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我们将从美国的储能市场来讨论这些问题： 储能系统的成本和性能如何变化？日间储能在电力部门的作用是什么？在美国，经济上可行的日间储能部署是什么？哪些因素可能会推动这一部署？日间储能容量的增加将如何影响电网运行？

 

未来几十年的储能市场

储能系统可能是未来低碳、灵活和有弹性的电网的一个关键因素。在过去几年中，美国电力部门的可再生能源发电量急剧增加，预计未来储能市场将迎来大幅增长。因此，越来越多的公司开始涉足这些领域，你可以阅读美国十大储能电池公司，了解美国的储能产业。

此外，随着对清洁能源部署的重视，同时保持电力系统的可靠运行，市场对储能市场的需求也在增加。美国和世界各国越来越重视解决电力系统停电的用例，越来越重视对电力系统可靠性和弹性的研究和分析。

同时，在过去几年中，储能技术的成本大幅下降，更多不同的储能技术正在被开发。这些因素使人们更加关注储能系统作为一种关键的脱碳资产所发挥的重要作用，并在不断增长的储能市场中确保电网的可靠供电。

储能系统为电网提供了许多潜在的好处。储能系统可以储存和提供电力，补充风能和太阳能发电设施，并在这些资源的可用性下降时提供电力。当与可再生能源或其他清洁能源相结合时，储能系统有能力减少温室气体排放。

储能系统还可以提高输电线路的利用率，同时抵消或减缓新发电设施的建设，以提供峰值容量或满足储能市场对运行储备的需求。

最后，分布式储能系统可以在需求高峰期减少电网的运行压力。这种灵活性对于电动汽车的预期增长和其他终端电气化带来的潜在负荷增长非常重要。

随着储能系统成本的不断下降和电网整合更多可变的可再生能源，储能系统的部署将在未来几十年内大幅增加。但这也提出了一些问题，比如储能将如何影响未来几十年电网的运行和发展？

 

 

量化储能系统的价值比量化太阳能或风能等可再生能源发电设施的价值更复杂，因为储能系统的特性会影响发电、输电和配电。

国家可再生能源实验室（NREL）旨在加深对储能系统如何为电力系统增值的理解。

为电力系统增加多少价值，可以经济地部署多少储能，以及了解储能部署如何影响电力系统的运行和演变。

随着时间的推移，增加储能部署和持续时间，为美国白天（12小时以下）储能系统的部署建立一些长期预测，然后应用详细的生产成本和基于代理的模型，更好地了解 储能系统的作用。

储能部署有可能大幅增加–到2050年至少是今天部署的储能系统累计装机容量的5倍，并将在确定未来储能市场的成本优化电网组合中发挥不可或缺的作用。

关于储能市场的未来及其对电力系统的影响的8个关键启示。这些重要的经验和教训可以帮助政策制定者、技术开发商和电网运营商为即将到来的储能部署浪潮做好准备。

 

 

装机容量预计将快速增长

美国电力部门采用日间储能具有巨大的经济潜力，表明储能系统的成本竞争力越来越强。

利用先进的大规模扩容模型，发现在各种情况下，日间储能系统（持续时间<12小时）在储能市场上具有成本竞争力，适用于储能系统、风力发电设施、太阳能发电设施以及天然气发电厂的一系列成本和性能假设。

在所有情况下，未来储能市场部署的储能系统总装机容量从100GW到650GW不等。而如此大的范围是由多种因素驱动的，包括储能系统的成本、天然气价格和可再生能源成本上升。
即使是最保守的情况，与到2020年累计部署23GW的储能系统相比，装机容量也将增加5倍，其中大部分是抽水机。

值得注意的是，即使没有额外的碳减排政策，可再生能源和储能系统也将被大量部署，这表明它们作为提供能源和容量服务的资源，成本竞争力越来越强。

在一个重要但不完全的脱碳模拟情景中，与2005年相比，美国电力部门的碳排放减少了46%至82%，到2050年，美国的可变可再生能源（VRE）在总装机容量中的份额达到43%至81%。

在与太阳能发电设施固有的协同作用的驱动下，通常采用持续时间为4至6小时的存储系统，但持续时间较长的存储系统通常会在后期的建模中部署。

 

 

锂离子电池储能系统将引领储能市场的份额

未来储能市场发展预测，公用事业规模的电池储能系统和其他储能技术的成本，推动大部分的预期增长确定在装机容量。

预计短期内部署的大部分固定式储能系统是电池储能系统，特别是锂离子电池储能系统。锂离子电池储能系统在储能市场的主导地位，至少在短期内是由其在多个市场的增长所推动的，包括消费电子和固定式储能应用，以及电动汽车。

图中显示了一个锂离子电池组的历史和未来成本的例子，显示了近年来储能系统成本的快速下降。该图还显示，绝大多数的电池都用于交通应用，这可能是电池技术发展和电池成本下降的最重要的驱动力。

使用公用事业规模的电池存储系统的各种未来成本预测来评估整体系统成本，包括逆变器、系统平衡和安装。

 

 

在过去的十年里，锂离子电池的成本已经下降了80%以上，并且在电动汽车需求的推动下，基于持续的生产规模，预计将继续下降。

 

 

公用事业级电池储能系统的参考方案预计将继续降低成本。左侧以美元/千瓦时（存储容量）为基础衡量成本，右侧以美元/千瓦（安装容量）为基础衡量成本。预测中假设一个60MW的电池存储项目

左边的曲线显示了储能系统的储能容量（千瓦时）的总成本，这是储能市场上常用的衡量标准。这就是储能系统安装的总成本。对于固定式储能应用，还包括与电力相关的成本（存储和转换相关）和与能源相关的成本（存储介质）。

与电有关的成本一般不随持续时间增加，也就是说，2小时的储能系统和10小时的储能系统的成本是一样的，这就是储能容量（千瓦时）成本随持续时间增加 而减少的原因。电量和持续时间的成本细分如图所示。

右边的曲线显示了装机容量（千瓦）的成本，这是衡量公用事业部门使用的传统发电设施的成本。通过这一措施，其成本随着持续时间的增加而增加。

随着持续时间的增加，电池成本是电池储能系统的一个主要组成部分。随着电池成本的下降，持续时间较长的电池储能系统比持续时间较短的电池储能系统的总体成本下降得快。

 

虽然近年来在储能市场上部署的大部分储能系统是电池储能系统，但随着成本的下降或长期储能价值的提高，各种储能技术都可能进入储能市场。

该图总结了15种不同类型的储能系统和处于不同商业化阶段的储能技术的资本成本估算。为了得出总成本，安装容量相关的成本（X轴）乘以小时数（持续时间），再加上电力相关成本（Y轴）。

还描绘了这种关系的成本区域，它可能或多或少地适用于短期或长期应用。以电池储能系统为基准，蓝线代表储能市场中替代技术在商业化后更具成本效益的部分。

需要注意的是，对于大多数储能技术来说，这些电力和能源相关部分的区分并不是绝对的，而且可能很难区分这些部分。图4中没有考虑到许多其他重要因素，包括充放电往返效率和潜在的选址限制。

由于电力和能源相关成本之间的差异，某些技术可能更适合基于所需时间的不同储能应用。低功率技术成本（但高能源成本）可能更适合短期应用，而功率相关成本较高但能源相关成本较低的设备在长期应用中可能更具竞争力。

随着储能市场电网的发展，长期应用可能会发挥越来越大的作用，这可能会增加采用更多储能技术的机会。最左边的区域包含能源相关成本非常低的技术（利用地下洞穴或水库），很适合季节性储能系统的应用。

总体而言，电池储能系统目前在储能市场上占主导地位，但其他储能技术在未来可能会继续改进。随着电力系统的发展和储能作用的变化，其他技术如果能在成本上与电池储能竞争，可能会有新的储能市场机会。

 

 

各种储能技术的储能容量成本（美元/千瓦时）与装机容量成本（美元/千瓦）。与装机容量相关的成本低但与储能容量相关的成本高的储能技术可能更适合短期储能应用，而在储能市场上与装机容量相关的成本高而与储能容量相关的成本低的储能技术在长期储能应用中更具竞争力。随着技术的发展和商业化，预期的成本可能会改变

 

固定容量的能力是储能市场部署的竞争动力

扩大储能在电力系统中的作用的框架，讨论了储能系统在公用事业规模储能部署的四个阶段所提供的多种价值来源。

固定容量： 满足电力系统高峰期的用户需求，取代传统发电设施（如天然气发电设施）的容量。

能源时间转移： 在低净需求时期储存价格较低的电力，在高净需求时期释放电力。这包括避免无法使用的可再生能源发电。

运行储备： 对随机变化和中断引起的供需不平衡的快速反应。几种储备类型包括频率调节和应急储备。

避免改造或升级输电设施： 通过在受限地区部署储能系统，抵消或减少升级或改造输电设施的需要，在电力充足时充电，并在当地输电系统接近或达到最大电力容量时放电。

储能系统可以在同一时间或不同时间提供多种服务（通常被称为 “价值叠加”）。为了确定这些服务在不断发展的储能市场电网中的相对价值，研究中模拟了各种场景，储能系统被激活或停用，以提供单独或组合的储备、容量和转移时间的能力。

虽然传输延迟的价值很重要，但它很难相互隔离，而且具有很强的区域性，所以没有试图隔离传输延迟的价值。

 

 

图中显示了一个使用参考案例，限制储能系统所能提供的服务显示，为了实现储能系统的最大潜力，容量服务比能量时移或运行储备更重要。该数字没有考虑到与传输有关的利益的影响，这些利益很重要，但非常区域性。

到2050年，美国储能市场将部署约200GW的储能系统。当只提供能源时移服务时，它实现了30%的 “所有四种服务 “的潜力。然而，如果储能系统只提供固定容量并具有经济价值，可能会部署150GW的储能。

提供运行储备服务只会增加相对较少的部署，部分原因是所需的运行储备有限，以及主要为提供容量和时移服务而部署的储能系统导致的储备需求饱和。

总的来说，这表明储能系统能够提供稳定的存储容量，并抵消常规发电满足峰值需求的需要，这对于充分发挥其潜力至关重要。储能系统提供固定容量的实际能力主要取决于其持续时间及其与部署区域内净负荷峰值持续时间的相关性。

净负荷峰值的持续时间受到各种因素的影响，包括太阳能和增量储能的部署。

 

储能不是唯一的灵活性选择

提高电力系统的灵活性，满足峰值需求，并帮助解决储能市场中净需求增加的变异性，这种能力通常以灵活的供应曲线的形式表示。图中提供了这个概念的一个例子，说明了可以提供灵活性服务的资源。

从历史上看，储能被认为是在储能市场上增加电网灵活性的最昂贵的选择之一。然而，成本下降可能会改变它在弹性供应曲线上的相对位置。

必须强调的是，储能只是能够为储能市场电网提供灵活性的几种资源之一，以更好地调整发电供应与电力需求。

 

 

具有成本效益的去碳化需要考虑所有的资源，包括最终使用的电力需求中基本未开发的潜在灵活性。灵活的需求可以通过各种机制实现，从价格信号到分布式能源的集中，再到灵活的电动汽车充电。可以提供许多与储能系统相同的服务，包括减少峰值净需求和改变可变发电的时间。

 

 

该图显示了储能市场的需求和储能系统在电力行业的巨大利用潜力。图中第1栏和第3栏提供了基本情景下的结果。

第2栏和第4栏假设有额外的需求响应部署，以评估其对储能系统和整体投资决策的影响。在这些情况下，灵活的需求减少了对能源的总体需求和能源时间转移的价值。

因此，储能部署有所减少，特别是在储能系统成本适中的情况下，突出了灵活需求和储能系统之间的潜在竞争。

需要进行更多研究，以充分了解储能市场中需求响应部署的潜在机会。考虑实施成本、社会接受度、净高峰期的可用性（可能随着可变发电量的增加而变化）以及实施机制。

虽然储能系统可能会越来越多地与灵活需求等资源竞争，但最低成本的脱碳需要分析一系列的灵活性选项，这些选项可以帮助实现可再生能源和其他清洁能源。

随着对负荷灵活性和响应性的需求增加，到2050年，无论储能市场是否有高的需求响应，对于低可再生能源//电池成本的情况下，储能市场的容量需求将减少。

 

 

太阳能发电设施部署的增加表明净负荷高峰期的持续时间更短

该图说明了加州高峰期每日净负荷的变化，太阳能发电对年度负荷的贡献从0%增加到20%。

在几乎所有从中午到晚上出现需求高峰的地方，增加部署太阳能发电设施的一个关键后果是减少了净负荷高峰期的持续时间。

这减少了提供固定容量所需的储能系统时间（因此也减少了成本），这是价值的一个主要来源。

 

 

太阳能发电设施部署的增加表明储能系统提供固定容量所需的时间较短

图中说明了随着太阳能发电设施装机容量的增加，储能系统的运行如何随净负荷而变化。上面的曲线显示了2020年模拟条件下美国储能市场白天平均储能充放电的概况，储能系统主要在夜间充电，这与最低净负荷水平相对应。

底部面板显示了2030年储能市场模拟条件下的结果，太阳能发电的部署大量增加。储能系统充电的大部分时间将转移到中午，与多余的太阳能电力的可用性相吻合。

在储能系统价值方面，最重要的变化发生在放电模式。在2020年储能市场的夏季高峰期，为了延长放电时间，储能系统必须以部分装机容量运行，从而降低其满足电力系统峰值需求的能力。

在2030年的储能市场中，由于太阳能发电带来的短暂高峰期，储能系统可以在全部装机容量下放电。

 

 

作为太阳能贡献函数曲线的昼间储能峰值容量潜力（长达12小时）（左）和作为太阳能发电贡献曲线的昼间能源时间转移潜力（右）。

峰值净负荷模式的变化增加了储能系统满足峰值需求的潜力，并增加了能源时间转移的机会。该图显示了美国每年白天储能（<12小时）在每种情况下提供峰值容量的潜力，绘制成与太阳能发电贡献的函数。

这条曲线代表了储能系统的容量，可以在储能市场的高需求期可靠地提供固定容量，并可能取代传统的峰值容量。相对于2020年的水平，美国储能市场系统满足峰值需求的潜力增加了一倍，太阳能发电量占35%。

由于许多地区的峰值净负荷转移到了太阳能发电能力较低的冬季，这最终趋于平缓。

随着太阳能发电设施和太阳能电池在储能市场的部署增加，也增加了储能提供时间转移的潜力，如图所示。

风力发电和昼夜储能之间的关系不太相关，因为风力发电模式在一天中的表现并不一致，而风力发电和储能系统容量之间的协同作用发生在较长的时间段内。

风力发电与储能系统提供传输效益的能力之间也有重要关系，这使得储能系统与风力发电之间的整体互动比储能系统与太阳能发电设施之间的互动更加复杂。

随着可再生能源在电力系统中的作用增加，储能的价值和机会增加，转化为储能部署的增加。

 

 

储能系统容量与可再生能源贡献率的关系

该图显示了在一系列假设和约束条件下，多个研究场景下的储能市场总容量与可再生能源贡献的函数。总的来说，这些研究考虑了200多个场景，可再生能源的贡献率从20%到100%不等，显示了可再生能源发电设施和储能市场系统在大量场景中部署的密切关系，这些场景有不同的假设和约束。

在未来几十年的储能市场中，分布式（用户侧）太阳能发电设施和电池储能系统系统的采用将如何发展。NREL分布式发电储能市场需求模型的新特点。

据预测，到2050年，美国储能市场的客户将使用太阳能发电设施来部署电池储能系统。总的来说，在所研究的这些情景中，描述了用户侧储能系统的未来储能市场潜力，并确定了采用的关键驱动因素。

在所有研究情景中，与太阳能发电设施一起部署的分布式电池储能系统具有巨大的经济潜力，在美国部署的电池储能系统的部署规模将在85GW/170GWh到244GW/490GWh之间。

但由于投资回收期长，用户采用的潜力要低得多。较低的电池成本和较高的备用电源价值在建模中增加了客户的采用。

 

 

预计分布式储能系统在储能市场的采用率会随着时间的推移而增加，如果太阳能发电设施成本降低，采用率会大幅增加。

太阳能发电设施成本的降低也会大大影响太阳能加储能项目的部署和采用，此外，储能系统的部署可能与太阳能发电设施的成本降低呈非线性关系。

除主要情景外，还评估了具有突破性（非常低）太阳能发电设施成本预测和低电池成本的情景。在这种情况下，预计采用分布式电池储能系统将超过40GW（82GWh）。

 

随着部署的增加，储能系统的持续时间可能增加

在提供固定容量的过程中，决定储能系统成本储能市场竞争力的一个关键因素是确定所需的最低持续时间。在美国大部分地区，当地的储能市场运营商已经确定4小时的持续时间足以满足夏季高峰期的电力需求。

随着储能市场部署的增加，净高峰负荷期的持续时间将增长，需要更多的储能能力（持续时间更长）来供应电力。该图显示了在参考2050年储能市场部署情况下，不同数量的储能系统在为期三天的需求高峰期的净储能市场需求。

它还显示了储能市场安装能力增加或减少时的净需求。储能系统部署水平的提高扩大了高峰期，从而增加了提供固定容量和继续减少净峰值需求所需的储能能力。

 

 

随着储能部署的增加，净负荷高峰期也在扩大，需要更长的储能系统来确保稳定的电力供应

增加太阳能发电设施的部署可以帮助抵消这种影响。然而这种好处是有限的，因为在某些情况下，较短期限的储能系统预计会被降级（这也意味着价值较低），这为储能市场部署较长期限的储能系统提供了额外的激励。

 

 

储能系统部署的平均持续时间随着储能系统总装机容量的增加而增加，最高可达约200GW

该图显示了新储能系统的平均部署时间与参考电池成本变化的储能市场总容量。最初的部署主要是2-4小时的储能系统，这是由于它们主要发生在夏季较短的下午高峰期。

随着太阳能发电设施部署的规模效应的讨论，这些高峰时间被保持下来。储能系统的持续时间需要增加，以满足更长持续时间的高峰期。

这为持续时间较长的新兴技术或现有的长持续时间储能技术（如抽水式发电设施）提供了更多的储能市场机会。

 

季节性储能系统技术尤为重要

评估储能市场的重要但不完整的脱碳情景。然而，这些情景以及相关工作中评估的情景指出，随着电力系统转向非常高的可再生能源贡献率（超过90%的可再生能源），多日或季节性储能系统有可能发挥作用。

 

 

可再生能源供应和电力需求的季节性错配表明季节性储能系统的潜在机会。上图显示夏季大量使用热能储存系统，而下图中春季热能储存系统的应用则很少。

在夏季风力输出相对较低和冬季太阳能输出相对较低的时期，热储能资源被大量使用。

由于一年中大部分时间电力供应饱和，可再生能源和昼夜储能满足这一需求的能力下降，如下图所示的减少量。

储能市场上任何额外的昼夜储能系统在一年中的大部分时间都处于闲置状态，降低了其成本效益。季节性储能系统可以提供一个经济的替代方案，在春季和秋季储存多余的发电量，并将其转移到夏季和冬季。

图中显示了储能市场中另一组案例的结果，评估了100%清洁能源的情况。在这些案例中，季节性储能系统被模拟为使用氢气等可再生燃料的燃气轮机形式。

在这些情况下，大量（400 GW以上）的季节性储能系统被部署，证明了拥有一种能够克服可再生能源发电和电力需求系统的季节性不匹配的技术的价值。其他季节性储能系统技术如果在成本上有足够的竞争力，也可以发挥这种作用。

 

 

结论

虽然表明在储能市场上部署的储能系统的装机容量预计到2050年将增加5倍，但仍有一些不确定因素可能会改变本研究中确定的储能市场的装机容量增长和演变轨迹。其不确定性包括：

 

储能系统的增长和补偿

在各种电网演变方案下，储能系统的大量部署。即使没有脱碳政策，储能作为一种新的调峰能力来源也是非常有竞争力的，许多储能市场预测都指出了显著的增长。

然而，仍然必须认识到，技术或政策的变化可能会影响储能系统的增长。尽管在过去十年中，监管框架发生了重大变化，但储能仍然是一项具有挑战性的技术，要对其进行适当的评估和补偿，特别是在重组的市场中。如果储能系统没有得到公平的补偿，可能会导致储能市场的次优部署。

 

技术演变

近年来，锂离子电池储能系统在储能系统市场中占主导地位。然而，为了改善其他储能市场技术，已经进行了大量的研发工作。多种储能市场技术可能与锂离子电池储能系统竞争。

特别是对于持续时间较长的储能市场应用。利益相关者可以通过考虑新兴技术的未来机会和现有技术的下一代，如抽水式水电设施，而获益。

 

储能系统作为容量资源

储能系统作为容量资源的重要性。这一价值以及储能部署取决于对储能系统的适当估值和补偿–这有赖于反映储能系统随着储能和可再生能源部署的增加而提供稳定容量的市场规则。其规则可以说明基于边际价格的市场对收入的影响，以确保其足以支持储能系统的最佳安装容量。

 

灵活负载的作用

为了在储能市场上以最低的成本实现电力部门的脱碳，利用各种灵活的资源仍然很重要，其中一些可能比储能的成本低。更好地描述需求响应、灵活负载的实际贡献潜力和成本，对于更好地了解储能系统的市场机会至关重要。

 

 

储能系统和可再生能源

随着电网脱碳目标的提高，储能系统是部署清洁发电的重要使能技术。白天的储能和太阳能发电设施之间有很大的协同作用，但由于一些因素，这可能会改变。

潜在的大规模供暖电气化可能会将美国大部分地区的高峰负荷转移到冬季，这将产生更长的需求高峰，使储能和太阳能发电更难满足市场需求。

这种转变可能会增加风力发电和长期储能系统的价值。成本较低、持续时间较长的储能系统及其提高传输利用率的能力，也可能为风力涡轮机电池和储能系统带来更多的储能市场协同机会。

 

分布式储能系统

分布式储能系统在所有储能市场研究方案中都有巨大的经济潜力，但客户可能只有在获得较快的投资回报时才愿意购买。新兴的价值流和不断发展的分布式能源的补偿机制可以激励更多的采用。

此外，电气化可能对储能市场中的系统采用产生积极或消极的影响。例如，在冬季停电期间，大规模转为电加热可以大大增加建筑物内拥有备用电源的价值。

相反，越来越多的电动汽车的采用及其提供备用电源的潜力可能会限制分布式储能系统的采用。为了了解这些细微差别，需要对这一领域的客户行为进行更多研究。

 

不断发展的储能系统的持续时间

显示了储能市场的总体趋势，鉴于其满足夏季高峰需求的能力，储能系统的持续时间不断增加。4小时储能系统的初始价值很高，然而随着储能系统部署的增加，更长的持续时间一般会变得更有竞争力。

尽管这一趋势是由多种因素驱动的，例如，它甚至可以抵消短期储能系统的容量价值。持续时间较长的储能系统可以提供额外的服务，如电网弹性或为新的传输提供补充或替代。

 

 

季节性储能系统的作用

随着电力系统接近100%的清洁能源，储能可以发挥越来越重要的作用，而且它可以在转型的电力系统中发挥多种作用。关键的季节性储能技术涉及工业或交通领域各种应用的可再生燃料的生产和储存。

因此，季节性储能系统可以与其他应用分享基础设施成本。这些季节性储能技术的成本以及与效率有关的权衡，以及与较短持续时间的储能系统的时间互动，需要进一步研究。