中国储能网讯：美国国家可再生能源实验室日前发布了一份名为《超越4小时锂离子电池储能系统：长时储能系统的挑战与机遇》的研究报告。此项研究获得了美国能源部能源效率和可再生能源战略分析小组办公室、美国能源部水力发电技术办公室以及美国能源部电力办公室的资助。

前言

  这份报告以美国国家可再生能源实验室的“储能未来研究”项目为基础，该项目主要探索储能系统在美国电力部门的发展和运营中的作用和影响。该实验室调查了储能技术的发展对部署和采用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的投资和运营的影响。

  此项研究是“储能未来研究”的延续，探讨了促使持续时间4小时或低于4小时的储能系统向4小时以上的长时储能系统转变的多种因素。该报告建立在“储能未来研究”系列的第一份报告《储能部署的四个阶段:储能系统在美国电力系统中扩大作用的框架》的基础上，该报告在当前和未来部署储能系统的四个阶段中建立了具有成本竞争力的储能系统的角色和机会的框架。这份报告深入研究了太阳能发电设施和储能系统的发展阶段，并指出太阳能发电设施和储能系统共址部署可以相互增加价值，而降低成本和技术改进使储能系统在服务持续时间更长的应用时具有成本竞争力。

  “储能未来研究”项目提供数据和分析，以支持美国能源部的“储能大挑战”计划，这个全面的计划旨在加速下一代储能技术的开发、商业化运营和应用，并致力保持美国在全球储能市场的领导地位。“储能大挑战”计划采用了用例框架，以确保储能技术能够经济有效地满足特定需求，并结合了多个类别的储能技术:电池储能系统、机械储能系统、热储能、液流电池、柔性发电等。

概要

  从2010年到2022年底，美国电网增加了约9GW的电池储能系统，而且运营的抽水蓄能发电设施的装机容量约为23GW。在新增的储能系统中，90%以上的储能系统持续时间为4小时或更短，在过去几年部署的储能系统中，锂离子电池储能系统约占99%。

  很多人对部署持续时间高于4小时的储能系统的兴趣日益增长，并且认为长时储能系统将在帮助整合可再生能源和实现高度脱碳电网方面发挥着重要作用。报告指出，即使没有针对减少碳排放的新政策，持续时间为6～10小时的长时储能系统也有数百吉瓦的市场机会。考虑到在脱碳和实现可再生能源方面的作用，长时储能系统的发展潜力可能更大。

  尽管发展潜力巨大，但有关长时储能系统的作用以及长时储能系统与锂离子电池储能系统进行竞争仍然存在重大的不确定性。

  从历史上来看，4小时储能系统非常适合在美国许多地区的夏季峰值电力需求期间提供容量服务，这导致一些批发市场地区采用了“4小时容量规则”。该规则允许持续4小时以上的储能系统在容量市场或其他提供容量的合同中获得补偿(在更长的持续时间内不会提供额外的收入)。4小时容量规则、能源套利的额外价值有限以及锂离子电池成本下降，对于部署持续时间超过4小时的长时储能系统产生了抑制作用。基于这一规则，在2021年和2022年美国部署的储能系统约有40%是持续时间4小时的储能系统，不到6%的储能系统持续时间超过4小时。

  随着太阳能发电量的增长，满足夏季峰值电力需求的4小时储能系统装机容量将进一步增长。然而，太阳能发电量的增长、不断变化的天气以及建筑供暖的电气化，可能会导致冬季峰值电力需求的转变，其需求期间通常比4小时储能系统的持续时间更长。近年来，美国的一些地区(东南部和德克萨斯州等地区)的冬季峰值电力需求快速增长。随着一些地区改变储能容量规则，这可能最终在未来几年为部署长时储能系统提供更大的激励。长时储能系统可以提供额外的服务，例如缓解输电拥塞和提高电网弹性，因此将具加大部署的机会。

  有一些储能技术可以实现更低的成本和更长的使用寿命。然而，这些储能系统必须在成本方面与成熟的锂离子电池储能系统进行竞争，因为锂离子电池储能系统还有可能大幅降低成本，并实现更长的持续时间。长时储能系统的成本降低取决于大规模部署以及激励政策的潜在作用，只有组合成本最优的储能技术，才能更好地支持不断发展的电网。

  1、介绍

  近年来，美国部署的电网规模储能系统装机容量不断增长，预计在未来将会加速增长。美国在过去几年部署的储能系统大多是锂离子电池储能系统，持续时间通常不超过4小时。然而，人们对于部署持续时间高于4小时的储能系统越来越感兴趣，并且认为长时储能系统在帮助整合大量可再生能源和实现高度脱碳电网方面将发挥重要的作用。

  尽管存在这种兴趣，但对于哪种储能技术能够实现经济高效的大规模部署，以及可能提供的服务的实际价值，特别是能否取代电池储能系统时存在很大的不确定性。目前，4小时储能系统非常适合在夏季峰值电力需求期间提供电力，并且随着太阳能发电量的增长，提供各种服务的能力也得到增强。然而，天气变化、太阳能发电量的增长以及供暖电气化可能导致冬季峰值电力需求成为资源充足需求的主要驱动因素。冬季电力需求峰值期间通常高于4小时。

  这项研究探索了可能导致储能系统持续从4小时到更长时间转变的机遇和挑战。虽然这份报告与全球储能市场相关，但该报告第一章节的重点是美国储能市场，以及其批发电力市场中评估和补偿容量的具体规则。

  第二章节讨论了4小时或持续时间更短的锂离子电池储能系统在过去一直主导储能市场的原因。还概述了储能系统的部署框架，并讨论了如何比较成本和收益，特别是在增加持续时间的背景下。

  第三章节讨论了未来过渡到超过4小时储能系统的可能途径，包括短时储能系统提供容量的价值下降，特别是当电力需求峰值转移到冬季时。这项研究关注的是近期内发生的转变，而不是长期的转变，包括深度脱碳的情景。

  第四章节讨论了锂离子电池储能系统以外的储能技术转型，以及与装机容量和储能容量相关成本的重要性。

  虽然在第四章节简要地讨论了不同的储能技术类别和选项，但美国国家可再生能源实验室采用的方法在很大程度上是技术中立的，其关注的主要特征是持续时间，在第4章节中还讨论了充放电效率等其他因素的影响。将持续时间定义为储能系统在需要充电之前可以在满负荷输出时的时间长度。虽然人们对“长时”有各种各样的定义，但在这里并不讨论任何特定的持续时间，而是探索超越4小时持续时间的情景，这代表了当前大多数的储能系统。

  2、持续时间4小时或更少:近期储能部署的驱动因素

  为了了解持续时间超过4小时的长时储能系统的部署机会，首先探讨4小时或更短的持续时间的储能系统在过去10年主导全球储能市场的原因。美国目前运营的抽水蓄能发电设施大约有23GW，大部分是在2000年之前完成建设(其中大多数抽水蓄能发电设施的持续时间为8小时或更长时间。表1显示了2010年至2020年美国公用事业规模的电池储能系统的部署情况。该表不包括装机容量小于1MW的储能系统，但包括与太阳能或风力发电设施配套的电池储能系统。该表也不包括热储能系统或用于加热和冷却的热储能系统。在确定技术类型的储能系统中，99%以上是锂离子电池储能系统。

  图1显示了美国从2010年至2022年部署的储能系统的总装机容量，按持续时间按1小时递增。例如，列出的持续时间为1小时储能系统装机容量为1100MW，1至2小时储能系统装机容量为1800MW。

  图1 美国在2010～2022年部署的储能系统持续时间。只有不到7%的储能系统的持续时间超过4小时。

  这些储能系统中，大部分的持续时间是4小时，美国在2021年和2022年部署了2850MW的4小时储能系统。持续时间超过4小时的储能系统总装机容量不到7%。这可以通过了解储能系统的收益和成本如何随时间变化进行解释。

  2.1、构建储能系统的价值主张

  储能系统的价值通常与其提供多个服务的能力有关。表2概括了储能系统提供的一些潜在价值。

  需要注意的是，表2没有明确列出可再生能源的特定应用。这些应用已经在表1中列出。例如，能量转移和价值通过需求收费和使用时间费率反映在电价中。

  从2010年到2019年，大部分储能系统的应用都集中在辅助服务，主要由电池储能系统(或飞轮)提供服务，持续时间通常为1小时或更短。目前在美国一些地区部署的储能系统的装机容量超过了当地的辅助服务要求。表1中列出的储能系统装机容量现在超过了美国约9GW的辅助服务要求。此外，表1并没有包括提供调节储备和减少储能部署机会的其他资源，包括抽水蓄能电设施和需求响应。因此，辅助服务市场有可能饱和，部署储能系统的重点如今已经转移到容量服务上，正如2022年持续时间的增长所表明的那样。

  （未完待续）