研究报告

概述

概述

  • 本次研究旨在了解美国西部地区的能源转型模式,具体而言,就是储能可以为电网带来哪些灵活性。
  • 与美国加州大学伯克利分校可再生能源实验室(RAEL)合作,我们评估了四种净零排放情境。
  • 研究结果发现,基于可再生能源高渗透率的方案具有最高成本效益,而且储能在这些方案中发挥着至关重要的作用。
  • 我们确定了三项有助于弥合差距、进一步促进储能系统应用的举措,并为利益相关方提出建议。


净零排放路径

美国西部、乃至全球都在积极改变,迈向低碳、可持续的未来。越来越多的美国州政府和公用事业公司设定了雄心勃勃的清洁能源和清洁电力目标。不过,转型的具体方式仍有待明确。业界普遍认为,储能是促进能源转型的关键因素。因为其可以平衡电力生产的波动性,提高电网的可靠性和稳定性。

本次与美国加州大学伯克利分校可再生能源实验室(RAEL)合作展开的研究,旨在了解美国西部地区的转型模式,具体而言,就是储能可以为电网带来哪些灵活性。

加州大学伯克利分校可再生能源实验室(RAEL)的Daniel Kammen教授与我们进一步分享了研究发现。

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研究充分利用了加州大学伯克利分校可再生能源实验室(RAEL)的公用事业领域运营与容量优化配置建模能力(SWITCH),以及埃森哲在与客户合作部署储能系统过程中积累的研究发现和实践经验, 在美国西部电力协调委员会(WECC 范围内评估了四种净零排放情境。

1. 参考情境: 在一切照常(常态成本)的情况下,到2050年实现零排放。

2. Sunshot计划情境: 利用低成本太阳能,到2050年实现零排放。

3. Sunshot计划加速情境: 利用低成本太阳能并加快进步,到2040年实现零排放。

4. Sunshot计划+低成本电池情境: 将低成本太阳能与低成本电池储能相结合,到2050年实现零排放。

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我们发现,基于可再生能源高渗透率的方案具有最高成本效益,而且储能在这些方案中发挥着至关重要的作用。

尽管一系列积极举措已陆续出台,运用监管政策和市场激励来促进储能系统的应用,但障碍依然存在。

迄今为止,大部分关注点都集中在短时电池(最长存储时间为四个小时)上,需要加大研发力度来支持长时间储能方案的商业化。此外,通过部署电池来取得收入的领域仅局限于能源和辅助服务市场。这使得电池难以真正发挥商业价值,同时也制约了其推广。

当前发展情况:加州与CAISO

储能将在实现净零排放的道路上发挥关键作用。为了解电力部门能在其中发挥哪些助力,深入认识美国西部地区的当前发展情况非常重要。

加州独立系统运营商(CAISO)是美国西部地区唯一的独立电网运营商,可满足西部约35%的电力负荷需求,其中包括加州和内华达州部分地区80%的电力负荷。为支持加州的可再生能源发电配额制度,CAISO一直是可再生能源入网的领导者。由于可再生能源在CAISO经营活动中呈指数级增长态势,一些亟待解决的运营问题由此产生。其中,最为突出棘手的是,日间发电供大于求导致的能源负荷“鸭背曲线”。这主要是由于太阳能发电普及率高,导致市场供需不平衡,并压低市场价格,进而影响电网的可靠性。

可再生能源的供大于求及其波动性,使得CAISO运营商难以有效平衡能源供需,尤其是从下午开始的用电需求攀升导致晚间用电高峰。在此情况下,需要额外的发电资源来专门满足峰值需求和相关的需求攀升(如天然气调峰电站),这无疑对电网的稳定性构成了风险。随着越来越多的太阳能并网,电网也从可控的集中式同步发电,转变为更多基于电力电子(逆变器)的分布式太阳能发电。这种变化也增加了对调频服务的需求。

尽管CAISO大量投资可再生能源,但其仍需通过从周边各州进口来满足该州超过四分之一的电力需求。这种对进口电力的依赖,在夏季会带来一定风险。因为夏季的极端高温天气,会使独立的系统运营商从互联电网其他地区获取电力的能力受到限制。为克服上述挑战,实现可再生能源并网,CAISO采取的方法包括:通过系统运行转型来更为妥善地管理资源波动性;扩大能源不平衡市场,以受益于跨市场的深入互联;更加灵活地管理电力负荷和基荷发电;以及通过储能来抵御能源波动。其行动的特点仍然以储能为中心。

CAISO选择逐步制定政策和改变市场设计,在纳入储能资源独特能力的同时提供公平补偿。这也是为何 CAISO 成为颇具储能部署吸引力环境的一个重要因素。

推动储能商业化和资产优化

储能在支持脱碳化未来的道路上具有巨大潜力,因此它在过去几年中备受关注也便不足为奇。具体而言,电池已占据能源市场的主导地位,在解决可再生能源固有的显著波动性问题上具有无可比拟的灵活性,有助于维持电网稳定性。电池既兼具作为发电资源和能源需求点的独特能力,又能快速响应运行指令,使其能够提供包括削峰填谷、负荷转移、需求响应、容量储备/资源充足以及辅助服务在内的多种服务。

下图展示了电池储能可以提供的一些重要服务,以及共同为电池储能系统创造的多种价值流。具体包括:能源和容量、辅助服务、输电基础设施服务、配电服务、以及终端用户/客户管理服务。

能源与容量服务,辅助服务,输电服务,配电服务,终端用户服务

电池储能价值池

在太阳能或风力发电场部署电池储能,有助于增加每组电池的收入机会,而在已有项目中部署储能则可大大降低电网互联的相关成本。此外,还可将电池储能部署到输电系统资产中,以应对电网效率低下或局部阻塞的问题,否则需通过高昂的基础设施投资解决这一问题。

但迄今为止,发电资产所有者能够抓住的发展机遇仅限于参与电力批发市场,具体指仅能参与能源和辅助服务。实际上,存在发展机遇的主要领域包括:

  • 能源时移套利;
  • 辅助服务(调节服务为主,储备服务为次);
  • 能源套利与辅助服务套利;
  • 市场结算套利(日前套利与实时套利)。

开启净零排放之路

身处净零碳排之路的起点,我们应当认识到当前储能在整个WECC地区发挥的有限作用与其对净零排放的支撑潜力之间仍然存在巨大差距。那么,电力部门可采取哪些措施来弥合这一差距?我们将主要介绍三大相关要务:

  1. 重新审视监管和市场结构,以更好地支持和激励储能部署;
  2. 投资数字化能力以促进储能应用;
  3. 将储能整合到更广泛的系统框架中,加速净零排放进程。

对市场参与者的启示

对监管机构的建议

若想在所需时限内避免不可逆转的气候变化影响、实现净零排放,有效的政策至关重要。尽管监管机构应避免“选边站队”,但他们的确需要设法了解自身在净零排放之路上的进度、具备最大影响力的杠杆,以及因此需要在何处投资。建立这种认知后,就需要继续投资于研发——不仅针对日新月异的技术,而且还包括在商业案例建模中为这些技术定义新的价值池,同时与系统运营商、公用事业公司和资产所有者保持对话,了解不断出现的挑战并制定相应的支持政策。

就储能来看,监管机构应积极探索机会,增强不同类型资产(包括存储系统)的灵活性,促进其参与市场,并注意许可颁发和规则实施的简化与标准化。这些努力将非常有助于创建适当的支持环境,加快存储技术的应用与部署。

对系统运营商的建议

系统运营商需要针对电力系统的波动进行重新设计,建立超越以往的更强韧性。为了达成目标,他们应明确自身的未来电网愿景、以及该愿景对架构的指导意义。在缓解系统波动方面,储能起着重要的作用。系统运营商需摆脱将储能视作最后手段的思维模式,应与监管机构合作来创造灵活性,使各种资产都能参与市场。他们需要将关注范围超越储能领域,充分认识到利用多种手段来实现净零排放的必要性,所以还务必设计出全面的数字化战略,以最少成本支持系统优化。

对公用事业公司和资产所有者的建议

公用事业公司和资产所有者处于储能系统部署的最前沿。他们应继续探索新的储能机遇和商业模式来发挥其技术潜力,并随着相关发现的取得分享经验。这些成功、经验教训和仍在面临的挑战汇合在一起,将形成行业案例研究资料库,监管机构、系统运营商和其他公用事业公司或资产所有者都可以从中学习,进而加快变革步伐。

为了增加部署收入,公用事业公司和资产所有者应投资开发数字技术。数字化能够助其优化每一市场的参与策略、以及综合全面的资产战略。

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