中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：6.3.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)替代電網(wǎng)資源
能源市場(chǎng)套利包括在電力價(jià)格和凈需求（電力需求與可再生能源發(fā)電之間的差異）較低時(shí)買(mǎi)入，在價(jià)格和凈需求較高時(shí)賣(mài)出。在實(shí)現(xiàn)能源市場(chǎng)套利時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以替代其他電網(wǎng)資源（反之亦然）。電網(wǎng)資源的替代品包括可再生能源“過(guò)度建設(shè)”（即部署超過(guò)電力系統(tǒng)峰值負(fù)載的可再生能源裝機(jī)容量）、需求靈活性、可調(diào)度發(fā)電和增加的電網(wǎng)容量（傳輸和分配）。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以替代這些資源的程度，不僅取決于儲(chǔ)能技術(shù)相對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)資源的成本和性能，還取決于電力系統(tǒng)的條件，例如碳限制的嚴(yán)格程度、已經(jīng)部署的儲(chǔ)能容量、可用性的需求靈活性資源，以及擴(kuò)大輸電的能力。本節(jié)量化了電網(wǎng)深度脫碳情景下各類資源和儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的成本最優(yōu)替代。研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了四種潛在的替代方案：(1)儲(chǔ)能系統(tǒng)與可再生能源發(fā)電能力；(2)儲(chǔ)能系統(tǒng)與需求側(cè)資源；(3) 儲(chǔ)能系統(tǒng)與可調(diào)度低碳發(fā)電；(4)儲(chǔ)能與輸電。研究團(tuán)隊(duì)用來(lái)研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)與其他資源的可替代性（反之亦然）的系統(tǒng)建?？蚣茈[含地解釋了這樣一個(gè)事實(shí)，即包括儲(chǔ)能系統(tǒng)在內(nèi)的所有發(fā)電資源的邊際價(jià)值隨著滲透率的增加而下降。
（1）可再生能源成本對(duì)儲(chǔ)能部署的影響
如上所述，低成本的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過(guò)更有效地平衡可再生能源的間歇性以及實(shí)際上將發(fā)電轉(zhuǎn)移到數(shù)小時(shí)的高凈需求，以減少過(guò)度部署儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求。在研究團(tuán)隊(duì)的建模中，儲(chǔ)能系統(tǒng)替代可再生能源發(fā)電量的程度取決于儲(chǔ)能技術(shù)的成本和性能，以及可再生能源的可用性和成本。
圖6.14探討了儲(chǔ)能系統(tǒng)在一系列可再生能源資本成本情景中的敏感性。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，首先，儲(chǔ)能部署成本與可再生能源成本相比相對(duì)穩(wěn)健，因?yàn)榭稍偕茉促Y源的部署更多地受碳排放限制而不是成本考慮。其次，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)可再生能源成本的影響在無(wú)碳排放限制政策情景中最為明顯。在可再生能源資源質(zhì)量較低的地區(qū)（例如美國(guó)東北部）相對(duì)于德克薩斯州等可再生能源資源質(zhì)量較高的地區(qū)而言尤其如此。
當(dāng)只有鋰離子電池可以作為儲(chǔ)能技術(shù)并且研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用5gCO2/kWh碳排放限制時(shí)，低成本的可再生能源將美國(guó)這三個(gè)地區(qū)的最佳可再生能源裝機(jī)容量提高了2%～10%（風(fēng)力發(fā)電優(yōu)于太陽(yáng)能發(fā)電）。與德克薩斯州、東北部和東南部的中等成本可再生能源情景相比，這種可再生能源裝機(jī)容量的增加導(dǎo)致交付的儲(chǔ)能容量分別降低0%、6%和16%（圖6.14中的5gCO2/kWh政策案例)。
低成本可再生能源對(duì)儲(chǔ)能容量影響的區(qū)域差異可以通過(guò)可調(diào)度發(fā)電（例如核電）的可用性和可再生能源發(fā)電質(zhì)量的差異來(lái)解釋。正如預(yù)期的那樣，低成本的可再生能源導(dǎo)致過(guò)度建設(shè)將會(huì)削減可再生能源發(fā)電量。例如，在5gCO2/kWh的情況下，德克薩斯州的消減量從17%增加到22%。值得注意的是，可再生能源的成本對(duì)電力系統(tǒng)成本有著顯著影響。在5gCO2/kWh碳排放限值下，假設(shè)其具有最佳部署，與中等成本可再生能源情景相比，低成本可再生能源情景中模擬區(qū)域的系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）降低14%～17%。與其相反，對(duì)于相同的碳排放政策限制，與中等成本假設(shè)相比，在高成本可再生能源情景的系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）（其中“高成本”被定義為太陽(yáng)能發(fā)電成本增加29%，風(fēng)力發(fā)電成本增加16%）要高出12%～15%。
圖6.14 美國(guó)東北部和德克薩斯州地區(qū)低、中、高成本可再生能源對(duì)裝機(jī)容量、儲(chǔ)能容量和系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）的影響
在研究團(tuán)隊(duì)考慮的所有場(chǎng)景中，在無(wú)碳排放限制政策的案例中，電力系統(tǒng)對(duì)可再生能源技術(shù)成本最敏感，因?yàn)檫@是可再生能源部署對(duì)資本成本最敏感的地方。與可再生能源質(zhì)量較高的地區(qū)（德克薩斯州）相比，可再生能源資源質(zhì)量較低的地區(qū)（美國(guó)東北部）對(duì)可再生能源資源和天然氣的替代效應(yīng)最為明顯。例如，在無(wú)碳排放限制的案例中，低可再生能源成本使美國(guó)東北部的可再生儲(chǔ)能裝機(jī)容量增加了111%，而德克薩斯州只增加了19%。與在較高脫碳水平下的最佳儲(chǔ)能部署一樣，可再生能源的低成本在德克薩斯州(6%)的天然氣容量減少方面的影響比在東北部地區(qū)(1%)的影響更大。這些結(jié)果對(duì)于添加具有較低能源資本成本的儲(chǔ)能技術(shù)是穩(wěn)健的。
（2）日內(nèi)需求靈活性的影響
隨著智能電表和相關(guān)技術(shù)的更多部署以及運(yùn)輸交通等行業(yè)電氣化的廣泛應(yīng)用，各種終端用途的電力消耗靈活性的潛在價(jià)值也在增加。在這里，研究團(tuán)隊(duì)探討了實(shí)現(xiàn)日內(nèi)需求靈活性（是指持續(xù)放電時(shí)間少于12個(gè)小時(shí)）如何影響成本優(yōu)化的電網(wǎng)配置，特別是它如何在各種碳排放限制和關(guān)于儲(chǔ)能技術(shù)的不同假設(shè)下改變儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)揮的作用。對(duì)于這些實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)采用了一個(gè)非常樂(lè)觀的需求靈活性版本：將電力消耗從特定需求的子部門(mén)轉(zhuǎn)移的能力，如表6.11中強(qiáng)調(diào)的那樣，在零成本和零能源效率損失的情況下，在受限時(shí)間窗口內(nèi)。
表6.11 2050年負(fù)荷條件下對(duì)德克薩斯州靈活性需求的假設(shè)
研究團(tuán)隊(duì)關(guān)于需求靈活性的假設(shè)基于美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL）的電氣化未來(lái)研究 (EFS）的增強(qiáng)靈活性情景，該情景為特定需求子行業(yè)提供了潛在的延遲和提前時(shí)間以及可以轉(zhuǎn)移的負(fù)載份額。由于每個(gè)子行業(yè)的負(fù)載隨時(shí)間而變化，潛在的需求靈活性也因時(shí)間的推移而有所不同。出于這個(gè)原因，表6.11指出了在高電氣化負(fù)載情景下，德克薩斯地區(qū)在2050年的任何時(shí)間點(diǎn)每個(gè)子行業(yè)可能轉(zhuǎn)移的最大負(fù)載。重要的是要注意這些子部門(mén)的峰值需求不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。
由于假設(shè)需求側(cè)資源的時(shí)間靈活性跨越數(shù)小時(shí)而不是數(shù)天，因此研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注需求靈活性如何影響短時(shí)儲(chǔ)能（鋰離子電池）成本最優(yōu)的替代品，而不是將如何影響長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。
在所有這三個(gè)模擬區(qū)域中，需求靈活性對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化部署的影響隨著更嚴(yán)格的碳排放政策而下降。例如在這三個(gè)地區(qū)，在無(wú)碳排放限制情況下，需求靈活性替代了幾乎100%的短時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，而在5gCO2/kWh的情況下，美國(guó)東南部地區(qū)僅替代了19%的鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)。而德克薩斯州為35%，東北部為37%。這三個(gè)地區(qū)需求靈活性影響的差異部分是由需求的時(shí)間分布和零碳資源可用性的潛在差異來(lái)解釋的。
圖6.15顯示了短期需求靈活性的影響。
圖6.15 美國(guó)東北部和德克薩斯州地區(qū)在一系列碳排放限制條件下，靈活性需求對(duì)裝機(jī)容量、儲(chǔ)能容量和系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）的影響
圖6.16說(shuō)明了在德克薩斯地區(qū)5gCO2/kWh的碳排放限制條件下，儲(chǔ)能系統(tǒng)如何在有和沒(méi)有需求靈活性的情況下運(yùn)行。該圖表明，當(dāng)實(shí)施需求靈活性時(shí)，鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電和放電循環(huán)頻率較低。對(duì)于這種情況，表6.10中介紹的頻率分析的儲(chǔ)能容量減少了20%。圖6.16中的底部面板顯示了短期需求靈活性的可用性如何通過(guò)更多的可再生能源發(fā)電將負(fù)載轉(zhuǎn)移的時(shí)間。
圖6.16 需求靈活性對(duì)德克薩斯州電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的影響
對(duì)具有靈活需求的短時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的較低要求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）的降低，成本降低與鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)的替代量一致。在美國(guó)所有三個(gè)地區(qū)，成本降低幅度不大，從無(wú)碳排放限制情況下的5%～6%到5gCO2/kWh情況下的3%。
（3）工業(yè)用氫
盡管先前與長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)的部分人關(guān)注影響這些儲(chǔ)能技術(shù)價(jià)值的電力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)因素，但涉及氫氣的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能方案的價(jià)值也可能受到非電力部門(mén)使用氫氣的影響。這為跨部門(mén)共享制氫技術(shù)和相關(guān)成本創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。在這里，研究團(tuán)隊(duì)以工業(yè)脫碳為例，探討電力部門(mén)以外的氫氣需求對(duì)電力部門(mén)可以部署的儲(chǔ)氫成本效益的影響。圖6.17強(qiáng)調(diào)了共享制氫技術(shù)組件以同時(shí)服務(wù)于電力部門(mén)和外部氫氣需求的潛在機(jī)會(huì)。這是需求靈活性的一個(gè)特例，通過(guò)水解（或電解）使用電力來(lái)生產(chǎn)氫氣可以靈活安排，因?yàn)榧词褂兄獠繗錃庑枨?，氫氣也能夠以相?duì)較低的能源資本成本儲(chǔ)存（見(jiàn)表6.3）被建模為在一年中的所有時(shí)間都保持不變且不靈活。
圖6.17 顯示了GenX項(xiàng)目中工業(yè)氫氣需求的建模方式
研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了不同碳排放限制下不同水平的氫氣需求對(duì)電力系統(tǒng)結(jié)果的影響，重點(diǎn)關(guān)注德克薩斯州，因?yàn)樗敲绹?guó)能源消耗最大的州之一，并且一半以上的能源消耗來(lái)自該州的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)施。研究團(tuán)隊(duì)模擬的工業(yè)氫氣需求情景是通過(guò)假設(shè)該部門(mén)采用氫氣來(lái)替代過(guò)程加熱中使用的天然氣來(lái)開(kāi)發(fā)的。研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)工業(yè)應(yīng)用中作為熱源的天然氣的不同氫氣替代水平考慮了一系列情景：0%、25%、50%、75%和100%。這里100%的替代對(duì)應(yīng)于19.7GW的氫氣需求，0%的情況對(duì)應(yīng)于沒(méi)有氫氣需求。
在一系列電力部門(mén)碳排放強(qiáng)度限制條件下模擬了不同水平的氫氣需求，包括1gCO2/kWh、5gCO2/kWh、10gCO2/kWh和50gCO2/kWh以及無(wú)碳排放限制情況。研究團(tuán)隊(duì)最初結(jié)果假設(shè)氫氣在儲(chǔ)罐中的地上儲(chǔ)存，表6.3中的成本處于中等水平。研究結(jié)果表明，從裝機(jī)容量的角度來(lái)看，對(duì)于給定的碳排放限制，工業(yè)氫氣需求的增加以及使用靈活電解的氫氣生產(chǎn)增加有利于可再生能源發(fā)電的部署，并取代天然氣發(fā)電設(shè)施和鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量（圖6.18）。例如，在5gCO2/kWh情景中，具有100%工業(yè)氫需求的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和天然氣發(fā)電量分別比沒(méi)有任何工業(yè)氫需求的情況低10%和23%。
圖6.18 在德克薩斯州地區(qū)的一系列年度碳排放限制條件下，采用電力滿足基準(zhǔn)工業(yè)氫氣需求（19.7GW）的0%～100%，對(duì)裝機(jī)容量、儲(chǔ)能容量、電解槽容量和電解槽容量因數(shù)的影響
包括工業(yè)氫需求會(huì)降低為實(shí)現(xiàn)日益嚴(yán)格的碳限制而優(yōu)化的電力容量增加的百分比。雖然裝機(jī)容量從無(wú)碳排放限制情況增加到?jīng)]有氫氣需求的1gCO2/kWh情況下增加了53%，但在100%氫氣替代情況下的增加量下降到35%。氫氣需求增加的第二個(gè)相關(guān)影響是可再生能源棄電的減少。
更高的工業(yè)氫氣需求可以提高電解槽和可再生能源發(fā)電資產(chǎn)的利用率，從而降低系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）以實(shí)現(xiàn)相同的碳排放目標(biāo)（圖6.19）。系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）減少的最大幅度取決于碳排放限制的嚴(yán)格程度；在研究團(tuán)隊(duì)的建模結(jié)果中，其范圍從減少3%（在無(wú)限制情況下）到減少14%（在1gCO2/kWh情況下）。換句話說(shuō)，與無(wú)碳排放限制情況相比，實(shí)現(xiàn)1gCO2/kWh的電網(wǎng)排放強(qiáng)度在沒(méi)有工業(yè)氫需求的情況下將系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）提高37%，在100%氫氣替代的情況下提高22%（圖6.19）。就場(chǎng)景而言，由于從無(wú)碳排放限制情況到使用長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)但沒(méi)有工業(yè)氫需求的1gCO2/kWh情況，系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）將會(huì)增加31%。
工業(yè)氫氣需求增加的邊際收益遞減反映在邊際氫氣生產(chǎn)成本的增加中，如圖6.19所示。這表明，純粹基于電解制氫以滿足非動(dòng)力氫氣需求的策略，可能會(huì)限制可以經(jīng)濟(jì)有效地供應(yīng)的氫氣數(shù)量。由于研究團(tuán)隊(duì)的分析并沒(méi)有考慮其他制氫方式或進(jìn)口氫氣，并且由于將工業(yè)氫氣需求建模為恒定且不靈活的，因此在給定的碳排放限制下增加工業(yè)氫氣需求將會(huì)導(dǎo)致邊際制氫成本增加。這種效應(yīng)的解釋是，需要額外的發(fā)電量（主要是可再生能源）和氫氣來(lái)滿足不斷增長(zhǎng)的工業(yè)需求。
圖6.19 德克薩斯州替代工業(yè)氫氣需求水平的成本和可再生能源發(fā)電量削減影響
為了探索氫氣用于滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的更廣泛潛力，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為地下地質(zhì)儲(chǔ)氫的可用性的影響是一種潛在的技術(shù)，可以由模型部署。地質(zhì)儲(chǔ)氫和地上儲(chǔ)氫之間的主要區(qū)別在于儲(chǔ)存能量所需的投資（假設(shè)地質(zhì)儲(chǔ)存與地上儲(chǔ)氫的中等成本預(yù)測(cè)相比減少了84%）。研究團(tuán)隊(duì)在研究中發(fā)現(xiàn)（圖6.20），這對(duì)于地質(zhì)儲(chǔ)氫考慮的不同指標(biāo)都有積極影響。在1gCO2/kWh的情況下，相對(duì)于儲(chǔ)罐，地下地質(zhì)儲(chǔ)存的可用性導(dǎo)致最佳儲(chǔ)存容量增加91%，系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）減少3.5%，天然氣發(fā)電量減少30%，可再生能源削減11%，儲(chǔ)能容量減少11%。
圖6.20 地下地質(zhì)儲(chǔ)氫可用性的影響
（4）與低碳可調(diào)度資源的競(jìng)爭(zhēng)
儲(chǔ)能系統(tǒng)使得隨著時(shí)間的推移改變可再生能源發(fā)電量成為可能，從而增加了可再生能源的價(jià)值。這可以使儲(chǔ)能系統(tǒng)與可調(diào)度的低碳或零碳能源直接競(jìng)爭(zhēng)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將儲(chǔ)能系統(tǒng)滲透率和利用率與兩種可調(diào)度的能源進(jìn)行比較：(1)具有接近100%碳捕獲率的先進(jìn)天然氣發(fā)電廠；（2）新增核電設(shè)施。在研究團(tuán)隊(duì)的模型中，采用碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)的先進(jìn)天然氣技術(shù)在德克薩斯州可用，采用碳封存技術(shù)似乎最可行；利用新增的核電設(shè)施替代長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)是美國(guó)東南地區(qū)的一種選擇。
如果Allam循環(huán)技術(shù)（這是一種將煤氣化技術(shù)和Allam循環(huán)相結(jié)合的先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，研究團(tuán)隊(duì)的模型預(yù)測(cè)它將主導(dǎo)德克薩斯州的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán) (CCGT)+碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)部署。與該技術(shù)不可用的情況相比，在德克薩斯州的中等成本氫氣的情況下，在5gCO2/kWh的情況下，部署Allam循環(huán)的選項(xiàng)可將天然氣發(fā)電設(shè)備的總裝機(jī)容量增加13%，并將儲(chǔ)能容量減少7%（表6.12)。Allam循環(huán)可以作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的部分替代品，如采用儲(chǔ)氫形式的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)模型可交付儲(chǔ)能容量減少28%，采用金屬-空氣電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)模型使儲(chǔ)能容量減少20%，以及3%以儲(chǔ)熱形式使用長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)。表6.12記錄了在不同成本假設(shè)下，通過(guò)將Allam循環(huán)添加到具有儲(chǔ)氫的電力系統(tǒng)中獲得的增量系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）有所減少。總的來(lái)說(shuō)，在5gCO2/kWh排放政策案例下，所有三種長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)的低、中、高成本假設(shè)下，Allam循環(huán)與長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的可用性相對(duì)于基本案例的系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）降低了5%～13% 。
表6.12 德克薩斯州可調(diào)度低碳發(fā)電技術(shù)的系統(tǒng)影響
如果Allam循環(huán)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，研究團(tuán)隊(duì)的模型預(yù)測(cè)它將主導(dǎo)德克薩斯州的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán) (CCGT)+碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)部署。
研究團(tuán)隊(duì)還測(cè)試了允許在美國(guó)東南地區(qū)新建核電設(shè)施的影響。假設(shè)其成本為6,048美元/kW，該模型沒(méi)有選擇在5gCO2/kWh排放限制下部署新的核電容量。這一結(jié)果與2018年麻省理工學(xué)院發(fā)布的“碳排放限制世界中核能的未來(lái)”報(bào)告中的發(fā)現(xiàn)不同，主要有兩個(gè)原因。首先，在美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL）發(fā)布研究報(bào)告之后，研究團(tuán)隊(duì)假設(shè)新的核電設(shè)施的成本更高（6,048美元/kW，而NREL的研究中的成本為5,500美元/kW）。其次，根據(jù)美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL）對(duì)2050年的中期成本預(yù)測(cè)，其研究假設(shè)太陽(yáng)能發(fā)電成本（725美元/kW對(duì)917美元/kW）和風(fēng)力發(fā)電成本（1,085美元/kW對(duì)1,550美元/kW）較低。這些成本假設(shè)結(jié)合起來(lái)，新的核電設(shè)施在成本方面并不那么具有吸引力。然而，研究團(tuán)隊(duì)還研究了對(duì)2018年麻省理工學(xué)院研究中的核電資本低成本假設(shè)的效果，其成本分別為4,202美元/kW（2018年研究中新核電的“低成本”）和2,818美元/kW（2018年研究中的“超低”成本），該模型在5gCO2/kWh政策限制下分別在美國(guó)東南部地區(qū)部署了21GW和78GW的核電設(shè)施。這種新的核能主要取代可再生發(fā)電設(shè)施裝機(jī)容量在低和超低核成本情景中分別為15%和49%）以及一些天然氣調(diào)峰容量。
（5）區(qū)域和跨區(qū)域輸電的作用
迄今為止提出的建模結(jié)果，假設(shè)發(fā)電和輸電投資和運(yùn)營(yíng)的共同優(yōu)化。對(duì)于輸電規(guī)劃，這意味著區(qū)域輸電系統(tǒng)的規(guī)模已經(jīng)經(jīng)過(guò)調(diào)整，能夠以最低的總成本提供最高價(jià)值的服務(wù)。在美國(guó)東北部和東南部地區(qū)，這意味著通過(guò)緩解電力擁塞（例如在紐約市等容量受限地區(qū)）進(jìn)行投資以滿足區(qū)域內(nèi)需求，從而能夠整合其他地區(qū)的低成本的可再生能源，增加系統(tǒng)靈活性，并降低電網(wǎng)平衡成本。然而，當(dāng)前的規(guī)劃流程并未考慮輸電升級(jí)的全部加優(yōu)勢(shì)，而是僅依靠傳統(tǒng)指標(biāo)來(lái)確保可靠性并滿足當(dāng)?shù)仉娏π枨?。在許可和選址方面的挑戰(zhàn)為輸電擴(kuò)張創(chuàng)造了更多障礙。在這一敏感性分析中，研究團(tuán)隊(duì)假設(shè)輸電基礎(chǔ)設(shè)施沒(méi)有得到改造或擴(kuò)展，這意味著區(qū)域輸電系統(tǒng)僅限于現(xiàn)有容量，并評(píng)估對(duì)可再生能源和儲(chǔ)能部署的影響。
在該模型中，增加區(qū)域輸電容量提供了兩個(gè)主要好處：（1）它允許在具有更高質(zhì)量的可再生能源（更低的能源成本）在地區(qū)增加部署，從而降低整體系統(tǒng)成本；(2)它通過(guò)平衡連接區(qū)域之間的資源間歇性和減少地理差異的影響來(lái)改善可再生能源發(fā)電。因此，將輸電容量的最佳部署限制在這些地區(qū)目前存在的水平上，將可再生能源部署集中在與服務(wù)需求相同的區(qū)域，而不是允許部署在具有最高質(zhì)量資源的站點(diǎn)。例如表6.13顯示，對(duì)于美國(guó)東北部地區(qū)，在允許區(qū)域內(nèi)輸電擴(kuò)展的5gCO2/kWh情況下，該模型通過(guò)在區(qū)域內(nèi)增加55GW的新輸電容量來(lái)連接來(lái)自其他區(qū)域的更優(yōu)質(zhì)的可再生能源資源進(jìn)行優(yōu)化。
而另一方面，在5gCO2/kWh的情況下，限制區(qū)域內(nèi)輸電擴(kuò)張會(huì)使系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）增加3美元/MWh（或5%），因?yàn)檫@迫使人們更多地依賴更接近需求的低質(zhì)量的可再生能源儲(chǔ)能容量（例如分布式和公用事業(yè)光伏系統(tǒng)）。有限的區(qū)域供需平衡加強(qiáng)了儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用，特別是在非常嚴(yán)格的碳排放限制下。例如，在5gCO2/kWh政策案例中，沒(méi)有輸電擴(kuò)展的情景將美國(guó)東北地區(qū)的儲(chǔ)能需求增加了36%。相比之下，在美國(guó)東南部啟用輸電擴(kuò)展對(duì)可再生能源整合幾乎沒(méi)有影響，因?yàn)樵摰貐^(qū)所有四個(gè)模擬區(qū)域的可再生能源資源質(zhì)量相似。在美國(guó)東南部，限制輸電擴(kuò)張會(huì)增加對(duì)使用碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)的天然氣發(fā)電設(shè)施的依賴，采用碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)可以更靠近需求，而不是采用可再生能源和部署更多的儲(chǔ)能系統(tǒng)。
表6.13 美國(guó)東北部地區(qū)內(nèi)輸電擴(kuò)展對(duì)電力系統(tǒng)的影響
研究團(tuán)隊(duì)將這一分析擴(kuò)展到美國(guó)大陸。雖然其分析采用了不同的成本假設(shè)和建模方法，但其結(jié)果中的趨勢(shì)值得注意，因?yàn)槠浞治龅拿绹?guó)大陸范圍及其對(duì)擴(kuò)大區(qū)域之間輸電對(duì)零碳的影響，以及如何影響使用可再生能源和儲(chǔ)能技術(shù)的電力系統(tǒng)。逐步提高區(qū)域協(xié)調(diào)水平（即使不增加新的輸電容量）可以節(jié)省電力系統(tǒng)成本，并減少對(duì)可再生能源發(fā)電量和儲(chǔ)能容量的需求：在“孤立州”和“現(xiàn)有區(qū)域”輸電方案之間，系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）降低了22美元/MWh，并在“新區(qū)域”和“現(xiàn)有區(qū)域”之間輸電方案之間相差16美元/MWh（圖6.21）。“新區(qū)域”輸電情景對(duì)應(yīng)于上述區(qū)域研究中在基本案例中所做的假設(shè)。與“現(xiàn)有的跨區(qū)域”輸電方案相比，允許在美國(guó)的三個(gè)區(qū)域（東部、西部和德克薩斯州）內(nèi)新建跨區(qū)域交流輸電可將系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）降低10美元/MWh；允許在互連之間進(jìn)行新的直流輸電會(huì)使系統(tǒng)平均電力成本（SCOE）進(jìn)一步降低8美元/MWh。
圖6.21 在美國(guó)逐步擴(kuò)大區(qū)域協(xié)調(diào)和輸電能力對(duì)系統(tǒng)的影響
由于擴(kuò)大的輸電容量部分替代了部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)，因此增加的輸電和更大的區(qū)域協(xié)調(diào)（輸電擴(kuò)展有效地增加了調(diào)度區(qū)域的地理范圍）導(dǎo)致儲(chǔ)能部署裝機(jī)容量的下降。在電網(wǎng)互連程度最高的場(chǎng)景（“新區(qū)域間互聯(lián)輸電”）部署了“新區(qū)域”輸電場(chǎng)景中使用的40%的儲(chǔ)能系統(tǒng)和“孤立州”場(chǎng)景中使用的23%的儲(chǔ)能系統(tǒng)。
研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行能源市場(chǎng)套利（即在價(jià)格和凈需求低時(shí)買(mǎi)入，在價(jià)格和凈需求高時(shí)賣(mài)出），儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在需求側(cè)和供應(yīng)側(cè)替代其他電網(wǎng)資源。
