將近100年來(lái)，電力系統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，我們的系統也必須適應變化。隨著(zhù)可再生能源和分布式發(fā)電的興起，系統的柔性越來(lái)越重要。如果沒(méi)有更柔性的系統，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）系統能提供更多的備用。這種柔性可以通過(guò)長(cháng)距離高壓輸電（聯(lián)網(wǎng)）接入不同地區、時(shí)區的電源來(lái)實(shí)現，也可以通過(guò)本地的儲能來(lái)實(shí)現。
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)展起大規模電網(wǎng)的孤島，儲能的需求會(huì )更加迫切。全球范圍來(lái)看，英國與加州是如今在儲能技術(shù)應用上走得比較靠前的兩個(gè)地區。
電池儲能迎來(lái)臨界點(diǎn)
儲能的應用在全球已經(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％的儲能裝機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(kāi)發(fā)總成本較高（通常需要數十億美元），對環(huán)境影響較大。其他包括壓縮空氣儲能技術(shù)、電解制燃氣技術(shù)以及電池技術(shù)在內的儲能技術(shù)占據了剩下大約不到3％的投運儲能容量。
據國際能源署的2016全球投資報告介紹，每100億美元與電網(wǎng)相關(guān)的儲能投資中，超過(guò)80％投給了抽水蓄能。不過(guò)電網(wǎng)應用的電池儲能投資也增長(cháng)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)險改善角度來(lái)看，電池技術(shù)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AlessandroVolta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(lái)平衡紐約市區的隔夜電力負荷。不過(guò)直到20世紀70年代消費電子產(chǎn)品的出現，電池才迎來(lái)廣泛的商業(yè)應用。盡管電池技術(shù)已經(jīng)在我們日常生活中普遍使用，但這些技術(shù)還未廣泛應用于現代電力系統。
大規模電池儲能系統的商業(yè)化難題仍然制約了它的應用。在包括中國在內的大多數國家，受困于電力市場(chǎng)結構、政策和法規等因素，電池投資者還很難從儲能中賺到錢(qián)，一個(gè)可持續的商業(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(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成。
儲能可以通過(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。儲能要想有錢(qián)賺，需要商業(yè)模式和監管條件的創(chuàng )新，讓投資者能夠拿到更多的錢(qián)。
另一方面，儲能成本一直在下降，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(chē)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(shí)和100美元每千瓦時(shí)。
大規模儲能的商業(yè)應用前景需要進(jìn)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(diǎn)。
全球范圍來(lái)看，英國電力市場(chǎng)中的容量市場(chǎng)與輔助服務(wù)市場(chǎng)機制，為儲能在自由市場(chǎng)中如何發(fā)展帶來(lái)了啟示。而加州則是通過(guò)政府規劃部門(mén)的扶持，由電力公司主導進(jìn)行儲能開(kāi)發(fā)，是儲能在受管制的市場(chǎng)中發(fā)展的范例。
市場(chǎng)驅動(dòng)的英國模式
英國儲能的發(fā)展離不開(kāi)它成熟的電力市場(chǎng)結構。
英國從上世紀80年代撒切爾夫人執政時(shí)期開(kāi)始了一系列能源市場(chǎng)自由化改革，是全球最早一批進(jìn)行電改的國家。1989年的《電力法》，奠定了英國能源市場(chǎng)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則），進(jìn)一步提高能源市場(chǎng)競爭。2013年起，英國電改進(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)機制。
經(jīng)過(guò)數輪改革，英國原來(lái)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(luò )系統運營(yíng)商、輸電商、配電商和零售商。除了系統運營(yíng)商是國有的國家電網(wǎng)公司（NationalGrid）之外，隨著(zhù)電力系統的自由化和私有化，在發(fā)電側和供應側都變成開(kāi)放競爭環(huán)節，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)。
在英國的電力市場(chǎng)結構中，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，6個(gè)主要的能源供應商主導了這個(gè)市場(chǎng)，此外還有大約44個(gè)活躍的零售商和100多個(gè)注冊的零售商。
在英國，儲能項目主要通過(guò)其容量市場(chǎng)機制和輔助服務(wù)市場(chǎng)機制來(lái)獲利。
容量市場(chǎng)是2014年開(kāi)始執行的，它是為確保英國未來(lái)能源供應的電力市場(chǎng)改革計劃（EMR）的一部分。容量市場(chǎng)機制的設立，是為了滿(mǎn)足電力供應短缺時(shí)，能夠有電力供應可以及時(shí)補充。為了補償這些備用容量電力的投資，通過(guò)設立容量市場(chǎng)，以拍賣(mài)的形式對容量進(jìn)行定價(jià)，由政府支付這部分費用。
從2014年開(kāi)始，英國每年會(huì )進(jìn)行容量市場(chǎng)拍賣(mài)，為四年后的電力容量需求尋找備用機組。參與拍賣(mài)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(jià)格，以能夠達到國家電網(wǎng)所測算的容量需求為最終需求，根據拍賣(mài)計算統一的出清價(jià)格作為容量市場(chǎng)價(jià)格。
2014年的首次容量市場(chǎng)拍賣(mài)，中標的絕大部分容量都是由英國已有的燃氣、生物質(zhì)能和核電等老發(fā)電機組。2016年，首次有超過(guò)500MW的新建電池儲能在容量市場(chǎng)拍賣(mài)中獲得了合同，所有儲能占2020／2021年簽訂合同的總容量市場(chǎng)52.4GW的6％。這反映了隨著(zhù)成本下降、技術(shù)成熟，電池儲能的商業(yè)可行性正在增大。2016年容量市場(chǎng)的拍賣(mài)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(zhù)電池投資回報越好。
英國電力輔助服務(wù)市場(chǎng)是儲能能夠獲取商業(yè)回報的另一種途徑，先進(jìn)頻率響應招標（EFR）是其中的典型機制。
隨著(zhù)采用異步電機的新能源比例在電力系統中比例增大，替代了越來(lái)越多的采用同步電機的常規發(fā)電機組，這使得電力系統的慣量降低。而系統慣量反映了電力系統隨發(fā)電與負荷變化保持頻率穩定的能力，系統慣量與同步機組的容量直接相關(guān)，新能源機組不提供系統慣量。統計數據顯示，新能源比例升高后，面臨同樣幅度的供應、負荷波動(dòng)，系統的頻率波動(dòng)會(huì )更大。
為了平抑這種波動(dòng)，電網(wǎng)運營(yíng)商需要采取措施維持頻率穩定。在此背景下，2015年4月，英國國家電網(wǎng)公司啟動(dòng)了先進(jìn)頻率響應招標，總容量為201MW，尋求響應時(shí)間在1秒或以?xún)鹊念l率響應服務(wù)，維持電網(wǎng)頻率在50赫茲左右。
這一招標吸引了大量?jì)δ艿耐顿Y商，一共提交了243個(gè)儲能項目方案。最終，英國國家電網(wǎng)從中選中了8個(gè)中標者，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)，所有招標采購價(jià)為6595萬(wàn)英鎊。這次成功的招標確保了為期四年的輔助服務(wù)合同。
政策驅動(dòng)的加州模式
加州是美國清潔能源發(fā)展最為激進(jìn)的州之一。2016年底，加州境內風(fēng)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(zhù)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)性對電網(wǎng)系統的影響也越來(lái)越大。2012年，加州獨立系統運營(yíng)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(shí)分，需要大量的柔性輔助服務(wù)來(lái)平衡系統。
這一動(dòng)態(tài)響應的預測曲線(xiàn)就是加州有名的“鴨型曲線(xiàn)”（DuckCruve）。
圖中的曲線(xiàn)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的凈需求。在傍晚，隨著(zhù)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)電迅速補充。
圖中多條不同的曲線(xiàn)代表著(zhù)不同年份的預測值，位置越低的曲線(xiàn)代表越往后的年份，系統中接入了更多的光伏發(fā)電。隨著(zhù)光伏裝機越來(lái)越高，這個(gè)反差越來(lái)越大，導致“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充）。
2016年，CAISO報告稱(chēng)當前的鴨型曲線(xiàn)已經(jīng)到了此前2012年預測的2020年才會(huì )達到的水平。包括中國在內的其他國家隨著(zhù)可再生能源、尤其是光伏裝機比例提高之后，也會(huì )面臨類(lèi)似挑戰。
為了適應光伏裝機大比例提高對電力系統帶來(lái)的挑戰，儲能的應用也理所當然地提上了日程。
與英國成熟的電力市場(chǎng)機制顯著(zhù)不同的是，自從21世紀初加州電改出現了大停電之后，加州停止了市場(chǎng)自由化改革步伐，至今仍然是一個(gè)監管市場(chǎng)。這也決定了加州發(fā)展儲能并沒(méi)有英國成熟的市場(chǎng)機制做支撐，而是依靠政府部門(mén)的政策指引，由市場(chǎng)主體去執行。
加州的電力產(chǎn)業(yè)結構并未完全分拆，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(kāi)展業(yè)務(wù)。
在系統運營(yíng)商層面，加州有獨立的電力系統運營(yíng)商CAISO，負責監督加州電力系統、輸電網(wǎng)和電力市場(chǎng)的運營(yíng)。而在監管層面則略微有些復雜，電力市場(chǎng)、輸電網(wǎng)和大壩項目是接受聯(lián)邦監管的，加州公用事業(yè)委員會(huì )（CPUC）監管在加州境內開(kāi)展的投資者擁有的電力和天然氣等公用事業(yè)項目。
由于這樣的市場(chǎng)結構，加州的儲能發(fā)展以政策引導為主，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)戰略決策，它要求CPUC制定合適的儲能采購目標。
2013年10月，根據AB2514法案，CPUC設置了儲能采購框架，為加州三大IOU（PG&E、SCE和SDG&E）設定了到2020年部署1325MW儲能的目標。后來(lái)，根據AB2868法案，又將2020年的裝機容量目標提高了500MW，到2020年儲能裝機將達到約1.8GW。
CPUC目標采購的商業(yè)模式是由三大IOU來(lái)主導。這些儲能項目由IOU進(jìn)行競爭性采購，由中標的開(kāi)發(fā)者或承包商供應。而項目的費用會(huì )使得IOU提高費率，會(huì )傳導到消費者能源賬單的費用中，由消費者買(mǎi)單。
在政策引導下，到2016年底，1.8GW儲能裝機目標已經(jīng)完成了一半。并在今年建成了目前全球最大的兩個(gè)電池儲能設施。2017年1月，特斯拉為南加州愛(ài)迪生公司（SCE）的MiraRoma變電所建成了輸出功率為20MW，總容量為80MWh的儲能系統，成為當時(shí)全球最大的電池儲能系統。隨后在2017年2月，這一紀錄就被打破，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、總容量為120MWh的儲能系統。
由于有著(zhù)政策引導，加州模式下，通過(guò)設定目標，可以實(shí)現系統的快速交付。但是對于儲能開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，如果在IOU的招標中無(wú)法中標，前期的研發(fā)投入就很有可能無(wú)法收回。此外，IOU主導的招標，也存在審查不足的問(wèn)題，無(wú)法有效激勵公司追求電池成本效益和技術(shù)創(chuàng )新。與之相比，英國電力市場(chǎng)中的競價(jià)和競標，能夠讓儲能開(kāi)放商有更靈活的參與機制和退出機制。
綜合來(lái)看，目前英國與加州在儲能發(fā)展的競賽中領(lǐng)跑，它們有更好的應用案例。兩個(gè)地區不同的能源產(chǎn)業(yè)組織結構決定了二者的政策存在區別，因而也導致儲能的商業(yè)模式不同。英國私有的、分拆的電力市場(chǎng)給儲能的發(fā)展提供了競爭機制。而加州由于市場(chǎng)功能欠缺，通過(guò)政策激勵建成了目前世界上最大的儲能設施。
英國儲能投資主要是市場(chǎng)驅動(dòng)，因此投資機會(huì )在電力市場(chǎng)中。加州的儲能投資主要是政策驅動(dòng)，因此投資機會(huì )與政策、監管決策者和控制資金的公用事業(yè)公司緊密相連。二者的最佳組合應該是從政策資金支持的示范項目開(kāi)始起步，隨后過(guò)渡到在電力市場(chǎng)中實(shí)現穩定的收入。而在多數地方，監管部門(mén)還沒(méi)有想明白應該如何引導儲能投資。
