【独家】麻省理工学院能源计划未来研究报告（二十）：具有储能系统的脱碳电力系统的治理
第8章 具有储能系统的脱碳电力系统的治理
8.1简介
此项研究的总体目标是探讨储能系统在降低未来电力系统总成本方面发挥的作用。而其研究主要关注美国电力系统和其经济范围内的脱碳。尽管研究团队讨论的问题与其他发达地区相关，而他们得出的基本结论是，未来的脱碳电力系统将与当前的电力系统有着很大的不同，这将使当今的技术和措施越来越不充分。研究团队建议监管机构和电网运营商现在应该采取一些措施来应对这一挑战。由于未来脱碳电力系统的有效治理将需要开发和部署新工具以及改革规则和法规，因此这一研究可以发挥重要作用。
【资料图】
在未来的脱碳电力系统中，风力发电和太阳能发电发挥的作用比当前重要得多。例如，国际能源署(IEA)最近在对全球脱碳路径的研究报告中预测，到2050年，风力发电量和太阳能发电量将占全球发电量的70%，高于2020年的9%。风能和太阳能通常统称为可再生能源，其发电是间歇性的：它们的电力输出既可变又不能完全可预测，因为主要取决于风力和阳光资源可用性的变化，而不是电力系统运营商平衡供应和跟随电力需求的变化（电力系统运营商现在管理大部分化石燃料发电设施电力输出的方式），通过在基于投标或基于边际成本的经济调度来提高需求（见图8.1）。相比之下，在具有高比例可再生能源的电力系统中，由于风力和阳光强度的变化，电力供应量将随着变化，并且其变化可能会非常突然。因此，未来的电力系统将需要应对前所未有的电力供应波动，以可靠地平衡电力供需。现有的电力系统用于应对天气引起的需求波动。而在未来，天气变化引起的供电波动将影响电力供需；这些影响通常是相关的；这些相关性也会随着天气变化而变化。例如，空调需求增加和风力发电量减少可能与炎热的日子有关。在大面积云层覆盖的日子里，电力系统中的太阳能发电设施的电力输出将会减少，从而产生高度相关性——而在以传统化石燃料发电为主的电力系统中基本上不存在发电设施之间的相关性。通过弥补可再生能源供需变化之间的差距，储能系统将在采用高比例可再生能源的电力系统中平衡电力供需方面发挥重要作用。
图8. 1电力系统的经济调度曲线
各种行业领域的电气化可能会加剧这个问题。电力的某些用途（例如为电动汽车充电或电解生产氢气）可能会通过减少运营以应对电力供应减少，从而有助于平衡电力供需。其他的情况可能会导致新的峰值负荷，这可能与天气变化相关，同时减少了可再生能源的发电量，并使得供需平衡变得更加困难。
由于储能系统可以在平衡电力供需方面发挥关键作用，从而保持具有高比例可再生能源的电力系统的可靠性，并且由于预计储能技术成本大幅下降，因此在未来的脱碳电力系统中应该更加重要，并发挥比现在更多的作用。当今的电力系统运营商使用的方法以及相关监管规则和政策制度，主要是为依赖可调度发电设施的电力系统开发的。正如研究团队在本章中所讨论的，投资和部署储能系统以使其在未来的脱碳电力系统中发挥重要的作用，将会带来新的运营和融资挑战。它还将在监管和市场设计方面提出挑战，而这是本章的重点。
在当今竞争激烈的电力市场中，批发价格反映了发电设施在每个潜在需求的发电边际成本。当需求低时，电力系统的边际成本相对较低。当需求非常高时，平衡供需所需的最高成本发电的边际成本可能非常高。简而言之，经济调度曲线向上倾斜且相当稳定，如图8.1所示。员t系统运营商面临的挑战是随着电力需求在每小时、每天、不同季节等方面的变化，沿着经济调度曲线调整可调度发电设施的输出。对于具有可调度的化石燃料发电设施的电力系统，其典型的经济调度模型中没有部署储能系统。
与图8.1中描述的电力系统相比，该电力系统建立在具有稳定边际成本（反映不同的热效率和燃料成本）的可调度发电设施之上，可再生能源发电的供应该根据风力和阳光的外生变化而上下波动。因此，不存在图8.1中描述这样简单的经济调度曲线。此外，风力发电和太阳能发电的短期边际成本始终接近于零。由此类发电设施主导的电力市场面临设计挑战：如何提供反映生产边际成本的批发和零售价格信号，同时仍产生涵盖投资和运营成本的预期收入。此外，如第1章和第6章所述，许多储能技术的边际运营成本也接近于零，并且在充电/放电循环中损失的能量相对较少。因此，这些技术引发了类似的市场设计问题。此外，以可再生能源和储能技术为主的电力系统的运行特性，将会引发了重大的公平和风险承受能力问题，这些问题必须在设计未来的零售定价机制时加以解决。
8.2 高比例可再生能源电力系统的效率
在脱碳经济中，对电力系统的整体效率有两个要求：首先，电力的生产和交付的总成本应该尽可能低，其中包括任何意外停电或减载的成本以及为了满足碳排放限制采用的技术及其成本。这一效率通常被称为生产效率，意味着生产和交付的成本反映现有技术的有效使用率，而需要重视生产效率面临的两个新挑战。
首先，生产效率需要通过支持电力系统有效投资和运营决策的政策来实现碳排放限制。正如经济学家几十年来一直在争论的那样，有效减少碳排放的核心要素是为碳排放设定一个适当的价格，或者采取对碳排放征税的形式，或者采取类似的总量控制与交易机制。
研究团队假设碳定价政策已经到位，就像研究团队在第6章的建模练习中一样。事实上，需要使用替代方案（包括可再生能源标准、清洁能源标准、投资税收抵免和生产税收抵免、上网电价以及适用的储能系统的净计量政策），而不是提高碳定价这样不必要的电力成本，因此不利于通过电气化实现经济范围内的脱碳目标。由于研究团队在建模工作中关注2050年的发展，研究团队希望到未来的公共政策将演变为主要依靠更有效的机制来为脱碳提供激励。
实现最低成本的电力生产和交付的第二个复杂的新挑战是，如上所述，现有市场和机制并不是为了有效利用储能系统。虽然第6章中描述的建模分析侧重于使用储能系统来执行跨期能源套利的潜力（有效地将可再生能源的电力从一个时间段转移到另一个时间段），但正如研究团队在第1章中讨论的那样，储能系统在电力系统还将提供更多的价值。低成本的电力生产和传输要求涉及储能系统的投资和运营决策反映其所有价值。此外，一些电池储能技术（特别是锂离子电池）可以在小范围内相对有效地部署。家庭、商业建筑或工业设施中的电池储能系统也可以在批发层面有效地提供各种服务，但现有的公用事业法规、批发电力市场和零售定价制度并非旨在促进它们在批发层面的有效参与。
对电力系统效率的第二个要求是相关的：“零售价格”也就是为最终用户提供的电力服务价格，并可能为第三方控制和使用某些负载提供激励、电动车辆充电或其他电力负载。这个要求应该支持反映边际成本的短期和长期决策。可再生能源的边际成本应该指导位于客户的小型发电设施和储能系统的投资和运营决策，以及使电力需求能够响应短期价格变化的投资。支持零售费率对于支持成本最低的经济范围内的电气化作为经济范围内脱碳的关键部分至关重要。
尽管存在局限性，但第6章中的优化分析对采用高比例可再生能源的电力系统的特性具有重要意义。研究团队的优化是希望在碳排放限制的情况下最大限度地降低总体成本。所有决策由单个变量优化驱动：能源边际成本，反映每个时间间隔内发电或储能系统供应成本的数值。在理论上，通过将可再生能源的边际价值视为实际现货价格，可以将这些优化分析的结果转化为完全竞争下的市场均衡，即在只有能源市场的系统中。在优化的系统中，边际成本作为完全竞争条件下的市场价格：指导调度和其他运营决策，以及所有投资决策。
第6章中建模的高效电力系统的两个特征对市场和治理机构的设计具有特别重要的意义。首先，能源现货批发价格的模型分布与现货价格的当前分布非常不同。即使储能系统被最佳地部署为“低买高卖”（从而将电力从充足时期转移到短缺时期）。这反映了短期边际成本接近于零的可再生能源发电的可变性、最优解决方案中可再生能源发电的过剩供应以及需求侧的可变性。
在研究团队的模型中，实际上必须为每个时间点所需的电力支付边际系统成本的用户在理论上将面临有效消费和投资的正确激励。然而在实践中，这种情况下最终用户面临的风险将是巨大的，对于家庭用户和小型企业来说，这可能是无法容忍的。这些风险在2021年2月德克萨斯州的能源危机中显现出来。幸运的是，正如研究团队在第8.6节中所讨论的，批发价格完全传递到零售价格对于诱导生产者和消费者的有效行为并不是必需的措施。
具有重要意义的高渗透率的可再生能源的电力系统的第二个特征是，电网规模和客户场所的储能系统是电力系统基本上其他元素的潜在替代品。有效的治理必须能够在这些要素中做出成本最低的选择。具有高比例可再生能源的电力系统中的最佳储能容量与可再生能源发电量相辅相成，通过减少弃电需求和减轻间歇性发电来增加其价值。对碳排放的更严格限制会减少天然气发电的使用，这将由长时储能系统代替，从而增加储能价值。通过需求响应在电力供应短缺时减少负载将减少需要部署的储能系统。
更强大的区域和跨区域输电网络允许使用更多的风力发电和太阳能发电设施，并实现更广泛的地理多样化，从而降低可变性，并允许例如美国西部运营的太阳能发电设施将为美国东部的夜间负荷供电。增加输电容量还减少了储能系统的部署。最后，对于需求快速增长的电力系统，储能系统可以通过延迟扩展输电系统或配电系统的需要来降低成本。
8.3 市场和制度结构
如上所述，电力系统表现出广泛的市场和制度结构。传统上，大部分电力是由垂直整合的投资者拥有的公用事业公司生产的，这些公司主要根据美国国家监管委员会规定的零售电价出售给最终客户。在垂直整合(VI)的电力系统中，公用事业公司拥有并控制发电、输电和配电设施，为其服务区域内的零售消费者提供服务。此外，垂直整合的公用事业公司向合作社和市政公用事业公司销售电力，而这些公用事业公司又根据美国联邦能源监管委员会(FERC)规定的批发合同向最终客户销售电力。
在美国东南部、西南部和西部大部分地区，传统的垂直整合电力模型仍然占主导地位。因此，第8.4节考虑了对所有发电、输电、储能和配电资产拥有或签订合同的受监管、垂直整合、投资者所有的公用事业公司的有效治理。公用事业公司并不拥有发电或储能客户场所的资产。在州和联邦层面受到监管。公用事业公司在向最终客户提供电力方面并没有竞争，零售客户根据公用事业公司规定的零售电价支付费用。在这种案例结构中，批发市场价格并不透明。而在这种情况下，要求供电的短期边际成本应该驱动决策，尽管在传统上，并不随着时间变化的零售电价被设定为公用事业公司的平均成本。当电力系统供电受限，供需平衡必须来自需求方时，相关边际成本和现货价格是未服务负荷的价值，其名称为电力失负荷价值（VOLL）。
从上世纪90年代开始，美国大部分地区以及其他国家的电力部门进行了重组，以提供能源和辅助服务，例如备用容量和频率调节。其基本思想是，这些市场的电力现货价格将指导所有电力运营和投资决策，就像研究团队优化模型中电力的价值一样。美国的七个区域实体称为独立系统运营商(ISO)或区域输电组织(RTO)，现在运营这些市场和区域输电系统并参与一些区域规划。为简单起见，研究团队在讨论中将它们都称为独立系统运营商(ISO)，这些公司管理和供应美国约60%的电力。
在美国的一些地区，电力部门重组伴随着发电、输电和配电的分离，以及发电的额外横向分解。这些变化和商业发电机的进入导致非公用事业发电设施发挥更大的作用，在2020年占美国电力供应的47%左右。此外，美国14个州的电力分配仍然受到监管，但有竞争力的零售供应商可以在批发市场购买电力并将其转售给零售客户。
为能源和辅助服务开发有竞争力的批发电力市场比许多人预期的还要复杂，但在当今主要依赖可调度化石燃料发电资源的电力系统中，这些市场现在在大多数情况下都具有良好的运营绩效。然而，能源价格已被限制在远低于损失负荷的价值(VolL) 的合理水平，并且已经制定的电力系统可靠性标准从经济角度来看往往过高。独立系统运营商(ISO)有时会采取退出市场行动来应对以下情况。强调电力系统的供需平衡 ，并管理相关的可靠性问题。因此，来自能源和辅助服务市场的收入通常没有为满足适用可靠性标准所需水平的发电投资提供足够的激励。这导致了资金短缺问题。同样，由于它们限制了价格波动，具有低价格上限的能源和辅助服务市场可能会导致对储能系统的投资。
为了应对资金短缺问题和发电设施投资不足引发的可靠性问题，美国大多数重组地区都增加了容量市场或相关的资源充足机制，以补充能源和辅助服务市场收入，以确保容量足以满足可靠性标准。美国政府的气候和清洁能源政策对可再生能发电设施和储能的要求，导致对重组区域内的投资决策进行额外的监管干预。这导致了所谓的混合系统，其中批发市场指导运营，但投资决策受到资源充足政策、政府脱碳承诺、政府强制采购划部署可再生能发电设施和储能系统以及相关监管决策的严重影响。然而，这些电力系统中通常适用于能源、辅助服务和容量市场的规则在设计时并未考虑到储能系统，现有资产的所有者并不急于鼓励部署储能系统 。美国联邦和一些州正在努力改革这些规则。这些努力很重要，应该得到鼓励。
第8.5节考虑了电力系统完全重组的极端情况，其中包含部署可再生能源发电设施和电网规模储能系统的供应商。在这种结构中，输配电仍然受到监管，独立系统运营商（ISO）为能源和辅助服务批发市场制定规则并运营，受到美国联邦能源管理委员会监管。与没有批发市场的垂直整合公用事业公司相反，客户在其场所内为分布式发电和储能系统做出投资和运营决策。美国各州和联邦法规在这种结构中都很重要。德克萨斯州电力可靠性委员会(ERCOT)可能最接近这种模式的例证，但美国东北部的电力系统也进行了大规模重组，使用了类似的批发能源市场设计，但增加了容量市场。
8.4 受监管、垂直整合的电力系统
原则上，受监管的垂直集成的电力系统可以最大限度地降低成本，从而实现生产效率，系统边际成本和电力失负荷价值（VOLL）代表批发市场现货价格。然而在实践中，即使生产效率是公用事业公司的目标之一，实现它也很困难，其中有几个原因：竞争性市场提供的成本控制措施大多缺失，监管不完善并受制于利益集团，可再生能源的大规模发电和存储给运营和投资决策带来了新问题。
如第6章所述，垂直整合的公用事业公司通常没有拥有和运营高比例可再生能源的电力系统的丰富经验，在这些电力系统中，储能系统扮演着多种重要角色。同样，大多数公用事业公司和系统运营商历来对发电（包括购买的电力）、输电和配电都有单独的规划流程，并且在规划中几乎没有包括部署和采用电网规模储能系统的经验。公用事业公司和电力系统运营商在美国各州和联邦监管机构的支持下，需要与大学、实验室和其他机构进行合作研究，以开发工具管理电力系统，并在其长期规划过程中更好地集成发电、输电、存储和配电选项。
采和储能系统的高比例可再生能源的电力系统也将给美国各州和联邦监管机构带来重大的新挑战。由于公用事业公司对监管产生的激励措施做出反应，因此监管机构拥有必要的专业人员和资源来设计和实施适合快速变化的环境，以及提高效率的激励措施是很重要的。目前，大多数机构缺乏足够的技术和经济专业知识来有效应对这些挑战。为了在不产生过多成本的情况下实现电力系统和更广泛的经济的脱碳，必须纠正这些缺陷。
建议8.1应该大幅增加美国各州和联邦监管机构具有技术和经济专业知识以及预算的员工，以增强这些机构设计和实施监管机制的能力。
由于美国联邦能源监管委员会(FERC)监管输电和批发能源和容量市场，而各州监管零售电价和其他一切，受监管的垂直整合公用事业公司可能利用所在州和联邦监管之间的差异（这种做法有时称为监管套利）导致低效投资决策的方式。另一方面，让美国联邦能源监管委员会(FERC)和各州尝试各种组织和监管方法可能是有价值的。随着电力行业的所有利益相关者进入未知领域，监管机构之间加强沟通可能具有相当大的价值。
在许多情况下，位于客户场所有用户侧储能系统可以经济高效地提供电网规模储能和发电相关服务，特别是由聚合商运营。但是，受监管的公用事业公司更愿意拥有和使用储能系统。各州监管机构应该努力确保这样不会导致缺乏竞争力，而在另一方面，对储能系统所有权的限制（以及影响安装的储能系统装机容量和类型的其他干预措施），可能会通过阻止储能系统选择获取所有批发和与客户相关的价值流。
建议8.2美国各州监管机构应制定规则，允许安装在客户的储能系统和发电资产所有者在适当的条款和条件下向垂直整合的公用事业公司提供服务，以促进对用户侧发电设施和储能系统的有效投资和使用。
确保安装在客户场所的设备提供的储能服务的适当条款可能需要以电力系统边际成本从这些设备购买和销售能源。
与其拥有和运营受传统回报率监管的电力设施，受监管的垂直整合公用事业公司使用竞争性招标来采购发电、存储和传输容量，或者最好是使用通过与第三方可再生能源和储能供应商签订的长期合同，以技术中立的方式对不同类型的能源资产提供的服务进行投标。如果满足绩效标准（例如可用性），这些合同应涉及固定付款，因为从所涉及的能源设施生产更多电力的边际成本通常接近于零。
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