英国与加州,储能大规模商用的先驱

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 英国与加州,储能大规模商用的先驱 我们正处在大规模储能的商业应 用和电池投资激增的临界点，英国和加 州是两个先驱。英国私有的、分拆的电 力市场给储能的发展提供了竞争机制， 加州由于市场功能欠缺，通过政策激励 建成了目前世界上最大的储能设施 中国论文网 /3/view-12956668.htm 将近 100 年来，电力系统的设计 寿命都大约是 40 年到 50 年，并有一定 的柔性需求。能源在不断变化，我们的 系统也必须适应变化。随着可再生能源 和分布式发电的兴起，系统的柔性越来 越重要。如果没有更柔性的系统，接入 更多可再生能源的绿色世界会碰到更多 的断电事故，让我们的数字世界陷入停 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 滞。 全球范围来看，英国与加州是如 今在储能技术应用上走得比较靠前的 筛龅厍。 柔性要求在电力需求上升时（比 如晚上）或者可再生能源波动时（比如 阴天或无风日）系统能提供更多的备用。 这种柔性可以通过长距离高压输电（联 网）接入不同地区、时区的电源来实现， 也可以通过本地的储能来实现。 在电网联网成本较高，或者受限 于自然条件难以发展起大规模电网的孤 岛，储能的需求会更加迫切。全球范围 来看，英国与加州是如今在储能技术应 用上走得比较靠前的两个地区。 电池 储能迎来临界点 储能的应用在全球已经非常普遍， 不过主要还是集中于技术含量较低的抽 水蓄能，第一个抽水蓄能电站是 1909 年在瑞士的沙夫豪森（Schaffhausen） 建成的，如今 98%的储能装机都是基于 这种有超过 100 年历史的技术。抽水蓄 能的概念简单，开发总成本较高（通常 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 需要数十亿美元） ，对环境影响较大。 其他包括压缩空气储能技术、电解制燃 气技术以及电池技术在内的储能技术占 据了剩下大约不到 3%的投运储能容量。 据国际能源署的 2016 全球投资 报告介绍，每 100 亿美元与电网相关的 储能投资中，超过 80%投给了抽水蓄能。 不过电网应用的电池储能投资也增长迅 速，2015 年投资额是 2010 年的 10 倍。 尽管各种技术都在不断发展，但 从成本风险改善角度来看，电池技术是 最有前景的。电池储能的想法早在 18 世纪末就已经诞生，最早电池由 Alessandro Volta 发明。电池储能的首次 商业应用是在 19 世纪 80 年代，用来平 衡纽约市区的隔夜电力负荷。不过直到 20 世纪 70 年代消费电子产品的出现， 电池才迎来广泛的商业应用。尽管电池 技术已经在我们日常生活中普遍使用， 但这些技术还未广泛应用于现代电力系 统。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 大规模电池储能系统的商业化难 题仍然制约了它的应用。在包括中国在 内的大多数国家，受困于电力市场结构、 政策和法规等因素，电池投资者还很难 从储能中赚到钱，一个可持续的商业模 式需要其收入大于成本。 好在情况正在迅速变化，电池储 能的投资即将变得越来越有利可图。简 单来说，其商业模式由给社会创造价值 的收入和成本综合构成。 储能可以通过降低输配成本，提 高柔性，提供辅助服务，增加备用容量 和转移需求时间（不限于高峰时段）为 社会创造价值。然而，目前投资者只能 从它创造的一部分价值中获得收入。储 能要想有钱赚，需要商业模式和监管条 件的创新，让投资者能够拿到更多的钱。 另一方面，储能成本一直在下降， 从 2010 年前后的超过 1000 美元每千瓦 时下降到目前的 400 美元每千瓦时。通 用汽车与特斯拉分别计划到 2021 年和 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 2020 年将电池组件成本降低到 120 美元 每千瓦时和 100 美元每千瓦时。 大规模储能的商业应用前景需要 进一步降低储能成本、提高储能收入。 我们正处在电池投资激增的临界点。 全球范围来看，英国电力市场中 的容量市场与辅助服务市场机制，为储 能在自由市场中如何发展带来了启示。 而加州则是通过政府规划部门的扶持， 由电力公司主导进行储能开发，是储能 在受管制的市场中发展的范例。 市场 驱动的英国模式 英国储能的发展离不开它成熟的 电力市场结构。 英国从上世纪 80 年代撒切尔夫 人执政时期开始了一系列能源市场自由 化改革，是全球最早一批进行电改的国 家。1989 年的电力法 ，奠定了英国 能源市场自由化和私有化的基础。2000 年颁布公用事业法 ，建立了电力批 发交易平台，并首次引入对可再生能源 的补贴制度。2005 年，引入 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 BETTA（英国输电和电力交易规则） ， 进一步提高能源市场竞争。2013 年起， 英国电改进入第四阶段，提出电力市场 改革（EMR ） ，引入差价合同和容量市 场机制。 经过数轮改革，英国原来垂直一 体化的电力产业结构被拆分为彼此独立 的发电商、网络系统运营商、输电商、 配电商和零售商。除了系统运营商是国 有的国家电网公司（National Grid）之 外，随着电力系统的自由化和私有化， 在发电侧和供应侧都变成开放竞争环节， 引入了更多的私有化资本投资，逐渐发 展成为一个成熟的电力市场。 在英国的电力市场结构中，输配 电网包括私有的 3 个输电网公司和 8 个 配电网公司，在零售侧，6 个主要的能 源供应商主导了这个市场，此外还有大 约 44 个活跃的零售商和 100 多个注册 的零售商。 在英国，储能项目主要通过其容 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 量市场机制和辅助服务市场机制来获利。 容量市场是 2014 年开始执行的， 它是为确保英国未来能源供应的电力市 场改革计划（EMR）的一部分。容量市 场机制的设立，是为了满足电力供应短 缺时，能够有电力供应可以及时补充。 为了补偿这些备用容量电力的投资，通 过设立容量市场，以拍卖的形式对容量 进行定价，由政府支付这部分费用。 从 2014 年开始，英国每年会进 行容量市场拍卖，为四年后的电力容量 需求寻找备用机组。参与拍卖的发电商 与需求侧供应商报出自己四年后能够提 供的容量和价格，以能够达到国家电网 所测算的容量需求为最终需求，根据拍 卖计算统一的出清价格作为容量市场价 格。 2014 年的首次容量市场拍 卖，中标的绝大部分容量都是由英国已 有的燃气、生物质能和核电等老发电机 组。2016 年，首次有超过 500MW 的新 建电池储能在容量市场拍卖中获得了合 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 同，所有储能占 2020/2021 年签订合同 的总容量市场 52.4GW 的 6%。这反映 了随着成本下降、技术成熟，电池储能 的商业可行性正在增大。2016 年容量市 场的拍卖出清价格为 22 英镑每千瓦每 年，高于一年前的 18 英镑每千瓦每年， 容量市场的出清价格越高，也意味着电 池投资回报越好。 英国电力辅助服务市场是储能能 够获取商业回报的另一种途径，先进频 率响应招标（EFR ）是其中的典型机制。 随着采用异步电机的新能源比例 在电力系统中比例增大，替代了越来越 多的采用同步电机的常规发电机组，这 使得电力系统的惯量降低。而系统惯量 反映了电力系统随发电与负荷变化保持 频率稳定的能力，系统惯量与同步机组 的容量直接相关，新能源机组不提供系 统惯量。统计数据显示，新能源比例升 高后，面临同样幅度的供应、负荷波动， 系统的频率波动会更大。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 为了平抑这种波动，电网运营商 需要采取措施维持频率稳定。在此背景 下，2015 年 4 月，英国国家电网公司启 动了先进频率响应招标，总容量为 201MW，寻求响应时间在 1 秒或以内 的频率响应服务，维持电网频率在 50 赫兹左右。 这一招标吸引了大量储能的投资 商，一共提交了 243 个储能项目方案。 最终，英国国家电网从中选中了 8 个中 标者，价格为 7 英镑到 12 英镑/MW/小 时不等，平均为 9.44 英镑/MW/小时， 所有招标采购价为 6595 万英镑。这次 成功的招标确保了为期四年的辅助服务 合同。 政策驱动的加州模式 加州是美国清洁能源发展最为激 进的州之一。2016 年底，加州境内风电、 光伏、光热的装机容量已经占到加州总 装机容量的 20%，其中光伏约占 11%。 随着可再生能源比例越来越高， 尤其是光伏比例的大幅度提高，其波动 性对电网系统的影响也越来越大。2012 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 年，加州独立系统运营商 CAISO 发布 报告，提出在用电处在高峰、而光伏发 电降低的傍晚时分，需要大量的柔性辅 助服务来平衡系统。 这一动态响应的预测曲线就是加 州有名的“鸭型曲线 ”（Duck Cruve） 。 图中的曲线表明了加州一天 24 小时中总能源需求减去可再生能源供应 的净需求。在傍晚，随着太阳落山，光 伏发电迅速减少，而用电需求却在晚间 进入高峰，需要非光伏发电迅速补充。 图中多条不同的曲线代表着不同 年份的预测值，位置越低的曲线代表越 往后的年份，系统中接入了更多的光伏 发电。随着光伏装机越来越高，这个反 差越来越大，导致“ 鸭肚子 ”越来越深 （光伏发电峰值时，非可再生能源发电 越来越低） ， “鸭脖子” 越来越陡（傍晚光 伏迅速下降，非可再生能源需要更迅速 补充） 。 2016 年，CAISO 报告称当前的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 鸭型曲线已经到了此前 2012 年预测的 2020 年才会达到的水平。包括中国在内 的其他国家随着可再生能源、尤其是光 伏装机比例提高之后，也会面临类似挑 战。 为了适应光伏装机大比例提高对 电力系统带来的挑战，储能的应用也理 所当然地提上了日程。 1 2 3 与英国成熟的电力市场机制显著 不同的是，自从 21 世纪初加州电改出 现了大停电之后，加州停止了市场自由 化改革步伐，至今仍然是一个监管市场。 这也决定了加州发展储能并没有英国成 熟的市场机制做支撑，而是依靠政府部 门的政策指引，由市场主体去执行。 加州的电力产业结构并未完全分 拆，投资者所有的公用事I 公司 （IOU）是加州发电、配电和售电环节 的主要玩家，它们都是垂直一体化的公 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 司。加州有三大 IOU，圣地亚哥电气公 司（SDGE）为圣地亚哥和南奥 兰治县的 360 万居民服务，南加州爱迪 生公司（SCE ）为包括洛杉矶在内的加 州中南部的 15 个县的 1500 万居民服务， 总部位于旧金山的太平洋电气公司 （PGE）为包括旧金山市在内的 加州中北部 540 万居民服务。此外，也 有部分公众所有的公用事业公司 （POU）开展业务。 在系统运营商层面，加州有独立 的电力系统运营商 CAISO，负责监督加 州电力系统、输电网和电力市场的运营。 而在监管层面则略微有些复杂，电力市 场、输电网和大坝项目是接受联邦监管 的，加州公用事业委员会（CPUC）监 管在加州境内开展的投资者拥有的电力 和天然气等公用事业项目。 由于这样的市场结构，加州的储 能发展以政策引导为主，以三大 IOU 为 主体来实施。 2010 年，加州通过了 AB2514 法 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 案，这个法案是一个战略决策，它要求 CPUC 制定合适的储能采购目标。 2013 年 10 月，根据 AB2514 法 案，CPUC 设置了储能采购框架，为加 州三大 IOU（PGE、SCE 和 SDGE）设定了到 2020 年部署 1325MW 储能的目标。后来，根据 AB2868 法案，又将 2020 年的装机容量 目标提高了 500MW，到 2020 年储能装 机将达到约 1.8GW。 CPUC 目标采购的商业模式是由 三大 IOU 来主导。这些储能项目由 IOU 进行竞争性采购，由中标的开发者 或承包商供应。而项目的费用会使得 IOU 提高费率，会传导到消费者能源账 单的费用中，由消费者买单。 在政策引导下，到 2016 年底， 1.8GW 储能装机目标已经完成了一半。 并在今年建成了目前全球最大的两个电 池储能设施。2017 年 1 月，特斯拉为南 加州爱迪生公司（SCE ）的 Mira Roma 变电所建成了输出功率为 20MW，总容 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 量为 80MWh 的储能系统，成为当时全 球最大的电池储能系统。随后在 2017 年 2 月，这一纪录就被打破，AES 公司 为圣地亚哥电气公司（SDGE） 在加州 Escondido 市部署了输出功率为 30MW、总容量为 120MWh 的储能系统。 由于有着政策引导，加州模式下， 通过设