中國儲能網(wǎng)訊：2.2、峰值容量的價值和4小時規(guī)則的含義
提供峰值容量可以滿足炎熱夏季的電力需求，或者在寒冷的冬季滿足遠高于平均水平的電力需求。調(diào)峰服務以往由天然氣發(fā)電廠、燃煤發(fā)電廠或柴油發(fā)電機提供，美國用于調(diào)峰發(fā)電廠的裝機容量約為260GW。而運營這些調(diào)峰發(fā)電廠成本較低，這是因為它們的使用率較低，燃料成本和其他可變成本相對較低。隨著這些調(diào)峰發(fā)電廠的退役以及對峰值電力需求的增加，需要提供新的峰值容量。電池成本持續(xù)下降提高了鋰離子電池儲能系統(tǒng)提供調(diào)峰服務的競爭力。
提供峰值容量的儲能系統(tǒng)提供了兩個主要的價值:容量服務和能量時移。
儲能系統(tǒng)的調(diào)峰能力反映了其“容量信用”，容量信用是指儲能系統(tǒng)存儲的電力能夠用于滿足峰值需求的比例，通常以百分比來衡量。
在美國大多數(shù)地區(qū)，儲能系統(tǒng)的容量信用是由各州和市場監(jiān)管機構以及當?shù)厥袌鼋?jīng)營者(在具有電力批發(fā)市場的地區(qū))共同確定的。包括CAISO、MISO、NYISO和SPP等電網(wǎng)運營商的服務區(qū)域的規(guī)定，所需的儲能系統(tǒng)最小持續(xù)時間為4小時，而ISO-NE公司則要求儲能系統(tǒng)持續(xù)時間為2小時，并用于確定其在容量市場中獲得回報和補償?shù)馁Y格。
在對儲能系統(tǒng)具有持續(xù)時間要求的地區(qū)(例如4小時容量規(guī)則)，儲能系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)運營商或監(jiān)管機構制定的持續(xù)時間要求獲得回報。低于持續(xù)時間要求的電池儲能系統(tǒng)可以獲得部分容量信用，如圖2所示。但在本例中，6小時電池儲能系統(tǒng)獲得的價值或收益并不比4小時電池儲能系統(tǒng)多。
圖2 對于4小時容量規(guī)則的地區(qū)來說，持續(xù)時間超過4小時的儲能系統(tǒng)提供的容量服務并沒有額外經(jīng)濟回報。
儲能系統(tǒng)作為容量資源的一個重要價值來源是“能源時移套利”，能源時移套利是指儲能系統(tǒng)在電力價格較低的非峰值期間儲存電力，并在價格較高的峰值期間放電以獲利。用于調(diào)峰的電池儲能系統(tǒng)可以同時提供容量服務和能量轉(zhuǎn)移服務，因為電力價格最高的時段(當電池儲能系統(tǒng)將放電以最大化收益或最小化系統(tǒng)成本時)通常是電力系統(tǒng)的峰值電力需求期間。電力價格最低的時段(當電池充電時)也是電力需求較低的時期，因此當儲能系統(tǒng)提供電力時，電力系統(tǒng)停電的風險降低。而容量服務和能量時移這兩種服務可以疊加。
對提供能量時移的儲能系統(tǒng)的價值研究表明，儲能系統(tǒng)的大部分價值可以通過相對較短的持續(xù)時間來獲得。圖3顯示了從儲能系統(tǒng)中獲得的潛在價值是持續(xù)時間的函數(shù)，并與持續(xù)時間為40小時的長時儲能系統(tǒng)進行對比。在本例中，使用最近幾年的價格來模擬儲能系統(tǒng)在一些市場區(qū)域獲得的收入。雖然這些收入由于地點和輸電限制等因素而有很大差異，但其價值作為持續(xù)時間函數(shù)的總體趨勢是相似的。在儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間中，放電的第一個小時獲得的價值最高，因為在市場價格中套利的幅度最大。隨后的每一個小時都以遞減的價差進行套利。橙色曲線表明一個4小時儲能系統(tǒng)獲得了理論上最高的價值，因此是4小時儲能系統(tǒng)是最佳的選擇。
藍色曲線顯示的是長時儲能系統(tǒng)獲得更多價值的結果。然而，即使在這個區(qū)域，一個4小時的儲能系統(tǒng)所獲得的價值也超過了一個持續(xù)時間40小時的長時儲能系統(tǒng)獲得價值的60%。同樣值得注意的是，40小時儲能系統(tǒng)不太可能充分發(fā)揮其潛力，因為這需要在數(shù)周的時間內(nèi)對儲能系統(tǒng)的使用進行優(yōu)化。
圖3.儲能系統(tǒng)在前幾個小時獲得大部分能量時移的價值，其中4小時獲利能到達長時儲能系統(tǒng)的60%以上
其結果來自傳統(tǒng)市場區(qū)域，所示的兩條曲線代表了不同持續(xù)時間的儲能系統(tǒng)所獲得收入比例的上限和下限。
使用容量服務和能量時移的估計值，圖4(上圖)提供了容量服務和能量時移組合每年獲得的價值(美元/kW/年)作為持續(xù)時間函數(shù)的范圍。假設采用4小時容量規(guī)則，并使用兩個容量的值進行計算:較低的值為80美元/kW/年，較高的值為150美元/kW/年。這與圖3中的能量時移曲線的價值相結合，使用較低的值（60美元/kW/年）和較高的值（120美元/kW/年）。4小時儲能系統(tǒng)顯示的值為84%至88%，因此它代表容量服務（100%）和能量時移（約62%至75%）的加權平均值。
圖4 在具有4小時容量規(guī)則的地區(qū)，一個4小時儲能系統(tǒng)可以獲得80%以上的能量時移價值，以及長時儲能系統(tǒng)可以獲得的能量時移價值(圖4的上圖)。下圖是在增加額外的持續(xù)時間之后的增量。
4小時容量規(guī)則和能量時移價值曲線相結合，導致在許多地區(qū)部署持續(xù)時間超過4小時的儲能系統(tǒng)幾乎沒有經(jīng)濟回報。這可以通過其增量值來證明，例如圖4的下圖所示。
3、超越4小時持續(xù)時間：改變價值主張
如今有兩個變化，可能會將價值主張轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎贸掷m(xù)時間4小時以上的長時儲能系統(tǒng)，如圖5所示。根據(jù)第2章節(jié)描述的4小時容量規(guī)則，說明了儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)提供服務的價值主張的變化。第一個變化（如灰色曲線所示）是服務價值向長時儲能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，如3.1節(jié)所述。第二個變化（如藍色曲線所示）是提供有利于長時儲能系統(tǒng)的價值來源。3.2節(jié)對此進行了討論。
圖5 有兩個變化可能會使價值主張轉(zhuǎn)向長時儲能系統(tǒng)，包括現(xiàn)有服務價值的轉(zhuǎn)變和提供適合更長持續(xù)時間的額外服務。
3.1、超越4小時容量規(guī)則:改變?nèi)萘績r值曲線
4小時容量規(guī)則是對容量價值和持續(xù)時間之間復雜關系的簡化，它反映了儲能市場的近期情況(僅在某些地區(qū))。隨著時間的推移，容量規(guī)則可能會演變，以反映電網(wǎng)運營條件的變化，這可能會改變價值曲線的形狀，并可能要求儲能系統(tǒng)提價更長的持續(xù)時間。
（1）考慮非線性率和基于有效負載承載容量（ELCC)的容量值
圖2所示的4小時容量規(guī)則和線性降額曲線是基于各個儲能市場現(xiàn)有的容量價值獲取規(guī)則。雖然4小時儲能系統(tǒng)提供了容量信用，但線性降額曲線是對儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間和裝機容量之間更復雜關系的一種簡化，共部分原因是負載的不確定性和天氣變化。一種更復雜的評估儲能容量信用的方法是使用有效負荷承載容量（ELCC)進行衡量。圖6顯示了PJM公司在其2024年容量信用中使用的ELCC估計，以及愛達荷電力公司在其2023年綜合資源計劃中使用的ELCC估計。在這張圖中，其曲線并不能反映儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間少于4小時的潛在變化。在此之前，其他分析表明，儲能系統(tǒng)的容量信用在較短的持續(xù)時間內(nèi)具有更陡峭的斜率，并形成一條“長尾”。
圖6 PJM公司和愛達荷電力公司使用ELCC的容量值顯示4小時儲能系統(tǒng)附加價值的潛力。
在認識到簡單線性下降率的局限性之后，其他地區(qū)也使用ELCC方法來評估太陽能發(fā)電設施和風力發(fā)電設施，現(xiàn)在也正在采用更復雜的ELCC方法來評估儲能系統(tǒng)。需要注意的是，采用非線性降額曲線和ELCC方法不會增加持續(xù)時間的絕對值，這可能使長時儲能系統(tǒng)更具競爭力。
即使采用ELCC方法，4小時儲能系統(tǒng)在夏季峰值電力需求期間的容量價值也非常接近100%。更大的影響將是由于電網(wǎng)結構的變化而導致凈負荷曲線的變化。
（2）冬季的凈負荷峰值期間變長
即使沒有復雜的分析，也可以通過了解夏季峰值電力需求模式的曲線來了解4小時容量規(guī)則，在這些模式中，在美國大部分地區(qū)運營的儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間通常遠低于4小時。然而，由于不斷變化的電網(wǎng)組合、負荷和天氣模式，夏季峰值電力需求期間的曲線形狀和長度正在發(fā)生變化，這些因素將影響4小時儲能系統(tǒng)的價值，最終將會影響長儲能系統(tǒng)的價值主張。
圖7說明了影響4小時儲能系統(tǒng)價值的兩個主要因素：首先，隨著部署更多的4小時儲能系統(tǒng) (電網(wǎng)結構沒有進行任何更改)，其容量信用一始下降。圖7的上圖在一個模擬場景中說明了這一概念，例如加州部署了約4,500MW的4小時儲能系統(tǒng)。并且已經(jīng)用于調(diào)峰，剩余的峰值期間的時間約為6小時。這表明，4小時儲能系統(tǒng)無法滿足時間更長的峰值需求。在本例中，如果對4小時容量規(guī)則進行相應調(diào)整(改為6小時的容量規(guī)則)，則4小時儲能系統(tǒng)需要降額三分之一才能提供6小時的電力。然而，這種價值的下降將在不同程度上被太陽能發(fā)電量的增長所抵消，這往往會縮小凈負荷峰值，如圖7的下圖所示。
圖7.加利福尼亞州增加4小時儲能部署對凈負載曲線的模擬影響。演示了儲能系統(tǒng)如何降低峰值需求，但也使其峰值期間變得更長(上圖)。峰值期間的延長可以通過增加太陽能發(fā)電量(下圖)來滿足
在一些研究案例中，4小時儲能系統(tǒng)解決夏季峰值電力需求的潛力已經(jīng)得到了證明。圖8顯示了2020年8月14日和15日期間加州對太陽能發(fā)電和風力發(fā)電的需求(藍色曲線)，其中極端高溫以及其他幾個因素導致了加州輪流停電。8月14日和8月15日分別中斷了2.5小時和1.5小時。具有足夠電力的4小時(或更短)的儲能系統(tǒng)可以提供足夠的電力來避免停電。
圖8.加州2020年的電力中斷事件導致了長達2.5小時的輪流停電(灰色柱狀圖)。4小時儲能系統(tǒng)可以避免停電事件，并且能夠在非高峰值期間充電。
在夏季峰值電力需求期間，太陽能發(fā)電設施提供的電力可以延緩4小時儲能系統(tǒng)的價值下降，這在加利福尼亞和西南部的應用中得到了證明。圖9顯示了PJM公司4小時儲能系統(tǒng)的ELCC研究結果。隨著時間的推移，這一改變是由于電網(wǎng)結構的變化，包括太陽能發(fā)電量的增長。隨著峰值期間的轉(zhuǎn)移，這一增加導致太陽能發(fā)電設施ELCC(橙色曲線)持續(xù)下降， 4小時儲能系統(tǒng)的ELCC隨著時間的推移(藍色曲線)而增長，到2030年接近100%。
圖9. 在PJM公司服務區(qū)域部署的太陽能發(fā)電設施的增長降低了ELCC，同時大幅增加了4小時儲能系統(tǒng)的ELCC，保持了其提供穩(wěn)定容量的能力。
因此，在冬季電力需求峰值期間，將會出現(xiàn)部署長時儲能系統(tǒng)的機會。
圖10比較了2022年ERCOT公司的冬季電力峰值需求和夏季電力峰值需求期間的需求曲線。實線顯示了正常的需求曲線，其中夏季 (7月20日)比冬季 (12月23日)高出約8%。虛線顯示了太陽能發(fā)電的凈峰值。
圖10.2022年ERCOT公司冬季電力峰值需求和夏季電力峰值需求的比較
圖11表明，冬季電力需求峰值期間往往比夏季電力需求峰值期間更長。它使用2022年ERCOT公司數(shù)據(jù)模擬了儲能系統(tǒng)對凈負載曲線的影響。圖11的上圖(7月20日至21日)顯示了儲能系統(tǒng)對夏季電力峰值期間凈負荷的影響，雖然峰值期間已經(jīng)擴大，但仍然大約有4到5個小時，這意味著4小時儲能系統(tǒng)將保持接近滿負荷的電量。然而，圖11的下圖(12月22日至23日)顯示冬季電力需求峰值期間擴大到8小時，因為夜間的電力需求仍然很高，儲能系統(tǒng)幾乎沒有機會充電。
圖11.如果在ERCOT公司服務區(qū)域中增加2500MW的儲能系統(tǒng)，將擴大夏季的凈負荷峰值(上圖)，但時間更長的峰值期間可以通過更多的太陽能發(fā)電量來抵消。冬季電力需求峰值期間(下圖)的影響主要是在夜間，這是太陽能發(fā)電無法抵消的。這將需要長時儲能系統(tǒng)來提供更多的容量。
圖12使用更全面的ELCC分析顯示了ERCOT公司中4小時儲能系統(tǒng)的ELCC的下降。x軸顯示了風力發(fā)電設施、太陽能發(fā)電設施和儲能系統(tǒng)的總部署量，并假設負載沒有其他變化。y軸表示4小時儲能系統(tǒng)在夏季峰值電力需求期間(藍色曲線)或冬季峰值電力需求期間(紅色曲線)的容量信用。
圖12.隨著太陽能發(fā)電設施的部署量的增長，ERCOT公司在夏季峰值電力需求期間的4小時儲能系統(tǒng)的容量保持或增加。x軸表示風力發(fā)電、太陽能和儲能系統(tǒng)的總部署量
圖13顯示了北美電力可靠性公司在2022年夏季和2022年冬季可靠性評估報告中夏季峰值電力需求與冬季峰值電力需求的對比。除了美國西北地區(qū)之外，美國東南部的幾個地區(qū)現(xiàn)在也進入冬季電力需求峰值期間，這些地區(qū)更依賴于電力供暖。
圖13.夏季電力需求峰值期間與冬季電力需求峰值期間的對比。
圖14顯示了一組模擬的結果，這些模擬探討了電氣化為美國各地帶來的負荷曲線變化。該示例來自NYISO公司服務的區(qū)域，顯示了2020年夏季求峰值電力需求顯著高于冬季峰值電力需求。
圖14.電氣化對NYISO公司需求高峰期間影響的例子
總的來說，雖然在夏季峰值電力需求期間增加的太陽能發(fā)電量可以保證4小時儲能系統(tǒng)的容量價值，但這也將加速美國大部分地區(qū)向冬季峰值電力需求的轉(zhuǎn)變。這可能會導致4小時儲能系統(tǒng)的容量價值下降。
（未完待續(xù)）
