將近100年來(lái)，電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(yīng)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(lái)越重要。如果沒(méi)有更柔性的系統(tǒng)，接入更多可再生能源的綠色世界會(huì)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(shí)（比如晚上）或者可再生能源波動(dòng)時(shí)（比如陰天或無(wú)風(fēng)日）系統(tǒng)能提供更多的備用。這種柔性可以通過(guò)長(zhǎng)距離高壓輸電（聯(lián)網(wǎng)）接入不同地區(qū)、時(shí)區(qū)的電源來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)本地的儲(chǔ)能來(lái)實(shí)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(chǔ)能的需求會(huì)更加迫切。全球范圍來(lái)看，英國(guó)與加州是如今在儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用上走得比較靠前的兩個(gè)地區(qū)。

 

電池儲(chǔ)能迎來(lái)臨界點(diǎn)

 

儲(chǔ)能的應(yīng)用在全球已經(jīng)非常普遍，不過(guò)主要還是集中于技術(shù)含量較低的抽水蓄能，第一個(gè)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(chǔ)能裝機(jī)都是基于這種有超過(guò)100年歷史的技術(shù)。抽水蓄能的概念簡(jiǎn)單，開發(fā)總成本較高（通常需要數(shù)十億美元），對(duì)環(huán)境影響較大。其他包括壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、電解制燃?xì)饧夹g(shù)以及電池技術(shù)在內(nèi)的儲(chǔ)能技術(shù)占據(jù)了剩下大約不到3％的投運(yùn)儲(chǔ)能容量。

 

據(jù)國(guó)際能源署的2016全球投資報(bào)告介紹，每100億美元與電網(wǎng)相關(guān)的儲(chǔ)能投資中，超過(guò)80％投給了抽水蓄能。不過(guò)電網(wǎng)應(yīng)用的電池儲(chǔ)能投資也增長(zhǎng)迅速，2015年投資額是2010年的10倍。

 

盡管各種技術(shù)都在不斷發(fā)展，但從成本風(fēng)險(xiǎn)改善角度來(lái)看，電池技術(shù)是最有前景的。電池儲(chǔ)能的想法早在18世紀(jì)末就已經(jīng)誕生，最早電池由Alessandro Volta發(fā)明。電池儲(chǔ)能的首次商業(yè)應(yīng)用是在19世紀(jì)80年代，用來(lái)平衡紐約市區(qū)的隔夜電力負(fù)荷。不過(guò)直到20世紀(jì)70年代消費(fèi)電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，電池才迎來(lái)廣泛的商業(yè)應(yīng)用。盡管電池技術(shù)已經(jīng)在我們?nèi)粘Ｉ钪衅毡槭褂茫@些技術(shù)還未廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)。

 

大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的商業(yè)化難題仍然制約了它的應(yīng)用。在包括中國(guó)在內(nèi)的大多數(shù)國(guó)家，受困于電力市場(chǎng)結(jié)構(gòu)、政策和法規(guī)等因素，電池投資者還很難從儲(chǔ)能中賺到錢，一個(gè)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(chǔ)能的投資即將變得越來(lái)越有利可圖。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，其商業(yè)模式由給社會(huì)創(chuàng)造價(jià)值的收入和成本綜合構(gòu)成。

 

儲(chǔ)能可以通過(guò)降低輸配成本，提高柔性，提供輔助服務(wù)，增加備用容量和轉(zhuǎn)移需求時(shí)間（不限于高峰時(shí)段）為社會(huì)創(chuàng)造價(jià)值。然而，目前投資者只能從它創(chuàng)造的一部分價(jià)值中獲得收入。儲(chǔ)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(chǔ)能成本一直在下降，從2010年前后的超過(guò)1000美元每千瓦時(shí)下降到目前的400美元每千瓦時(shí)。通用汽車與特斯拉分別計(jì)劃到2021年和2020年將電池組件成本降低到120美元每千瓦時(shí)和100美元每千瓦時(shí)。

 

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

 

全球范圍來(lái)看，英國(guó)電力市場(chǎng)中的容量市場(chǎng)與輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制，為儲(chǔ)能在自由市場(chǎng)中如何發(fā)展帶來(lái)了啟示。而加州則是通過(guò)政府規(guī)劃部門的扶持，由電力公司主導(dǎo)進(jìn)行儲(chǔ)能開發(fā)，是儲(chǔ)能在受管制的市場(chǎng)中發(fā)展的范例。

 

市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的英國(guó)模式

 

英國(guó)儲(chǔ)能的發(fā)展離不開它成熟的電力市場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

 

英國(guó)從上世紀(jì)80年代撒切爾夫人執(zhí)政時(shí)期開始了一系列能源市場(chǎng)自由化改革，是全球最早一批進(jìn)行電改的國(guó)家。1989年的《電力法》，奠定了英國(guó)能源市場(chǎng)自由化和私有化的基礎(chǔ)。2000年頒布《公用事業(yè)法》，建立了電力批發(fā)交易平臺(tái)，并首次引入對(duì)可再生能源的補(bǔ)貼制度。2005年，引入BETTA（英國(guó)輸電和電力交易規(guī)則），進(jìn)一步提高能源市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。2013年起，英國(guó)電改進(jìn)入第四階段，提出電力市場(chǎng)改革（EMR），引入差價(jià)合同和容量市場(chǎng)機(jī)制。

 

經(jīng)過(guò)數(shù)輪改革，英國(guó)原來(lái)垂直一體化的電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)被拆分為彼此獨(dú)立的發(fā)電商、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商、輸電商、配電商和零售商。除了系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商是國(guó)有的國(guó)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(cè)和供應(yīng)側(cè)都變成開放競(jìng)爭(zhēng)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(gè)成熟的電力市場(chǎng)。

 

在英國(guó)的電力市場(chǎng)結(jié)構(gòu)中，輸配電網(wǎng)包括私有的3個(gè)輸電網(wǎng)公司和8個(gè)配電網(wǎng)公司，在零售側(cè)，6個(gè)主要的能源供應(yīng)商主導(dǎo)了這個(gè)市場(chǎng)，此外還有大約44個(gè)活躍的零售商和100多個(gè)注冊(cè)的零售商。

 

在英國(guó)，儲(chǔ)能項(xiàng)目主要通過(guò)其容量市場(chǎng)機(jī)制和輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制來(lái)獲利。

 

容量市場(chǎng)是2014年開始執(zhí)行的，它是為確保英國(guó)未來(lái)能源供應(yīng)的電力市場(chǎng)改革計(jì)劃（EMR）的一部分。容量市場(chǎng)機(jī)制的設(shè)立，是為了滿足電力供應(yīng)短缺時(shí)，能夠有電力供應(yīng)可以及時(shí)補(bǔ)充。為了補(bǔ)償這些備用容量電力的投資，通過(guò)設(shè)立容量市場(chǎng)，以拍賣的形式對(duì)容量進(jìn)行定價(jià)，由政府支付這部分費(fèi)用。

 

從2014年開始，英國(guó)每年會(huì)進(jìn)行容量市場(chǎng)拍賣，為四年后的電力容量需求尋找備用機(jī)組。參與拍賣的發(fā)電商與需求側(cè)供應(yīng)商報(bào)出自己四年后能夠提供的容量和價(jià)格，以能夠達(dá)到國(guó)家電網(wǎng)所測(cè)算的容量需求為最終需求，根據(jù)拍賣計(jì)算統(tǒng)一的出清價(jià)格作為容量市場(chǎng)價(jià)格。

 

2014年的首次容量市場(chǎng)拍賣，中標(biāo)的絕大部分容量都是由英國(guó)已有的燃?xì)?、生物質(zhì)能和核電等老發(fā)電機(jī)組。2016年，首次有超過(guò)500MW的新建電池儲(chǔ)能在容量市場(chǎng)拍賣中獲得了合同，所有儲(chǔ)能占2020／2021年簽訂合同的總?cè)萘渴袌?chǎng)52.4GW的6％。這反映了隨著成本下降、技術(shù)成熟，電池儲(chǔ)能的商業(yè)可行性正在增大。2016年容量市場(chǎng)的拍賣出清價(jià)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(chǎng)的出清價(jià)格越高，也意味著電池投資回報(bào)越好。

 

英國(guó)電力輔助服務(wù)市場(chǎng)是儲(chǔ)能能夠獲取商業(yè)回報(bào)的另一種途徑，先進(jìn)頻率響應(yīng)招標(biāo)（EFR）是其中的典型機(jī)制。

 

隨著采用異步電機(jī)的新能源比例在電力系統(tǒng)中比例增大，替代了越來(lái)越多的采用同步電機(jī)的常規(guī)發(fā)電機(jī)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(fù)荷變化保持頻率穩(wěn)定的能力，系統(tǒng)慣量與同步機(jī)組的容量直接相關(guān)，新能源機(jī)組不提供系統(tǒng)慣量。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，新能源比例升高后，面臨同樣幅度的供應(yīng)、負(fù)荷波動(dòng)，系統(tǒng)的頻率波動(dòng)會(huì)更大。

 

為了平抑這種波動(dòng)，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)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(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司啟動(dòng)了先進(jìn)頻率響應(yīng)招標(biāo)，總?cè)萘繛?01MW，尋求響應(yīng)時(shí)間在1秒或以內(nèi)的頻率響應(yīng)服務(wù)，維持電網(wǎng)頻率在50赫茲左右。

 

這一招標(biāo)吸引了大量?jī)?chǔ)能的投資商，一共提交了243個(gè)儲(chǔ)能項(xiàng)目方案。最終，英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)從中選中了8個(gè)中標(biāo)者，價(jià)格為7英鎊到12英鎊／MW／小時(shí)不等，平均為9.44英鎊／MW／小時(shí)，所有招標(biāo)采購(gòu)價(jià)為6595萬(wàn)英鎊。這次成功的招標(biāo)確保了為期四年的輔助服務(wù)合同。

 

政策驅(qū)動(dòng)的加州模式

 

加州是美國(guó)清潔能源發(fā)展最為激進(jìn)的州之一。2016年底，加州境內(nèi)風(fēng)電、光伏、光熱的裝機(jī)容量已經(jīng)占到加州總裝機(jī)容量的20％，其中光伏約占11％。

 

隨著可再生能源比例越來(lái)越高，尤其是光伏比例的大幅度提高，其波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的影響也越來(lái)越大。2012年，加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商CAISO發(fā)布報(bào)告，提出在用電處在高峰、而光伏發(fā)電降低的傍晚時(shí)分，需要大量的柔性輔助服務(wù)來(lái)平衡系統(tǒng)。

 

這一動(dòng)態(tài)響應(yīng)的預(yù)測(cè)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(shí)中總能源需求減去可再生能源供應(yīng)的凈需求。在傍晚，隨著太陽(yáng)落山，光伏發(fā)電迅速減少，而用電需求卻在晚間進(jìn)入高峰，需要非光伏發(fā)電迅速補(bǔ)充。

 

圖中多條不同的曲線代表著不同年份的預(yù)測(cè)值，位置越低的曲線代表越往后的年份，系統(tǒng)中接入了更多的光伏發(fā)電。隨著光伏裝機(jī)越來(lái)越高，這個(gè)反差越來(lái)越大，導(dǎo)致“鴨肚子”越來(lái)越深（光伏發(fā)電峰值時(shí)，非可再生能源發(fā)電越來(lái)越低），“鴨脖子”越來(lái)越陡（傍晚光伏迅速下降，非可再生能源需要更迅速補(bǔ)充）。

 

2016年，CAISO報(bào)告稱當(dāng)前的鴨型曲線已經(jīng)到了此前2012年預(yù)測(cè)的2020年才會(huì)達(dá)到的水平。包括中國(guó)在內(nèi)的其他國(guó)家隨著可再生能源、尤其是光伏裝機(jī)比例提高之后，也會(huì)面臨類似挑戰(zhàn)。

 

為了適應(yīng)光伏裝機(jī)大比例提高對(duì)電力系統(tǒng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，儲(chǔ)能的應(yīng)用也理所當(dāng)然地提上了日程。

 

與英國(guó)成熟的電力市場(chǎng)機(jī)制顯著不同的是，自從21世紀(jì)初加州電改出現(xiàn)了大停電之后，加州停止了市場(chǎng)自由化改革步伐，至今仍然是一個(gè)監(jiān)管市場(chǎng)。這也決定了加州發(fā)展儲(chǔ)能并沒(méi)有英國(guó)成熟的市場(chǎng)機(jī)制做支撐，而是依靠政府部門的政策指引，由市場(chǎng)主體去執(zhí)行。

 

加州的電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)并未完全分拆，投資者所有的公用事業(yè)公司（IOU）是加州發(fā)電、配電和售電環(huán)節(jié)的主要玩家，它們都是垂直一體化的公司。加州有三大IOU，圣地亞哥電氣公司（SDG&E）為圣地亞哥和南奧蘭治縣的360萬(wàn)居民服務(wù)，南加州愛(ài)迪生公司（SCE）為包括洛杉磯在內(nèi)的加州中南部的15個(gè)縣的1500萬(wàn)居民服務(wù)，總部位于舊金山的太平洋電氣公司（PG&E）為包括舊金山市在內(nèi)的加州中北部540萬(wàn)居民服務(wù)。此外，也有部分公眾所有的公用事業(yè)公司（POU）開展業(yè)務(wù)。

 

在系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商層面，加州有獨(dú)立的電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商CAISO，負(fù)責(zé)監(jiān)督加州電力系統(tǒng)、輸電網(wǎng)和電力市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)。而在監(jiān)管層面則略微有些復(fù)雜，電力市場(chǎng)、輸電網(wǎng)和大壩項(xiàng)目是接受聯(lián)邦監(jiān)管的，加州公用事業(yè)委員會(huì)（CPUC）監(jiān)管在加州境內(nèi)開展的投資者擁有的電力和天然氣等公用事業(yè)項(xiàng)目。

 

由于這樣的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)，加州的儲(chǔ)能發(fā)展以政策引導(dǎo)為主，以三大IOU為主體來(lái)實(shí)施。

 

2010年，加州通過(guò)了AB2514法案，這個(gè)法案是一個(gè)戰(zhàn)略決策，它要求CPUC制定合適的儲(chǔ)能采購(gòu)目標(biāo)。

 

2013年10月，根據(jù)AB2514法案，CPUC設(shè)置了儲(chǔ)能采購(gòu)框架，為加州三大IOU（PG&E、SCE和SDG&E）設(shè)定了到2020年部署1325MW儲(chǔ)能的目標(biāo)。后來(lái)，根據(jù)AB2868法案，又將2020年的裝機(jī)容量目標(biāo)提高了500MW，到2020年儲(chǔ)能裝機(jī)將達(dá)到約1.8GW。

 

CPUC目標(biāo)采購(gòu)的商業(yè)模式是由三大IOU來(lái)主導(dǎo)。這些儲(chǔ)能項(xiàng)目由IOU進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)性采購(gòu)，由中標(biāo)的開發(fā)者或承包商供應(yīng)。而項(xiàng)目的費(fèi)用會(huì)使得IOU提高費(fèi)率，會(huì)傳導(dǎo)到消費(fèi)者能源賬單的費(fèi)用中，由消費(fèi)者買單。

 

在政策引導(dǎo)下，到2016年底，1.8GW儲(chǔ)能裝機(jī)目標(biāo)已經(jīng)完成了一半。并在今年建成了目前全球最大的兩個(gè)電池儲(chǔ)能設(shè)施。2017年1月，特斯拉為南加州愛(ài)迪生公司（SCE）的Mira Roma變電所建成了輸出功率為20MW，總?cè)萘繛?0MWh的儲(chǔ)能系統(tǒng)，成為當(dāng)時(shí)全球最大的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。隨后在2017年2月，這一紀(jì)錄就被打破，AES公司為圣地亞哥電氣公司（SDG&E）在加州Escondido市部署了輸出功率為30MW、總?cè)萘繛?20MWh的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

 

由于有著政策引導(dǎo)，加州模式下，通過(guò)設(shè)定目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速交付。但是對(duì)于儲(chǔ)能開發(fā)者來(lái)說(shuō)，如果在IOU的招標(biāo)中無(wú)法中標(biāo)，前期的研發(fā)投入就很有可能無(wú)法收回。此外，IOU主導(dǎo)的招標(biāo)，也存在審查不足的問(wèn)題，無(wú)法有效激勵(lì)公司追求電池成本效益和技術(shù)創(chuàng)新。與之相比，英國(guó)電力市場(chǎng)中的競(jìng)價(jià)和競(jìng)標(biāo)，能夠讓儲(chǔ)能開放商有更靈活的參與機(jī)制和退出機(jī)制。

 

綜合來(lái)看，目前英國(guó)與加州在儲(chǔ)能發(fā)展的競(jìng)賽中領(lǐng)跑，它們有更好的應(yīng)用案例。兩個(gè)地區(qū)不同的能源產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構(gòu)決定了二者的政策存在區(qū)別，因而也導(dǎo)致儲(chǔ)能的商業(yè)模式不同。英國(guó)私有的、分拆的電力市場(chǎng)給儲(chǔ)能的發(fā)展提供了競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。而加州由于市場(chǎng)功能欠缺，通過(guò)政策激勵(lì)建成了目前世界上最大的儲(chǔ)能設(shè)施。

 

英國(guó)儲(chǔ)能投資主要是市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，因此投資機(jī)會(huì)在電力市場(chǎng)中。加州的儲(chǔ)能投資主要是政策驅(qū)動(dòng)，因此投資機(jī)會(huì)與政策、監(jiān)管決策者和控制資金的公用事業(yè)公司緊密相連。二者的最佳組合應(yīng)該是從政策資金支持的示范項(xiàng)目開始起步，隨后過(guò)渡到在電力市場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的收入。而在多數(shù)地方，監(jiān)管部門還沒(méi)有想明白應(yīng)該如何引導(dǎo)儲(chǔ)能投資。

 

（文/Szilvia Doczi   Szilvia Doczi為Arup咨詢公司能源經(jīng)濟(jì)學(xué)家，曾在英國(guó)國(guó)家能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)Ofgem擔(dān)任高級(jí)經(jīng)理；編譯／韓舒淋）