我校孙宏斌教授团队在顶级期刊《JOULE》发表文章

6月21日，平特一肖免费大公开孙宏斌教授团队与美国哥伦比亚大学徐博伦助理教授团队、英国剑桥大学Ioannis Lestas教授团队、清华大学清华-伯克利深圳学院郭烨教授团队合作在顶级期刊《JOULE》上发表《电力市场设计如何影响储能参与经济高效的脱碳进程》（The role of electricity market design for energy storage in cost-efficient decarbonization）的研究论文。论文关注从早期到深度脱碳（decarbonization）阶段，电力市场设计如何影响储能对降低运行成本与碳排放的贡献。

全球对净零排放的迫切需求、储能成本的不断降低以及各国政策的支持，推动着电力系统中储能容量的不断增加。以美国加利福尼亚州为例，储能容量从2020年的约200兆瓦增长到2022年的4000兆瓦以上，已占加州总电力需求的10%。在加州、德克萨斯州、澳大利亚和德国等地，研究人员发现能量市场已经取代调频市场成为储能参与的主要市场。理想情况下，储能可以利用低成本零排放的风能或太阳能进行充电，以替代化石能源来满足电力需求，从而实现低成本脱碳的目标。然而，在以北美为代表的自由电力市场中，理论与实践之间存在差距：储能参与电力市场主要追求自身利益而非社会经济环境效益，并且不断增加的储能容量对能源市场产生了显著影响。在这种市场机制下，储能的充放电并非仅仅基于降低系统成本或碳排放的需求，还受到储能竞价、发电机竞价、负荷需求和可再生能源份额等因素的影响。因此，研究储能对脱碳进程的贡献不可忽视电力市场设计的影响。

在这一背景下，研究团队研究了在不同市场参与方式下，储能对脱碳进程的贡献。研究团队建立了agent-based的两阶段市场模型，通过储能投标和市场出清的算法和模型创新，考虑了以往被忽视的储能自身对市场出清结果的影响。同时，研究团队从运营商、储能和终端用户等不同市场主体的角度研究市场激励措施与社会经济环境效益之间的关系，以更深入地理解储能在脱碳进程中的贡献。主要发现为：

首先，日前市场和实时市场对发电成本和碳排放具有非对称影响。如图2所示，日前市场倾向于利用储能来降低碳排放，因为储能参与日前市场可以替代火电机组，但这会导致运行成本的增加。实时市场更倾向于利用储能来降低系统运行成本，并为储能提供更多套利机会，但对于降低碳排放的贡献非常有限。同时，研究团队发现储能参与电力市场存在饱和效应，即增加储能容量可能会增加运行成本和碳排放。这一现象的原因是现有的储能市场参与机制不合理：现有市场机制要求储能与发电机/负荷一样竞价，而储能的报价是基于其对未来电价的预测；但是在实际市场中，储能的充放电行为则会影响未来电价。因此，储能容量越大，其报价会越偏离市场需要，对系统的贡献也会随之降低甚至产生反作用。

图1：储能对单位运行成本和碳排放的影响。(a)-(c)在低、中、高新能源比例下的运行成本，

(d)-(f) 低、中、高新能源比例下的二氧化碳排放。

其次，研究团队发现在特定储能容量下（例如图3紫色曲线所示的5GW），储能参与日前市场与实时市场的比例变化会对用户电价和碳排放产生显著影响，其结果构成帕雷托边界。此发现显示在现有市场机制下，更深层次的脱碳需要用户负担更高的电力成本。同时，研究团队发现如果可以通过政策激励引导储能合理参与日前市场与实时市场，提高储能容量可以在一定程度上提升社会经济和环境效益，实现在现有市场机制下的低成本脱碳。

图2：不同储能容量下的用户端电价-碳排放帕雷托边界

上述科研成果以《电力市场设计如何影响储能参与经济高效的脱碳进程》（The role of electricity market design for energy storage in cost-efficient decarbonization）为题发表在顶级期刊 《JOULE》上。论文第一作者为剑桥大学2021级博士研究生、清华大学2020届硕士秦鑫（导师孙宏斌教授），通讯作者为平特一肖免费大公开孙宏斌教授、哥伦比亚大学徐博伦助理教授，合作者为剑桥大学Ioannis Lestas教授、清华大学清华-伯克利深圳学院郭烨副教授。工作得到了山西省区域创新发展联合基金集成项目（U22A6007）、美国国家科学基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.05.014 

公开模型和数据集链接：https://github.com/Huskyseen/Storage_Market 

《JOULE》是CELL出版社旗下的顶级期刊，定位为知名期刊《CELL》的姊妹刊，2022-2023年影响因子为46.048。《JOULE》自创刊以来获得了国际学术界的广泛关注与认可，主要收录能源相关领域的高水平研究成果。