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英國與加州緣何走在全球儲能技術應用市場前列？

來源：《財經(jīng)》雜志 | 0評論 | 5087查看 | 2017-07-27 14:47:00

我們正處在大規(guī)模儲能的商業(yè)應用和電池投資激增的臨界點，英國和加州是兩個先驅。英國私有的、分拆的電力市場給儲能的發(fā)展提供了競爭機制，加州由于市場功能欠缺，通過政策激勵建成了目前世界上最大的儲能設施。

　　將近100年來，電力系統(tǒng)的設計壽命都大約是40年到50年，并有一定的柔性需求。能源在不斷變化，我們的系統(tǒng)也必須適應變化。隨著可再生能源和分布式發(fā)電的興起，系統(tǒng)的柔性越來越重要。如果沒有更柔性的系統(tǒng)，接入更多可再生能源的綠色世界會碰到更多的斷電事故，讓我們的數(shù)字世界陷入停滯。

　　柔性要求在電力需求上升時(比如晚上)或者可再生能源波動時(比如陰天或無風日)系統(tǒng)能提供更多的備用。這種柔性可以通過長距離高壓輸電(聯(lián)網(wǎng))接入不同地區(qū)、時區(qū)的電源來實現(xiàn)，也可以通過本地的儲能來實現(xiàn)。

　　在電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)成本較高，或者受限于自然條件難以發(fā)展起大規(guī)模電網(wǎng)的孤島，儲能的需求會更加迫切。全球范圍來看，英國與加州是如今在儲能技術應用上走得比較靠前的兩個地區(qū)。

　　電池儲能迎來臨界點

　　儲能的應用在全球已經(jīng)非常普遍，不過主要還是集中于技術含量較低的抽水蓄能，第一個抽水蓄能電站是1909年在瑞士的沙夫豪森(Schaffhausen)建成的，如今98%的儲能裝機都是基于這種有超過100年歷史的技術。抽水蓄能的概念簡單，開發(fā)總成本較高(通常需要數(shù)十億美元)，對環(huán)境影響較大。其他包括壓縮空氣儲能技術、電解制燃氣技術以及電池技術在內的儲能技術占據(jù)了剩下大約不到3%的投運儲能容量。

　　據(jù)國際能源署的2016全球投資報告介紹，每100億美元與電網(wǎng)相關的儲能投資中，超過80%投給了抽水蓄能。不過電網(wǎng)應用的電池儲能投資也增長迅速，2015年投資額是2010年的10倍。

　　盡管各種技術都在不斷發(fā)展，但從成本風險改善角度來看，電池技術是最有前景的。電池儲能的想法早在18世紀末就已經(jīng)誕生，最早電池由Alessandro Volta發(fā)明。電池儲能的首次商業(yè)應用是在19世紀80年代，用來平衡紐約市區(qū)的隔夜電力負荷。不過直到20世紀70年代消費電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，電池才迎來廣泛的商業(yè)應用。盡管電池技術已經(jīng)在我們日常生活中普遍使用，但這些技術還未廣泛應用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)。

　　大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)的商業(yè)化難題仍然制約了它的應用。在包括中國在內的大多數(shù)國家，受困于電力市場結構、政策和法規(guī)等因素，電池投資者還很難從儲能中賺到錢，一個可持續(xù)的商業(yè)模式需要其收入大于成本。

　　好在情況正在迅速變化，電池儲能的投資即將變得越來越有利可圖。簡單來說，其商業(yè)模式由給社會創(chuàng)造價值的收入和成本綜合構成。

　　儲能可以通過降低輸配成本，提高柔性，提供輔助服務，增加備用容量和轉移需求時間(不限于高峰時段)為社會創(chuàng)造價值。然而，目前投資者只能從它創(chuàng)造的一部分價值中獲得收入。儲能要想有錢賺，需要商業(yè)模式和監(jiān)管條件的創(chuàng)新，讓投資者能夠拿到更多的錢。

　　另一方面，儲能成本一直在下降，從2010年前后的超過1000美元每千瓦時下降到目前的400美元每千瓦時。通用汽車與特斯拉分別計劃到2021年和2020年將電池組件成本降低到120美元每千瓦時和100美元每千瓦時。

　　大規(guī)模儲能的商業(yè)應用前景需要進一步降低儲能成本、提高儲能收入。我們正處在電池投資激增的臨界點。

　　全球范圍來看，英國電力市場中的容量市場與輔助服務市場機制，為儲能在自由市場中如何發(fā)展帶來了啟示。而加州則是通過政府規(guī)劃部門的扶持，由電力公司主導進行儲能開發(fā)，是儲能在受管制的市場中發(fā)展的范例。

　　市場驅動的英國模式

　　英國儲能的發(fā)展離不開它成熟的電力市場結構。

　　英國從上世紀80年代撒切爾夫人執(zhí)政時期開始了一系列能源市場自由化改革，是全球最早一批進行電改的國家。1989年的《電力法》，奠定了英國能源市場自由化和私有化的基礎。2000年頒布《公用事業(yè)法》，建立了電力批發(fā)交易平臺，并首次引入對可再生能源的補貼制度。2005年，引入BETTA(英國輸電和電力交易規(guī)則)，進一步提高能源市場競爭。2013年起，英國電改進入第四階段，提出電力市場改革(EMR)，引入差價合同和容量市場機制。

　　經(jīng)過數(shù)輪改革，英國原來垂直一體化的電力產(chǎn)業(yè)結構被拆分為彼此獨立的發(fā)電商、網(wǎng)絡系統(tǒng)運營商、輸電商、配電商和零售商。除了系統(tǒng)運營商是國有的國家電網(wǎng)公司(National Grid)之外，隨著電力系統(tǒng)的自由化和私有化，在發(fā)電側和供應側都變成開放競爭環(huán)節(jié)，引入了更多的私有化資本投資，逐漸發(fā)展成為一個成熟的電力市場。

　　在英國的電力市場結構中，輸配電網(wǎng)包括私有的3個輸電網(wǎng)公司和8個配電網(wǎng)公司，在零售側，6個主要的能源供應商主導了這個市場，此外還有大約44個活躍的零售商和100多個注冊的零售商。

　　在英國，儲能項目主要通過其容量市場機制和輔助服務市場機制來獲利。

　　容量市場是2014年開始執(zhí)行的，它是為確保英國未來能源供應的電力市場改革計劃(EMR)的一部分。容量市場機制的設立，是為了滿足電力供應短缺時，能夠有電力供應可以及時補充。為了補償這些備用容量電力的投資，通過設立容量市場，以拍賣的形式對容量進行定價，由政府支付這部分費用。

　　從2014年開始，英國每年會進行容量市場拍賣，為四年后的電力容量需求尋找備用機組。參與拍賣的發(fā)電商與需求側供應商報出自己四年后能夠提供的容量和價格，以能夠達到國家電網(wǎng)所測算的容量需求為最終需求，根據(jù)拍賣計算統(tǒng)一的出清價格作為容量市場價格。

　　2014年的首次容量市場拍賣，中標的絕大部分容量都是由英國已有的燃氣、生物質能和核電等老發(fā)電機組。2016年，首次有超過500MW的新建電池儲能在容量市場拍賣中獲得了合同，所有儲能占2020/2021年簽訂合同的總容量市場52.4GW的6%。這反映了隨著成本下降、技術成熟，電池儲能的商業(yè)可行性正在增大。2016年容量市場的拍賣出清價格為22英鎊每千瓦每年，高于一年前的18英鎊每千瓦每年，容量市場的出清價格越高，也意味著電池投資回報越好。

　　英國電力輔助服務市場是儲能能夠獲取商業(yè)回報的另一種途徑，先進頻率響應招標(EFR)是其中的典型機制。

　　隨著采用異步電機的新能源比例在電力系統(tǒng)中比例增大，替代了越來越多的采用同步電機的常規(guī)發(fā)電機組，這使得電力系統(tǒng)的慣量降低。而系統(tǒng)慣量反映了電力系統(tǒng)隨發(fā)電與負荷變化保持頻率穩(wěn)定的能力，系統(tǒng)慣量與同步機組的容量直接相關，新能源機組不提供系統(tǒng)慣量。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，新能源比例升高后，面臨同樣幅度的供應、負荷波動，系統(tǒng)的頻率波動會更大。

為了平抑這種波動，電網(wǎng)運營商需要采取措施維持頻率穩(wěn)定。在此背景下，2015年4月，英國國家電網(wǎng)公司啟動了先進頻率響應招標，總容量為201MW，尋求響應時間在1秒或以內的頻率響應服務，維持電網(wǎng)頻率在50赫茲左右。

　　這一招標吸引了大量儲能的投資商，一共提交了243個儲能項目方案。最終，英國國家電網(wǎng)從中選中了8個中標者，價格為7英鎊到12英鎊/MW/小時不等，平均為9.44英鎊/MW/小時，所有招標采購價為6595萬英鎊。這次成功的招標確保了為期四年的輔助服務合同。

　　政策驅動的加州模式

　　加州是美國清潔能源發(fā)展最為激進的州之一。2016年底，加州境內風電、光伏、光熱的裝機容量已經(jīng)占到加州總裝機容量的20%，其中光伏約占11%。

　　隨著可再生能源比例越來越高，尤其是光伏比例的大幅度提高，其波動性對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響也越來越大。2012年，加州獨立系統(tǒng)運營商CAISO發(fā)布報告，提出在用電處在高峰、而光伏發(fā)電降低的傍晚時分，需要大量的柔性輔助服務來平衡系統(tǒng)。

　　這一動態(tài)響應的預測曲線就是加州有名的“鴨型曲線”(Duck Cruve)。

　　圖中的曲線表明了加州一天24小時中總能源需求減去可再生能源供應的凈需求。在傍晚，隨著太陽落山，光伏發(fā)電迅速減少，而用電需求卻在晚間進入高峰，需要非光伏發(fā)電迅速補充。

　　圖中多條不同的曲線代表著不

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