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美国混合能源系统面临的挑战分析

龙听

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发表于 2021-7-21 09:35 | 只看该作者

美国混合能源系统面临的挑战分析

SHPGX导读：过去的十年中，美国的发电组合发生了巨大变化：一方面天然气发电量增加提升了美国供电系统的灵活性，另一方面可再生能源的快速部署和渗透导致传统能源发电占比有所降低，而混合能源系统的出现将进一步推进美国能源部门转型升级。针对美国混合能源系统面临的挑战，中国石油集团经济技术研究院程熙琼从以下三个方面作了分析。

为满足21世纪不断变化的需求，美国电网正在经历变革转型。过去的十年中，美国的发电组合发生了巨大变化：一方面天然气发电量增加提升了美国供电系统的灵活性，另一方面可再生能源的快速部署和渗透导致传统能源发电占比有所降低，而混合能源系统（Hybrid Energy Systems，HES）的出现将进一步推进美国能源部门转型升级。HES是一个涉及多种电源、储存、转换技术的系统，通过总体控制或物理方式进行集成，以实现成本节约和效率提升，同时兼顾环境。美国能源部（DOE）针对HES应用发展面对的挑战从三个方面作了分析。

01 主要市场、政策和法规挑战

从国家能源政策和电力管理的角度看，一般发电设施技术类型较为单一，只要这些设施可以以较低成本运行，并在整个系统中发挥稳定作用即可。但HES的出现将改变这一现状，它将作为一个独立的单元，配置在不同的发电系统中，综合、系统的提升能效和兼顾环境。

因此，HES既要适合于国家能源政策，又要满足国家对电力公司的监管，在各级市场、政策和法规的约束下面临诸多挑战。

在现有电力市场规则、政策和法规下，HES如何部署仍存疑虑。目前，美国电网系统中很少有HES的组成部分，因此很难预判HES的未来配置程度，以及需要什么样的市场工具才可以发挥其作用和影响力，需要联邦监管机构和ISO/RTO（独立系统运营商/区域传输组织）更好的设计规则，给予相应的激励措施，让发挥其最大价值。

建模方法不成熟，无法对HES性能进行验证。在美国电网的传输和互联研究中，ISOS/RTOS对电网性能的模拟测试，一般是将一个单独运行设施作为特定假设对象，但HES的实际操作可能无法满足传统的特定假设，特别是市场参与者为了达到优化效果进行混合作业时，模拟测试失误或会导致电网互联时间过长或输电成本增加。无法完成对HES的容量认证。HES容量值并不等于单个容量值的数字叠加，针对HES能力认证的方法、分析框架和建模工具尚没有真正成型，目前还在分析建设中。

缺少HES模型相关参数，各种费率及政策差异导致测算困难。HES通常包括多种参与模式（如不同存储设施、间歇性能源和非发电机资源都受到不同参与规则和市场模式的约束），而联邦监管的市场与州监管市场的资源许可、公用事业费率以及排放和投资政策之间都存在一定的差异，涉及一系列市场规则、政策和监管流程，从长期公用事业和ISO/RTO规划到州能源政策的执行。作为应对这些挑战对策的一部分，ISO/RTO必须允许混合电力生产商在优化自己的能源配置和确保系统可靠性之间找到平衡。

缺少HES与国家政策目标之间的联通协调。在实现国家长期能源政策目标（100%可再生能源或清洁能源目标）和环境目标（空气质量改善或土地保护）方面，环境卫生和环境服务的作用尚不清楚。若要在实现能源目标的工程中让HES发挥其作用，需要进行研究以更好地理解和调整HES的环境绩效，同时须有效地向各级监管机构和能源办公室传达HES相关研究进程，以确保他们了解不同的HES如何有助于实现其能源目标，从而为纯电和多矢量HES设计更有效的政策和法规。

02 主要估值挑战

一是缺乏对最先进技术研发和行业观点的评估能力。首先，对HES如何影响发电系统技术成本和价值的理解是不充分的，需要提升将HES成本和价值与多个独立项目相关的成本和价值进行比较的能力。其次，目前无法评估HES可为大容量电力和更广泛的能源系统带来的好处，这阻碍了对HES进行估值的效果，这一挑战主要源于系统级模型和工具中缺乏HES的详细数据信息。

二是缺乏标准化方法，无法对HES的成本和它带来的好处进行量化分析。虽然一些既定的经济指标可以应用于HES，但有关混合成本的效益评估却因指标不足和比较基准不同而变得混乱。常用的平准化成本指标不足以测算出通过混合能源实现的任何增量价值。即使在应用衡量增量成本和价值的指标时，评估HES的经济绩效也具有挑战性，因为它们比较的基准有所不同，所以很难对HES提供净经济和社会价值进行评估。

三是缺乏足够的方法来优化HES设计。HES的技术能力和成本配置。美国的一些技术力量已经开始着手解决选择技术组合和链接的相关问题，但由于缺乏足够的数据和灵活的建模能力，研究人员无法在考虑完整的设计参数空间、不同的所有权结构的情况下有效的评估当前和未来HES的最佳设计，以及在更广泛的能源系统成本背景下的HES成本竞争力。

03 技术进步挑战

最突出的技术开发挑战之一是如何确保其充分参与市场。例如，若希望提供更多的服务和产品，就需要改进HES控制系统，将其作为一种经济、可调度和灵活的能源来运行。同样，需要针对遥测、计量和其它通信设备有关的技术开展研究，以促进多个子部件响应电网和市场信号的安全和其它信息反馈。此外，多矢量HES可能涉及使用热、氢或化学品的非电力集成，这些技术的集成能力以及用于耦合的控制技术等仍有待研发和提升。这类设备的部署还取决于充分的测试和验证、相关标准的制定，以及适当的网络安全措施。

技术成本和风险之间的平衡考虑也是一个需要解决的问题。克服复杂HES的风险将需要对新技术进行多次大规模演示，包括对完整的HES项目和单个组件（例如，硬件和控制），从而更好地了解HES的性能。近年来，HES的选择和采用受益于近年来技术成本的快速降低，这意味着采用HES的好处必须超过企业增加的风险和对HES的投资，即虽然HES带来设备的复杂性和风险因素增加，最终还能够实现高成本效益。

本文来源 | 油气经纬

本文作者 | 程熙琼（中国石油集团经济技术研究院 天然气市场研究所）

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