中國儲能網(wǎng)訊：2024年11月，美國能源部（DOE）下屬的愛達荷國家實驗室（Idaho National Laboratory）發(fā)布《電池儲能系統(tǒng)報告》，全面分析了美國電池儲能系統(tǒng)（BESS）的現(xiàn)狀，包括供應鏈風險、技術架構、安全威脅及應對策略。
一、研究背景與方法
在兩黨基礎設施法等推動美國能源基礎設施現(xiàn)代化和數(shù)字化背景下，美國可再生能源供應鏈在獲取數(shù)字資產(chǎn)方面面臨挑戰(zhàn)，BESS 對能源轉型至關重要，其供應鏈風險需重視。報告采用系統(tǒng)分析方法，從宏觀到微觀，評估政策、技術和供應鏈決策對國家安全的影響，確定風險優(yōu)先級，為決策提供參考。
二、BESS 的應用、滲透和功能
1、應用領域與市場增長
多領域應用：BESS 在電網(wǎng)中扮演多種關鍵角色，涵蓋頻率和電壓調(diào)節(jié)、能源套利、旋轉備用、負荷跟蹤、削峰填谷、存儲和平衡可再生能源發(fā)電、延緩基礎設施投資、降低用戶需求費用、提供備用電源以及實現(xiàn)黑啟動和電網(wǎng)形成等功能。在頻率和電壓調(diào)節(jié)方面，BESS 能在毫秒到秒級的時間內(nèi)維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，通過吸收或釋放能量來平衡電壓，保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行；能源套利功能使 BESS 在電價低時儲存電力，電價高時釋放，從而平衡電力供需并創(chuàng)造經(jīng)濟效益。
市場增長顯著：美國 BESS 市場發(fā)展迅猛，從 2018 - 2020 年，能源容量增長了 10 倍。2023 年，美國預計安裝約 4GW 的新儲能，其中加利福尼亞州和得克薩斯州的安裝量分別占比 35% 和 27%。到 2024 - 2025 年，已安裝的儲能容量預計將翻倍。長期來看，美國國家可再生能源實驗室（NREL）預測，到 2050 年，美國儲能容量將從 2020 年的約 25GW 大幅增長至 200GW，其中電池儲能預計占 175GW 。
2、區(qū)域應用案例分析
加州：BESS 對加州實現(xiàn)清潔能源目標和應對緊急情況意義重大。在 2022 年熱浪期間，BESS 展現(xiàn)出強大的靈活性，其充放電能力有效支持了電網(wǎng)運行。早期，為保證電池充電，其平均輸出計劃會降低；高峰時段，充放電計劃雖有所增加，但充電量仍保持較低水平。BESS 在實時和提前市場中積極參與，在早上和下午早些時候尋求充電，提前市場的放電出價全天保持穩(wěn)定，且實時放電出價在高峰時段有所下降。此外，加州獨立系統(tǒng)運營商（CAISO）的電池儲能容量和相關功能顯著擴展，截至 2023 年 5 月，總有效電池容量達到 5000MW，不同項目類型的儲能容量分布廣泛，這表明能源儲能在加州電網(wǎng)基礎設施中的重要性日益凸顯。
夏威夷州：2023 年，夏威夷成功部署了一個 185MW 的 BESS，用于替代瓦胡島上的煤炭發(fā)電，這是夏威夷向 100% 可再生能源轉型的重要里程碑。該系統(tǒng)由夏威夷電力公司運營，配備先進的鋰離子電池和復雜的控制系統(tǒng)，不僅增強了電網(wǎng)穩(wěn)定性，還促進了太陽能和風能等可再生能源的整合，對夏威夷減少碳排放和降低對化石燃料的依賴起到了關鍵作用。
德克薩斯州：德克薩斯州的太陽能日食事件凸顯了 BESS 在維持能源供應可靠性方面的重要性。日食期間，太陽能輸出大幅下降，BESS 通過釋放儲存的能量，有效彌補了能源缺口，保障了電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。此外，2022 - 2024 年期間，BESS 還有 17 次以上的緊急調(diào)度事件，這表明該地區(qū)對 BESS 的需求不斷增加，同時也強調(diào)了進一步投資和擴展電池儲能基礎設施的必要性，以應對可再生能源間歇性對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響 。
三、BESS 的技術架構與組件功能
1、BESS 的技術架構
電池單元層面：BESS 最基本的組成部分是電池單元，這些單元是整個儲能系統(tǒng)的基石。它們通常通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式進行連接，以此滿足不同的電壓和容量需求。在這個層面，主要關注電池單元自身的電化學性能，包括能量密度、循環(huán)壽命以及安全特性等關鍵因素，這些因素直接影響著 BESS 的整體性能和可靠性。
集成控制和組件層面：此層面將多種控制和額外組件集成到 BESS 中。其中，電池管理系統(tǒng)（BMS）至關重要，它負責監(jiān)測和管理電池組的性能、荷電狀態(tài)以及健康狀況。同時，還配備了如熱管理系統(tǒng)和防護外殼等安全機制，以確保 BESS 在各種復雜條件下都能安全運行。此外，與功率轉換系統(tǒng)、逆變器和電網(wǎng)接口的集成，實現(xiàn)了雙向功率流，使 BESS 能夠與可再生能源或電網(wǎng)無縫對接。
集成硬件和軟件層面：在更先進的 BESS 架構中，重點在于將硬件組件與復雜的軟件解決方案深度融合。通過部署智能控制算法、預測分析和優(yōu)化策略，能夠最大程度地提升儲能系統(tǒng)的性能和效率。系統(tǒng)集成商在這一過程中發(fā)揮著關鍵作用，他們根據(jù)具體的使用場景和運行要求，對這些軟件驅動的功能進行定制化設計和實施。
2、BESS 組件的功能
電池管理系統(tǒng)（BMS）與環(huán)境控制：BMS 是集硬件和軟件于一體的組件，它與能量管理系統(tǒng)（EMS）和功率轉換系統(tǒng)（PCS）相連，實現(xiàn)對 BESS 系統(tǒng)充放電的精準管理，并對電池單元的環(huán)境進行實時監(jiān)測。其具備多種重要功能，如信號機制、火災報警、緊急停止、絕緣故障檢測、溫度監(jiān)控以及過流和欠流保護等。任何一個功能出現(xiàn)故障都可能引發(fā)嚴重問題，例如信號機制失效會導致對運行問題的響應延遲，火災報警系統(tǒng)故障可能造成火災隱患的檢測延誤，進而危及生命和財產(chǎn)安全。而運行良好的 BMS 則能夠優(yōu)化電池性能，延長電池使用壽命，有效防止失控故障或災難的發(fā)生。
逆變器：逆變器負責將電池產(chǎn)生的直流電轉換為交流電，從而實現(xiàn)與電網(wǎng)或其他交流負載的連接，在 BESS 架構中起著關鍵的能量轉換和控制作用。它通過監(jiān)測電壓、電流、頻率和溫度等參數(shù)，確保自身的高效穩(wěn)定運行。逆變器具備多種功能，如進行頻率下垂控制和電壓下垂控制以調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率和電壓水平、建立電壓和頻率參考、模擬傳統(tǒng)發(fā)電機的虛擬慣性、管理有功功率和無功功率輸出、在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓或頻率干擾時提供支持以及實現(xiàn)黑啟動功能等。根據(jù)應用場景的不同，逆變器可分為三相、單相或微型，大型 BESS 中通常采用三相逆變器。
功率轉換系統(tǒng)（PCS）：PCS 可視為逆變器的上級系統(tǒng)，它由轉換和功率調(diào)節(jié)設備以及小型變壓器組成，是一個規(guī)模較大的系統(tǒng)，通常包含多個逆變器以及額外的控制和保護組件。PCS 主要用于控制各種電源和負載之間的功率流、集成和同步，尤其適用于大型站點，而非分布式能源資源（DER）。它具有強大的處理能力，能夠運行先進的控制算法以優(yōu)化功率管理，同時還具備監(jiān)測電網(wǎng)狀況、調(diào)節(jié)電壓和頻率、實現(xiàn)電源或運行模式之間的平穩(wěn)切換以及提供故障檢測、隔離和保護等重要功能，從系統(tǒng)層面進行全面的集成、控制和監(jiān)測。
其他組件功能：包括功率電子變壓器和逆變器（內(nèi)含小型變壓器，保障穩(wěn)定供電和電網(wǎng)連接）、傳感器和監(jiān)測（測量關鍵參數(shù)，保障系統(tǒng)性能和安全）、電網(wǎng)變壓器（管理電池系統(tǒng)與電網(wǎng)間的電力流動）、站點控制和 EMS（協(xié)調(diào)系統(tǒng)組件運行，依據(jù)多種測量進行管理）、通信和云（實現(xiàn)遠程監(jiān)測和管理）、DERMS 和車隊控制器（優(yōu)化 BESS 性能，維護電網(wǎng)穩(wěn)定）以及人機界面（方便操作和控制，確保安全合規(guī)）等組件。
四、BESS 的供應鏈分析
1、供應鏈現(xiàn)狀
中國企業(yè)主導：BESS 市場中，中國企業(yè)在供應鏈上占據(jù)顯著地位。以 CATL 為例，其作為全球最大的電池制造商，是美國市場重要的電池供應商，為眾多美國和全球集成商提供技術和產(chǎn)品 。彭博新能源財經(jīng)（BNEF）2024 財年第二季度儲能制造商排名顯示，65% 的供應商總部位于中國，且所有供應商的 BMS、PCS 或逆變器產(chǎn)品至少有一個來自中國供應商。在電池單元 / 模塊方面，美國對國際電池供應商，尤其是中國供應商，依賴程度較高。從 2023 年第一季度美國鋰離子電池進口數(shù)據(jù)來看，中國占比高達 87.99%。
美國市場集成商情況：美國市場常見的集成商中，部分從中國采購關鍵組件。雖然部分企業(yè)嘗試在美國本土制造 BMS，但目前市場上中國企業(yè)及其產(chǎn)品仍占較大份額。在 PCS 方面，對加州逆變器允許清單的分析表明，僅 4.2% 的 PCS 來自美國，69.4% 來自中國 。逆變器供應鏈復雜，中國在全球太陽能光伏逆變器制造領域占據(jù)主導地位，前五大供應商均為外國實體，占 2022 年全球太陽能逆變器出貨量的 71%。
2、供應鏈挑戰(zhàn)
供應源重疊復雜：電力電子組件、逆變器、BMS 等供應鏈存在顯著重疊，且與太陽能、風能、電動汽車充電設施（EVSE）等行業(yè)垂直領域相互關聯(lián)。例如，太陽能或混合動力工廠的逆變器與 BESS 的逆變器在許多情況下使用相似組件，電池模塊也可能通用。這種復雜性使得區(qū)分供應鏈中各組件的來源和所有權變得極為困難，增加了供應鏈管理的風險和難度。
供應商信息多變：OEM 和集成商的商業(yè)模式多樣且變化頻繁，存在供應商名稱變更、公司合并或分離、進入或退出市場、拓展新業(yè)務線等情況。此外，美國市場的公司滲透率列表可能存在 “付費參與” 的偏見，導致獲取準確的供應商信息變得困難，進一步加大了供應鏈分析的復雜性。
3、供應鏈風險及影響
安全與地緣政治風險：以 CATL 電池從 Camp Lejeune 移除事件為代表，凸顯了 BESS 供應鏈中存在的安全隱患和地緣政治問題。美國對外國供應商的依賴，特別是對中國供應商的依賴，引發(fā)了對關鍵基礎設施安全性的擔憂。從國家安全角度出發(fā)，外國實體可能對美國能源安全構成潛在威脅，因此美國政府出臺相關政策，如《國防授權法案》（NDAA），限制從特定中國 BESS 公司采購。
供應穩(wěn)定性風險：如果移除部分中國供應商，由于目前美國本土缺乏完全替代的制造商，可能導致轉向性能較低或產(chǎn)品運營不成熟的供應商，這對 BESS 系統(tǒng)的整體性能和穩(wěn)定性可能產(chǎn)生不利影響。此外，國際形勢變化、貿(mào)易政策調(diào)整等因素可能導致供應鏈中斷，影響 BESS 項目的建設和運營。
五、BESS 面臨的威脅、脆弱性和攻擊暴露
1、面臨的威脅
威脅行為者多樣：威脅 BESS 的行為者涵蓋多個層面，包括國家行為體、網(wǎng)絡犯罪組織、能力有限的個體以及物理犯罪分子。對于涉及外國關注實體（FEOC）的組件，不僅要考慮系統(tǒng)運行期間外部攻擊者利用漏洞的威脅，還要關注整個生命周期內(nèi)制造國及當?shù)卣挠绊?。如中國政府?CATL 的企業(yè)結構和采礦地點使用等方面的影響力，就引發(fā)了美國對相關供應鏈安全的擔憂。
供應鏈風險：在供應鏈的組裝、運輸和建設階段，存在諸多難以追蹤的風險。部分中國太陽能生產(chǎn)商通過其他國家轉運產(chǎn)品以規(guī)避美國關稅，電池公司也可能采取類似手段。即使這種操作合法，但中間公司和國家也應受到嚴格審查，以保障供應鏈安全。此外，BESS 在關鍵應用場景中可能成為國家行為體的攻擊目標，而在非關鍵應用場景中也可能被網(wǎng)絡犯罪分子視為易攻擊對象，近年來針對能源行業(yè)和可再生能源目標的攻擊呈上升趨勢。
2、系統(tǒng)的脆弱性
組件層面的脆弱性：電池模塊、PCS / 逆變器、BMS 等組件存在安全隱患。電池模塊制造過程中的缺陷可能導致性能下降甚至失效，單個電池故障還可能引發(fā)連鎖反應。PCS / 逆變器的制造缺陷、惡意篡改以及通信和固件更新中的漏洞，都可能影響其性能和安全性。BMS 的固件和軟件也可能存在漏洞，易受到攻擊，尤其是 FEOC 設備，可能存在惡意代碼插入風險。
系統(tǒng)層面的脆弱性：監(jiān)督控制系統(tǒng)和 EMS 在數(shù)據(jù)訪問和管理方面存在風險，若訪問權限管理不當，可能導致數(shù)據(jù)泄露或系統(tǒng)被惡意控制。電氣斷開裝置、通信網(wǎng)絡設備等也存在安全漏洞，如數(shù)字繼電器的漏洞可能導致設備誤操作，通信設備的漏洞可能被攻擊者利用，影響數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)安全。此外，常見的技術問題，如硬編碼和弱密碼、直接連接 OEM 進行固件和質(zhì)量監(jiān)控、應用安全問題、訪問控制薄弱以及通過云平臺進行大規(guī)模編排等，都增加了系統(tǒng)的安全風險。特別是對于 FEOC 供應商的產(chǎn)品，還存在固件管理、質(zhì)量監(jiān)控、芯片質(zhì)量、文檔等方面的問題，且缺乏對美國或國際政府的漏洞披露。
3、攻擊暴露情況
遠程管理與攻擊面擴大：BESS 引入遠程管理系統(tǒng)雖有助于維護安全功能，但也擴大了攻擊面。隨著美國對電池及其相關電力電子設備的依賴增加，更多利益相關者需要訪問數(shù)據(jù)和命令權限，這使得系統(tǒng)更容易受到攻擊。若某個授權利益相關者被攻擊，攻擊者可能利用其權限進行惡意操作。
第三方風險：許多第三方利益相關者，如 OEM 和維護提供商，可能不受與公用事業(yè)或電力供應商相同水平的監(jiān)管。一旦這些第三方公司遭受黑客攻擊，BESS 就可能面臨攻擊風險。盡管在遭受攻擊時，受影響的組織通常會切斷遠程訪問以防止攻擊擴散，但這種應急響應的速度和完整性仍有待提高。
實際案例中的攻擊暴露：近年來，出現(xiàn)了一些利用 BESS 漏洞的實際案例。如 Enphase Envoy 通信網(wǎng)關存在多個漏洞，可被攻擊者利用獲取 root 權限；Mirai 僵尸網(wǎng)絡利用 CONTEC 漏洞進行傳播和攻擊。這些案例表明，BESS 在實際運行中面臨著真實的攻擊威脅，其安全形勢嚴峻。
六、BESS 的風險緩解策略與相關舉措
1、政策法規(guī)方面
立法措施：美國通過多項立法來保障 BESS 供應鏈安全?！秶朗跈喾ò浮罚∟DAA）通過創(chuàng)建和執(zhí)行禁止公司名單，限制聯(lián)邦機構與特定公司開展業(yè)務，以降低供應鏈風險?！督ㄔO美國購買美國法案》（BABA）要求聯(lián)邦資助的公共基礎設施項目優(yōu)先使用國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品，促進國內(nèi)制造，減少對外國供應商的依賴?！痘A設施投資和就業(yè)法案》（IIJA）提供基礎設施項目稅收抵免，并對涉及外國關注實體（FEOC）的項目進行限制，引導企業(yè)選擇更安全的供應鏈。
措施的局限性：雖然這些立法在一定程度上有助于保障供應鏈安全，但也存在局限性。例如，禁止名單的實施和執(zhí)行面臨挑戰(zhàn)，隨著名單規(guī)模擴大，相關部門需投入更多時間和資源進行核查，且名單更新速度難以跟上企業(yè)變化，導致應對威脅時處于被動地位。此外，“拆除并更換” 策略在短期內(nèi)不現(xiàn)實，現(xiàn)有 BESS 系統(tǒng)規(guī)模龐大，更換設備成本高昂，且美國國內(nèi)供應鏈在短期內(nèi)難以滿足需求 。
2、技術手段方面
網(wǎng)絡信息工程（CIE）：CIE 由美國能源部（DOE）等機構開發(fā)，將網(wǎng)絡安全原則融入工程生命周期，從設計階段消除或減輕網(wǎng)絡攻擊風險，確保網(wǎng)絡安全成為工程過程的內(nèi)在部分，為現(xiàn)有系統(tǒng)集成提供工程解決方案和互聯(lián)指導。
戰(zhàn)略組件評估：對能源供應鏈中的關鍵組件和系統(tǒng)進行評估，識別潛在漏洞和風險，重點關注 BMS、逆變器和 PCS 等組件。通過與集成商合作，調(diào)整組件模型和配置，使其符合網(wǎng)絡安全要求，降低供應鏈風險。
開發(fā)硬件和固件認證：該舉措通過在安裝過程中更換零件確保硬件真實性，驗證固件的安全性，對關鍵組件安裝額外監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測異常情況，保障能源基礎設施系統(tǒng)中硬件和固件的安全與完整性。
3、標準制定方面
制定標準的重要性：BMS、逆變器和 PCS 等組件涉及硬件和軟件，開發(fā)美國控制的安全軟件包，結合非國內(nèi)組件，能顯著降低風險。相關標準的制定對可再生能源系統(tǒng)的安全、可靠和互操作性至關重要，如 IEEE 1547.3、UL 2941 和 SunSpec Modbus 等標準，雖發(fā)展緩慢，但能規(guī)范行業(yè)發(fā)展 。
推進標準的措施：需要各方合作加快標準的制定和實施，同時加強國內(nèi)測試規(guī)模，確保標準有效執(zhí)行，使技術發(fā)展與標準制定相匹配，推動可再生能源系統(tǒng)的健康發(fā)展。
4、其他舉措方面
優(yōu)化設備安裝位置：在關鍵位置或功能中，優(yōu)先使用 “非 FEOC 非豁免” 設備，如在醫(yī)院等對能源供應要求高的場所，即使成本更高，也不給予豁免，以增強關鍵基礎設施對網(wǎng)絡威脅的抵御能力，提高應急準備水平。
建立監(jiān)測和信息共享機制：在關鍵站點部署先進傳感器，近實時和歷史地評估數(shù)據(jù)，建立可再生能源安全運營中心或與 DOE 能源威脅分析中心（ETAC）集成，加強監(jiān)測能力，記錄數(shù)據(jù)來源，及時發(fā)現(xiàn)和應對潛在風險。
規(guī)范采購流程：制定合同和采購指南，明確評估供應商、談判合同和實施網(wǎng)絡安全條款的程序，確保供應商滿足安全標準，規(guī)范采購行為，降低供應鏈風險。
七、關鍵項目與未來建議
1、關鍵項目進展
能源部（DOE）與國家實驗室舉措：DOE 和國家實驗室積極行動，推出一系列管理最佳實踐和緩解措施。能源部網(wǎng)絡安全、能源安全和應急響應辦公室（CESER）運用網(wǎng)絡信息工程（CIE）策略，評估現(xiàn)有系統(tǒng)受惡意網(wǎng)絡活動的影響，實施工程控制措施降低高后果事件風險。電網(wǎng)部署辦公室（GDO）借助《基礎設施投資和就業(yè)法案》（IIJA）開發(fā)的工具，與 CESER 合作，為新開發(fā)項目提供 CIE 資源，包括應用 CIE 的手冊和采購指導、合同語言等，以增強系統(tǒng)安全性。
相關項目具體工作：國家實驗室憑借在供應鏈和組件分析方面的專業(yè)知識，開展多個項目。如 “彈性工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡測試”（CyTRICS）項目，利用六個 DOE 國家實驗室的先進測試設施和分析能力，與關鍵利益相關者合作，檢測特定設備的風險和漏洞，并制定應對和緩解措施。此外，還有能源網(wǎng)絡感知（Energy Cyber Sense）、網(wǎng)絡標記（Cyber Labeling）等多個項目，從不同角度為 BESS 的安全保障提供支持。
2、建議
持續(xù)關注供應鏈風險：密切跟蹤 BESS 供應鏈風險，認識到區(qū)域電池系統(tǒng)功能和安全的重要性，根據(jù)不同地區(qū)的市場需求和電網(wǎng)挑戰(zhàn)，制定個性化的所有權和運營策略，以適應多樣化的公用事業(yè)模式。
強化網(wǎng)絡安全集成：深入貫徹 CIE 方法，將網(wǎng)絡安全全面融入電池系統(tǒng)的設計、運行等生命周期各個環(huán)節(jié)，確保系統(tǒng)在復雜的網(wǎng)絡環(huán)境中具備足夠的安全性和韌性。
應對地緣政治挑戰(zhàn)：鑒于外國關注實體（FEOC）相關事件和能源行業(yè)網(wǎng)絡安全威脅帶來的地緣政治復雜性，供應鏈管理需保持高度警惕，及時響應，降低地緣政治因素對 BESS 供應鏈的負面影響。
優(yōu)化供應鏈管理：采用分區(qū)策略管理供應鏈，優(yōu)先處理對控制和通信系統(tǒng)影響最大、風險最高的組件，提高供應鏈的安全性和穩(wěn)定性，減少潛在風險。
評估后果并制定策略：構建基于模塊化后果的評估框架，對供應鏈組件進行優(yōu)先級排序，以此指導戰(zhàn)略制造和安全決策。同時，考慮區(qū)域和季節(jié)變化、電池服務對象以及應急資源可用性等因素，制定針對不同后果的應對策略，提高 BESS 運行的可靠性和應急響應能力。
