IRENA（國際可再生能源署）發(fā)布了《Electricity Storage Evaluation Framework: Assessing system value and ensuring project viability》。本文是報告第III部分全球8種儲能應用案例的第6部分：節(jié)約調(diào)峰電廠投資。
英文原文鏈接：
https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020
1. 挑戰(zhàn)：保障發(fā)電充裕性
為了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，發(fā)電必須時刻與用電相等。為了做到這一點，電網(wǎng)運營商必須制定計劃并調(diào)度發(fā)電廠來滿足短期內(nèi)的需求。此外，還必須保證足夠的中長期發(fā)電容量，來滿足預測的高峰負荷和一定的裕量要求[1]。VRE比例較低的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，由于傳統(tǒng)的發(fā)電主要是蒸汽發(fā)電的，最直接的辦法是購買足夠滿足未來需求的容量。熱力發(fā)電機組有一個清晰定義的可靠容量[2]，這個容量是基于事故停機率計算出來的。事故停機率是機組非計劃停機的概率。對于水力發(fā)電來說，因為能源的限制（蓄水不是無限的），估算這個可靠容量要更復雜一些。這時，每個電力系統(tǒng)就需要根據(jù)他們的一套成熟的方法來計算等價可靠容量。所以，在VRE比例低時，電網(wǎng)運營商可以比較容易地確定裝機容量是否足以保證可靠性水平。
然而，當VRE比例提高時，問題產(chǎn)生了。VRE是變化的，這意味著VRE出力只是部分可預測的，導致很難估算這些資源的可靠容量。在高VRE比例下，保障電網(wǎng)的可靠性對于電網(wǎng)運營商來說非常具有挑戰(zhàn)性。一些文獻中提供了不同的估算VRE資源可靠容量的方法。其中一個最有名的是有效載荷容量（ELCC）方法，是由Garver（1966）首先提出的。簡而言之，這種方法是基于加入VRE之后會增加多少需求來達到電網(wǎng)沒有VRE時的可靠性水平來確定可靠容量的。這種方法被廣泛引用。然而，在具體應用中卻沒有那么簡單。它需要一個迭代過程并且采用優(yōu)化技術和VRE發(fā)電的歷史數(shù)據(jù)。
因此，隨著VRE的引入，由于VRE的波動性和不確定性，計算保障電網(wǎng)合理可靠性水平所需的電網(wǎng)容量變得很有挑戰(zhàn)性。不準確的容量估算會導致錯誤的經(jīng)濟性指標，進一步，導致不必要的調(diào)峰電廠投資增長，也就是電網(wǎng)容量過剩。目前，雖然受很多其他因素影響，一些電網(wǎng)已經(jīng)產(chǎn)生了容量過剩（如意大利、西班牙和德國等）。容量過剩會導致發(fā)電廠的長期停機，從而無法收回投資。此外，容量過剩還會阻礙VRE應用，因為電力系統(tǒng)不需要這些VRE資源供給（del Rio and Janeiro，2016）。
總之，必須好好規(guī)劃發(fā)電充裕性來避免不必要的、昂貴的調(diào)峰電廠投資來避免容量過剩。
2. 解決方案：容量機制vs稀缺價格
有一些解決方案可以保障市場化的發(fā)電充裕性，Battle和Rodilla將其主要分為兩類（2013）：a）單一能量市場，監(jiān)管方不參與；b）安全供應機制，監(jiān)管方參與。
單一能量市場
單一能量市場解決方案認定市場價格指標足以保障發(fā)電充裕性。該方案設定，電力市場是充分競爭的，價格可以反映出電網(wǎng)何時需要新增發(fā)電容量。低電價通常意味著電網(wǎng)有足夠的發(fā)電容量，則在電力市場中新增發(fā)電容量是無法盈利的。然而，隨著需求增長和容量削減，電價升高并達到“稀缺價格”[3]。此時，價格很高，意味著需要新增發(fā)電容量且能夠回收投資成本。
然而，現(xiàn)實卻是，市場并不是完美的，等待“稀缺價格”并不是可行方案。此外，依賴稀缺性定價的電力系統(tǒng)通常允許監(jiān)管方某種程度的干預，因為監(jiān)管方是不會冒著電力系統(tǒng)可靠性的風險來等待稀缺價格出現(xiàn)的。
單一能源市場的真實案例包括ERCOT（美國，Rexas）、NEM（澳大利亞）和AESO（加拿大，Alberta），雖然AESO計劃在2019年實施一種安全供應機制。
安全供應機制
安全供應機制意味著監(jiān)管方需要進行干預以保障發(fā)電充裕性。這些機制可以分為價格機制（也被叫做容量付費）和容量機制。
（1）價格機制為發(fā)電方設定了提供可靠容量的收入，但是他們并不明確需要的容量，因此監(jiān)管方無法為電網(wǎng)到底需要多少容量設定目標。購買的容量可能比實際需要的容量高，也可能低。
（2）容量機制下，監(jiān)管方明確所需的容量來保障發(fā)電充裕性，允許市場進行定價。這些機制可以分為三類：容量市場機制（如Guatemala、西澳大利亞）、可靠性產(chǎn)品延遲交付的長期競價機制（如巴西、新英格蘭ISO和PJM）和作為可靠性產(chǎn)品的戰(zhàn)略儲備機制（如新西蘭）。
在這兩種機制中，安全供應機制看起來能更好地激勵儲能系統(tǒng)應用。此外，在單一能源市場中，由于容量限制、電池衰減，儲能資源可能并不能產(chǎn)生足夠的收益。在市場中根據(jù)所需容量進行付費可能會有更好的盈利能力。
因此，在這種情況下，監(jiān)管方需要進行干預來保障發(fā)電充裕性[4]，這就需要對安全供應機制進行創(chuàng)新。這些機制如何激勵儲能的建設并確保減少調(diào)峰電廠容量，仍然需要進一步研究。
3. 安全供應機制下的儲能應用
如上所述，監(jiān)管方采用安全供應機制來購買足夠的容量并將電網(wǎng)保持在一定的可靠性水平上。但是，這些機制通常只包括熱力發(fā)電廠和水電廠。隨著VRE和新技術（如儲能系統(tǒng)）的引入，這些機制需要重新設計以允許新技術為系統(tǒng)的可靠性發(fā)揮作用，并避免不必要的調(diào)峰電廠投資。如果能夠很好的設計這些機制，儲能可能能夠消除調(diào)峰電廠的投資需求。
例如，在英國已經(jīng)實施的安全供應機制允許儲能項目的參與。這項機制作為2013年電力市場改革的一部分，是一種對延遲交付可靠性產(chǎn)品的長期競價機制。這種機制有兩種競價方式：T4，提前4年進行（容量在4年后才需要）；T1，提前1年進行。批評意見認為這實際上是獎勵與核電和燃煤電廠的交易，盡管核電和燃煤電廠的參與度每年都在下降。根據(jù)KPMG（2018）報告，儲能項目合約已經(jīng)從容量市場中獲得了獎勵。
來源：KPMG（2018）。
圖1 2018~2022年英國在容量市場競價成功的分布式容量
2017年，英國政府引入了基于放電時長的儲能減額系數(shù)[5]，這會導致2021~2022年儲能容量下降。減額系數(shù)反映了不同儲能方式對供應安全的貢獻。相對于短時間儲能（比如1小時，對應的減額系數(shù)是36.11%）（Everoze，2017），它鼓勵長時間儲能（4小時以上），相應的減額系數(shù)是96.11%。由于采用先進快速調(diào)頻服務競標，導致英國市場短時儲能占據(jù)主導地位。這導致在最近的T4競價中500MW儲能容量獲得獎勵的部分沒能達到150MW。不得不提的是，2018年，歐盟法院裁決英國容量市場不合法，英國容量市場目前已經(jīng)不再運行（Cuff，2018）。但雙方目前正在運作重啟容量市場。
儲能可參與的潛在容量市場包括：
（1）美國。聯(lián)邦能源管理委員會（FERC）的最近一項條令允許儲能參與容量市場。它允許獨立電網(wǎng)運營商修改費率，建立能夠識別儲能物理和運行特性的規(guī)則（Walton，2018）。
（2）加拿大Alberta。2017年1月，Alberta政府決定與Alberta電力系統(tǒng)運營商（AESO）合作設計和實施容量市場。儲能可以參與該容量市場，盡管需要滿足以下條件：a）最小儲能規(guī)模是在1MW以上；b）儲能資產(chǎn)必須能夠連續(xù)放電4小時。此外，所有的發(fā)電和儲能資產(chǎn)必須提供它們的爬坡能力，這表明容量市場包含了靈活性要求。Alberta至今尚未在容量市場進行競拍，但是2019年曾計劃實施一項在2021年實施的儲能容量（AESO，2018）。
（3）意大利。該容量機制也是一種基于容量的機制，在2018年1月被歐盟委員會批準。Mastropietro等（2018）的文獻中提供了意大利容量機制的綜述。
4. 儲能可以節(jié)約調(diào)峰電廠投資
英國已經(jīng)通過容量機制建設儲能項目，但是意大利、Alberta等有類似機制的地方至今還未形成交易。本章節(jié)闡釋儲能建設對提供可靠容量的影響。
節(jié)約調(diào)峰電廠投資金已獲得廣泛研究，比如Massachusetts的荷電狀態(tài)報告（Cutomized EnergySolutions et al.，2016）。他們估計1766MW儲能會產(chǎn)生23億美元的收益，其中的10.93億美元與降低尖峰容量有關。這將延緩調(diào)峰電廠的資金投入，降低容量市場成本。作者還展示了有無儲能時的需求曲線形狀。
來源：Customized EnergySolutions et al.（2016）。
圖2 2020年Masachusetts州有無儲能時的需求曲線
更進一步的案例是Strategen（2017）提供的一篇報告中提到的。該報告研究了在紐約市通過儲能替代調(diào)峰電廠的可行性。他們發(fā)現(xiàn)儲能是替代傳統(tǒng)燃氣調(diào)峰電廠的一個非常好的選項，可以在保證系統(tǒng)可靠性的同時降低污染物排放。他們提供了一種評估儲能經(jīng)濟性的方法，結(jié)果表明，相對于燃氣調(diào)峰電廠，在經(jīng)濟性上儲能正在變得越來越有競爭力。此外，他們提到在紐約獨立系統(tǒng)運營商（NYISO）市場設計下，儲能給系統(tǒng)帶來的效益并沒有得到補貼。如果這些效益是可以貨幣化的，也就是說，儲能系統(tǒng)能夠為他們帶來收益，那么建設更多的儲能是劃算的，有助于避免額外的調(diào)峰電廠建設投資。
電力儲能與光伏相結(jié)合可以有效替代調(diào)峰電廠。太陽能和儲能可以提供可靠容量，這將進一步減少調(diào)峰電廠建設，增加節(jié)約能力。目前的一個實例是Florida電力照明公司準備在2021年建設409MW/900MWh的儲能電池以替代兩個天然氣電廠。該儲能項目將成為全球最大的電池建設項目。該儲能電站會從Manatee縣在運的一個光伏發(fā)電場獲得充電。通過節(jié)約燃料費用，電池預計為消費者節(jié)約1億美元，避免1百萬噸二氧化碳排放（Geuss，2019）。這個案例表明了儲能和光伏結(jié)合后，是如何避免調(diào)峰電廠投資的。在該案例中，儲能最大化了光伏的可靠容量，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可調(diào)度的能源，可以更容易地參與安全供應機制。同時，這也可以使光伏為主的系統(tǒng)效益最大化。因此，必須將光伏和儲能通過某種協(xié)同作為一種單一的來源進行研究（Denholm and Margolis，2018）。
在本實例研究中，正如Stenclik 等人（2018）所述，必須考慮尖峰負荷減少的時長效應。這種效應意味著儲能的時長與本應用有關。比如，在美國，因為電池儲能可以提供4小時以上的放電時間，所以被認為是一種可靠容量來源。如果少量的儲能可以覆蓋一定的高風險尖峰時段，這種假設是正確的。但是，當儲能比例增加后，用于替代調(diào)峰電廠的4小時儲能的效用會降低，儲能時長必須增加。
來源：Stenclik et al.（2018）。
圖3 尖峰負荷降低的時長效應
5. 結(jié)論（案例6：節(jié)約調(diào)峰電廠投資）
系統(tǒng)運營商必須保障電力系統(tǒng)的可靠容量來覆蓋所有時段的尖峰負荷需求。VRE的可靠容量無法簡單確定，其比例提高后，保證發(fā)電充裕度會很有挑戰(zhàn)性，并且可能導致電網(wǎng)的容量過剩。電力系統(tǒng)必須保證準確的價格指標或者實施安全供應機制以獲取足夠的容量滿足尖峰負荷要求。
相對其他選項，安全供應機制可能是對儲能的一種較好的選項，它可以為儲能提供額外的現(xiàn)金流。通過安全供應機制應用的儲能案例是英國的容量市場，其他國家或地區(qū)也在實施儲能可以參與的容量機制。
儲能可用來覆蓋尖峰負荷，避免調(diào)峰電廠投資。這已經(jīng)在紐約市、Massachusetts州、Florida州的項目案例研究中被證實了。Florida州計劃建設世界上最大的電池儲能項目。
6. 擴展閱讀
在IRENA《創(chuàng)新圖景報告》中，電力儲能被認為是可再生能源驅(qū)動的未來中一項關鍵技術，重新設計容量市場也是30個創(chuàng)新措施之一。更多信息參見：
IRENA（2019），“InnovationLandscape for a renewable powered future：Solutions tointegrate variable renewables”，InternationalRenewable Energy Agency，Abu Dhabi.
IRENA（2019），“InnovationLandscape Brief: Redesigning capacity markets”，InternationalRenewable Energy Agency，Abu Dhabi.
注釋：
[1]容量裕量一般按照尖峰負荷的一定比例確定，代表電網(wǎng)在尖峰負荷時段還需要多少額外的容量。
[2]可靠容量是指可用的發(fā)電或輸電資源容量，這些容量要保證在給定的時間是可用的。
[3]稀缺價格是運行備用市場和批發(fā)市場中非常高的價格，反映了系統(tǒng)的稀缺情況。通常，當電力稀缺時，運行備用價格上升，然后能源價格上升，來反映備用容量的成本機會。稀缺價格應能夠激勵新技術在合適的時間進入市場，尤其是最需要容量的時候（Hogan，2013）。
[4]是否需要這種干預，或者單一能源市場是否是足夠有效的，尚存爭議。
[5]減額系數(shù)修正了給儲能項目的付費，來反映他們對安全供應的貢獻。
原文來源：
IRENA,2020. Electricity Storage Evaluation Framework: Assessing system value and ensuring project viability.
原文鏈接：
https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020
