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乾貨:美國儲能發展狀況

2019.8.16 新聞中心 8/16每日新

導讀:美國大多數電池儲能裝置使用的是鋰離子電池,但設計參數,如功率、能量容量和持續時間卻因地區和專案而異。

 

美國儲能容量占比中,電池儲能占較大份額。

2003年以來,美國大型儲能容量的增加,大部分都是來自電池儲能。

2016年,美國安裝了197兆瓦的大型電池儲能項目後,美國的年新增電力容量達到了歷史最高水準。

2017年,美國第一個大型電池儲能裝置投入使用,到2017年底,就有708兆瓦發電量投入運行。

美國大多數電池儲能裝置使用的是鋰離子電池,但設計參數,如功率、能量容量和持續時間卻因地區和專案而異。

|美國大型電池儲能

美國90%的大型電池儲能專案,分佈在七個有組織的獨立系統運營商(isos)或區域運輸組織(rtos)控制的五個區域,以及阿拉斯加和夏威夷(ak/hi)等非相鄰州中,如圖1所示。


 

1 按地區劃分的大規模美國電力和能源容量(2017年)
 

這些地區占美國大規模電力總容量的53%,而這種狀況是由這些地區的市場設計和政策差異造成的。

2003年至2017年,美國安裝了734兆瓦的大型電池儲能容量,其中近40%位於PJM互連中,如圖2所示。


 

2. 按地區劃分的美國大型電池儲能裝置(2017年)
 

PJM全拼為“PJM INT.L.L.C.”,是經美國聯邦能源管制委員會(FERC)批準,於1997331日成立的一個非股份制有限責任公司,實際上是一個獨立系統運營商(ISO)。

PJM目前負責美國13個州以及哥倫比亞特區電力系統的運行與管理。作為區域性ISOPJM負責集中調度美國目前最大、最複雜的電力控制區,其規模在世界上處於第三位。

2012年,PJM創造了一個新的頻率調節市場,其條件非常有利於電池的儲能。

雖然PJM的總裝機量占美國現有大型電池儲能容量的18%,但卻占2017年美國能源容量的44%,如圖3所示。


 

3. 按地區劃分的美國大型電池儲能容量(20032017

美國儲能裝機量中的大型電池儲能裝機量的平均功率為5兆瓦,平均持續時間為4小時,如圖4所示。


 

4. 按地區劃分的美國大型電池儲能的功率容量和持續時間(2017年)

PJM中的裝置傾向於以功率為導向,具有更大的容量和更短的持續時間,以滿足頻率調節應用。

PJM中的大型電池儲能裝置的平均功率為12兆瓦,且平均持續時間小於45分鐘。

截至2016年底,美國大型電池儲能容量的一半以上是由獨立發電商(IPP)所有。

就能源容量而言,美國大型電池儲能的總體所有權在IPP和投資者擁有的公用事業公司(IOU)之間更加平衡,如圖5所示。


 

5. 按地區和所有權類型劃分的美國大型電池儲能容量(2016年)

在阿拉斯加,大多數大型電池容量屬於合作社所有,是國家發電資產較為常見的所有制類型。

美國國有電力公司擁有6%的大型電池儲能電力容量,由一個大型(30兆瓦/20兆瓦時)裝置驅動,該裝置位於南加州,隸屬于灌溉區。

|美國小規模電池儲能

2013年,加利福尼亞州制定了一項儲能任務(大會法案2514),要求其投資者所有的公用事業公司到2024年在輸電、配電和客戶層面安裝1325兆瓦的儲能裝置。

2016年,美國公用事業公司報告了66兆瓦的小型儲能容量。超過60%的電力裝在商業部門,31%裝在工業部門。

此外,美國小規模儲能容量中,有近90%都在加利福尼亞州,特別是由四家公用事業公司擁有,即南加州愛迪生(SCE)、太平洋天然氣和電力公司(PGE)、聖地牙哥天然氣電力公司(SDGE)、薩克拉門托市政公用事業區,如圖6所示。


 

6. 按部門劃分的美國小型儲能能力(2016年)
 

加利福尼亞州商業部門的大多數小型儲能設施都在SCESDGE的標準中,分別占50%38%。加州工業部門的71%的小型倉庫都在PGE的管轄範圍內。

加利福尼亞州小規模儲能發電容量的很大一部分可歸因於該州的自發電激勵計畫(SGIP),該計畫為安裝客戶現場分散式發電提供了財政激勵。

截至2016年年底,SGIP提供了49兆瓦的儲能回扣,這是加州所有小型儲能容量,占83%

通過SGIP獲得回扣,有助於加利福尼亞州的儲能授權(大會法案2514),該法案要求2024年之前安裝200兆瓦的儲能裝置。

20175月,加州公用事業委員會通過命令SCEPGESDGE採購額外的500兆瓦分散式儲能,包括不超過125兆瓦的儲能,實施了第2868號裝配法案。

截至201712月,一些開發商向ELA報告,預計在2018年至2021年期間,239兆瓦的大型電池儲能將在美國投入使用。

考慮到安裝儲能設施所需的短期規劃期,計畫容量不一定反映出這段時間內的全部構建,但可以將估計值用作趨勢指標。

據報導指出,加利福尼亞州占計畫中大規模電池儲能的77%

2018年,AEO第一次將儲能電站以外的儲能的運行或容量預測納入模型結果中。

AEO根據《年度能源展望》預測,假設美國現行法律和政策的實施,專案大規模風力發電量增長50 gig,到2050年,大規模電池儲能容量預計將增長到40GW,如圖7所示。


 

7. 美國大規模風能、太陽能和電池容量預測(20202050年)

除加利福尼亞州外,擁有小型儲能容量的州還有紐約、夏威夷和喬治亞州,其中大部分容量安裝在商業部門,如圖8所示。


 

8. 按行業分列的美國加州以外的小型儲能能力(2016年)

|美國化學電池

電池儲能中的化學電池有幾種不同類型,包括鋰離子電池、鎳基電池、鈉基電池、鉛酸電池和液流電池。

鋰離子電池占大容量電力裝機容量的80%以上,具有迴圈效率高、回應時間快的特點。此外,它的高能量密度使其成為了可擕式電子和電動汽車行業的首選電池。

鎳基電池是美國最早在一些大型電池儲能系統中使用的電池。如2003年在阿拉斯加費爾班克斯增加的系統。鎳基電池通常具有高能量密度和可靠性,但迴圈壽命相對較低。

鈉基電池的容量,截至2016年底,占美國裝機大型電力容量的3%,裝機大型能源容量的12%。這種類型的電池是一種基於豐富材料的成熟技術,迴圈壽命長,適合長放電應用。這些系統基於鉬電聚合物材料,需要較高的工作溫度(~300C)。

鉛酸電池是最古老的蓄電池形式之一,始於19世紀中期,是一種成熟的技術,廣泛應用于乘用車。截至2016年底,在美國安裝的大型電池儲能容量中,鉛酸電池占2%-3%

此外,由於其能量密度和迴圈壽命相對較低,因此電網規模部署有限。美國最早的大型電池儲能裝置使用的是鎳基和鈉基電池,如圖9所示。


 

9. 美國大型化學電池容量(20032016

2011年以來,美國大多數裝置都選擇了鋰離子電池,包括最初依賴不同化學物質的舊系統改造。

例如,2012年,杜克能源公司在德克薩斯州西部的諾裡斯風力發電廠增加了36兆瓦的鉛酸蓄電池儲能,但在2016年,用鋰離子電池取代了原鉛酸電池。

 

液流電池是一種新興的電池儲能技術。2016年,阿維斯塔公用事業公司在華盛頓州安裝了美國第一個大型液流電池儲能系統。另外兩個由華盛頓和加利福尼亞的電力公司於2017年安裝。

電池有物理操作限制,如功率輸出和放電持續時間。這些約束通常是為了優化向網格交付某些類型的服務或應用程式而設計的。圖10說明了每種應用可獲得的總功率和能量容量。


 

10. 美國大型電池存儲服務的應用(2016年)

|美國電池儲能成本

電池儲能技術的成本取決於技術特性,如系統的功率和能量容量。根據電池儲能系統的持續時間、費用可分為三大類,即能量、容量與功率。

從在電力容量和能源容量方面來看,由2013年至2016年美國安裝的大型電池儲能系統分析,如表1所示,
短期電池儲能系統的平均功率為
13mw,中期電池儲能系統的功率為13.8mw,相比而言,長期電池儲能系統的平均容量要小得多,為2.7兆瓦。


 

1. 按持續時間劃分的大型蓄電池組資本成本估算的樣本特徵

相比之下,中長期電池儲能系統的平均能量容量均超過15mWh,而短時間電池儲能系統的平均能量為4.7mWh,是長時間電池儲能系統的三分之一。

與持續時間較長的電池相比,持續時間較短的電池系統通常具有較低的標準化功率成本(美元/千瓦),反之亦然,因為長時間系統的總系統成本分佈在更大的儲能基礎上。儘管如此,但標準化成本值的範圍還是由技術和特定地點的要求驅動,如圖11所示。


 

11. 按持續時間劃分的大型電池存儲系統的總安裝成本

與非儲能技術不同的是,電池儲能可以在一天中的不同時間提供和消耗能量,創造了成本和收入流的不尋常組合,使其成了更具挑戰性的發電技術。

確定電池儲能系統成本的一個挑戰是用電網上運行的技術與電池儲能技術競爭,確保儲能技術正在使用,以及該技術存在哪些收入機會。另一個挑戰是隨著時間的推移,系統的退化。所謂退化,是指與電池部件或系統的使用或使用壽命相關的電池功率或能量性能的持續下降。

儲能系統通常在電池系統的使用壽命中以指定的時間間隔收縮一定的性能水準。性能有時可以通過以商定的充放電速率的全週期功率輸入和輸出來表徵。

儲能系統操作員可以通過以下兩種方式在系統使用壽命內交付約定的系統性能,一是增加比需要更多的儲能或放電容量,隨著系統的老化,其容量將保持在或高於系統壽命後期所需的合同容量。二是持續升級,替換其中的某些部分,以在其生命週期內保持約定的性能。

但是,以上操作,存在兩個問題,一是導致更高的初始安裝成本,二是導致整個儲能設施使用壽命期間更高的操作和維護成本。

因此,僅比較不同電池系統的標準化成本,並不一定能夠捕獲壽命成本的變化。

|市場和政策驅動因素

電池在物理上能夠為許多應用提供服務,每個應用都有利於電力系統中的一個或多個參與者,包括輸電和配電系統操作員、發電資源和消費者。

但是,根據美國現有的市場規則和其他政策,儲能服務這些應用程式的功能能力可能受到限制。隨著技術的成熟和工業的發展,這種情況已經開始改變,一些地區的利益相關者已經獲得了融資、採購和運營等方面的經驗。

美國大部分儲能活動由批發市場運營商和國家級監管機構領導。isos/rtos是獨立的、由聯邦監管的非盈利組織,可確保可靠性,優化批發電力的供需投標。

美國許多現有的市場規則可能不考慮作為電力消費者和生產商的電池儲能的獨特運行參數和物理限制。然而,由FERC isos/rtos採取的行動已經開始為儲能開闢一條道路,以參與其市場。

2011年,沒幹過發佈的FERC 755號訂單,該訂單要求ISO/RTO市場提供更快的斜坡頻率調節的資源補償。

根據755號訂單,PJM將其頻率調節市場分為了兩種服務,即快速爬坡服務和較低爬坡服務。

2015年,超過180兆瓦的大型電池儲能容量在PJM運營區上線。然而,PJM開始觀察其頻率調節市場結構中的操作問題,並改變了其頻率調節信號。自PJM做出這些改變以來,該地區的大型電池儲能裝置已經趨於穩定。

此外,美國其他系統運營商已實施市場規則的相關變更,包括開發用於儲能、指定參與模型、降低大小要求、允許聚合和定義持續時間要求的獨特資產類別。但是,這些地區沒有看到與PJM相同級別的大規模電池儲能部署。

20182月,FERC發佈了第841號命令,要求系統運營商消除在容量、能源和輔助服務市場中參與電力儲能資源的障礙。每個ISO/RTO必須修改其電價,包括識別電儲能資源物理操作特性的市場規則。

|美國國家級政策行動

FERC活動外,迄今為止,美國涉及儲能的聯邦政策已被限制,涉及儲能的大多數政策行動都處於州一級。國家一級的政策行動包括制定採購任務、制定激勵措施,以及要求將儲能納入長期規劃機制。

2013年,美國加州公用事業委員會(CPUC)實施了《2514號裝配法案》,授權投資者所有的公用事業公司在2020年前在輸電、配電和客戶水準上採購1325兆瓦的儲能。所有產能必須在2024年前投入使用。

2015年,為了回應阿萊克在洛杉磯郊外的阿利索峽谷天然氣儲能設施要求,加州現有電池儲能容量的60%以上被安裝完畢;此外,俄勒岡州通過了一項法律,規定到2020年,兩個電力公司各獲得5兆瓦時的儲能能量。

20165月,為了幫助解決因天然氣供應受到限制而帶來的風險,CPUC授權南加州愛迪生電力公司加快對儲能的招標。到201612月,系統新增了62兆瓦的電池儲能容量。CPUC還加快了聖地牙哥燃氣和電力公司正在進行的38兆瓦電池的採購。

20175月,CPUC通過命令投資方所有的公用事業公司購買最多500兆瓦的分散式儲能裝置(包括不超過125兆瓦的客戶現場儲能裝置),實施了第2868號裝配法案,生成了激勵計畫,為儲能安裝提供財政激勵。

20176月,麻塞諸塞州能源部制定了到2020年達到200兆瓦時的儲能目標。

20181月,紐約宣佈了到20251.5千兆瓦的儲能目標。截至20185月,除加利福尼亞州外的三個州也制定了儲能授權或目標。

此外,美國其他一些州,如內華達州,允許將儲能系統納入可再生產品組合標準。除目標外,國家還提供了財政獎勵,包括贈款、對試點專案的支持和稅收獎勵。

2018年,馬里蘭貝甘托為住宅和商業系統的安裝成本提供了30%的稅收抵免。美國很多州要求公用事業公司制定綜合資源計畫,以證明各公用事業公司能夠通過發電、輸電和能效投資的組合滿足長期需求預測,同時將成本降至最低。

將儲能納入這些計畫可能是一個挑戰,因為儲能不同于傳統的發電機和需求側資源。例如,儲能具有獨特的操作限制,可以在整個系統的各個點上相互連接,可以服務于各種應用程式,並且面臨著政策和可能影響系統盈利能力的法規。

不過,儘管如此,美國一些州已經開始要求公用事業將儲能納入綜合資源計畫,包括亞利桑那州、加利福尼亞州、康涅狄格州、科羅拉多州、佛羅里達州、印第安那州、肯塔基州、麻塞諸塞州、新墨西哥州、北卡羅來納州、俄勒岡州、猶他州、維吉尼亞州和華盛頓州。

從長遠來看,美國風能和太陽能的增長將提供儲能發展,並提供風力或太陽能發電量較大的時間內產生的可再生能源,以滿足高峰電力需求。

在長期規劃模型中,美國儲能技術建設依然存在挑戰。由於建設的目的是提供數十年的結果,因此模型結構的簡化經常發生。

根據美國EIA(環境影響評價)對多種能源類型的比較,如風能、太陽能和儲能,隨著能源儲能市場和應用的發展,美國將以電池儲能為代表,進一步繼續發展。(參考資料來源:美國能源資訊管理局)
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