报告连载三：广泛的储能部署对电网运营影响
3.3.2、储能系统和化石燃料发电
大型储能系统不仅可以提高可再生能源的发电利用率，还可以提高化石燃料发电设施的效率——无论是通过对成本更低的化石燃料发电设施进行套利，还是通过减少启动化石燃料发电设施来实现。而且采用储能系统还可以减少电力部门的总排放量。将碳排放控制技术添加到可再生能源发电设施通常很简单。这样做可以显著地减少化石燃料发电设施启动和运行期间的碳排放，但减少与化石燃料发电设施启动相关的碳排放量并不直接相关。运营化石燃料发电设施造成的空气污染会影响当地居民的健康，而且影响分布不均。
图14显示了“储能未来研究”两种场景（参考场景和高天然气成本/低成本电池场景）中储能系统对关闭化石燃料发电设施的影响。顶部面板显示了按发电类型划分的美国各州整个足迹中每天平均运营的化石燃料发电设施数量。在参考场景中，大多数是天然气发电设施。在储能系统敏感性的研究中，天然气发电设施每天的启动次数从400多次中减少到约80次。在高天然气成本/低成本电池场景中，天然气发电设施每天的启动次数从50次减少到约5次。这些天然气发电设施的规模往往比燃煤发电设施或天然气联合循环发电设施要小。图14的底部面板显示了每天的平均启动数量。通过这个指标，在这两种情况下仍然显著减少。储能系统的一个主要好处可能在于它能够减少化石燃料发电设施的启动，从而确定危害人类健康的污染物。事实上，未来的工作还应该研究储能系统的环保潜力，以解决由于空气污染的潜在减少而导致的健康成本和过早死亡问题。图15显示了不同场景的发电设施类型的年排放量。
图14.在两个场景（参考场景和高天然气成本/低成本电池场景场景）中减少化石燃料发电设施运营，并增加储能系统装机容量
图15.不同场景的发电设施类型的年排放量
减少化石燃料发电设施的启动和运营是减少与影响人类健康影响相关排放的一种方法，例如氮氧化物和二氧化硫的排放以及二氧化碳的排放。储能系统也可以对电力部门的二氧化碳排放产生可衡量的影响。图16显示了储能系统敏感性对碳排放量的影响。在这两种情况下，由于零碳发电资源的过度发电减少，碳排放量随着储能系统装机容量的增加而下降。在高天然气成本/低成本电池场景下，其影响更为显著，其中碳排放量在80%储能系统敏感性和100%储能系统敏感性之间降低5%，然后在100%储能系统统敏感性和120%储能系统统敏感性之间降低3%的储能系统敏感性。在参考场景中的影响不那么显著，这在很大程度上是因为部署太阳能发电设施和风力发电的装机容量较低（因此从一开始就减少了过度发电），但在80%的储能系统敏感性和100%的储能系统敏感性之间，碳排放量下降了0.5%。在100%的储能系统敏感性和120%的储能系统敏感性之间，碳排放量下降了0.1%。
总体而言，这些敏感性表明储能系统可以在未来的电力系统中发挥重要作用——通过减少化石燃料发电设施运营和相关排放以及增加对零碳资源的使用。
3.3.3、储能系统与输电系统
输电系统和储能系统都可以帮助将可再生能源整合到电网中，但每种技术单独部署或组合部署时的相对是复杂的。例如，输电系统非常适合将多余的可再生能源电力从产生的地方输送到需要的地方，同时效率损失比储能系统要低得多。然而，事实证明，由于种种原因，大型输电项目的建设具有挑战性。
报告使用相同的储能系统敏感性场景来深入了解输电系统和储能系统的潜在交互。通过显示电力线路在其最大容量下运行的小时数百分比来确定出现电网拥塞的频率。图16显示了该分析中两组区域之间的该指标：(1)美国中部大陆独立系统运营商西部服务区域（MISO-W）和美国中部大陆独立系统运营商东部服务区域（MISO-E）；(2)美国西北部地区（NW）到加州独立系统运营商（CAISO)服务区域。随着电力系统储能容量从80%增加到120%，MISO-W和MISO-E服务区域之间的电网拥塞频率增加，但从美国西北地区（NW）到加州独立系统运营商（CAISO)之间的电网拥塞却减少。本节将讨论为什么会看到这两种趋势以及差异的总体影响。
图16.报告中美国两组不同区域之间的电网拥塞情况
图16的下半部分描述了增加储能系统如何减少美国西北地区（NW）到加州独立系统运营商（CAISO）服务区域之间的电网拥塞。在100%储能系统敏感性的场景中，加州独立系统运营商（CAISO)是电力的净进口州，如图17所示，该图描绘了这两个区域的年总发电量。其中一些电力来自美国西北地区（NW）。加州独立系统运营商（CAISO)在非太阳能发电时间进口电力，并经常在白天出口多余的太阳能发电设施的电力，但它在净基础上进口更多的电力。图18的左侧面板显示了四天的示例。随着储能系统装机容量的增加，额外的储能系统装机容量可以更好地利用太阳能发电设施的电力——特别是通过存储太阳能发电设施的过量电力来取代从美国西北地区（NW）进口的电力。这减少了美国西北地区（NW）到加州独立系统运营商（CAISO）之间输电线路的拥塞或利用率，因为当地电力的存储和分配更有效，如图19所示。
图18表明美国西北地区（NW）燃煤发电设施和天然气联合循环发电设施的发电量也在下降，因为这些发电设施已被太阳能发电设施取代，并在夜晚采用储能系统的电力。在这种情况下，美国西北地区（NW）燃煤发电量从80%储能系统敏感性场景下的19.4TWh降低到120%储能系统敏感性场景下的18.9TWh，美国西北地区的天然气联合循环发电量从8.1TWh降低到7.4TWh。
图17.加州独立系统运营商（CAISO)和美国西北地区(NW)两个地区的年发电量
图18. 在2050年高天然气成本/低成本电池场景中两组区域之间的电力输送
然而，在其他地区看到电力系统的拥塞增加，包括建模的美国中大陆独立服务运营商(MISO)的两个子区域MISO-E和MISO-W，如图16的顶部面板所示。在这个场景中，MISO-W区域在100%储能敏感性是一个重要出口地区。图19显示了报告中两个地区（MISO-E和MISO-W）的年发电量。在图18右侧的6月四天示例中也可以看到。当额外的储能系统被添加到输出电力的区域（例如MISO-W）时，并没有其他发电设施可以取代，然后将存储的电力输送到邻近地区，并在需要时取代成本更高昂的化石燃料发电。因此，在已经大量使用的电力线路上增加出口，将会进一步增加两个地区之间输电线路的拥塞或利用率。
图19.报告中两个地区（MISO-E和MISO-W）的年发电量
总体而言，根据当地情况，各区域的接口可能会减少或增加输电线路的利用率，如上面突出显示的两组区域所示。然而，图20量化了每种情况下输电线路的平均利用率（或电网拥塞）总量，并描绘了总体增长。这意味着后一种情况（其中储能系统存储用于增加出口地区的电力）更为普遍——因此额外的储能系统通常会增加输电系统利用率，以降低总成本和削减开支。从某种意义上说，这是储能系统和输电系统协同工作的一个典型例子。
图20.电力线路拥塞小时数的年百分比
4、结论
这份研究报告是“储能未来研究”系列报告的第六篇，以区域能源部署系统(ReEDS)模型中的成本优化方案为起点，研究电网规模储能部署的运营影响以及该部署与可变发电贡献之间的关系。该报告使用商业生产成本建模软件来评估预计到2050年美国累计部署210GW到930GW储能系统的五个场景的每小时运行情况。研究发现：
（1）区域能源部署系统(ReEDS)开发的储能部署率较高的场景表明，到2050年底无需担心负载平衡。这一结果有助于确认区域能源部署系统(ReEDS)描述的储能系统在各种电网运营模式中的操作。需要更深入的建模来得出关于每小时负载平衡、各种气象条件下的资源充足性或电力传输以及潜在稳定性问题的结论。
（2）储能系统在所有配置和电网混合中提供能源转移和满足峰值需求服务。尽管储能系统的年容量系数较低，这在本质上受到其充电需求的限制，但在跨场景和年份的前10个净负载小时内，当电力系统需要时，它具有非常高的利用率（在许多情况下超过75%）。
（3）昼间储能系统的运行与太阳能发电的可用性紧密相关，而与风力发电的关系则较少。太阳能发电具有可预测的每日开启和关闭周期，这与储能系统充电和放电的需求非常吻合。另一方面，风力发电的发电周期不太稳定，并且经常出现数小时或数天的长时间过量发电的情况，这比报告中例举的储能系统的持续时间要长得多。尽管储能系统可以在利用太阳能发电和风力发电方面发挥关键作用，但与太阳能发电的协同作用更加一致。
（4）通过减少太阳能发电和风能的过量发电以及减少化石燃料发电设施的启动和运营，储能系统提高了不同类型发电资产的效率。研究发现，在这些未来的电网场景中，储能系统通过利用风力发电和太阳能发电来取代燃煤发电和天然气发电，从而减少电力系统的碳排放总量。此外，储能系统可以减少化石燃料发电设施的启动和运营，减少启动和运营期间的污染物的排放，这可以减少对人体健康带来不利的影响。
（5）储能系统提高了输电系统的利用率。通过允许跨区域套利，储能系统可以增加沿区域之间输电量，从而能够使用成本最低的资源组合。在其他情况下，储能系统可以通过采用可再生能源发电设施的电力来减少输电拥塞。因此，虽然储能系统和输电系统都可以帮助整合可再生能源，但它们通常可以互补。储能系统和输电系统之间的关系（投资和运营）是一种更复杂的情况，因此需要进一步研究。
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