美国电力部门日间储能的经济潜力

存储期货研究 昼夜存储在美国电力部门的经济潜力 一个。威尔·弗雷泽、韦斯利·科尔、保罗·登霍尔姆、斯科特·马钦、纳撒尼尔·盖茨和内特·布莱尔 存储期货研究 昼夜存储在美国电力部门的经济潜力 A.威尔·弗雷泽、韦斯利·科尔、保罗·登霍尔姆、斯科特·马钦、纳撒尼尔·盖茨和内特·布莱尔 建议引用:弗雷泽，A.威尔、韦斯利·科尔、保罗·登霍尔姆、斯科特·马钦、纳撒尼尔·盖茨和内特·布莱尔。2021.储能期货研究：美国电力部门昼夜储能的经济潜力。科罗拉多州戈尔登：国家可再生能源实验室。 NREL/TP-6A20-77449。https://www.nrel.gov/docs/fy21osti/77449.pdf。 请注意 这项工作由国家可再生能源实验室撰写，该实验室由可持续能源联盟有限责任公司运营，为美国能源部（DOE）提供合同号DE-AC36-08GO28308。资金由美国能源部能源效率和可再生能源办公室太阳能技术办公室、美国能源部能源效率和可再生能源风能技术办公室 、美国能源部能源效率和可再生能源水力技术办公室和美国能源部能源效率办公室和可再生能源战略分析办公室提供。本文表达的观点不一定代表美国能源部或美国政府的观点。 本报告可从www.nrel.gov/publications的国家可再生能源实验室（NREL）免费获得。 美国能源部（DOE）在1991年之后制作的报告以及越来越多的1991年之前的文件都可以通过www.OSTI.gov免费获得。 DennisSchroeder的封面照片：（顺时针，从左到右）NREL51934，NREL45897，NREL42160，NREL45891，NREL48097，NREL46526。 NREL在包含回收内容的纸张上打印。 前言 本报告是美国国家可再生能源实验室存储未来研究（SFS）系列出版物之一。SFS是一个为期多年的研究项目，旨在探索储能在美国电力部门发展和运营中的作用和影响。SFS旨在研究储能技术进步对公用事业规模储能部署和分布式储能采用的潜在影响，以及对未来电力系统基础设施投资和运营的影响。研究结果和支持数据将作为一系列出版物出版。下一页的表格列出了他们将在SFS下审查的计划出版物和具体研究课题。 本报告是SFS系列的第三份报告，使用ReEDS模型执行一组成本驱动的方案，以检查电网规模的存储部署以及这种部署与可变可再生能源（VRE）渗透之间的关系。本报告评估了公用事业规模昼夜存储的经济潜力以及存储容量增加可能对电力系统演进和运营产生的影响 SFS系列提供数据和分析，以支持美国能源部的储能大挑战，这是一项全面的计划，旨在加速下一代储能技术的开发，商业化和利用，并保持美国在储能领域的全球领导地位。储能大挑战采用用例框架来确保储能技术能够经济高效地满足特定需求，它结合了几个类别的广泛技术：电化学、机电、热能、柔性发电、柔性建筑和电力电子。 更多信息、与本报告相关的任何支持数据、该系列中其他报告的链接以及有关更广泛研究的其他信息可在https://www.nrel.gov/analysis/storage-futures.html获得。 标题描述关系促成了这一报告 存储部署的四个阶段：存储在美国电力系统中不断扩大作用的框架 储能技术建模输入数据报表 经济潜力的昼夜存储美国电力行业 采用分布式存储客户场景 广泛存储部署的电网运营影响 存储期货研究：执行摘要和研究结果综合 通过基于当前和潜在未来储能部署四个阶段的概念框架，探索新的、具有成本竞争力的固定式储能的作用和机会，并提出储能的价值主张，可能导致具有成本效益的部署达到数百吉瓦（GW）的装机容量 回顾各种机械、热和电化学存储技术的当前特性，并将其应用于电力部门。提供对已部署的特定商业技术（包括锂离子电池系统和抽水蓄能水电）的成本、性能特征和位置可用性的当前和未来预测。 评估公用事业规模昼夜存储的经济潜力以及存储容量增加可能对电力系统演进和运营产生的影响 评估客户在几种未来场景中采用分布式昼夜存储的情况，以及对分布式发电部署和电力系统演进的影响 评估几种电力系统演进场景的储能运行和相关价值流，并探讨季节性储能对电网运营的影响 综合和总结整个系列和相关分析和报告的发现，并确定进一步研究的主题 提供有关本报告中讨论的成本和性能特征的影响的更广泛背景，包括它们在存储部署的各个阶段可能启用的特定网格服务。本报告中的情景结果支持这一框架。 提供有关电池以及用作此报告中执行的建模的输入的PSH成本和性能值的详细背景信息。 这份报告。 分析分布式存储采用方案，以测试与本报告中建模的网格存储部署并行的各种成本轨迹和假设。 考虑存储部署和网格演进方案的运营影响，以检查和扩展本报告中ReEDS发现的网格规模方案结果 包括对研究所有其他方面的讨论 ，并为本报告的结果提供背景 确认 我们要感谢整个存储期货研究团队以及我们的美国能源部（DOE）战略分析办公室同事作为本文件的核心贡献者的贡献。这些贡献者包括国家可再生能源实验室（NREL）的ChadAugustine，BenSigrin，KevinMcCabe和AshreetaPrasanna以及DOE的KaraPodkaminer。我们还要感谢其他NREL员工的反馈和贡献，包括ChadHunter，EvanReznicek，MichaelPenev，GregStark，VigneshRamasamy，DavidFeldman和TrieuMai，我们还要感谢技术审查委员会的意见，包括Dougarenot（NREL/主席），PaulAlbertus，InesAzevedo，RyanWiser，SusanBabinec，AaronBloom，ChrisNamovicz，阿文德·贾吉、基思·帕克斯、基兰·库马拉斯瓦米、格兰杰·摩根、卡拉·马西、文森特·斯普伦克尔、奥利弗·施密特、大卫·罗斯纳、约翰·加文和霍华德·格鲁恩斯佩希特。最后，美国能源部的各种技术专家提出了其他想法和建议，包括PaulSpitsen，KathrynJackson，NehaRustagi，MarcMelaina，AndrewDawson，AdriaBrooks，SamBaldwin，SarahGarman。 这项工作由国家可再生能源实验室撰写，该实验室由可持续能源联盟有限责任公司运营，为美国能源部（DOE）根据合同号DE-AC36-08GO28308撰写。资金由美国能源部能源效率和可再生能源办公室太阳能技术办公室、美国能源部能源效率办公室和可再生能源风能技术办公室提供， 美国能源部能源效率和可再生能源水力技术办公室和美国能源部能源效率和可再生能源战略分析办公室。文章中表达的观点不一定代表美国能源部或美国政府的观点。美国政府保留，出版商接受该文章发表，即承认美国政府保留非排他性、付费、不可撤销的全球许可，以出于美国政府目的出版或复制本作品的出版形式，或允许他人这样做。 执行概要 储能未来研究（SFS）是一个为期多年的研究项目，旨在探索储能在美国不断发展的电力部门中的作用和影响。SFS旨在研究储能技术进步对公用事业规模储能部署和分布式储能采用的潜在影响，以及对未来电力系统基础设施投资和运营的影响。 本报告根据现有政策，使用跨多个成本情景的最小成本优化框架，模拟了2020年至2050年美国电力部门昼夜存储（<12小时）的演变。在评估昼夜存储与其他资源的第一个全面的美国全国性分析中，我们发现昼夜存储在经济基础上极具竞争力。我们发现，在各种场景中，昼夜储能具有巨大的市场潜力，使用不同的储能、风能、太阳能光伏（PV）和天然气的成本和性能假设。在所有场景中，到2050年，储能的建模部署将超过125吉瓦，比2020年目前的23吉瓦（其中大部分是抽水蓄能）增加了五倍以上。 对于电池存储，到2050年，电池容量至少是现在的3，000倍（图ES-1）。根据成本轨迹和其他变量， 2050年储能部署范围从130吉瓦到680吉瓦，表明电力部门昼夜存储的机会迅速扩大。这些结果基于与 2020年NREL标准方案一致的技术成本降低以及更新的电池成本预测（Augustine和Blair，2021年） ，突出了昼夜存储部署的基本驱动因素和存储资源竞争力的提高。在这些成本驱动的情景中，可变可再生能源（VRE）的渗透率达到43-81%，但无法实现实现深度脱碳目标所需的部署。未来的工作将考虑到2035年加速向清洁能源电网过渡的情景及其对储能部署的影响。 我们使用扩展的建模功能，使我们能够按持续时间区分存储资源。在大多数情况下，大多数存储投资的持续时间为4-6小时，但这种分布因未来天然气价格和可再生能源成本上涨的假设而异。在这个经济部署框架内，这些结果表明，昼夜存储可能足以满足至少80%的高可再生能源渗透率的整合需求。 图ES-1.参考案例中按存储持续时间（左）和所有场景（右）分隔的国家存储容量 有关此处包含的资源方案的完整列表，请参阅表1（方法：方案和模型输入部分）。有关每种情况下按技术分列的发电量和容量的更多详细信息，请参见附录中的图A-1。 虽然储能可以为电网提供许多服务，但我们发现经济储能部署主要是由容量价值和能量套利（或时移 ）价值的组合驱动的，并且需要这些价值流的组合来实现最佳存储部署。我们还发现光伏渗透率与储能市场潜力之间存在很强的相关性。光伏发电量增加导致夜间净负荷峰值收窄，从而增加了储能容量价值的市场潜力。更多的光伏发电也创造了更不稳定的能源价格曲线，这增加了储能时移价值的市场潜力。 总的来说，这些结果展示了第一份存储未来研究报告中列出的分阶段部署路径：存储部署的四个阶段：存储在美国电力系统中不断扩大作用的框架（Denholm等人，2021年）。最初部署较短持续时间的存储，随着时间的推移，在经济高效的基础上部署较长的存储资产持续时间。该分析还强调了仅具有成本效益的昼夜存储就可以在多大程度上推动电力部门实现成本优化部署。 基于对昼夜存储经济部署的分析，未来的工作应研究昼夜存储与长期存储资源之间的关系，特别是在工作范围之外的高度脱碳电网条件下，例如接近100%清洁能源的电网条件。此外，还需要做更多的工作来了解全国范围内存储与需求方灵活性之间的关系。 最后，虽然这项工作的重点是锂离子电池，因为该技术比其他新兴技术具有更大的市场成熟度，但这项研究的结果可以推广到能够满足这些成本和性能预测的其他存储技术。总的来说，这些结果说明了昼夜存储在电力系统中提供最低成本解决方案的机会越来越大。 表的内容 1介绍1 2方法:改进模型3 3方法:场景和模型输入5 4结果:国家部署8 5结果:驱动程序部署9 6结果：存储的其他交互作用和影响15 7讨论和未来工作17 8参考文献18附件21 A.1场景结果21 A.2操作储备26 A.3存储成本输入26个 A.4芦苇模型警告和限制34 A.5与风的关系渗透35 A.6区域结果36 数据列表 图ES-1.参考案例中按存储持续时间（左）和所有情景分隔的国家存储容量(右)七 世 图1.参考案例中按存储持续时间（左）和所有情景分隔的国家存储容量(右)8 图2.加利福尼亚州2050年低光伏成本和低风电成本案例的负荷和净负荷（上图）;作为光伏渗透率函数的昼夜存储 （长达12小时）的国家峰值容量潜力（左下）和作为光伏渗透率函数的国家昼夜能量时移潜力（底部）右)10 图3.网格服务限制存储的场景中的累积电池存储部署，如方案名称所示，电池成本低（左）、参考电池成本（中 ）和高电池成本(右)11 图4.2050年模拟存储峰值容量潜力作为存储渗透率和持续时间的函数（阴影条），与每种情况下2050年的模拟经济累积存储容量（固体酒吧)13 图5.电池存储（左上）、输电（右上）、PV（左下）和风(右下角)15 图6.2050年通过储能的发电量在国家和地区层面的所有情景中与光伏渗透率（左）和风力渗透率的关系图(右)16 图A-1.B.所有资源敏感性情景中按技术和年份