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爆发的电池储能市场真相

放大字体??缩小字体 发布日期:2019-01-07 09:00:26 ??来源:新能源网??编辑:全球新能源网??浏览次数:779
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  电池储能是非常灵活的,它可以进行快速部署,且具有多种应用。同时它能够产生大量价值流——更不用说电池价格比预期中下降得还要快这一点。根据一项预测,到2022年,储能市场的年销售量可达到260亿美元以上,年复合增长率(CAGR)则达46.5%。然而,该部门的活力并不完全归因于这些因素。诸如人工智能、区块链和预测分析等相邻数字技术的进步正在促发综合解决方案和创新商业模式,而几年之前,这些方案和模式几乎是不可想象的。世界各地的创业公司正迅速将智能网络“电表后端”电池商业化,以造福于电力用户、公用事业公司以及电网运营商。

  本期的智能内参,我们推荐来自德勤的报告《全球电池储能市场面临的挑战与机遇》, 全面分析在集成领域以及其他形式的电池解决方案的开发和部署方面所取得的进展。

  一、市场驱动因素

  1、成本和性能改进

  各种储能形式已存在有数十年。所以这让人不禁发问:为何偏偏电池储能独占鳌头?又为何非现在不可?也许最显而易见的答案是其成本的下降以及性能的改善,尤其是在锂离子电池方面。同时也正是由于不断扩大的电动汽车市场,制造业的经济规模得以促进。如下图所示,锂离子电池的成本正在急剧下降。然而,根据我们所分析的九个国家的情况,可以明确的一点是:成本下降仅仅是一部分原因。


▲2010年至2017年锂离子电池价格下降80%(美元/kWh)

  2、电网现代化

  许多国家正在实施电网现代化计划,以提高应对恶劣天气事件的复原能力,减少与老化基础设施相关的系统中断,并提高系统的整体效率。这些计划通常涉及在已建立的电网内部署智能技术,以实现双向通信和先进的数字控制系统,以及整合分布式能源(即可再生能源、燃料电池、柴油或天然气发电厂、储能资产和微电网)。

  总之,我们发现电池储能的发展与为实现电网现代化(包括向智能电网的过渡)所做出的努力密不可分。数字化电网支持生产消费者参与智能系统配置、预测性维护和自我修复,这为实施阶梯式费率结构铺平了道路—这一切为电池储能开辟了空间,促使其通过增加容量、调峰运行和/或改善电能质量创造价值。虽然智能技术已存在了一段时间,但电池储能的出现有助于挖掘它的全部潜能,反之亦然。


▲2018-2030年全球各国累计储能部署

  3、全球可再生能源运动

  广泛的可再生能源和减排扶持政策也在推动全球使用电池储能解决方案。电池在抵消可再生能源间歇性和减少削减方面所发挥的关键作用是有目共睹的,但各类电力用户依然追逐清洁能源,其程度和普遍度仍在增长。这种情况在企业和公共部门中尤为明显。正如德勤最近的一份报告真正的生意:企业采购竞争对手推动可再生能源增长的政策中所指出的那样,大型跨国公司在采购全球可再生能源方面发挥了领导作用。事实上,许多人公开承诺在未来二十年或更早即可通过RE100和可再生能源买家联盟等计划达成100%使用可再生能源的目标。这预示着可再生能源能够持续发展,并可能会继续就电池储能作出部署,以协助整合更多的分布式能源。

  4、参与电力批发市场

  虽然经常在一句话中同时提到可再生能源和电池储能,但电池储能却能够帮助平衡任何发电源的电网,并提高电能质量。这表明电池储能在全球范围内参与电力批发市场的机会越来越大。几乎我们所分析的所有国家都正在改造其批发市场结构,争取为电池储能开辟一席之地供其提供容量以及诸如频率调节和电压控制等辅助服务。虽然这些应用程序仍处于初级阶段,但是随着决策者努力地消除阻碍储能参与和调整市场的障碍时,这些应用程序也还是取得了不同程度的成功。

  以德国的主要控制储备(PCR)市场为例。这一市场的参与者通过赢得每周一次的竞价创造收入、并通过提供平衡电网所需的接纳能力来获取报酬。尽管PCR市场在过去几年里一直向储能供应商开放,但是对于电池储能的部署却直到2016年才变得重要起来,因为那时起,系统成本不断下降,所以可以获得可行的投资回报。与传统发电厂不同的是,电池储能几乎可以在瞬间对系统失衡做出反应,并在不到30秒的时间内完全启动。

  然而,与美国不同,德国针对这种快速响应并不提供报酬,所以德国的电池供应商直接与现有公司竞争,比如天然气调峰电厂。一方面,这种无差别竞争有效地降低了容量成本,但另一方面,它也导致市场迅速饱和,利润微薄,电池储能供应商经济状况不稳定。由于在PCR市场未能有足够的增长空间,德国的电池储能解决方案提供商越来越多地将目光放在二级储备市场以及配电递延上,作为其潜在的新价值流。

  与德国一样,美国的一些电网运营商也将电池储能引入其系统竞争。美国电力批发市场对电池等快速反应资源供应商的开放,很大程度上要归功于分别于2011年和2013年发布的第755和第784号联邦能源管理委员会(FERC)命令。命令规定,对于辅助服务市场上的响应速度以及响应准确性进行奖励。由于电池供应商受邀参与频率调节市场,电网运营商已经开始遭遇一些前所未有的挑战,这些挑战来自于储能快速爬坡和较慢爬坡资源的混合、调度参数和信号相关事项、其他技术要求三者之间的失衡。

  然而,展望未来,我们的研究发现表明,将电池整合到电力批发市场的好处将超过这些日益增长的痛苦,这是因为世界各地的决策者正在越来越多地采取行动来奖励速效电池储能在平衡电网运营方面所做出的贡献。例如,智利国家能源委员会起草了一个新的辅助服务监管框架,认同了电池储能系统能够做出的贡献。同样的,意大利也开放了其辅助服务市场,作为可再生能源和储能项目试点,将其引入为全面监管改革所做工作的一部分。同时,2018年2月15日,FERC发布了最终规则,采取进一步措施消除其管辖范围内阻碍电力储存资源参与容量、能源和辅助服务市场的障碍。

  5、财政激励

  在我们所研究的国家,由政府出资进行财政激励,该措施进一步反映出政策制定者越来越意识到电池储能解决方案为整个电力价值链带来的各种益处。在我们的研究中,这些激励措施不仅包括通过退税偿还或直接偿还电池系统成本所占百分比,还包括通过赠款或者补贴融资来提供资金支持。这些激励措施在能源安全问题上显得尤为慷慨,比如2017年,意大利为住宅储存装置提供了50%的税收减免。或者针对那些在电池制造中享有经济利益的国家,比如韩国,2017年上半年,得到韩国政府支持而投资的储能系统增长了89兆瓦时(MWh)的产能,比上一年同期增长了61.8%。

  6、FIT或净电量结算政策的淘汰

  由于消费者和企业试图从其太阳能光伏(PV)投资中寻求可以获取更高回报的方式,太阳能发电上网电价补贴政策(FIT)或净电量结算政策的低价或热度消退成为进一步配置电表后端系统的驱动因素。这种情况发生在澳大利亚、德国、英国以及美国夏威夷。这些地区拥有最成熟的太阳能市场,部分原因是电力价格高到足以使太阳能在经济上可行。

  尽管这还不是一种全球性的趋势,但我们有理认为,随着FIT的淘汰、太阳能PV设备的所有者会将电池作为一种自行消耗更多电力的手段,转移负荷以避免峰值电荷、和/或在需要时为公共事业公司或聚合商的电池充电或放电来提供电网稳定服务。例如,2017年,夏威夷檀香山的住宅储存证增长了1700%,即18倍。出现这一激增的部分原因是,国家在2015年取消了净电量结算政策,并限制了参与随后的将电力送回电网的激励计划。

  7、自给自足的愿望

  上文对几个驱动因素作出了详细的描述,而实际上住宅和C&I消费者对能源自给自足的渴望日益高涨,这成为一股惊人的推动电表后端储能部署的力量。这种愿景在某种程度上助长了我们所考察的几乎所有国家的电表后端市场,这表明购买储能系统的动机并非纯粹只是金融方面。

  如前所述,FIT的淘汰可能是某些家庭安装储能电池的契机,这些家庭中有大约一半是对现有太阳能PV装置的改造或作为该装置的附加组件。另外一半则采用全新的太阳能+储能系统,这一部分则可能与淘汰FIT没有太大关联。由于大型住宅电池储能系统的售价仍在8,000—10,000澳元(6,300—8,000美元)之间,所以对于这一部分家庭来说,最有可能的动机就是对自给自足的向往以及作为一名早期体验者的自豪感,而非快速回报和投资回报。尽管电池储能系统必须具有成本竞争力,但根据它们在澳大利亚的受欢迎程度以及我们在别处的研究结果表明,电池储能无需牺牲价格,它不一定非要比从任一电力公司购买的电力和服务便宜得多,才能换取其自身的市场增长。

  8、国家政策

  对于电池储能供应商来说,国家所出台的促进各种战略目标的政策为他们提供了更多机会。许多国家认为,可再生能源加储能是一种全新的方式,可以帮助他们减少对能源进口的依赖、填补其多能源发电的空白、提高其系统的可靠性和复原力、朝着环保目标和去碳化目标迈进。意大利和日本等一些国家正在积极地鼓励能源储能并对其进行补贴,并将此作为大范围改组工作的一部分,旨在确保储能系统的可靠性,并减少其对国际能源公司和外国进口的依赖。

  储能的发展也可能受益于与发展中国家城市化和生活质量目标相关的广泛政策授权。例如,印度的智能城市倡议利用竞争挑战模式,以支撑在全国100个城市部署智能技术。这些部署的目标是确保充足的电力供应、实现环境可持续性、高效移动性和公共交通。电动汽车、可再生能源和电池储能对于实现这些目标来说至关重要—印度政府所发声明可以证明这一点,其计划从2030年开始只销售电动汽车。此外,印度政府的目标是到2022年为止,将太阳能发电能力从2016年的10吉瓦提高到100吉瓦。印度最近推出了首个用于峰值负荷管理的电网规模的电池储能系统,这表明了储能市场的潜在繁荣。而印度所寻求的激进的政策目标,在很大程度上取决于开发一个清洁、可靠的电力系统。

  二、挑战

  尽管市场驱动力正趋同化,并推动储能部署向前发展,但却仍然存在挑战。其中较为突出的障碍可以追溯到电池储能技术的发展速度、其应用的演化历程,以及电池存储的多样性和灵活性。

  1、对高价的看法

  与任何技术一样,电池储能并不总是经济的,而且对于特定应用来说,其成本往往过高。但这是意料之中的事。问题就在于,若对于高成本的看法不准确,则可能会在考虑储能解决方案时将电池储能排除在外。成本飞速地下降,以至于决策者对系统价格的看法可能已经过时,他们会认为电池的成本仍然和几年前,或者甚至六个月前一样。以最近的Xcel Energy招标为例,它戏剧性地说明了电池价格的下降程度及其对整个系统成本所产生的影响,此次招标的最终结果是太阳能—PV加电池的平均价格为美元/MWh,而风能加电池的平均价格则为21美元/MWh。虽然太阳能+电池价格在美国创下了新的记录,但这种情况可能并不会持续太久。

  据预计,无论是电池技术本身的成本,还是平衡系统组件的成本,其价格都将持续下跌。虽然这些基础技术并不像人们关注的技术那样引人注目,但它们却确实与电池本身一样重要,它们可能代表着下一波成本大幅度降低的浪潮。例如,逆变器是储能项目的“大脑”,它们对项目绩效和回报的影响作用是显著的。然而,根据GTM Research的最新报告显示,逆变器市场仍然是“新生的和零散的,同时充满了支持各种应用和功能的新产品”。因此,随着市场不断成熟以及市场前景的巩固,储能逆变器的价格有望在未来几年内下降。

  2、缺乏标准化

  早期市场的参与者常常不得不应对各种各样的技术要求、经历各种不同的过程、享受各种不同的政策。电池供应商也不例外。这种差距无疑增加了整个价值链的复杂性和成本,使得缺乏标准化成为作出进一步部署的重要障碍。由于存在与电池有关的“电量平衡”问题,所以标准化对于电池储能的扩散来说可能尤为重要。换句话说,电池不能过度泄电,否则会损坏电池本身;网络运营商需要知道电池在给定时间里还剩下多少“电量”;充电/循环时间取决于所使用的电池类型(例如,液态或固态锂离子电池)。

  3、过时的监管政策和市场设计

  正如可以预见新兴技术的出现一样,同样可以预测到监管政策正在落后于当今存在的储能技术。由爱迪生电气研究所代表美国投资者所拥有的电力公司而发出的声明总结了这种情况:“许多公共政策和法规必须加以更新,以鼓励作出储能部署。现行政策是在开发新的储能形式之前制定的,这些旧政策不承认储能系统的灵活性,也不允许它们之间存在一个公平的竞争环境。”对于一个可能需要作出变更的监管结构来说,其需要将储能定义为发电、负荷、输电或配电基础设施,以便优化对于这种“唯一灵活的资源”的使用。

  对于监管机构和系统运营商来说,滞后政策并不新鲜。如前所述,许多政策都正在更新辅助服务市场规则,以支持储能部署。电池储能系统增强电网灵活性和可靠性的能力得到了充分的证明,这也许就是监管机构倾向于首先关注批发市场的原因。同时需要更新的还有零售规则,并以此引起住宅和C&I消费者对储能系统的兴趣。

  迄今为止,在这一领域的讨论主要是关于针对智能电表实施的阶梯式或结构化分时费率。不实施阶梯式费率,电池储能就失去了它最吸引人的特性之一:即在价格便宜的时候储存电能来促进利率套利,然后在价格昂贵时售出。虽然分时费率还未成为全球潮流,但随着智能电表在许多国家首推完成,这种情况可能会迅速改变。例如,英国的政策制定者已经制定了一些基本分时电价,基于七到十个非高峰时间进行设计,且主要是在夜间。62随着2020年全国范围内智能电表的全面推出,这些电价政策会愈加完善,并在未来得到更广泛的使用。

  4、储能的不完全定义

  储能的应用过程中有一个挥之不去的障碍,即对电池储能解决方案的各种应用、如何分配价值、如何补偿供应商并不完全了解。换句话说,储能正面临身份危机,所以世界各地的利益相关者和政策制定者都在努力研究如何定义速效电池储能。显然,这并不容易。例如,落基山研究所(RMI)仅仅是针对三个客户细分的储能就识别出了13种价值流—然而这还只是众多客户细分中的一种(见下图)。


▲储能价值流

  在全球范围内,电池储能最常见的用途是频率调节,其次是备用容量、电费管理和能源时间迁移。


▲全球电池储能容量主要用途分布

  三、储能供应商关注的焦点

  随着赞成收入叠加的呼声越来越大,监管机构一般都倾向于更好地定义储能,向新参与者开放市场,并最终针对多个价值流提供补偿。然而,重新设计零售和电力批发市场可能需要数年时间,这使得储能供应商不得不寻找能在此期间获得增值和发展的方式。

  一些储能供应商在寻找输配电递延的方法,比如亚利桑那州公共服务公司和AES储能公司(现在的Fluence)最近提出的8MWh电池组方案。据预计只需12至15个月进行规划和实施,该系统将部署在凤凰城东北部的一个社区里,作为构建一条长20英里的输电线路的一种快速且经济有效的替代方案。其他储能供应商则正专注于诸如数据中心这样的利基、高增长领域,另有一部分供应商则看到了将储能作为微电网一部分的可能。气候变化和来自相比较而言更加严重的风暴的影响导致了对后者的紧迫诉求,储能公司在对遭受飓风蹂躏的加勒比岛的电力基础设施进行重建和升级方面发挥了重要的作用,这两个方面都是为了在短期内提供紧急电力,以及从长远来看提供更强大的系统复原力。

  在其他地方,创业公司则正在把重点放在住宅用储能的电表后端系统,但这也适用于同一概念:即集成一组电池或太阳能+储能系统,以此向电网提供服务或参与能源交易。欧洲的几个参与者目前正在探索不同类型的集成模式,并可能让住宅储能变得更加可行。在英国,当地的参与者Moixa提出了一个“共享电网”计划,通过资格审查的电池储能客户可以注册并获得现金,据此计划,该公司能够智能地管理他们的电池,以助其平衡电网。正如该公司的网站所解释的那样,共享电网“每一个Moixa电池都内置有智能大脑用以组合每个用户所储存的能源(或备用容量)”。参与者通常通过固定年费或收入总额的一部分获得奖励。”

  由于每个电动汽车都包含一个电池,而且都可能会与其他电池集合以提供电网服务,电池集成的潜力与不断扩大的电动汽车市场相互交织,因此其发展潜力巨大。主要服务于德国和荷兰的欧洲输电系统运营商TenneT正在探索将电动车灵活的容量整合到电网中的方法。在荷兰的一个试点项目中,可再生能源公司Vandebron将与拥有电动汽车的客户合作,通过客户提供的汽车电池容量帮助TenneT平衡电网。这一努力被认为是开创性的,因为它新颖地使用了区块链技术来创建一个具有高度响应能力的、获许可的网络。该区块链通常与直接交易平台相关联,并通常用作虚拟分类账。

  它记录了一份不断增加的交易清单,这些交易清单通常会使用加密技术同时进行链接与实施保护。在这种情况下,区块链会跟踪每一辆汽车电池的可用性,并记录其响应电网运营商信号的行为和反应。这使得电池每一次只需要几秒钟的时间,就能在不影响用户为其汽车充电的能力的情况下,对电网的变化作出精确的响应。TenneT同时还与德国住宅用电池储能供应商Sonnen集团合作,对一个类似的住宅用太阳能电池区块链网络进行试验。数字技术的进步也为电力消费者直接参与能源部门打开了大门。

  有几家公司正在尝试使用支持区块链对等网络(P2P)交易平台,为房主或企业之间直接共享储能和/或自发电力提供了便利。参加纽约、澳大利亚、德国和孟加拉国等地试点项目的家庭现在可以通过区块链平台和微电网管理系统(大多有存储组件)进行少量的绿色电力交易。92这些技术的发展共同指出了能源“云”环境出现的潜在可能,在这种环境中,无需担心有中间商,所有用户可以按需获取共享的能源并进行交易。

  智东西认为,近些年,随着人工智能、预测分析和区块链等相邻数字技术的飞跃正在成倍地扩展电池储能部署的用途、增加其效益。这些相辅相成的机制,不仅仅改善了电池性能和成本,并使得电池储能这一概念逐渐成为现实。虽然“储能”和“可再生能源”经常出现在同一句话中,但储能不仅仅是将间歇性风力和太阳能输出结合起来:电池储能解决方案可以进行快速部署,精确定位,它可以提高整个电网的效率和复原力,而无论发电源是什么。这使得储能这一概念更加引人入胜。

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