關(guān)性以及發(fā)電設(shè)施總輸出之間的相關(guān)性和需求。這種可變性可能會(huì)隨著氣候變化而增加，最近的研究強(qiáng)調(diào)了它對(duì)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)和規(guī)劃的影響。需求響應(yīng)和需求靈活性以及分布式能源資源也可以發(fā)揮重要作用，值得研究團(tuán)隊(duì)在研究中給予更多關(guān)注。
與其他容量擴(kuò)展模型(CEM)的研究類似，研究團(tuán)隊(duì)的模型假設(shè)非彈性需求或者對(duì)經(jīng)濟(jì)信號(hào)非常敏感，例如在對(duì)某些最終用途（例如電動(dòng)汽車充電）的需求靈活性進(jìn)行建模時(shí)；或者完全不靈活。這表示忽略了消費(fèi)者對(duì)研究中指出的經(jīng)濟(jì)信號(hào)的差異化反應(yīng)（彈性和靈活性）的潛力；它也沒(méi)有考慮采用新技術(shù)引起的潛在行為變化。雖然研究團(tuán)隊(duì)的建模表明，增加的需求靈活性通常會(huì)降低儲(chǔ)能需求和成本，但了解需求靈活性對(duì)儲(chǔ)能需求和實(shí)踐中電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的影響需要進(jìn)一步分析和努力模擬不同客戶類別的實(shí)際響應(yīng)。此處未考慮的電力需求的另一個(gè)方面涉及電氣化相對(duì)于其他方法對(duì)目前依賴化石燃料的最終用途部門（例如工業(yè)）進(jìn)行脫碳的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。
正如研究團(tuán)隊(duì)對(duì)德克薩斯州工業(yè)氫需求的案例研究所示，使這些最終用途脫碳的技術(shù)方法可以直接影響電力部門具有成本效益的脫碳途徑。這表明綜合能源系統(tǒng)分析（不僅僅是電力系統(tǒng)分析）對(duì)于從經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)的脫碳角度了解電力部門技術(shù)選擇的成本和收益至關(guān)重要。最后，電力和能源系統(tǒng)模型也可以擴(kuò)展，以闡明與深度脫碳相一致的投資組合的非溫室氣體環(huán)境影響，以及由此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響在不同地區(qū)和人口群體中的分布。了解這些結(jié)果對(duì)于建立公眾接受度可能與成本和可靠性指標(biāo)一樣重要，而成本和可靠性指標(biāo)通常是現(xiàn)有建模工作的重點(diǎn)。
最后，研究團(tuán)隊(duì)的模型指出能源邊際價(jià)值的可變性增加，在這里用作未來(lái)低碳電力系統(tǒng)中純能源批發(fā)市場(chǎng)中批發(fā)能源價(jià)格的代表。這給投資融資帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)楸M管出于建模分析的目的，可再生能源發(fā)電設(shè)施可以在完美的預(yù)見(jiàn)性假設(shè)下收回成本。正如研究報(bào)告所討論的那樣，這種增加價(jià)格波動(dòng)的可能性也表明了零售電價(jià)改革的價(jià)值，它可以通過(guò)使靈活的消費(fèi)者在電力的社會(huì)邊際成本處于或接近于零的許多小時(shí)內(nèi)增加需求來(lái)鼓勵(lì)電氣化。這個(gè)問(wèn)題影響到包括儲(chǔ)能系統(tǒng)在內(nèi)的所有資源，并指出了電力市場(chǎng)改革的必要性?；谘芯繄F(tuán)隊(duì)的建模分析和本章討論的結(jié)果總結(jié)如下：
?從能源供需平衡的角度來(lái)看，電力系統(tǒng)接近完全脫碳似乎是可行的，單獨(dú)使用可再生能源、天然氣發(fā)電設(shè)施和鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，不會(huì)造成嚴(yán)重的可靠性問(wèn)題或?qū)е孪到y(tǒng)平均成本的大幅增加。
?在電力部門沒(méi)有任何碳排放限制的情況下，這里研究的美國(guó)三個(gè)地區(qū)（德克薩斯州、東北部和東南部）在相同的2050年技術(shù)成本假設(shè)下實(shí)現(xiàn)了截然不同的碳排放強(qiáng)度。這些差異主要是由于可再生資源質(zhì)量和負(fù)荷分布的區(qū)域差異造成的。
?與鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量成本更低，往返效率更低。當(dāng)碳捕獲和封存的天然氣發(fā)電并不是一種理想選擇時(shí)，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能對(duì)電力系統(tǒng)脫碳的影響最大。在通常情況下，在優(yōu)化部署時(shí)，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)可以替代天然氣發(fā)電設(shè)施，增加可變可再生能源發(fā)電的價(jià)值，并適度降低電力系統(tǒng)的電費(fèi)。
?當(dāng)部署多種儲(chǔ)能技術(shù)達(dá)到成本最優(yōu)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量資本成本最低的技術(shù)通常最適合提供長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。然而，雖然最佳發(fā)電調(diào)度是由大致恒定的邊際成本決定的，但最佳儲(chǔ)能操作是由存儲(chǔ)能量的變化驅(qū)動(dòng)的。因此，所有部署的儲(chǔ)能技術(shù)都將以不同持續(xù)時(shí)間的充電/放電循環(huán)運(yùn)行?；诔淌交潆?放電曲線的儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)學(xué)的簡(jiǎn)化評(píng)估忽略了這種動(dòng)態(tài)，并可能提供不準(zhǔn)確的評(píng)估儲(chǔ)能價(jià)值。
?在進(jìn)行能源市場(chǎng)套利（即在電力價(jià)格低時(shí)買入，在電力價(jià)格高時(shí)賣出），儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在需求方和供應(yīng)方替代其他電網(wǎng)資源。
?未來(lái)低碳電力中能源邊際價(jià)值的水平、范圍和變化系統(tǒng)將與當(dāng)今系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(ISO)和區(qū)域輸電組織(RTO)的批發(fā)市場(chǎng)中的價(jià)值大不相同。
?研究團(tuán)隊(duì)的結(jié)果突出了長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能對(duì)脫碳電力系統(tǒng)的多重價(jià)值。然而，大量的儲(chǔ)能容量也極大地增加了成本最優(yōu)電力系統(tǒng)調(diào)度的復(fù)雜性，特別是在未來(lái)時(shí)間段負(fù)荷和可再生能源可用性信息不完整的現(xiàn)實(shí)條件下。
?需要改進(jìn)的建模和軟件工具來(lái)準(zhǔn)確地表示未來(lái)的高比例可再生能源的電力系統(tǒng)中廣泛部署儲(chǔ)能系統(tǒng)和需求方資源所帶來(lái)的復(fù)雜性。美國(guó)能源部應(yīng)與系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(ISO)和區(qū)域輸電組織(RTO、州監(jiān)管機(jī)構(gòu)和其他機(jī)構(gòu)開(kāi)展合作，支持基礎(chǔ)研究和示范項(xiàng)目，以加速先進(jìn)軟件工具的開(kāi)發(fā)和部署，以實(shí)現(xiàn)具有成本效益的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)。
?還需要可擴(kuò)展的方法來(lái)模擬未來(lái)低碳電力系統(tǒng)的最低成本規(guī)劃和調(diào)度，同時(shí)考慮關(guān)于未來(lái)成本、資源可用性、批發(fā)市場(chǎng)價(jià)格和需求的不完善信息。美國(guó)能源部應(yīng)該與系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(ISO)和區(qū)域輸電組織(RTO、州監(jiān)管機(jī)構(gòu)和其他機(jī)構(gòu)合作，支持研究開(kāi)發(fā)此類方法。
?研究團(tuán)隊(duì)關(guān)于脫碳電力系統(tǒng)價(jià)格可變性增加的研究結(jié)果。具體而言，邊際能源價(jià)值可能非常低或?yàn)榱?，但只有少?shù)一些時(shí)間的價(jià)值非常高，也表明未來(lái)投資和融資面臨的挑戰(zhàn)越來(lái)越大。這個(gè)問(wèn)題將影響所有資源的采用，并強(qiáng)調(diào)需要進(jìn)行深思熟慮的電力市場(chǎng)改革和零售電價(jià)的設(shè)計(jì)，以鼓勵(lì)經(jīng)濟(jì)可行的脫碳。
