户用储能如何支持电网?

2019年3月，麦肯锡发布了《户用储能如何支持电网》。“如果电池供应商、电力公司和监管机构可以解决商业上的、运营上的和政策上的微妙问题，户用储能可以让电网成本收益更高，更可靠，适应力更强并且更安全。”


电力系统中电池储能的发展引起了业界和媒体的极大注意，而他们重点关注大型的公用事业规模的电池和工商业用户使用的电池上。这些大型的电池是储能市场的关键组成部分，然而户用储能系统的增速超出预期，这种资产很可能比预想的会提前发挥重要作用。这些户用储能系统发展的路径及其对电力用户和电网的潜在价值值得我们一探究竟。

在过去的四年里，美国户用储能系统的年新增装机容量从2014年的2.25兆瓦时（MWh）跃升至2018年的185兆瓦时。很多消费者希望家庭电力系统更可控、更可靠和适应性更强，而户用储能可以满足这些需求。正因为如此，很多社区将会很快拥有一个未曾预料的家用储能系统资源网络。这个网络中的家庭用户已经购买了储能资源，但不是每天都使用。怎样做才能让户用储能系统帮助本地的电力公司，从而让电网运行地更有成本效益，更可靠，适应性更强，而且更安全？

在很多地区电网都承受着日益增长的压力：电网资产正在老化；可再生能源发电量不断增加，其间歇的特性让它需要更多的平衡资源；极端天气越来越常见。这些趋势让能源传输系统的瓶颈更加狭窄，导致电力成本会增加，并预示着地区性的停电会更加频繁。

电力公司已经着手增加电网的可靠性和适应性。有些电力公司已经部署了所谓的需求响应方案，即鼓励用户在电力需求高峰时段减少用电。同时，电力公司还在推行全面的电网现代化项目，以增加电网输电能力，并加固电网系统。有些电力公司大量投资公用事业规模的储能解决方案，将大型电池系统安装在发电厂、输电线和变电站附近，以降低成本并提高系统可靠性。

随着越来越多的用户投资 “电表后端”（behind the meter）的户用储能系统，电力公司有了平衡电力供需的新手段。户用电池可以连接在一起进行调度，以提供电网支持服务，这和今天电力公司使用需求响应项目和辅助服务资源非常类似。由于户用电池已经安装好，调度户用储能资源的边际成本会非常低。调度户用电池可以帮助电力企业避免使用更多昂贵的补救措施，诸如重新启动低效的调峰电厂或修建额外的电网基础设施，而这些资源的利用率可能很低。

把户用储能系统整合到一个高效的、可以调度并支持电网的网络并不容易，但是我们已经看到成功的案例了。美国有些州设立了试点项目：在电力供应紧张的时段，电力公司会付费使用装有电池系统的家庭储存的电量。

为促进户用储能市场的发展，监管部门和电力企业需要评估户用储能可以在什么地点以何种方式支持电网（例如在发电侧发现容量紧张的情况），并且在进行资源和电网规划的时候把这些评估结果考虑在内。监管部门还需考虑对电池调峰调频服务的费率和其他补偿机制，并且思考如何把电池整合到系统设计中。同样，户用储能网络的运营商需要确保他们的客户同意用电池来支持电网。运营商还需要向本地的电力企业证明这些电表后端的储能系统十分可靠，即在电网发布需要支持的通知后，短时间内可以进行调度。

追踪户用储能的增长

户用储能安装量在美国飞速增长：在过去的四年里年增长率超过200%，而且这个趋势还会继续（见图表1）。在2018年新增户用储能装机甚至第一次超过了公用事业规模的储能装机。这说明高价值客户选择拥有他们自己的储能系统。

图表1 “户用储能的井喷式增长刚刚开始”


促进户用储能系统安装量迅速增长的因素有：

—成本下降：2012~2017年，户用储能系统每千瓦时的成本每年下降15%以上。

—断电风险增长：每次大规模的飓风或暴风雨降临之后，户用储能的安装速度都会显著增加。所以在像佛罗里达和德克萨斯这样受过暴风雨袭击的州，户用储能装机容量增长迅速。同样地，加利福尼亚州火灾易发地区的家庭开始安装家用储能设施，以保证电力的可靠供应。

—电费结构：有些电力公司设置了分时电价，即每天不同时段内的电价不同。安装有电池的家庭可以利用储能系统最小化最高电价时段的用电量。

—光伏加储能的协同效益：整合安装光伏和储能系统成本更低，并且用户可以更灵活的根据市场电价来调整用电量和发电量。以上两个因素使光伏加储能系统比单独的储能系统的成本降低了25%以上。

—购买优惠：政府给安装户用储能提供的优惠政策很有吸引力。户用光伏加储能项目可以申请联邦投资抵税，在今年这个措施能降低系统30%的安装成本。像加利福尼亚州的“自发电激励项目”这样的地方优惠政策，可以为家庭投资一般的户用储能系统节省1600~2500美元。

—电网服务补偿。最近一些地方电力公司开始设立项目，即在电力需求尖峰时刻，公司向拥有户用储能的家庭从电池向电网输电付费（见图表2）。相应地，这些用户将得到补偿，比如从电费单上扣除部分金额。马萨诸塞州、罗德岛州和费蒙特州推行了上述“用你自己的电池”的项目。

图表2 “有偿为电网服务的机制鼓励了有储能系统的家庭将其电池接受系统负荷集成商的调度，从而为这些家庭和其他电力用户都创造了更多的价值。”


户用储能系统已经对超过20%的美国家庭有吸引力（见图表3）。随着制造商削减户用储能电池的生产成本，安装公司利用学习效应和规模效应削减安装成本，这个市场会继续大幅扩张。我们预计 到2023年户用储能的年安装量可能会超过2900兆瓦时。

图表3 “户用储能对20%以上的美国家庭有吸引力，它带给用户价值，并满足用户对电力可靠性的需求”


越多的户用储能资源与电网相连，他们并入电网就能创造更多的价值。所以几个州正在实验针对户用储能并网的项目。马萨诸塞州和纽约州在推行一个“清洁调峰”的政策。该政策鼓励使用家庭储能来满足电力尖峰负荷，而不鼓励使用备用的火电厂。从2020年开始，加利福尼亚州决心要求本州新建住宅安装光伏系统，并鼓励建筑商安装电池储能系统。这个政策是根据加州建筑能效标准第24条的修订版制定的。

电力公司自己也在尝试如何促进户用储能发展。英国国家电网公司（National Grid）为参与其“用你的电池”项目的客户予以经济上的优惠。Liberty Utilities最近开展了一个试点项目：该公司给用户安装家用储能系统，并每月向用户收取小额费用。这些系统为该公司提供了备用的电力资源。独立系统调度机构新英格兰（ISO New England）与专注于家用光伏和能源服务的公司Sunrun签订合同，约定后者将开发一定数量的户用光伏加储能系统，以增加前者在容量市场（capacity market）的资源。


随着户用储能装机容量基数的增加，这些储能资产会分布的更密集并发挥规模效应，以通过下述方式提供有价值的电网服务：

—减少本地电网尖峰负荷，并优化每户的用电负荷。这可以让本地的节点更安全可靠，因而电力公司可以推迟用于电网升级的投资。

—在电力供给受限制的区域减少负荷峰值，这可以降低用能成本。

—提升电力质量并保护接入电网的设备，使其免受电压突然升高等干扰的破坏。这可以延长用电设备的使用寿命。

然而，在实现户用储能提供电网服务的目标前，还需要考虑一些挑战：

—户用电池给家庭提供服务应该和给电网服务一样安全可靠，这才能给用户增强信心。

—分布式资源的集成商必须证明的是，家用电池在若干年中一直质量可靠，可以被调度。

—电力公司需要自己（或联合集成商）开发一些工具，以预测户用储能何时何地可以供电网使用。

—监管机构需要制定一个让系统平均成本最小化的电价体系。这个体系可以激励户用电池在有价值的地方并网，并且防止交叉补贴有钱的用户（见图表4）。

图表4 “分时电价和容量市场的补偿可以鼓励拥有户用储能的客户参与提供电网服务的项目”


要想开始推动户用储能的发展，电力公司和户用储能设备供应商可以进行合作，首先在电网运行约束较大的地区推广户用储能。同样，市场对电力调度软件有需求，这方面的合作可以大幅度降低系统并网成本。

在过去的每一年中，随着电池价格的降低和价值的增加，越来越多的美国家庭安装了家用储能系统。这些系统对本地电网运营商的价值大的惊人。要想让户用储能成功地与电网整合，所有的利益相关者——电力公司、家庭、户用储能供应商和监管机构需要协作，以增加电网的经济性、可靠性和安全性。有些地区决定利用已经安装的户用储能资源。它们可能发现这种预期之外的资源可以让所有的电力公司用户都从储能技术中受益。