電力系統(tǒng)中電池儲(chǔ)能的發(fā)展引起了業(yè)界和媒體的極大注意，而他們重點(diǎn)關(guān)注大型的公用事業(yè)規(guī)模的電池和工商業(yè)用戶使用的電池上。這些大型的電池是儲(chǔ)能市場(chǎng)的關(guān)鍵組成部分，然而戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)的增速超出預(yù)期，這種資產(chǎn)很可能比預(yù)想的會(huì)提前發(fā)揮重要作用。這些戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的路徑及其對(duì)電力用戶和電網(wǎng)的潛在價(jià)值值得我們一探究竟。
在過去的四年里，美國戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)的年新增裝機(jī)容量從2014年的2.25兆瓦時(shí)(MWh)躍升至2018年的185兆瓦時(shí)。很多消費(fèi)者希望家庭電力系統(tǒng)更可控、更可靠和適應(yīng)性更強(qiáng)，而戶用儲(chǔ)能可以滿足這些需求。正因?yàn)槿绱?，很多社區(qū)將會(huì)很快擁有一個(gè)未曾預(yù)料的家用儲(chǔ)能系統(tǒng)資源網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的家庭用戶已經(jīng)購買了儲(chǔ)能資源，但不是每天都使用。怎樣做才能讓戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)幫助本地的電力公司，從而讓電網(wǎng)運(yùn)行地更有成本效益，更可靠，適應(yīng)性更強(qiáng)，而且更安全?
在很多地區(qū)電網(wǎng)都承受著日益增長(zhǎng)的壓力：電網(wǎng)資產(chǎn)正在老化;可再生能源發(fā)電量不斷增加，其間歇的特性讓它需要更多的平衡資源;極端天氣越來越常見。這些趨勢(shì)讓能源傳輸系統(tǒng)的瓶頸更加狹窄，導(dǎo)致電力成本會(huì)增加，并預(yù)示著地區(qū)性的停電會(huì)更加頻繁。
電力公司已經(jīng)著手增加電網(wǎng)的可靠性和適應(yīng)性。有些電力公司已經(jīng)部署了所謂的需求響應(yīng)方案，即鼓勵(lì)用戶在電力需求高峰時(shí)段減少用電。同時(shí)，電力公司還在推行全面的電網(wǎng)現(xiàn)代化項(xiàng)目，以增加電網(wǎng)輸電能力，并加固電網(wǎng)系統(tǒng)。有些電力公司大量投資公用事業(yè)規(guī)模的儲(chǔ)能解決方案，將大型電池系統(tǒng)安裝在發(fā)電廠、輸電線和變電站附近，以降低成本并提高系統(tǒng)可靠性。
隨著越來越多的用戶投資 “電表后端”(behind the meter)的戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)，電力公司有了平衡電力供需的新手段。戶用電池可以連接在一起進(jìn)行調(diào)度，以提供電網(wǎng)支持服務(wù)，這和今天電力公司使用需求響應(yīng)項(xiàng)目和輔助服務(wù)資源非常類似。由于戶用電池已經(jīng)安裝好，調(diào)度戶用儲(chǔ)能資源的邊際成本會(huì)非常低。調(diào)度戶用電池可以幫助電力企業(yè)避免使用更多昂貴的補(bǔ)救措施，諸如重新啟動(dòng)低效的調(diào)峰電廠或修建額外的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，而這些資源的利用率可能很低。
把戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)整合到一個(gè)高效的、可以調(diào)度并支持電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)并不容易，但是我們已經(jīng)看到成功的案例了。美國有些州設(shè)立了試點(diǎn)項(xiàng)目：在電力供應(yīng)緊張的時(shí)段，電力公司會(huì)付費(fèi)使用裝有電池系統(tǒng)的家庭儲(chǔ)存的電量。
為促進(jìn)戶用儲(chǔ)能市場(chǎng)的發(fā)展，監(jiān)管部門和電力企業(yè)需要評(píng)估戶用儲(chǔ)能可以在什么地點(diǎn)以何種方式支持電網(wǎng)(例如在發(fā)電側(cè)發(fā)現(xiàn)容量緊張的情況)，并且在進(jìn)行資源和電網(wǎng)規(guī)劃的時(shí)候把這些評(píng)估結(jié)果考慮在內(nèi)。監(jiān)管部門還需考慮對(duì)電池調(diào)峰調(diào)頻服務(wù)的費(fèi)率和其他補(bǔ)償機(jī)制，并且思考如何把電池整合到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。同樣，戶用儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營商需要確保他們的客戶同意用電池來支持電網(wǎng)。運(yùn)營商還需要向本地的電力企業(yè)證明這些電表后端的儲(chǔ)能系統(tǒng)十分可靠，即在電網(wǎng)發(fā)布需要支持的通知后，短時(shí)間內(nèi)可以進(jìn)行調(diào)度。
追蹤戶用儲(chǔ)能的增長(zhǎng)
戶用儲(chǔ)能安裝量在美國飛速增長(zhǎng)：在過去的四年里年增長(zhǎng)率超過200%，而且這個(gè)趨勢(shì)還會(huì)繼續(xù)(見圖表1)。在2018年新增戶用儲(chǔ)能裝機(jī)甚至第一次超過了公用事業(yè)規(guī)模的儲(chǔ)能裝機(jī)。這說明高價(jià)值客戶選擇擁有他們自己的儲(chǔ)能系統(tǒng)。
圖表1 “戶用儲(chǔ)能的井噴式增長(zhǎng)剛剛開始”
美國每年戶用儲(chǔ)能安裝量(兆瓦時(shí))
促進(jìn)戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝量迅速增長(zhǎng)的因素有：
—成本下降：2012~2017年，戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)每千瓦時(shí)的成本每年下降15%以上。
— 斷電風(fēng)險(xiǎn)增長(zhǎng)：每次大規(guī)模的颶風(fēng)或暴風(fēng)雨降臨之后，戶用儲(chǔ)能的安裝速度都會(huì)顯著增加。所以在像佛羅里達(dá)和德克薩斯這樣受過暴風(fēng)雨襲擊的州，戶用儲(chǔ)能裝機(jī)容量增長(zhǎng)迅速。同樣地，加利福尼亞州火災(zāi)易發(fā)地區(qū)的家庭開始安裝家用儲(chǔ)能設(shè)施，以保證電力的可靠供應(yīng)。
—電費(fèi)結(jié)構(gòu)：有些電力公司設(shè)置了分時(shí)電價(jià)，即每天不同時(shí)段內(nèi)的電價(jià)不同。安裝有電池的家庭可以利用儲(chǔ)能系統(tǒng)最小化最高電價(jià)時(shí)段的用電量。
— 光伏加儲(chǔ)能的協(xié)同效益：整合安裝光伏和儲(chǔ)能系統(tǒng)成本更低，并且用戶可以更靈活的根據(jù)市場(chǎng)電價(jià)來調(diào)整用電量和發(fā)電量。以上兩個(gè)因素使光伏加儲(chǔ)能系統(tǒng)比單獨(dú)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本降低了25%以上。
— 購買優(yōu)惠：政府給安裝戶用儲(chǔ)能提供的優(yōu)惠政策很有吸引力。戶用光伏加儲(chǔ)能項(xiàng)目可以申請(qǐng)聯(lián)邦投資抵稅，在今年這個(gè)措施能降低系統(tǒng)30%的安裝成本。像加利福尼亞州的“自發(fā)電激勵(lì)項(xiàng)目”這樣的地方優(yōu)惠政策，可以為家庭投資一般的戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)節(jié)省1600~2500美元。
— 電網(wǎng)服務(wù)補(bǔ)償。最近一些地方電力公司開始設(shè)立項(xiàng)目，即在電力需求尖峰時(shí)刻，公司向擁有戶用儲(chǔ)能的家庭從電池向電網(wǎng)輸電付費(fèi)(見圖表2)。相應(yīng)地，這些用戶將得到補(bǔ)償，比如從電費(fèi)單上扣除部分金額。馬薩諸塞州、羅德島州和費(fèi)蒙特州推行了上述“用你自己的電池”的項(xiàng)目。
圖表2 “有償為電網(wǎng)服務(wù)的機(jī)制鼓勵(lì)了有儲(chǔ)能系統(tǒng)的家庭將其電池接受系統(tǒng)負(fù)荷集成商的調(diào)度，從而為這些家庭和其他電力用戶都創(chuàng)造了更多的價(jià)值。”
電池價(jià)值的構(gòu)成，以光伏加儲(chǔ)能且擁有電網(wǎng)服務(wù)補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)為例
戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)對(duì)超過20%的美國家庭有吸引力(見圖表3)。隨著制造商削減戶用儲(chǔ)能電池的生產(chǎn)成本，安裝公司利用學(xué)習(xí)效應(yīng)和規(guī)模效應(yīng)削減安裝成本，這個(gè)市場(chǎng)會(huì)繼續(xù)大幅擴(kuò)張。我們預(yù)計(jì) 到2023年戶用儲(chǔ)能的年安裝量可能會(huì)超過2900兆瓦時(shí)。
圖表3 “戶用儲(chǔ)能對(duì)20%以上的美國家庭有吸引力，它帶給用戶價(jià)值，并滿足用戶對(duì)電力可靠性的需求”
帶給用戶價(jià)值的機(jī)會(huì) 電力可靠性的機(jī)會(huì)
來源：OpenEI 電價(jià)數(shù)據(jù)庫，美國能源信息署
越多的戶用儲(chǔ)能資源與電網(wǎng)相連，他們并入電網(wǎng)就能創(chuàng)造更多的價(jià)值。所以幾個(gè)州正在實(shí)驗(yàn)針對(duì)戶用儲(chǔ)能并網(wǎng)的項(xiàng)目。馬薩諸塞州和紐約州在推行一個(gè)“清潔調(diào)峰”的政策。該政策鼓勵(lì)使用家庭儲(chǔ)能來滿足電力尖峰負(fù)荷，而不鼓勵(lì)使用備用的火電廠。從2020年開始，加利福尼亞州決心要求本州新建住宅安裝光伏系統(tǒng)，并鼓勵(lì)建筑商安裝電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。這個(gè)政策是根據(jù)加州建筑能效標(biāo)準(zhǔn)第24條的修訂版制定的。
電力公司自己也在嘗試如何促進(jìn)戶用儲(chǔ)能發(fā)展。英國國家電網(wǎng)公司(National Grid)為參與其“用你的電池”項(xiàng)目的客戶予以經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)惠。Liberty Utilities最近開展了一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目：該公司給用戶安裝家用儲(chǔ)能系統(tǒng)，并每月向用戶收取小額費(fèi)用。這些系統(tǒng)為該公司提供了備用的電力資源。獨(dú)立系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)新英格蘭(ISO New England)與專注于家用光伏和能源服務(wù)的公司Sunrun簽訂合同，約定后者將開發(fā)一定數(shù)量的戶用光伏加儲(chǔ)能系統(tǒng)，以增加前者在容量市場(chǎng)(capacity market)的資源。
展望未來：從戶用儲(chǔ)能挖掘更多的價(jià)值
隨著戶用儲(chǔ)能裝機(jī)容量基數(shù)的增加，這些儲(chǔ)能資產(chǎn)會(huì)分布的更密集并發(fā)揮規(guī)模效應(yīng)，以通過下述方式提供有價(jià)值的電網(wǎng)服務(wù)：
—減少本地電網(wǎng)尖峰負(fù)荷，并優(yōu)化每戶的用電負(fù)荷。這可以讓本地的節(jié)點(diǎn)更安全可靠，因而電力公司可以推遲用于電網(wǎng)升級(jí)的投資。
—在電力供給受限制的區(qū)域減少負(fù)荷峰值，這可以降低用能成本。
—提升電力質(zhì)量并保護(hù)接入電網(wǎng)的設(shè)備，使其免受電壓突然升高等干擾的破壞。這可以延長(zhǎng)用電設(shè)備的使用壽命。
然而，在實(shí)現(xiàn)戶用儲(chǔ)能提供電網(wǎng)服務(wù)的目標(biāo)前，還需要考慮一些挑戰(zhàn)：
—戶用電池給家庭提供服務(wù)應(yīng)該和給電網(wǎng)服務(wù)一樣安全可靠，這才能給用戶增強(qiáng)信心。
—分布式資源的集成商必須證明的是，家用電池在若干年中一直質(zhì)量可靠，可以被調(diào)度。
—電力公司需要自己(或聯(lián)合集成商)開發(fā)一些工具，以預(yù)測(cè)戶用儲(chǔ)能何時(shí)何地可以供電網(wǎng)使用。
—監(jiān)管機(jī)構(gòu)需要制定一個(gè)讓系統(tǒng)平均成本最小化的電價(jià)體系。這個(gè)體系可以激勵(lì)戶用電池在有價(jià)值的地方并網(wǎng)，并且防止交叉補(bǔ)貼有錢的用戶(見圖表4)。
圖表4 “分時(shí)電價(jià)和容量市場(chǎng)的補(bǔ)償可以鼓勵(lì)擁有戶用儲(chǔ)能的客戶參與提供電網(wǎng)服務(wù)的項(xiàng)目”
家庭光伏和儲(chǔ)能的使用情況(示意圖) 平均家庭用電負(fù)荷(示意圖)
要想開始推動(dòng)戶用儲(chǔ)能的發(fā)展，電力公司和戶用儲(chǔ)能設(shè)備供應(yīng)商可以進(jìn)行合作，首先在電網(wǎng)運(yùn)行約束較大的地區(qū)推廣戶用儲(chǔ)能。同樣，市場(chǎng)對(duì)電力調(diào)度軟件有需求，這方面的合作可以大幅度降低系統(tǒng)并網(wǎng)成本。
在過去的每一年中，隨著電池價(jià)格的降低和價(jià)值的增加，越來越多的美國家庭安裝了家用儲(chǔ)能系統(tǒng)。這些系統(tǒng)對(duì)本地電網(wǎng)運(yùn)營商的價(jià)值大的驚人。要想讓戶用儲(chǔ)能成功地與電網(wǎng)整合，所有的利益相關(guān)者——電力公司、家庭、戶用儲(chǔ)能供應(yīng)商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)需要協(xié)作，以增加電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性。有些地區(qū)決定利用已經(jīng)安裝的戶用儲(chǔ)能資源。它們可能發(fā)現(xiàn)這種預(yù)期之外的資源可以讓所有的電力公司用戶都從儲(chǔ)能技術(shù)中受益。
