充电：美国公用事业规模的电力储存状况

关于作者 Molly Robertson是未来资源研究所（RFF）的副研究员，负责与电力部门相关的研究课题，包括电网脱碳、电气化和电力市场设计。她还为未来资源研究所日益增长的对公平社区转型和环境正义的研究做出了贡献。她拥有密歇根大学福特学院的公共政策硕士学位。 Omid Mirzapour她是犹他大学电气与计算机工程系的博士候选人。她的研究重点是柔性输电技术的有效部署。2024年，作为RFF的实习生，她专注于电网规模储能的应用和部署。 Karen Palmer她是RFF的高级研究员，专长于环境、气候和电力公用事业监管的经济学研究。她的工作旨在改进该部门的环境和技术法规设计，以及开发新的机构来指导电力部门的持续转型。为此，她研究气候政策设计，分析促进使用可再生能源和其他清洁电力来源的效率方法，并调查新的市场设计、电力定价新方法以及监管改革，以推动电力供应的长期脱碳和能源经济的电气化。 致谢 此报告得以完成，得益于那些慷慨支持RFF的人士。我们感谢本杰明·霍布斯、詹姆斯·布斯纳、杰西·布斯鲍姆和麦肯娜·佩普林斯基的宝贵意见。任何错误均由我们负责。 关于RFF 资源未来研究所（RFF）是位于华盛顿特区的独立非营利研究机构。其使命是通过公正的经济研究和政策参与，改善环境、能源和自然资源决策。RFF致力于成为最受信赖的研究见解和政策解决方案来源，以实现健康的环境和繁荣的经济。 此处所表达的观点是各位作者的个人观点，可能与RFF其他专家、其官员或其董事的观点有所不同。 分享我们的工作 我们的工作可在Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0)许可下共享和改编。您可以复制和重新分发我们的材料到任何媒介或格式；您必须给予适当的署名、提供指向许可的链接，并标明是否进行了修改，且您不得应用额外的限制。您可以以任何合理的方式这样做，但不得以任何暗示许可方认可您或您的使用方式。您不得将材料用于商业用途。如果您混合、转换或基于材料创作衍生作品，您不得分发修改后的材料。更多信息，请访问https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/. 摘要 规模储能可以在提供可靠电力供应方面发挥重要作用，尤其是在风能和太阳能等可变资源日益增加的系统中。经济、公共政策以及市场规则都在塑造储能发展格局方面发挥着作用。在本报告中，我们基于相关文献和正在进行的政策对话，概述了这些因素。我们探讨了这些因素在塑造美国储能增长方面的潜在作用。 目录 1. 引言 1 12. 当前及未来能源存储在电力部门的作用 12.1. 当前能源存储的应用 12.1.1. 套利 32.1.2. 辅助服务 42.1.3. 能力和资源充分性 42.1.4. 存储作为纯传输资产 52.1.5. 垂直整合公用事业中的储能 3. 支持存储的政策 10 4. 存储市场的竞争规则 14 4.1. 互联144.2. 资源充足性补偿154.3. 投标规则184.4. 充电状态要求20 5. 美国储能部署的证据 22 5.1. 增长中的区域差异225.2. 储存和可变发电235.3. 按产品类别划分的存储容量245.4. 采用驱动因素27 6. 结论 27 参考文献 29 1. 引言 随着电力行业更多地依赖风能和太阳能等可变能源，并网储能将日益重要，以支持可靠的电力供应。储能能够将风能等可再生能源在发电量充足的时段产生的电力转移，以满足其他时段的需求。而电网规模储能还能提供关键的电网服务，如储备功率、频率响应和灵活爬升，以支持电网稳定。 随着电网需求的演变，储能可以提供有效的解决方案，但它并不总能在电力部门的市场设计和运营实践中完美契合。目前仍不清楚需要何种类型的市场设计激励措施，才能在不相对过度配置储能相对于更高效选项的情况下，促进最优的储能部署。本报告回顾了美国电网规模储能部署的驱动因素，识别了构建稳健储能格局的进展和障碍，重点关注独立储能技术的经济性和市场。我们在第2节回顾了文献关于储能当前及在不同未来情景下的潜在经济价值的研究成果。第3节描述了可能对电网规模储能部署产生影响的规定和讨论中的政策。第4节重点分析了影响储能运营和激励的市场结构及规则，第5节讨论了这些因素如何导致美国电网规模储能部署的当前趋势。第6节为结论。 2. 当前及未来能源存储在电力部门的作用 十多年来，储能系统在电力行业持续增长，这得益于波动性的批发电价、技术发展以及州和联邦政策。在本节中，我们识别了储能系统在现代电网中的几种潜在作用。接着，我们讨论了高可再生能源未来如何扩展储能解决方案的价值。 2.1. 当前能源存储的应用 2.1.1. 套利 储能系统在电力系统中的主要作用之一是进行能源价格套利。简单来说，电池在能源价格低时可以作为需求，在价格高时可以作为供应，利用价格波动。随着越来越多的低成本可再生能源参与市场，套利可以有效地延长这种低成本能源在一天中更多小时内的可用性。 不同的建模工作曾试图捕捉将储能加入批发能源市场以从事套利交易的可能影响。Qin等人（2023）研究了短时储能容量和市场参与策略对碳排放、发电成本和消费者成本的影响。他们发现储能对电力市场的影响取决于多个因素：可再生能源部署、储能容量以及参与实时市场与日前市场的策略。 秦等人在新英格兰电网模型中考虑了储能套利的不同市场机会。该模型估计储能参与将降低电价和排放，特别是在高可再生能源渗透率的情况下。储能参与对实时市场使电价降幅最大，而对日前市场使排放降幅最大。然而，秦等人还发现，随着储能总容量从1吉瓦(GW)增加到5吉瓦(GW)，边际价格和排放影响逐渐减弱。图1显示了随着储能容量增加，不同市场参与策略（实时、日前和双重参与）的利润递减情况。随着储能容量的增加，储能利润显著减少，因为每增加一单位储能容量会减少其他储能所有者/运营商的套利机会。在系统中可再生能源水平更高的情况下，给定的储能容量更具盈利性（参见C部分）。在他们的分析中，秦等人发现实时市场具有最大的利润机会，部分因为他们假设储能运营商在日前市场投标物理成本和参数，并在实时市场投标以最大化套利利润（使用日前价格预测）。在双重参与下，储能运营商可能会因为日前安排而错失实时价格波动，特别是当他们无法预见实时套利机会时。 总体而言，储能作为套利操作的机会取决于价格波动性，而可再生能源或高成本尖峰资源的渗透率上升可能会加剧这种波动性。盈利性的储能在数量上存在上限，特别是当考虑其他套利提供者时。例如，更大的需求响应和区域间输电增加有助于稳定价格，从而限制额外储能容量的盈利空间。许多电力行业专家一致认为，输电能力目前建设不足（美国能源部 GDO 2023 年报告），而利用电力市场需求侧灵活性的管理负荷计划、需求响应计划或可变定价政策尚未得到充分利用。如果政策努力扩大输电能力以及电力市场中的需求侧积极参与取得成功，盈利性的储能机会可能会减少。例如，在《国家输电规划研究》（美国能源部 GDO 2024 年报告）中，储能渗透率在不同输电扩展情景下存在显著差异。传输能力扩展规模最大的情景中，储能（按总容量百分比计）的渗透率低于传输能力适度扩展的情景，这反映了储能与输电在某些情况下可能是替代关系（Biancardi 等人 2024；Bustos 等人 2018；Neetzow 等人 2018）。 2.1.2. 辅助服务 辅助服务是一种旨在维持电网稳定运行而非直接满足电力需求的产品类别。例如，发电机可能被支付费用，通过操作上的微小调整来帮助维持电网频率的稳定，并确保系统拥有足够的资源来吸收大型组件（如主要输电线路或大型发电机）突然失电的情况。历史上，这些服务由化石燃料发电厂提供，因为它们能够相对快速地根据需求调整输出，但电池由于其瞬时爬坡能力，已成为这些市场日益具有竞争力的参与者。某些辅助服务，如上述的频率调节，是在非常短的时间尺度上部署的，秒级，并且通常用于小兆瓦（MW）的规模。因此，储能设备无需长时间才能利用某些辅助服务市场。如第5节所述，辅助服务构成了当前储能收入结构的主要部分。 市场专家估计，在某些市场，如德克萨斯州电力可靠性委员会（ERCOT）和加利福尼亚州独立系统运营商（CAISO），储能几乎饱和了辅助服务市场，这意味着有足够的容量可用，价格和相应的收入都在下降（Vermillion 2023b；Ascend Analytics 2023）。例如，当电池储能进入加利福尼亚市场时，其主要收入来源是上下调节服务。由于该市场规模较小，每种产品的容量仅数百兆瓦，随着电池在2024年超过10吉瓦，市场迅速饱和（CAISO 2024）。相关辅助服务市场的饱和速度和程度取决于储能容量的增长和能源市场套利机会，这可能减少为辅助服务预留的储能容量。 存储设备运营商在辅助服务市场中销售时，不一定专门以最低能源价格收费，并且可能会有一些不可预见的后果。例如，在能源市场相对高价时期，电池可能需要充电以维持充电状态要求（见第4.4节）（Mansfieldand Konet 2023）。研究表明，除非发电组合中具有足够的可再生能源，否则电池在辅助服务市场中的运行可能会由于化石发电机调整其操作以满足电池充电需求而导致的能源市场溢出效应而导致排放增加（Buchsbaum et al. 2024；Ryan et al. 2018；Mansfield and Konet 2023）。 2.1.3. 能力和资源充分性 储能设施亦可通过计入系统总装机容量来支持资源充足性。通过容量市场或其他资源充足性机制，储能提供者因其未来提供能量的潜力获得补偿，尤其是在预期需求将高或供应将低时。储能设施在容量市场中的处理方式因地区而异（参见第4.2节），但通常而言，长时储能提供者可获得的补偿多于短时储能提供者，因为其提供的储能更可能在需要时可用。随着可变发电量的增加和能源价格的下降，发电商可能越来越多地转向容量支付来覆盖其未来成本（Lo Prete等人，2024年）。发电商的退役也可能为新的发电商增加容量支付的机会。2024年夏季，在PJM区域输电组织（RTO）的容量拍卖中，一系列发电商的退役导致其容量供应减少，拍卖价格创下了历史新高（PJM，2024年）。 容量电价也可以鼓励混合资源的扩张，其中储能设施与风力或太阳能发电厂共同选址。可变资源自身具有相对较低容量价值，因为它们具有间歇性且无法始终按需提供能源。通过增加本地储能，可变发电方可延长其可用性并确保更高的容量电价（Stenclik et al. 2022）。 在系统上配置储能也引入了一种新的电力需求类型，可能影响全系统的容量需求。与发电厂不同，储能同时也充当电力需求方，因此在负荷预测中需要考虑储能的这一运营方面，以确保资源充足性。虽然参与套利交易的储能不太可能在电价高位时消耗电力，但被强制提供辅助服务的电池在某些电力需求高位时段仍可能对系统造成压力。 2.1.4. 存储作为纯传输资产 ：储能也可以通过将高峰需求转移到电网中约束区域内的非高峰时段来缓解输电拥堵。在许多市场中，储能可以作为输电资产发挥作用，通过受监管的费率获得补偿，而不是通过销售市场产品。2016年技术会议后，联邦能源监管委员会（FERC）发布了一份政策声明，提供 关于基于成本监管的储能作为纯输电资产（SATOAs）的定价指南。在FERC政策声明发布后，几家独立系统运营商（ISOs）和区域输电组织（RTOs）向FERC提交了其SATOAs整合方案。目前，SATOAs的实施由中大陆独立系统运营商（MISO）、东北独立系统运营商（ISO-NE）以及西南电力池（SPP）负责。纽约独立系统运营商（NYISO）和宾夕法尼亚-新泽西-马里兰互联电网（PJM）的方案仍在开发中，尽管加州独立系统运营商（CAISO）和德克萨斯州电力可靠性理事会（ERCOT）正在讨论这一服务的重要性，但它们目前不支持将储能作为