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储能助力净零排放 与加州大学伯克利分校联合呈现 目录 执行摘要 引言与研究概述 储能入门 净零排放路径 发展现状 推动储能商业化和资产优化 开启净零排放之路 对市场参与者的启示 3 5 8 10 14 17 23 28 2 执行摘要 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，决策 者面临的关键问题包括：如何考虑满足最低电力 需求、达成清洁电力目标所需的可再生能源的体 量和类型，以及怎样管理可再生能源带来的电力 波动。 本次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。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，由此探索美国西部电力协调委员会 （ WECC）所辖地区实现净零排放的最低成本路 径。 1 利用 SWITCH平台，我们在 WECC范围内评 估了四种净零排放情境，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。诚然， 尽管模型显示，所有情境中 WECC的电力系统成 本都在增加，但“ Sunshot计划 +低成本电池情 境”的电力系统成本大幅低于“参考情境” 40%。 这种模式需要大量储能，储能需求达 2010年斯 金纳法案（ AB 2514）所规定储能系统购买规模 的 100倍，即到 2050年约 131吉瓦。 2 虽然考虑到 分布式储能的潜力、车辆到电网（ V2G）技术、以 及氢气为储能系统与电网带来的可靠性及其对集 中式储能需求的降低，研究发现可能存在一定高 估，但它无疑仍凸显出了储能领域有待挖掘的庞 大机遇。 研究情境： 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。 3 我们认为，弥合这一差距必须采取三项措施： 1. 重新审查市场结构并激励研发。 改变思维方式，不再将储能视为“最后手段”，并继续投资 于研发和建立公平的市场规则，鼓励多样化储能方案的广泛使用。 2. 投资数字化能力以促进储能应用， 既可以在单个资产级别上提高每项资产（以及整个资产 组合）的创收潜力，也能在系统级别上优化对储能系统的需求。应当将云视为这些数字投 资的关键主干。 3. 将储能整合到更广泛的系统框架中，加速净零排放进程。 仅靠存储技术并不足以实现净零 排放目标，我们需要使用一种全面的方法来综合运用所掌握的所有杠杆包括电力市场 改革和需求侧优化，从清洁电力转向净零排放经济。为了做到这一点，就必须不断创新，并 建立更加全面的跨行业合作伙伴关系。 实现净零排放从未像今天这般紧迫、但也动 力十足。监管机构、电力系统运营商、公用事业公 司和资产所有者必须齐心协力来不断应对挑战、 分享经验教训，并开启全新机遇，在迈向净零排放 道路上持续创新。 我们对当前起点的评估发现，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尤其是在加州独立电网 运营商加州电网公司（ CAISO）的运营范围内，但 障碍依然存在。首先，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。其次，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。 4 引言与研究概述 当前，向低碳可持续未来转型已成为美国西 部地区乃至全球各国的重要发展趋势。在美国， 越来越多的州和公用事业公司都纷纷制定了雄心 勃勃的清洁能源发展目标。图 1为我们展示了截至 2020年 11月各大公司公布的相关目标。 尽管上述承诺目标与能源转型的发展方向完 全一致，但具体形式仍有待确定。其中关键问题包 括：如何满足最低电力需求；实现清洁电力目标所 需的可再生能源体量与类型；以及如何管理可再生 能源带来的电力波动。随着人们对这些问题的不 断探索，在保持能源可靠性和不断提高韧性的同 时，继续对电网的灵活性加以妥善管理将变得至 关重要。不论是在依托智慧系统的区域一体化框 架内评估各种能源方案，还是思考如何加快技术、 市场和政策环境的发展速度，通过清洁电力一体 化为社会造福，在美国西部森林大火、以及 2020 年 8月加州分区限电等事故的频频促使下，上述两 种举措的迫切性和必要性都已显著提升。 公用事业公司：清洁能源具体发展目标 * 公共服务公司（亚利桑那州） 2030年：清洁能源比重达到 65%，可再生能源比重达到 45% 2050年：实现 100%清洁电力 Avista公司（华盛顿州、爱达荷州、俄勒冈州） 2045年：实现 100%清洁电力 爱达荷州电力公司（爱达荷州、俄勒冈州） 2045年：实现 100%清洁电力 太平洋电力公司（加利福尼亚州、俄勒冈州、华盛顿州） 2030年：温室气体排放量较 2005年水平降低 60% 图森电力公司（亚利桑那州） 2032年：关闭剩余燃煤电厂 2035年：可再生能源比重达到 70% 埃克西尔能源公司（明尼苏达州、密歇根州、威斯康星州、北达 科他州、南达科达州、科罗拉多州、得克萨斯州、新墨西哥州） 2030年：碳排放量较 2005年水平降低 80% 2050年：实现 100%清洁电力 图 1. 美国西部各州清洁能源目标与要求 加利福利亚州 2025年： 可再生能源发电比重达到 50% 2030年： 可再生能源发电比重达到 60% 2045年： 实现 100%零碳能源 内华达州 2030年： 可再生能源发电比重达到 50% 2050年： 实现 100%清洁电力 华盛顿州 2045年 ： 实现 100%清洁电力 新墨西哥州 2045年： 实现 100%清洁电力 亚利桑那州 （待最终批准） 2035年： 能源储备系统在该州能源 结构中的比重达到 5% 2050年： 实现 100%清洁电力 资料来源：埃森哲分析。 *清洁能源包括可再生能源与核能 5 FERC第 841号命令于 2020年 2月 通过，并最终在 2020年 7月得到确认。新 命令指出，应消除分布式储能和用户侧储 能参与电力批发市场所面临的各种障碍， 使之能够在与化石燃料资源公平竞争的环 境下提供电网服务。该命令被誉为美国迈 向清洁能源未来的“最重要一步”。 7 CPUC在 2020年 6月通过的第 E-5077号决议，包含了对“可避免成本计 算方法”的更新。该计算方法主要用于对分 布式能源的成本效益分析。该决议的一项 主要更新是，改变“可避免成本计算方法” 估算发电容量可避免成本的方式。过去，该 计算方法将燃气涡轮机作为测算指标，而 今后将采用新的“四小时蓄电池储能”作 为指标。 8 这一变动将对需求侧投资储能 的成本效益产生积极影响，进一步促进更 多分布式清洁能源的发展。 本研究主要按以下三大步骤展开： 1. 利用加州大学伯克利分校可再生能源实验室（ RAEL）开发的 SWITCH平台， 对西部电力协 调委员会（ WECC）所辖地区进行情境建模。 在兼顾当前政策目标的情况下，探索成本最 低的脱碳路径，包括预期的能源结构、所需的输配电容量和储能容量。 2. 埃森哲有关储能潜在价值池的研究， 并评估在当前市场环境下，在电网中部署储能面临的 相关经济挑战和机遇。 3. 验证研究发现， 以此克服挑战、把握机遇，并通过与西部电力协调委员会框架内的主要参 与机构举行线上视频创新会议，进一步加速转型。 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。这一潜能，加上 技术进步和成本不断下降，推动了储能市场的 急剧增长。据全球知名能源咨询顾问公司伍 德麦肯兹（ Wood Mackenzie）估计，到 2025 年，美国储能市场将从 2020年的 1.2吉瓦增至 近 7吉瓦，增长 6倍之多。 3 此外，美国储能协会 （ Energy Storage Association）最近也宣布了 一项新的目标：到 2030年实现 100吉瓦的储能容 量，更新了此前在 2025年达到 35吉瓦的目标，这 充分展现了该市场的飞速发展。 4 与此同时，能 源监管机构对储能潜力的认可度也在日益提升。 例如，美国联邦能源监管委员会（ FERC）近期支 持实施第 841号命令，向美国各地电力批发 市场开放电池储能系统； 5 加州公共事业委员会 （ CPUC）也在第 E-5077号决议中，历史性地 宣布将计算分布式能源（ DER）的边际能源标准从 天然气改为储能。 6 本研究旨在深入了解美国西部地区的能源转 型方式，具体而言，就是将脱碳建模与市场洞察相 结合，明确储能在促进该地区能源转型方面所能 发挥的作用。 6 西部电力协调委员会（ WECC）是北美电力 可靠性委员会（ NERC）指定的组织，专门负责西 部电网互联的稳定性与合规性监测。从地理角 度看， WECC是 NERC八家成员机构中最大的一 家，其所辖范围内分布着多种多样的发电资源。 同时， WECC地区也涵盖了多种市场结构，包括 传统的公用事业控制区、加州独立系统运营商 （ CAISO）和西部不平衡电力市场（ EIM）。 2018 年，该地区拥有额定发电容量 25.82万兆瓦。 9 通过积极进取的清洁能源目标和 CAISO创建 的西部不平衡电力市场，加州一直引领着 WECC 地区的能源转型。目前，加州是最大的电力净输入 州，满足需求的电力约有 32%来自以风能和水力发 电为主的西北地区、以及以核电和燃煤发电为主 的西南部地区。 10 若要在 2050年实现零碳电力目 标，加州必须积极利用各种工具和政策，使 WECC 地区实现能源脱碳。下图 2展示了 WECC地区和加 州的发电结构，以及加州应当克服的障碍。 其中，燃煤的占比最值得注意：虽然燃煤仅占 加州能源结构的 3%，但由于其在美国西南部地区 的突出地位，燃煤在整个地区发电量的实际占比 大约为 24%。 11 目前， WECC正采取积极措施，为开展必要的 变革创造条件。其一，西部不平衡电力市场的进一 步发展将有助于完成可再生能源并网。因为依托 该市场， CAISO和其他能源平衡机构可以相互提 供大量的低成本可再生能源，而不必减少发电设 备数量。其二，进一步发展储能，也是 WECC地区 仍需继续采取的整体性步骤之一。到目前为止，加 州已部署 8.35吉瓦的储能容量，占整个地区 18.39 吉瓦储能容量的 46%左右。 12 容量提升的主要推动 力是加州新近开展的电池储能项目，其余大部分容 量则归功于太平洋西北部地区的水电储能设备。在 WECC其他地区，储能的发展将有助当地更好地 获取来自加州的过剩电力，并促进可再生能源的增 长，由此方能实现各州和公用事业公司的清洁能源 目标。 西部电力协调委员会与加州的角色 图 2. WECC地区与加州发电能源结构对比（ 2018年） 地热能 水电 天然气 核能 其他能源 太阳能 风能 燃煤 关键能源 加州WECC地区 3% 5% 12% 35% 9% 13% 11% 12% 3% 7% 24% 2% 28% 28% 7% 1% 数据来源： 2019年电力系统总发电量，加州能源委员会， energy.ca.gov； 电网互联信息摘要， WECC， wecc。 7 储能入门 储能可将电网转变为能够适配可再生能源的灵活自适应系统，并将来自固定发电厂和电动汽车的能量 进行储存和重新分配。 13 为此，公用事业公司、监管机构和私营部门正积极探索公用事业规模的用户侧住宅 和商业储能技术。这些技术可将电力系统转变为由分布式电力生产者和消费者（亦称为“能源产消者”） 共同组成的动态市场。 电力可通过不同类型的能量转换方式加以储 存，如抽水蓄能或飞轮形式的机械能、电池的电化 学能、电容器的电能储存、氢气形式的化学能、以 及泵水蓄热或冷却装置等热能。通过抽水蓄能进 行电力储存的方法已有数十年历史；然而，随着新 技术的涌现，多样化的电网级储能解决方案市场 也在迅速发展。就电化学应用而言，由于在电网中 的多种应用，以及电子消费品和电动汽车成本的 快速下降，锂离子电池在过去五年中一直占据着 电池储能领域的主导地位。但与此同时，人们对包 括液流电池、燃料电池、压缩空气储能、超级电容 器、飞轮等在内的非锂电池储能应用的关注也在日 益增加。 不论是为了评估当下储能现状、模拟未来发 展，还是把握市场机遇和推动政策进步，储能多 样化环境令推动低碳和零碳能源系统变得非常重 要。通过技术学习降低储能技术的成本并提高其 性能，有助波动不定的可再生能源稳定供电，并直 接与化石燃料发电展开竞争。评估技术学习的速 度和模式，对于人们了解不断变化的储能环境、降 低未来建设成本及技术应用的不确定性，具有至 关重要的作用。通常，人们主要从应用类别和技 术范围两个维度来区分储能经验曲线结果。应用 类别包括便携式（电子产品）、运输式（混合动力 电动汽车和电动汽车）以及固定式（住宅、公用事 业）等类别；技术范围则涵盖电池片、电池、模块、 电池组、出厂系统和系统等方面。 图 3展示了储能技术的多样性，以及随着大多 数储能技术累计额定装机容量的日益增加，单位能 源容量的产品价格不断下降的态势。对装机容量 超过 100吉瓦时的储能技术，抽水蓄能（系统）、铅 蓄电池（模块）、碱性电解电池（电池组）、消费电 子产品（电池）和电动汽车（电池组）的锂离子电 池当前价格不到 200美元 /千瓦时。前两者的降价 速率低于 5%，与之形成鲜明对比的是，电解电池 （电池组）的降价速率为 17%，锂离子电池和电池 组分别为 30%和 22%。累计装机容量在 1到 100吉 瓦时之间的储能技术，如镍氢电池（电池组）、电 站级锂离子电池（系统）或钠硫电池（系统）等， 目前价格在 100美元 /千瓦时至 200美元 /千瓦时 不等，降价速率为 11%到 16%之间。累计装机容量 低于 1吉瓦时的储能技术，如民用锂离子电池（系 统）、铅酸电池（系统）、氧化还原液流电池（系 统）和燃料电池（电池组）的成本超过 900美元 / 千瓦时，降价速率在 13%到 16%之间。 提升储能多样性 8 图 3. 电储能技术经验曲线 数据来源： Noah Kittner、 Oliver Schmidt、 Iain Staffell、 Daniel M. Kammen（ 2019年），“电网级储能”，向低碳能源系统转型中的技术学习，第 119-143页。 注：图中所示结果为单位额定能源容量的产品价格。虚线代表基于数据线性回归的经验曲线。右侧图例表示技术应用范围，底部图例则指明各种技术（包括技术应用场景、 降价速率及不确定性）。降价速率的不确定性量化为其 95%的标准误差置信区间。灰条表示成本降低相对于技术成熟的总体趋势。电储能技术由燃料电池和电解电池共同组 成。千瓦时为额定储能容量单位。 这些具有商业可行性的多样化新兴储能技 术，带来了诸多引人注目的良好政策选择和市场 机遇。虽然短时间储能（不超过一天）仍可能在一 段时间内由锂离子电池系统主导，但每周储能和 长期储能在所有能源系统中都具有至关重要的意 义，对加州和美国西部地区亦是如此。 2020年 8 月突袭这些地区的热浪、雷击、森林大火以及规律 性季风变化等问题，都需依靠稳定可靠的脱碳化 电力系统来解决。 14 上述电储能技术的价格和累计容量数据均 来源于同行评审的文献、研究和行业报告、新闻 报道、储能数据库、以及相关制造商访谈等。在相 关文献中，学习速率（基于制造成本）和降价速率 （基于产品价格）有时会互换使用。此外，为核实 实际产品价格数据的正确性，我们对参考文献中 的数据来源进行了复核。 20,000 10,000 5,000 2,000 1,000 500 200 100 50 0.001 0.01 0.1 101 100 1,000 10,000 累 计 额 定 装 机 容 量（ 吉 瓦 时 容量 ） 产品价格 2 0 18 欧元 / 千瓦时 容量 新兴 发展中 成熟 抽 水 蓄 能（ 公 用 事 业 ， 28%） 锂离子电池（消费电子产品， 302%） 锂离子电池（公用事业， 165%） 钒 氧 化 还 原 液 流 电 池（ 公 用 事 业 ， 133%） 铅酸电池（多用途， 46%） 锂离子电池（电动汽车， 214%） 镍氢电池（混合动力电动汽车， 111%） 电 解 电 池（ 公 用 事 业 ， 176%） 铅 酸 电 池（ 住 宅 用 ， 135%） 锂离子电池（住宅用， 154%） 钠 硫 电 池（ 公 用 事 业 ，- ） 燃 料 电 池（ 住 宅 用 ， 162%） 系统 电池组 电池模块 电池 重要应用范围 2004 1997 2013 2010 2008 2013 2016 2010 2017 2007 2017 2017 2015 1995 2015 2014 1956 2018 2014 2016 1983 2013 1989 2012 9 净零排放路径 诸如 SWITCH之类的容量规划模型，可帮助 我们研究储能在低碳电网中的作用。此类模型主 要用于探索如何降低电力系统总成本（包括资本、 固定成本和可变成本），并共同优化储能部署和对 其他电力系统基础设施的投资。随着可再生能源 发电进一步普及，我们应当在单一框架内考察和 比较各种资源整合替代方案，如输电扩建、快速 增压发电、储能和需求响应等。可再生能源实验室 （ RAEL）已将相关运行细节纳入 SWITCH长期容 量规划模型中，以便对可再生能源、储能技术和其 他整合替代方案进行更准确的经济评估。风力和 太阳能发电技术的可变成本较低，但需要投资发 展资本密集型基础设施。因此，随着电力系统的 发展，采用类似 SWITCH的模型将有助于人们理解 和规划最具成本效益的资源组合。 然而， SWITCH建模并未将长期（从月度到季 节性）储能纳入考量，因此，这仍是可能进一步增 加电力系统成本的一大挑战。不过，一些本地化 解决方案，如需求响应、电动车入网、微电网等， 可大幅降低成本。此外，从长远看，日益增强的电 网互联和氢气储能的潜在利用，也可为季节性储 能提供具有成本效益的解决方案和额外的短期储 能能力。 在上述情境中，我们假设基础案例需求受到 人口增长、建筑和交通高度电气化等因素的推动， 但不受智能充电或智能建筑影响。长期储能、需求 响应和 WECC地区以外新的电网互联亦未包含在 内。成本假设详见表 1。 在本研究中，我们分析了WECC 地区以下四种零排放情境： 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。 10 表 1. 不同情境下的成本假设研究 图 4. 2020-2025年不同情境下的电力系统成本 数据来源： P. Hidalgo-Gonzalez、 J. Szinai、 D. M. Kammen，“ 北 美 西 部电 力系 统 零 碳 排 放 ”（ 编 写中）。 数据来源： P. Hidalgo-Gonzalez、 J. Szinai、 D. M. Kammen，“ 北 美 西 部电 力系 统 零 碳 排 放 ”（ 编 写中）。 2020年 2030年 2040年 2050年 情境 1 2, 3 4 1 2, 3 4 1 2, 3 4 1 2, 3 4 太阳能成本 （ 单 位 ：千 美 元 / 兆 瓦 ） 1,126 1,126 520 1,100 470 1,000 430 电池成本 （ 单 位 ：千 美 元 / 兆 瓦 ） 1,068 1,012 534 956 267 900 133 2020 205020402030 2020 205020402030 100 225 200 175 150 125 300 200 100 0 年份 年份 各情境下的电力总成本（ 2020年重置为 100%） Sunshot计划+低成本电池情境下的年度成本 （单位： 10亿美元） 容量成本（发电、储能投资和运营成本） 输电 老旧输电 本地输配电 度电成本（燃料成本） 电力系统 参考情境 Sunshot计划情境 Sunshot计划加速情境 Sunshot计划+低成本电池情境 情境 电力成本 20 20 年重置为 1 0 0 % 如图 4所示，若不加快储能创新和部署速度， 则“参考情境”中 2050年最低成本电力系统所产 生的实际成本将远高于当前。即使实施积极的能 效政策， 2020-2050年每兆瓦时的平均成本几乎 也会翻番，增至约 225美 元 。“ Sunshot计划 +低成 本电池情境”在 2050年的成本最低，较“参考情 境”低约 40%。这凸显了成功研发在实现零排放 之路上的关键作用。在“ Sunshot计划 +低成本电 池情境”中，若我们假设的成本下降无法实现，那 么表中显示到 2050年电力成本达到最低的下一种 方案则是“ Sunshot计划加速情境”。此处我们发 现，在 2040年前实现零碳排目标后， 2050年电力 成本也将随之下降，同时保持零排放。 11 图 5. 不同情境下的发电装机容量 参考情境 Sunshot计划情境 Sunshot计划加速情境 Sunshot计划+低成本电池情境 2020 2030 2040 2050 0.00 1.00 0.75 0.50 0.25 2020 2030 2040 2050 2020 2030 2040 2050 2020 2030 2040 2050 时期 WECC地区发电装机容量（ 2020-2025年） 容量分区 重要能源 太阳能 储能 压缩空气储能 风能 水电 天然气 煤炭 核能 地热能 生物质能 石油 数据来源： P. Hidalgo-Gonzalez、 J. Szinai、 D. M. Kammen，“ 北 美 西 部电 力系 统 零 碳 排 放 ”（ 编 写中）。 值得注意的有趣一点是，尽管到 2050年各 情境下的输电成本约占总成本的 15%，但在 2020- 2050年间，美国 WECC地区的输电容量需增加一 倍才能实现零排放。此问题可能带来的政治挑战 表明，我们还需进一步探索不必高度依赖新型输 电部署的其他零碳排途径（例如，分布式储能部 署、储能与屋顶太阳能相结合，等等）。 此外，我们通过 SWITCH平台还发现，所有 依赖可再生能源的情境，储能的需求量都较为庞 大（参见图 5）。 若太阳能和风能密集型发电成为关注重点 （如“ Sunshot计划 +低成本电池情境”所述）， 则储能需求将达到 2010年斯金纳法案（ AB 2514）规定的 100倍，即 131吉瓦。这意味着集中 式储能容量还需大规模扩张即使前述数字可 能有所高估，但更重要的是，它凸显出储能有着巨 大潜力待开发。同时，人们还可通过多个市场提 高不同参与者的储能能力，以此提高电网的可靠 性。这些市场包括： 分布式固定式储能（包括住宅和商用建筑）和 电动汽车入网（ V2G），有助于人们充分利用成 本和摊销成本，并将储能收入带来的种种好处 分配给传统上被排斥和边缘化的社区。 氢能在当前建模工作中经常被忽略，但它在长 期储能和直接工业用途方面具有很大的发展 潜力。同时，迅速扩大海上风电规模的潜力，将 对陆上风电和太阳能日常发电量形成补充，并 可进一步减少对集中式固定式储能的需求。 图 6进一步举例说明了开发和部署短时储能 （即每日储存）和长时储能项目的重要性。 12 图 6. 2050年 1月和 7月 WECC系统在“ Sunshot计划 +低成本电池情境”下的每小时电力调度情况 数据来源： P. Hidalgo-Gonzalez、 J. Szinai、 D. M. Kammen，“ 北 美 西 部电 力系 统 零 碳 排 放 ”（ 编 写中） 注： CSP-TES指具有热能储存功能的聚光太阳能发电 WECC地区的冬季电网净负荷较低。我们在 SWITCH建模中也发现，该地区 1月份连续多天的 全天发电量都会缩减，而储存的能源也得以闲置。 同时，由于天然气使用较少，故而在一天内并不存 在长时间储能套利的机会（即足够的价差）。就此 而言，我们虽未对持续数天或更长时间的储能情 况进行建模，但这种数日时长的储能的确更适于 吸纳 1月份的多余能源，并在电价上涨时将可用的 多余能源转移到一年中的其他时间。在“参考情 境”的夏季，风电输出较低，参考系统压力较大。 由于电网负荷较高，而风力发电量处于年度产能 最低水平，电网净负荷在 7月下半月达到夏季高峰。 在 SWITCH设计的最低成本发电系统中，夏季全天 都需进行天然气调峰发电，方可满足电力需求。 若在电动汽车中使用大规模储能或氢储能， 则能源的可靠性和成本目标均可轻易实现。事实 上，这些储能备选方案的大规模整合可加快提升 储能在能源、空气质量和可靠性指标上的市场效 益。从目前加州接近 100万辆电动汽车的总量来 看，诸如“美国 6500万辆清洁能源汽车提案” 15 之类的计划，可促成前所未有的脱碳水平，以市场 为导向的储能部署，以及在航运、储能和工业应用 中创造氢气集成的新机遇。 鉴于此，储能所能发挥的作用不仅仅限于平 衡低成本可再生能源，更是为整个电力系统的脱 碳进程提供支持。 月度时间 月度时间 350 300 250 200 150 100 50 0 -100 -150 -50 350 300 250 200 150 100 50 0 -100 -150 -50 Sunshot计划低成本电池情境， 2050年1月 Sunshot计划低成本电池情境， 2050年7月 吉瓦 吉瓦 核能 天 然 气（ 中 间 ） 重要能源 风能 生物发电 水 电（ 非 泵 送 ） 储能 地热能 太阳能光伏 天 然 气（ 尖 峰 发 电 ） 天 然 气（ 基 本 负 荷 ） CSP-TES 系统负荷 13 发展现状 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，深入认识当 前发展情况非常重要。下节，我们将从监管和市场两个角度，对其发展起点予以介绍。 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。作 为独立的电力系统运营商（ ISO）， CAISO负责为 近 2.6万英里长的输电线路提供平等的市场准入， 协调各种不同能源并入电网，并为其参与成员组 织运营具有竞争力的电力批发市场。 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。目前，加 州的可再生能源装机发电容量为 24吉瓦，其中太 阳能占一半以上，约 13.4吉瓦。其次为风力发电， 装机约 7吉瓦，而地热、小型水电和生物燃料等发 电的装机容量不到 1.6吉瓦。 16 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（参见图 7）。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。 聚 焦 ：加 州 与 CAISO 图 7. CAISO净 负 荷（ 2012年 3月 31日 -2020年 3月 31日） 28,000 26,000 24,000 22,000 20,000 18,000 16,000 14,000 12,000 10,000 0 12am 3am 6am 9am 12pm 3pm 6pm 9pm 需求上升 潜在超额发电 2020 2018 - 2019 2017 2016 2015 2014 2012（实际发电） 2013（实际发电） 净负荷： 3月 31日 小时 兆瓦 数据来源：“快讯”，加州电力调度中心（ CAISO）， 。 14 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。表 2采用了美国国家可再生能源实验室 （ NREL）制定的框架，界定了可再生能源并网的 可用杠杆，并将其与 CAISO采取的针对性行动进 行一一对应。 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。 2016年， CAISO发电量占 WECC地区 总发电量的 29%，而用电需求占 39%。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就像 2020年 8月热浪袭来时一样。 面对上述种种挑战， CAISO正积极部署各类 杠杆，进一步实现可再生能源并网，以此提高电力 系统的韧性。 可再生能源并网杠杆 表 2. CAISO可再生能源并网方法 整合杠杆 修改机组组合和调度的规则，包括 预测、对参与者的可靠性要求、以及 与其他系统的关联。 利用太阳能预测，在日前市场及时采购运行备用容量。 在剩余发电机组组合中纳入自动调节功能，用以考量自买可变能源的日前计划 与这些可再生能源的预测发电量之间的差异。 虽然在某些电网条件下，独立的系统运营商可每隔一分钟调度一次资源，但实 时市场系统仍应每 15分钟和 5分钟调度一次资源。 系统运行 修改市场运作规则，以更好地匹配 可再生能源发电，并提高不同市场 的互通性。 妥善管理西部不平衡电力市场，旨在从增强的区域一体化中获益。例如，提高 调度指令效率，抑制可再生能源缩减，降低对灵活能源储备的总需求等。自 2014年启动以来，已实现 10亿美元总收益。 已在过去四年中满足了灵活的资源充足率要求，实现了灵活的资源采购。灵活 性逐步提高的产品可同时获得灵活的上行和下行容量。 2019年， CAISO从水 电、燃煤、风电、地热、天然气、需求响应和电池中获得了灵活的产能提升。 市场 需求管理。 允许需求响应参与日前市场、实时能源市场和辅助服务市场。需求响应资源相 当于供应资源，可设定实时能源价格。独立系统运营商可直接遥测大型资源， 也可通过接收直接响应信号来加以限制。 负荷 基载发电的用途。 水力发电水平能对 CAISO的能源和辅助服务可用性产生很大影响。 天然气发电是发电能源结构中的边缘技术。 灵活基载发电 扩大输电网络和跨市场互联互通。 到 2022年，将西部不平衡电力市场的参与成员从 11个增至 21个，占 WECC地区 总负荷的 82%。 “储能作为输电资产”计划旨在根据受监管的服务成本模式，提供基于可靠性 的输电网支持。该计划目前已暂停，等待市场设计和政策制定。 电网 根据该机制，在能源价值较低时储 吸能量，在需要时释放能量。 到 2019年底部署 136兆瓦储能容量，预计到 2020年底，此数字将增至 923兆 瓦。第 AB 2514号法案规定，到 2020年，加州的储能采购目标达到 1325兆瓦， 目前有三家由投资者拥有的公用事业公司（ IOUs）已实现这一目标。 目前正在进行的“储能和分布式能源”计划，旨在提高独立系统运营商和配电 联网资源参与市场的能力。迄今取得的成果包括增强了并网储能和需求响应竞 标选择的参与能力。目前，该计划正处于“第四阶段”，即完善分布式能源和储 能参与模式，减少需求响应资源的整合障碍。 储能 描述 CAISO采取的方法 数据来源：埃森哲分析。 15 虽然 CAISO已采取一定行动应对前述挑战， 并可靠地使可再生能源并网，但其行动的特点仍 然以储能为中心。该行动重点已得到加州公共 事业委员会（ CPUC） 2013年第 13-10-040号决 策的支持。该决策设定了第 AB 2514号法案储能 采购目标，即 2020年达到 1325兆瓦 17 （约占峰值负 荷的 2%），由此支持以下三大目标： 1、电网优化： 包括削峰填谷，满足电网可靠性需 求，或延缓输配电升级投入； 2、可再生能源并网； 3、减少温室气体排放，支持实现州能源目标。 这一储能采购目标对动员储能供应商和投 资者所有的公用事业公司探索和部署储能至关重 要。根据前述法案， 1.325吉瓦的储能采购目标并 未包含泵送储能和压缩空气发电部分。由此可以 看出，该法案青睐于绿色储能解决方案，旨在鼓励 新的储能技术进入市场。清楚了解这一具有里程 碑意义的决策，并扩大其范围和加强其市场成熟 度，将为我们带来许多重要发展机遇。 对此， CAISO首先实施了政策强化措施，并 更新了其市场参与结构，使储能设备能够参与辅 助服务监管市场。例如，调频能源管理（ REM）就 是 CAISO专门为适应非发电资源（ NGR）（ 如 电 池 资源）参与 CAISO监管市场而制定的举措。 此外， CAISO进一步利用非发电资源模式 定义，将其作为电池资产全面参与能源和辅助 市场的基础。 CAISO创建了电储能和分布式能源 （ ESDER）计划，以扩展和制定电池资源规则，治 理资源控制、运行参数和财务结算，从而满足非发 电资源的独特功能需求。一些重要的政策关注领 域包括：资产竞标和容量承诺规则、奖励义务和 制约、以及补偿计算等所有这些都是储能资 产所独有的关注领域。 具体而言，当提供给电池的“燃料”是基于从 电网获取的能源并储存起来供以后放电时，那么 成本曲线走向、市场报价、凑整支付和运营能力 （荷电状态）等问题都将变得更加复杂。 CAISO着力考察的最后一个领域是，将储能 资源纳入批发市场，以提供基于电网可靠性的服 务。目前， CAISO正在探索的具体政策称为“储 能 作 为 输 电 资 产 ”（ SATA）。电池资产的主要目的 是在受监管的服务成本模式下，提供基于可靠性 的输电网支持，同时保留参与能源批发市场的权 利。 SATA政策制定工作目前已暂停，等待进一步 的市场发展，以及在 ESDER计划下解决相关设计 问题，从而适应此种双重服务能力。 对此， 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。 储 能 ：加 强 市 场 整 合 16 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。 图 8展示了电池储