第8章 具有儲能系統的脫碳電力系統的治理

8.1簡介

【資料圖】

此項研究的總體目標是探討儲能系統在降低未來電力系統總成本方面發揮的作用。而其研究主要關注美國電力系統和其經濟范圍內的脫碳。盡管研究團隊討論的問題與其他發達地區相關，而他們得出的基本結論是，未來的脫碳電力系統將與當前的電力系統有著很大的不同，這將使當今的技術和措施越來越不充分。研究團隊建議監管機構和電網運營商現在應該采取一些措施來應對這一挑戰。由于未來脫碳電力系統的有效治理將需要開發和部署新工具以及改革規則和法規，因此這一研究可以發揮重要作用。

在未來的脫碳電力系統中，風力發電和太陽能發電發揮的作用比當前重要得多。例如，國際能源署(IEA)最近在對全球脫碳路徑的研究報告中預測，到2050年，風力發電量和太陽能發電量將占全球發電量的70%，高于2020年的9%。風能和太陽能通常統稱為可再生能源，其發電是間歇性的：它們的電力輸出既可變又不能完全可預測，因為主要取決于風力和陽光資源可用性的變化，而不是電力系統運營商平衡供應和跟隨電力需求的變化（電力系統運營商現在管理大部分化石燃料發電設施電力輸出的方式），通過在基于投標或基于邊際成本的經濟調度來提高需求（見圖8.1）。相比之下，在具有高比例可再生能源的電力系統中，由于風力和陽光強度的變化，電力供應量將隨著變化，并且其變化可能會非常突然。因此，未來的電力系統將需要應對前所未有的電力供應波動，以可靠地平衡電力供需。現有的電力系統用于應對天氣引起的需求波動。而在未來，天氣變化引起的供電波動將影響電力供需；這些影響通常是相關的；這些相關性也會隨著天氣變化而變化。例如，空調需求增加和風力發電量減少可能與炎熱的日子有關。在大面積云層覆蓋的日子里，電力系統中的太陽能發電設施的電力輸出將會減少，從而產生高度相關性——而在以傳統化石燃料發電為主的電力系統中基本上不存在發電設施之間的相關性。通過彌補可再生能源供需變化之間的差距，儲能系統將在采用高比例可再生能源的電力系統中平衡電力供需方面發揮重要作用。

圖8. 1電力系統的經濟調度曲線

各種行業領域的電氣化可能會加劇這個問題。電力的某些用途（例如為電動汽車充電或電解生產氫氣）可能會通過減少運營以應對電力供應減少，從而有助于平衡電力供需。其他的情況可能會導致新的峰值負荷，這可能與天氣變化相關，同時減少了可再生能源的發電量，并使得供需平衡變得更加困難。

由于儲能系統可以在平衡電力供需方面發揮關鍵作用，從而保持具有高比例可再生能源的電力系統的可靠性，并且由于預計儲能技術成本大幅下降，因此在未來的脫碳電力系統中應該更加重要，并發揮比現在更多的作用。當今的電力系統運營商使用的方法以及相關監管規則和政策制度，主要是為依賴可調度發電設施的電力系統開發的。正如研究團隊在本章中所討論的，投資和部署儲能系統以使其在未來的脫碳電力系統中發揮重要的作用，將會帶來新的運營和融資挑戰。它還將在監管和市場設計方面提出挑戰，而這是本章的重點。

在當今競爭激烈的電力市場中，批發價格反映了發電設施在每個潛在需求的發電邊際成本。當需求低時，電力系統的邊際成本相對較低。當需求非常高時，平衡供需所需的最高成本發電的邊際成本可能非常高。簡而言之，經濟調度曲線向上傾斜且相當穩定，如圖8.1所示。員t系統運營商面臨的挑戰是隨著電力需求在每小時、每天、不同季節等方面的變化，沿著經濟調度曲線調整可調度發電設施的輸出。對于具有可調度的化石燃料發電設施的電力系統，其典型的經濟調度模型中沒有部署儲能系統。

與圖8.1中描述的電力系統相比，該電力系統建立在具有穩定邊際成本（反映不同的熱效率和燃料成本）的可調度發電設施之上，可再生能源發電的供應該根據風力和陽光的外生變化而上下波動。因此，不存在圖8.1中描述這樣簡單的經濟調度曲線。此外，風力發電和太陽能發電的短期邊際成本始終接近于零。由此類發電設施主導的電力市場面臨設計挑戰：如何提供反映生產邊際成本的批發和零售價格信號，同時仍產生涵蓋投資和運營成本的預期收入。此外，如第1章和第6章所述，許多儲能技術的邊際運營成本也接近于零，并且在充電/放電循環中損失的能量相對較少。因此，這些技術引發了類似的市場設計問題。此外，以可再生能源和儲能技術為主的電力系統的運行特性，將會引發了重大的公平和風險承受能力問題，這些問題必須在設計未來的零售定價機制時加以解決。

8.2 高比例可再生能源電力系統的效率

在脫碳經濟中，對電力系統的整體效率有兩個要求：首先，電力的生產和交付的總成本應該盡可能低，其中包括任何意外停電或減載的成本以及為了滿足碳排放限制采用的技術及其成本。這一效率通常被稱為生產效率，意味著生產和交付的成本反映現有技術的有效使用率，而需要重視生產效率面臨的兩個新挑戰。

首先，生產效率需要通過支持電力系統有效投資和運營決策的政策來實現碳排放限制。正如經濟學家幾十年來一直在爭論的那樣，有效減少碳排放的核心要素是為碳排放設定一個適當的價格，或者采取對碳排放征稅的形式，或者采取類似的總量控制與交易機制。

研究團隊假設碳定價政策已經到位，就像研究團隊在第6章的建模練習中一樣。事實上，需要使用替代方案（包括可再生能源標準、清潔能源標準、投資稅收抵免和生產稅收抵免、上網電價以及適用的儲能系統的凈計量政策），而不是提高碳定價這樣不必要的電力成本，因此不利于通過電氣化實現經濟范圍內的脫碳目標。由于研究團隊在建模工作中關注2050年的發展，研究團隊希望到未來的公共政策將演變為主要依靠更有效的機制來為脫碳提供激勵。

實現最低成本的電力生產和交付的第二個復雜的新挑戰是，如上所述，現有市場和機制并不是為了有效利用儲能系統。雖然第6章中描述的建模分析側重于使用儲能系統來執行跨期能源套利的潛力（有效地將可再生能源的電力從一個時間段轉移到另一個時間段），但正如研究團隊在第1章中討論的那樣，儲能系統在電力系統還將提供更多的價值。低成本的電力生產和傳輸要求涉及儲能系統的投資和運營決策反映其所有價值。此外，一些電池儲能技術（特別是鋰離子電池）可以在小范圍內相對有效地部署。家庭、商業建筑或工業設施中的電池儲能系統也可以在批發層面有效地提供各種服務，但現有的公用事業法規、批發電力市場和零售定價制度并非旨在促進它們在批發層面的有效參與。

對電力系統效率的第二個要求是相關的：“零售價格”也就是為最終用戶提供的電力服務價格，并可能為第三方控制和使用某些負載提供激勵、電動車輛充電或其他電力負載。這個要求應該支持反映邊際成本的短期和長期決策。可再生能源的邊際成本應該指導位于客戶的小型發電設施和儲能系統的投資和運營決策，以及使電力需求能夠響應短期價格變化的投資。支持零售費率對于支持成本最低的經濟范圍內的電氣化作為經濟范圍內脫碳的關鍵部分至關重要。

盡管存在局限性，但第6章中的優化分析對采用高比例可再生能源的電力系統的特性具有重要意義。研究團隊的優化是希望在碳排放限制的情況下最大限度地降低總體成本。所有決策由單個變量優化驅動：能源邊際成本，反映每個時間間隔內發電或儲能系統供應成本的數值。在理論上，通過將可再生能源的邊際價值視為實際現貨價格，可以將這些優化分析的結果轉化為完全競爭下的市場均衡，即在只有能源市場的系統中。在優化的系統中，邊際成本作為完全競爭條件下的市場價格：指導調度和其他運營決策，以及所有投資決策。

第6章中建模的高效電力系統的兩個特征對市場和治理機構的設計具有特別重要的意義。首先，能源現貨批發價格的模型分布與現貨價格的當前分布非常不同。即使儲能系統被最佳地部署為“低買高賣”（從而將電力從充足時期轉移到短缺時期）。這反映了短期邊際成本接近于零的可再生能源發電的可變性、最優解決方案中可再生能源發電的過剩供應以及需求側的可變性。

在研究團隊的模型中，實際上必須為每個時間點所需的電力支付邊際系統成本的用戶在理論上將面臨有效消費和投資的正確激勵。然而在實踐中，這種情況下最終用戶面臨的風險將是巨大的，對于家庭用戶和小型企業來說，這可能是無法容忍的。這些風險在2021年2月德克薩斯州的能源危機中顯現出來。幸運的是，正如研究團隊在第8.6節中所討論的，批發價格完全傳遞到零售價格對于誘導生產者和消費者的有效行為并不是必需的措施。

具有重要意義的高滲透率的可再生能源的電力系統的第二個特征是，電網規模和客戶場所的儲能系統是電力系統基本上其他元素的潛在替代品。有效的治理必須能夠在這些要素中做出成本最低的選擇。具有高比例可再生能源的電力系統中的最佳儲能容量與可再生能源發電量相輔相成，通過減少棄電需求和減輕間歇性發電來增加其價值。對碳排放的更嚴格限制會減少天然氣發電的使用，這將由長時儲能系統代替，從而增加儲能價值。通過需求響應在電力供應短缺時減少負載將減少需要部署的儲能系統。

更強大的區域和跨區域輸電網絡允許使用更多的風力發電和太陽能發電設施，并實現更廣泛的地理多樣化，從而降低可變性，并允許例如美國西部運營的太陽能發電設施將為美國東部的夜間負荷供電。增加輸電容量還減少了儲能系統的部署。最后，對于需求快速增長的電力系統，儲能系統可以通過延遲擴展輸電系統或配電系統的需要來降低成本。

8.3 市場和制度結構

如上所述，電力系統表現出廣泛的市場和制度結構。傳統上，大部分電力是由垂直整合的投資者擁有的公用事業公司生產的，這些公司主要根據美國國家監管委員會規定的零售電價出售給最終客戶。在垂直整合(VI)的電力系統中，公用事業公司擁有并控制發電、輸電和配電設施，為其服務區域內的零售消費者提供服務。此外，垂直整合的公用事業公司向合作社和市政公用事業公司銷售電力，而這些公用事業公司又根據美國聯邦能源監管委員會(FERC)規定的批發合同向最終客戶銷售電力。

在美國東南部、西南部和西部大部分地區，傳統的垂直整合電力模型仍然占主導地位。因此，第8.4節考慮了對所有發電、輸電、儲能和配電資產擁有或簽訂合同的受監管、垂直整合、投資者所有的公用事業公司的有效治理。公用事業公司并不擁有發電或儲能客戶場所的資產。在州和聯邦層面受到監管。公用事業公司在向最終客戶提供電力方面并沒有競爭，零售客戶根據公用事業公司規定的零售電價支付費用。在這種案例結構中，批發市場價格并不透明。而在這種情況下，要求供電的短期邊際成本應該驅動決策，盡管在傳統上，并不隨著時間變化的零售電價被設定為公用事業公司的平均成本。當電力系統供電受限，供需平衡必須來自需求方時，相關邊際成本和現貨價格是未服務負荷的價值，其名稱為電力失負荷價值（VOLL）。

從上世紀90年代開始，美國大部分地區以及其他國家的電力部門進行了重組，以提供能源和輔助服務，例如備用容量和頻率調節。其基本思想是，這些市場的電力現貨價格將指導所有電力運營和投資決策，就像研究團隊優化模型中電力的價值一樣。美國的七個區域實體稱為獨立系統運營商(ISO)或區域輸電組織(RTO)，現在運營這些市場和區域輸電系統并參與一些區域規劃。為簡單起見，研究團隊在討論中將它們都稱為獨立系統運營商(ISO)，這些公司管理和供應美國約60%的電力。

在美國的一些地區，電力部門重組伴隨著發電、輸電和配電的分離，以及發電的額外橫向分解。這些變化和商業發電機的進入導致非公用事業發電設施發揮更大的作用，在2020年占美國電力供應的47%左右。此外，美國14個州的電力分配仍然受到監管，但有競爭力的零售供應商可以在批發市場購買電力并將其轉售給零售客戶。

為能源和輔助服務開發有競爭力的批發電力市場比許多人預期的還要復雜，但在當今主要依賴可調度化石燃料發電資源的電力系統中，這些市場現在在大多數情況下都具有良好的運營績效。然而，能源價格已被限制在遠低于損失負荷的價值(VolL) 的合理水平，并且已經制定的電力系統可靠性標準從經濟角度來看往往過高。獨立系統運營商(ISO)有時會采取退出市場行動來應對以下情況。強調電力系統的供需平衡 ，并管理相關的可靠性問題。因此，來自能源和輔助服務市場的收入通常沒有為滿足適用可靠性標準所需水平的發電投資提供足夠的激勵。這導致了資金短缺問題。同樣，由于它們限制了價格波動，具有低價格上限的能源和輔助服務市場可能會導致對儲能系統的投資。

為了應對資金短缺問題和發電設施投資不足引發的可靠性問題，美國大多數重組地區都增加了容量市場或相關的資源充足機制，以補充能源和輔助服務市場收入，以確保容量足以滿足可靠性標準。美國政府的氣候和清潔能源政策對可再生能發電設施和儲能的要求，導致對重組區域內的投資決策進行額外的監管干預。這導致了所謂的混合系統，其中批發市場指導運營，但投資決策受到資源充足政策、政府脫碳承諾、政府強制采購劃部署可再生能發電設施和儲能系統以及相關監管決策的嚴重影響。然而，這些電力系統中通常適用于能源、輔助服務和容量市場的規則在設計時并未考慮到儲能系統，現有資產的所有者并不急于鼓勵部署儲能系統 。美國聯邦和一些州正在努力改革這些規則。這些努力很重要，應該得到鼓勵。

第8.5節考慮了電力系統完全重組的極端情況，其中包含部署可再生能源發電設施和電網規模儲能系統的供應商。在這種結構中，輸配電仍然受到監管，獨立系統運營商（ISO）為能源和輔助服務批發市場制定規則并運營，受到美國聯邦能源管理委員會監管。與沒有批發市場的垂直整合公用事業公司相反，客戶在其場所內為分布式發電和儲能系統做出投資和運營決策。美國各州和聯邦法規在這種結構中都很重要。德克薩斯州電力可靠性委員會(ERCOT)可能最接近這種模式的例證，但美國東北部的電力系統也進行了大規模重組，使用了類似的批發能源市場設計，但增加了容量市場。

8.4 受監管、垂直整合的電力系統

原則上，受監管的垂直集成的電力系統可以最大限度地降低成本，從而實現生產效率，系統邊際成本和電力失負荷價值（VOLL）代表批發市場現貨價格。然而在實踐中，即使生產效率是公用事業公司的目標之一，實現它也很困難，其中有幾個原因：競爭性市場提供的成本控制措施大多缺失，監管不完善并受制于利益集團，可再生能源的大規模發電和存儲給運營和投資決策帶來了新問題。

如第6章所述，垂直整合的公用事業公司通常沒有擁有和運營高比例可再生能源的電力系統的豐富經驗，在這些電力系統中，儲能系統扮演著多種重要角色。同樣，大多數公用事業公司和系統運營商歷來對發電（包括購買的電力）、輸電和配電都有單獨的規劃流程，并且在規劃中幾乎沒有包括部署和采用電網規模儲能系統的經驗。公用事業公司和電力系統運營商在美國各州和聯邦監管機構的支持下，需要與大學、實驗室和其他機構進行合作研究，以開發工具管理電力系統，并在其長期規劃過程中更好地集成發電、輸電、存儲和配電選項。

采和儲能系統的高比例可再生能源的電力系統也將給美國各州和聯邦監管機構帶來重大的新挑戰。由于公用事業公司對監管產生的激勵措施做出反應，因此監管機構擁有必要的專業人員和資源來設計和實施適合快速變化的環境，以及提高效率的激勵措施是很重要的。目前，大多數機構缺乏足夠的技術和經濟專業知識來有效應對這些挑戰。為了在不產生過多成本的情況下實現電力系統和更廣泛的經濟的脫碳，必須糾正這些缺陷。

建議8.1應該大幅增加美國各州和聯邦監管機構具有技術和經濟專業知識以及預算的員工，以增強這些機構設計和實施監管機制的能力。

由于美國聯邦能源監管委員會(FERC)監管輸電和批發能源和容量市場，而各州監管零售電價和其他一切，受監管的垂直整合公用事業公司可能利用所在州和聯邦監管之間的差異（這種做法有時稱為監管套利）導致低效投資決策的方式。另一方面，讓美國聯邦能源監管委員會(FERC)和各州嘗試各種組織和監管方法可能是有價值的。隨著電力行業的所有利益相關者進入未知領域，監管機構之間加強溝通可能具有相當大的價值。

在許多情況下，位于客戶場所有用戶側儲能系統可以經濟高效地提供電網規模儲能和發電相關服務，特別是由聚合商運營。但是，受監管的公用事業公司更愿意擁有和使用儲能系統。各州監管機構應該努力確保這樣不會導致缺乏競爭力，而在另一方面，對儲能系統所有權的限制（以及影響安裝的儲能系統裝機容量和類型的其他干預措施），可能會通過阻止儲能系統選擇獲取所有批發和與客戶相關的價值流。

建議8.2美國各州監管機構應制定規則，允許安裝在客戶的儲能系統和發電資產所有者在適當的條款和條件下向垂直整合的公用事業公司提供服務，以促進對用戶側發電設施和儲能系統的有效投資和使用。

確保安裝在客戶場所的設備提供的儲能服務的適當條款可能需要以電力系統邊際成本從這些設備購買和銷售能源。

與其擁有和運營受傳統回報率監管的電力設施，受監管的垂直整合公用事業公司使用競爭性招標來采購發電、存儲和傳輸容量，或者最好是使用通過與第三方可再生能源和儲能供應商簽訂的長期合同，以技術中立的方式對不同類型的能源資產提供的服務進行投標。如果滿足績效標準（例如可用性），這些合同應涉及固定付款，因為從所涉及的能源設施生產更多電力的邊際成本通常接近于零。

（未經允許，嚴禁轉載，不足之處，歡迎批評指正，未完待續）

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