4、第一阶段：短时储能系统以提供运营备用

在上世纪80年代之后，美国储能市场进入一个低潮期，而到了本世纪初，美国市场才重新燃起对储能部署兴趣。而储能系统进入批发市场提供运营备用服务，为其提供了一个直接竞争的机会，并展示了与提供这些服务的传统发电设施相比的潜在价值。

尽管运营备用由众多服务和产品组成，但它们都代表了发电商或电网运营商增加电力产量或减少电力产量的能力。这些备用服务是根据不同时间尺度上供需的随机变化而提供的。不同的运营备用服务之间的区别有三个因素：

•多少反映了储能系统的功率，这是以装机容量（MW）来衡量的。

•多快反映了所需的响应速度，是储能系统对备用事件的响应所需时间（h）衡量的。

•多长是必须保持电力输出的持续时间有多长，对于储能系统来说，采用储能容量（MWh）来衡量的。

这三个因素在运营备用的应用如图4所示，该图显示了提供运营备用服务的电力输出低于最大输出，并且能够根据其运行极限提供一些备用容量。

图4 运营备用服务的三个特征

尽管特定的运营备用服务由于地区不同而有不同的名称，但在这里重点介绍两大类产品，它们存在于美国所有地区和市场，并且价值较高：

•应急备用服务用于快速应对大型发电厂或相关输电线路发生故障而导致的容量损失。

•调峰备用服务用于解决电力供应或需求中较小的随机变化。

总之，任何储能资产能够提供的电力服务取决于其装机容量和运行状态，这意味着它必须保持足够的能量来响应备用事件。

每个区域的市场还建立了发电商和电网运营商参与运营储备供应所需的响应率规则。例如，电网运营商可能要求发电设施或储能系统在10分钟内增加产量，以提供应急备用服务。

这个规则还规定了必须保持增加电力输出的时间长度，通常在15～30分钟范围内。例如，应急备用市场可能需要提供这种服务的发电设施或储能系统至少保持30分钟的电力输出。对于能够提供这种服务的装机容量为1MW储能系统来说，它需要具有30分钟的持续放电时或0.5MWh储能容量。

第一阶段的储能服务价值  

历史的市场价值可用于估算提供各种服务的储能系统的近似价值。运营备用服务的价格通常以1小时内可用的储能容量单位（MWh）来衡量，它代表一段时间内可用于响应的储能容量。提供应急备用服务的储能系统即使不需要提供电力，也会为此获得费用。更简单地说，储能系统只需做好响应准备，然后在接到通知时做出响应，就可以获得收入。2019年，应急备用服务的平均市场价格为3美元/MWh至27美元/MWh，加权平均值约为11美元/MWh。提供应急备用服务的储能系统基本上是在充电状态下“闲置”的，并等待响应。当被调用时，储能系统将一直放电到事件结束，然后尽快充电，以便恢复到充电状态，并再次准备提供应急备用服务。

估算调峰备用服务的价值更为复杂。与很少使用的应急备用不同，提供调峰备用需要根据需求的随机微小变化相当频繁地提供电力。提供调峰备用服务的储能系统将更加频繁地充放电，但它会根据电网需求不断增加和减少电力输出。这种频繁的充放电会导致电池提早退化，并产生额外的成本。然而，调峰备用服务的价格通常高于应急备用的价格；2019年美国的平均调峰备用价格范围为6美元/MWh到32美元/MWh，而加权平均价格约为15美元/MWh。

在任何一种情况下，储能系统都可以在接近100%的时间内提供运行备用服务。即使成本下降之前，这种几乎可以在100%的时间提供的服务为储能系统提供了一个具有成本效益的切入点。

提供这些服务的一个关键方面是，一旦满足最短的持续放电时间要求（“多长时间”），持续放电时间更长的储能系统就不会获得额外价值。

图5(a)显示了在亚利桑那州公共服务公司的电价6.26美元/ kW-月（75美元/ kW-年）情况下，提供运营备用服务和30分钟持续放电时间要求的储能系统价值的具体示例。一个持续放电时间为10分钟的电池储能系统的装机容量需要减额到三分之一，以提供30分钟的电力服务，因此这个电池储能系统每年将获得大约25美元/千瓦（100%可用性）收入。这个曲线上的每个点显示10分钟储能系统增量的值。其总值随着储能系统持续放电时间的增加而增加，直到持续放电时间达到30分钟，此时为该服务添加额外持续放电时间的值为零。

(a)假设电价为75美元/千瓦年，储能系统的总价值和边际价值示例  

(b)假设90%的电池可用性和锂离子电池成本估算的总收益成本和边际收益成本(B/C)比率示例  

图5  提供运行备用服务的电池储能系统的价值示例  

图5（b）显示了提供这一服务的锂离子电池储能系统的总收益成本和边际收益成本(B/C)之间的比率，假设在图3中的2020年电池储能系统成本估算和储能系统90%的可用性的条件下。从图中可以看出，由于初始成本较高，持续放电时间为10分钟储能系统的B/C比率小于1。然而，增加第二个10分钟的B/C比率要高得多，因为它考虑了额外能量的增量收益。而增加的第三个10分钟的持续放电时间（总共30分钟）可以最大化项目的B/C比率。如果为这个储能项目再增加10分钟的时间（总共40分钟），即使边际B/C比率为零，整个项目的B/C比率仍将大于1。因此，部署持续放电时间为40分钟的储能项目似乎是一项合理的投资。但是，将持续放电时间从30分钟增加到40分钟，实际上会降低储能项目的整体回报，并不是一个最佳投资，这也反映在30分钟之后的零边际价值曲线中。边际价值的这种变化就是将边际成本和收益作为持续放电时间的函数进行比较至关重要的原因。

储能系统提供具有成本竞争力的运行各用的能力促使美国大量部署持续放电时间为1小时或更短的时间的储能系统（见表2）。

表2. 2011-2019年持续放电为1小时或更短的公用事业规模（>0.5MW）储能部署情况

表2中的储能系统包括部署的装机容量为656MW的锂离子电池储能系统、47MW的飞轮储能设施和18MW的其他电池储能系统。

第一阶段储能部署的限制：总体要求

第一阶段受限于美国电力系统所需的高价值运营备用服务的总量，如图6所示。调峰备用的需求由净负荷的变化大小所驱动，应急备用的需求是由输电线路故障的规模所驱动。这两项服务在美国的总需求量约为18GW；相比之下，美国峰值需求超过600GW。这意味着这些市场有可能迅速饱和。

除了现有的运营备用市场之外，现有频率响应要求的货币化可能会增加第一阶段的储能部署规模。频率响应是发电设施快速自动响应频率变化的能力，通常由装有调速器的发电设施提供。这是目前仅在德克萨斯州电力可靠性委员会(ERCOT):地区提供的市场服务，但美国其他地区对频率响应市场的兴趣正在增长。而估算频率响应的潜在价值是困难的；鉴于频率响应需要更高的响应率，调峰备用的市场价格可能是一个合理的下限。然而，与其他储能系统提供的服务一样，调峰备用潜在市场总量有限，美国的频率响应市场的需求约为8.2GW。总体而言，这将导致用于运营备用的短时储能系统的部署低于26GW（如图6所示），第一阶段储能部署的经济机会可能远远低于这一水平。

图6.美国电网对第一阶段储能系统可能提供的运行备用服务的当前要求

5、第二阶段： 电池储能系统在电力需求峰值期间应用的兴起

随着第一阶段的运营备用市场饱和以及电池价格下降创造了新的机会，美国一些地区过渡到第二阶段：部署持续约2～6小时的电池储能系统以提供峰值容量。峰值容量用于满足炎热夏季或某些地区极寒时期短期峰值需求。调峰容量通常由循环燃气轮机或内燃发电机提供的。然而，电池成本的持续下降提高了电池储能系统竞争力。美国一些州已经进入第二阶段，并开始部署电池储能系统替代峰值发电厂。  

在第一阶段，由于电池储能系统装机容量的限制，通常只部署提供单一服务的短时储能系统。而主要旨在提供运行备用服务的储能系统很难提供额外电力服务。

而用于调峰的电池储能系统通常提供多种电力服务，其中包括提供运行备用和能源时移等服务。这样的电池储能系统可以同时提供容量和能量转移服务，因为电力价格最高的时期与峰值需求期间高度相关（电池储能系统在此期间放电）。而电力低价时期也是低需求时期（电池储能系统在此期间充电），因此当有大量备用容量可用于停电风险较低时。因此，容量和能量时移这两项服务可以堆叠。

除了容量和能量转移之外，持续放电时间更长的电池储能系统还可以提供运行备用服务。电池储能系统在充电时，只要充电达到足以满足备用时长要求，并已预留足够的能量来满足其容量服务，就可以提供运行备用服务。它还可以在充电和放电之间的“空闲”期间提供这样的服务。  

因此，第一阶段和第二阶段中的储能系统可能会有相当大重叠，因为第二阶段部署的电池储能系统还提供运营备用服务以增加收入。在成本足够低的情况下，一些地区可能会通过使用持续放电时间为2小时到6小时的储能系统来提供能源、容量和运行备用服务，从而在很大程度上跳过第一阶段。

因此，而峰值容量的价值是过渡到第二阶段的主要驱动力，尽管提供备用服务作为辅助应用可能会产生一些额外价值。