中国储能网讯：本报告由美国国家可再生能源实验室（NREL）撰写，该实验室由美国能源部（DOE）委托美国可持续能源联盟运营，美国能源部能源效率和可再生能源办公室为其提供资助。

前言

本报告是美国国家可再生能源实验室（NREL）发布的“储能未来研究（SFS）”系列报告之一。储能未来研究（SFS）是一个持续多年的研究项目，主要探索储能系统在美国电力行业发展和运营中发挥的作用和影响。该项目旨在研究储能技术的进步对于部署公用事业规模储能系统和分布式储能系统的潜在影响，以及对未来电力系统基础设施投资和运营的影响。其研究结果和数据将通过一系列出版物对外发表。下面表格列出将在储能未来研究（SFS）项目的计划和研究主题。

本报告是储能未来研究（SFS）系列的第一份报告，通过基于当前和未来的储能部署的四个阶段的概念框架，探讨了具有成本竞争力的新型储能系统在市场中的角色和机会，并提出了储能系统的价值主张，这可能会促进更具成本效益的储能部署。该概念框架为其后续报告的审议提供了更广泛的背景，其中包括电力系统的演变情景及其运行影响的建模，以及分析的详细结果。

储能未来研究（SFS）项目将提供数据和分析结果为美国能源部倡导的储能大挑战提供支持。这是一个全面的计划，致力加快开发、利用、商业化运营下一代储能技术，并致力保持美国在储能领域的全球领导地位。储能大挑战采用了一个用例框架，以确保储能技术能够经济高效地满足特定的需求，其中包含了多个类别的储能技术：电化学、机械储能、热储能、抽水蓄能、电力电子技术等。

储能未来研究（SFS）项目的计划和研究主题

摘要

美国的电力系统迄今为止拥有并运营了装机容量约为23GW的抽水蓄能发电设施。考虑到不断发展的储能技术和不断变化市场条件，预计未来几十年的储能部署将采用多种储能技术。成本的下降增加了储能系统在美国电力系统中的重要性。这项研究利用对最近储能部署趋势、预测和分析的深入了解提供了一个框架，描述了储能系统的价值主张，为美国公共事业部门和监管机构提供帮助，并促使开发商能够更好地为储能系统发挥的作用做好准备，并了解需要仔细分析以确保成本最优的储能部署。

为了探索具有成本竞争力的储能系统发挥的作用和面临的市场机会，该报告使用了一个基于当前和未来潜在储能部署四个阶段的概念框架（见表1）。这四个阶段从较短持续放电时间过渡到较长持续放电时间的储能系统，考虑了成本和价值如何随着持续放电时间的增长而发生变化，并将储能系统持续放电时间的关键指标与未来的部署机会联系起来。

表1 储能部署的四个阶段摘要

在美国，总装机容量为23GW抽水蓄能发电设施主要是在1990年之前建造的，其目的是提供峰值容量和能量时移等电力服务。抽水蓄能发电设施可以提供持续放电时间较长的多种电力服务，其服务跨越了四个阶段的框架，并且其用途也在不断发展，以满足不断变化的电网需求。然而，多种因素导致美国在抽水蓄能发电设施的开发方面停顿了几十年，美国从1990年到2011年几乎没有进行新的建设和部署。

不断变化的市场条件（例如电力批发市场和新技术的引入）表明自从2011年以来的美国储能部署可能会走上一条不同道路，

与建设持续放电时间8小时以上的抽水蓄能发电设施不同，美国近年来部署的储能系统基本上都是持续放电时间较短的储能系统，预计新的储能部署将会出现持续放电时间不断增长的发展趋势。

这一调查报告在四个阶段框架中描述了这一发展趋势，这一框架描述了储能系统的成本和价值是如何随着持续放电时间的增长而变化的。而储能系统的持续放电时间增长（或储能容量的增加）都会增加更多的成本。相比之下，大多数电网服务的价值不一定会随着储能资产的增加而增加。

如果持续放电时间是固定的，储能系统的价值可能不会增加，或者即使增加也可能快速递减。在美国目前的电力市场上，许多电网服务的价值可以通过分散的、并且持续放电时间相对较短的的储能系统来实现（例如，大多数储能系统的持续放电时间少于1小时）。而随着持续放电时间的延长，储能成本也在不断增加，其特点是储能系统的持续放电时间的增长与特定的服务和技术的发展进步保持一致。

这项研究工作中采用的四个阶段的概念框架简化了储能行业和电力系统更复杂的演变过程，同时提出了四个不同的阶段，而各阶段之间的界限可能有些模糊，因为各阶段之间的过渡将在不同地区不同时间发生，并且一些特定服务的市场已经饱和。可再生能源发电设施在各地区的部署以及混合部署对于各个阶段的过渡和市场规模产生很大影响。

第一阶段始于2011年左右，其特点是美国市场主要部署1小时或更短时间的储能系统，这是由于出现了新技术并重组市场，允许以具有成本竞争力的方式提供运行备用服务。在第一阶段，短时储能系统的部署受到运行备用市场总体要求限制，包括调节备用、应急备用和频率响应等服务，美国用于运行备用的储能系统装机容量将低于30GW。

第二阶段的特点是部署持续放电时间2～6小时的储能系统用于提供峰值容量。第二阶段已经在美国一些地区开始出现，锂离子电池储能系统在这一阶段变得具有成本竞争力。随着电池价格的持续下跌，电池储能系统有望在更多应用场景中具有成本竞争力。这些储能资产的大部分价值来自于对传统峰值发电设施（主要是天然气发电设施）的替代，但它们也从能源时移/能源套利中获取价值。第二阶段的潜在机会受到当地或区域峰值需求的时间的限制，其装机容量约为40GW。然而，峰值需求期间将会受到可再生能源发电量的主要影响，特别是太阳能发电量，这将会缩短峰值需求期间。第二阶段的特点之一是太阳能发电增加了储能系统的价值（提高了储能容量），而反过来，储能系统也增加了太阳能发电的价值（通过将其电力转移到需求更高的峰值期间来增加价值）。因此，在美国25%电力来自太阳能发电设施的情况下，更多地部署太阳能发电设施可以将第二阶段的储能部署的潜力扩大到装机容量为100GW以上。

第三阶段的区别较小，但其特点是成本更低和技术得以改进，使储能系统在满足更长时间（4～12小时）同时具有成本竞争力。这可能是由于在第二阶段大量部署了持续放电时间为2～6小时的储能系统。第三阶段的储能部署包括各种储能新技术，其中也包括了现有的抽水蓄能发电设施。第三阶段的储能技术还包括下一代压缩空气和基于热储能或机械储能的各种储能技术。此外，这一阶段的储能系统可能提供额外的价值来源，例如太阳能发电和风能发电的能量转移，以解决电力供需不匹配的问题。此项研究报告指出，美国在第三阶段将具有部署装机容量100GW储能系统或更多的潜在机会，以及在美国几个地区将建设抽水蓄能发电设施。值得注意的是，第二阶段和第一阶段的储能部署可能是混合部署，其中包括一些独立部署的储能系统，但大部分储能系统是与可再生能源发电设施配套部署的，而这些储能系统可以获得税收抵免。与第二阶段一样，额外增加的可再生能源发电（特别是太阳能发电量）可以扩大第三阶段的储能容量，使可再生能源发电设施的发电量超过50%。

第四阶段是最不确定的阶段。它描述了一个可能的未来发展情景。在未来的电力市场，持续放电时间长达几天到几个月的储能系统将被用来在电力部门存储更多的可再生能源电力，或作为多个行业部门脱碳的一部分。这一领域的储能技术包括压缩空气储能系统，可以将能量储存在大型地下洞穴或地层中，储存的时间极长，损失更低。这种低损耗的储能系统允许季节性的能源转移，并为工业过程和原料生产提供充足电力。第四阶段储能技术的特点通常是，扩展装机容量的成本很高，但扩展持续放电时间相关的成本很低。因此，采用储能容量等传统指标进行衡量的用处不大，如果再加上燃料在非电力部门应用的潜在用途，将第四阶段的储能技术与其他储能技术进行比较就更加困难。在美国，第四阶段储能技术潜在部署的装机容量达到数百GW，这些储能技术可能解决更长时间的电力需求。

报告中的四个阶段框架旨在描述具有成本竞争力的储能技术演变，但更重要的是，它确定了利益相关者评估储能系统和其他灵活性来源的替代途径所需的关键要素。具体地说，对所需的各种电网服务（包括装机容量和持续放电时间）进行改进，可以有助于更深入地了解各种储能技术与非储能资源（如响应性需求）之间的权衡。这样的特征将有助于确保部署的储能技术组合有利于电网的稳定运营，这将最终提高电力系统需要的储能容量和灵活性。

1、简介  

在本世纪初，美国累计部署的储能系统的装机容量只占到电力系统发电设施总装机容量的一小部分（不到3%）。但是随着成本下降、新型储能技术的涌现，以及可变可再生能源（VRE）发电量的增长，人们对大规模部署储能的潜力越来越感兴趣。  

在竞争激烈、监管严格的能源行业中，储能系统必须提供符合电力系统需求的经济可行的服务。这个报告中描述了储能系统的价值主张，该价值主张可以实现经济高效的部署，其装机容量可能高达数百GW，并将促使美国电网发生重大变化。本报告第2节和第3节从估值、成本和收益方面为近期和未来的储能部署奠定了基础。然后，第4～7节描述了未来储能部署的设想，其中包括以下四个阶段：  

•第1阶段：提供运行备用的短时储能系统（第4节）  

•第2阶段：电池储能系统在电力需求峰值期间应用的兴起（第5节）  

•第3阶段：低成本储能系统的时代（第6节）  

•第4阶段：多日储能到季节性储能（第7节）  

虽然这份调查报告呈现了四个不同的阶段，但每个阶段之间的边界有些模糊。每个阶段都以储能系统的持续放电时间和提供的相应服务来描述。而报告讨了储能技术和市场需求，包括对每个阶段的潜在部署估计，以及随着短时储能市场机会饱和与储能成本下降的过渡点可能出现的情况。还展示了每个阶段（特别是第二阶段到第四阶段）的规模如何受到可再生能源发电量的主要影响。

在这四个阶段中的第一个阶段，即部署短时储能系统（持续放电时间为1小时以下）以提供运行备用服务，实际上已经部署了近10年时间。第二阶段，美国一些地方最近开始部署电池储能系统作为调峰设施，其持续放电时间为2～6小时。第三阶段是向成本较低、持续放电时间较长的储能系统过渡，这可能包括商业开发各个阶段的一系列储能技术。第四阶段是持续放电时间非常长的储能系统（12小时以上），在极端的大规模可再生能源发电设施部署的情况下将成为一种经济可行的技术。此次调查目的是考虑美国储能部署具有的巨大潜力，以便公用事业公司、监管机构，以及开发商可以更好地为这种部署做好准备，并且能够理解仔细分析以确保在成本效益方面达到最优部署的必要性。这项工作还考虑了储能系统的角色随着电网发展发生的变化，以及储能系统作为容量资源的重要性。

虽然此次调查发现了基于当前可以盈利服务的储能技术的巨大潜在机会，但实际部署的机会非常不确定，特别是对于后期阶段（主要是第三阶段和第四阶段），这可能需要采用具有不确定成本和性能的新技术。

2、2010年之前的储能部署

在重组电力市场（始于2000年）之前，美国已经部署了23GW以上储能系统，其中绝大部分是抽水蓄能发电设施。在垂直整合公用事业公司的最低成本规划下，这些抽水蓄能发电设施主要是作为传统化石燃料峰值容量的替代方案而建造的，为了解决核电站和燃煤发电厂提供基本负荷电力带来的问题，同时也是为了减少使用日益昂贵的传统调峰设施（例如采用石油和天然气的发电厂）。其他动机包括美国1978年发布的《发电厂和工业燃料使用法规》对建设燃气发电厂的限制。抽水蓄能发电设施提供了一种增加基本负荷资源灵活性的方法，能够满足峰值期间的电力需求，从而抵消了对成本更高的石油和天然气发电能力的需求。

抽水蓄能发电设施的建设和交付周期通常很长，这导致在上世纪90年代以来很少建设此类项目。图1显示了截至2010年这些抽水蓄能电站的累积部署情况，以及其他储能技术部署情况（主要是1992年建成的一个压缩空气储能设施）。

图1.美国1950年-2010年累计的储能部署的装机容量

在上世纪90年代之后，美国很少建设抽水蓄能发电设施，这主要是有多种因素，其中包括更具成本效益的燃气轮机的出现、1978年《发电厂和工业燃料使用法规》的废除以及天然气成本的降低，这些因素导致天然气发电厂在1990年到2010年得以迅速发展，以提供峰值容量。

美国现有的抽水蓄能发电设施继续提供固定容量、能源时移和运行备用等电力服务，预计在可预见的未来仍将继续提供这些服务，并随着电网的发展而调整其角色，例如增加对可再生能源发电设施或电网黑启动能力的集成使用。因此，在这个调查报告中四个阶段框架中部署新的储能系统是对现有抽水蓄能发电设施提供服务的一种补充。此外，美国有可能升级和改造现有的抽水蓄能电站，并将提高效率和响应时间。而与第三阶段相关的内容将会讨论新一代抽水蓄能发电设施的部署。（未完待续，严禁转载）