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政策风险-美国能源部发布《电池储能系统报告》

来源：tbtguide

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2024年11月，美国能源部（DOE）下属的爱达荷国家实验室（Idaho National Laboratory）发布《电池储能系统报告》，全面分析了美国电池储能系统（BESS）的现状，包括供应链风险、技术架构、安全威胁及应对策略。一、研究背景与方法在两党基础设施法等推动美国能源基础设施现代化和数字化背景下，美国可再生能源供应链在获取数字资产方面面临挑战，BESS 对能源转型至关重要，其供应链风险需重视。报告采用系统分析方法，从宏观到微观，评估政策、技术和供应链决策对国家安全的影响，确定风险优先级，为决策提供参考。二、BESS 的应用、渗透和功能1、应用领域与市场增长多领域应用：BESS 在电网中扮演多种关键角色，涵盖频率和电压调节、能源套利、旋转备用、负荷跟踪、削峰填谷、存储和平衡可再生能源发电、延缓基础设施投资、降低用户需求费用、提供备用电源以及实现黑启动和电网形成等功能。在频率和电压调节方面，BESS 能在毫秒到秒级的时间内维持电网频率稳定，通过吸收或释放能量来平衡电压，保障电网稳定运行；能源套利功能使 BESS 在电价低时储存电力，电价高时释放，从而平衡电力供需并创造经济效益。市场增长显著：美国 BESS 市场发展迅猛，从 2018 - 2020 年，能源容量增长了 10 倍。2023 年，美国预计安装约 4GW 的新储能，其中加利福尼亚州和得克萨斯州的安装量分别占比 35% 和 27%。到 2024 - 2025 年，已安装的储能容量预计将翻倍。长期来看，美国国家可再生能源实验室（NREL）预测，到 2050 年，美国储能容量将从 2020 年的约 25GW 大幅增长至 200GW，其中电池储能预计占 175GW 。2、区域应用案例分析加州：BESS 对加州实现清洁能源目标和应对紧急情况意义重大。在 2022 年热浪期间，BESS 展现出强大的灵活性，其充放电能力有效支持了电网运行。早期，为保证电池充电，其平均输出计划会降低；高峰时段，充放电计划虽有所增加，但充电量仍保持较低水平。BESS 在实时和提前市场中积极参与，在早上和下午早些时候寻求充电，提前市场的放电出价全天保持稳定，且实时放电出价在高峰时段有所下降。此外，加州独立系统运营商（CAISO）的电池储能容量和相关功能显著扩展，截至 2023 年 5 月，总有效电池容量达到 5000MW，不同项目类型的储能容量分布广泛，这表明能源储能在加州电网基础设施中的重要性日益凸显。夏威夷州：2023 年，夏威夷成功部署了一个 185MW 的 BESS，用于替代瓦胡岛上的煤炭发电，这是夏威夷向 100% 可再生能源转型的重要里程碑。该系统由夏威夷电力公司运营，配备先进的锂离子电池和复杂的控制系统，不仅增强了电网稳定性，还促进了太阳能和风能等可再生能源的整合，对夏威夷减少碳排放和降低对化石燃料的依赖起到了关键作用。德克萨斯州：德克萨斯州的太阳能日食事件凸显了 BESS 在维持能源供应可靠性方面的重要性。日食期间，太阳能输出大幅下降，BESS 通过释放储存的能量，有效弥补了能源缺口，保障了电网的稳定运行。此外，2022 - 2024 年期间，BESS 还有 17 次以上的紧急调度事件，这表明该地区对 BESS 的需求不断增加，同时也强调了进一步投资和扩展电池储能基础设施的必要性，以应对可再生能源间歇性对电网稳定性的影响 。三、BESS 的技术架构与组件功能1、BESS 的技术架构电池单元层面：BESS 最基本的组成部分是电池单元，这些单元是整个储能系统的基石。它们通常通过串联和并联的方式进行连接，以此满足不同的电压和容量需求。在这个层面，主要关注电池单元自身的电化学性能，包括能量密度、循环寿命以及安全特性等关键因素，这些因素直接影响着 BESS 的整体性能和可靠性。集成控制和组件层面：此层面将多种控制和额外组件集成到 BESS 中。其中，电池管理系统（BMS）至关重要，它负责监测和管理电池组的性能、荷电状态以及健康状况。同时，还配备了如热管理系统和防护外壳等安全机制，以确保 BESS 在各种复杂条件下都能安全运行。此外，与功率转换系统、逆变器和电网接口的集成，实现了双向功率流，使 BESS 能够与可再生能源或电网无缝对接。集成硬件和软件层面：在更先进的 BESS 架构中，重点在于将硬件组件与复杂的软件解决方案深度融合。通过部署智能控制算法、预测分析和优化策略，能够最大程度地提升储能系统的性能和效率。系统集成商在这一过程中发挥着关键作用，他们根据具体的使用场景和运行要求，对这些软件驱动的功能进行定制化设计和实施。2、BESS 组件的功能电池管理系统（BMS）与环境控制：BMS 是集硬件和软件于一体的组件，它与能量管理系统（EMS）和功率转换系统（PCS）相连，实现对 BESS 系统充放电的精准管理，并对电池单元的环境进行实时监测。其具备多种重要功能，如信号机制、火灾报警、紧急停止、绝缘故障检测、温度监控以及过流和欠流保护等。任何一个功能出现故障都可能引发严重问题，例如信号机制失效会导致对运行问题的响应延迟，火灾报警系统故障可能造成火灾隐患的检测延误，进而危及生命和财产安全。而运行良好的 BMS 则能够优化电池性能，延长电池使用寿命，有效防止失控故障或灾难的发生。逆变器：逆变器负责将电池产生的直流电转换为交流电，从而实现与电网或其他交流负载的连接，在 BESS 架构中起着关键的能量转换和控制作用。它通过监测电压、电流、频率和温度等参数，确保自身的高效稳定运行。逆变器具备多种功能，如进行频率下垂控制和电压下垂控制以调节电网频率和电压水平、建立电压和频率参考、模拟传统发电机的虚拟惯性、管理有功功率和无功功率输出、在电网出现电压或频率干扰时提供支持以及实现黑启动功能等。根据应用场景的不同，逆变器可分为三相、单相或微型，大型 BESS 中通常采用三相逆变器。功率转换系统（PCS）：PCS 可视为逆变器的上级系统，它由转换和功率调节设备以及小型变压器组成，是一个规模较大的系统，通常包含多个逆变器以及额外的控制和保护组件。PCS 主要用于控制各种电源和负载之间的功率流、集成和同步，尤其适用于大型站点，而非分布式能源资源（DER）。它具有强大的处理能力，能够运行先进的控制算法以优化功率管理，同时还具备监测电网状况、调节电压和频率、实现电源或运行模式之间的平稳切换以及提供故障检测、隔离和保护等重要功能，从系统层面进行全面的集成、控制和监测。其他组件功能：包括功率电子变压器和逆变器（内含小型变压器，保障稳定供电和电网连接）、传感器和监测（测量关键参数，保障系统性能和安全）、电网变压器（管理电池系统与电网间的电力流动）、站点控制和 EMS（协调系统组件运行，依据多种测量进行管理）、通信和云（实现远程监测和管理）、DERMS 和车队控制器（优化 BESS 性能，维护电网稳定）以及人机界面（方便操作和控制，确保安全合规）等组件。四、BESS 的供应链分析1、供应链现状中国企业主导：BESS 市场中，中国企业在供应链上占据显著地位。以 CATL 为例，其作为全球最大的电池制造商，是美国市场重要的电池供应商，为众多美国和全球集成商提供技术和产品 。彭博新能源财经（BNEF）2024 财年第二季度储能制造商排名显示，65% 的供应商总部位于中国，且所有供应商的 BMS、PCS 或逆变器产品至少有一个来自中国供应商。在电池单元 / 模块方面，美国对国际电池供应商，尤其是中国供应商，依赖程度较高。从 2023 年第一季度美国锂离子电池进口数据来看，中国占比高达 87.99%。美国市场集成商情况：美国市场常见的集成商中，部分从中国采购关键组件。虽然部分企业尝试在美国本土制造 BMS，但目前市场上中国企业及其产品仍占较大份额。在 PCS 方面，对加州逆变器允许清单的分析表明，仅 4.2% 的 PCS 来自美国，69.4% 来自中国 。逆变器供应链复杂，中国在全球太阳能光伏逆变器制造领域占据主导地位，前五大供应商均为外国实体，占 2022 年全球太阳能逆变器出货量的 71%。2、供应链挑战供应源重叠复杂：电力电子组件、逆变器、BMS 等供应链存在显著重叠，且与太阳能、风能、电动汽车充电设施（EVSE）等行业垂直领域相互关联。例如，太阳能或混合动力工厂的逆变器与 BESS 的逆变器在许多情况下使用相似组件，电池模块也可能通用。这种复杂性使得区分供应链中各组件的来源和所有权变得极为困难，增加了供应链管理的风险和难度。供应商信息多变：OEM 和集成商的商业模式多样且变化频繁，存在供应商名称变更、公司合并或分离、进入或退出市场、拓展新业务线等情况。此外，美国市场的公司渗透率列表可能存在 “付费参与” 的偏见，导致获取准确的供应商信息变得困难，进一步加大了供应链分析的复杂性。3、供应链风险及影响安全与地缘政治风险：以 CATL 电池从 Camp Lejeune 移除事件为代表，凸显了 BESS 供应链中存在的安全隐患和地缘政治问题。美国对外国供应商的依赖，特别是对中国供应商的依赖，引发了对关键基础设施安全性的担忧。从国家安全角度出发，外国实体可能对美国能源安全构成潜在威胁，因此美国政府出台相关政策，如《国防授权法案》（NDAA），限制从特定中国 BESS 公司采购。供应稳定性风险：如果移除部分中国供应商，由于目前美国本土缺乏完全替代的制造商，可能导致转向性能较低或产品运营不成熟的供应商，这对 BESS 系统的整体性能和稳定性可能产生不利影响。此外，国际形势变化、贸易政策调整等因素可能导致供应链中断，影响 BESS 项目的建设和运营。五、BESS 面临的威胁、脆弱性和攻击暴露1、面临的威胁威胁行为者多样：威胁 BESS 的行为者涵盖多个层面，包括国家行为体、网络犯罪组织、能力有限的个体以及物理犯罪分子。对于涉及外国关注实体（FEOC）的组件，不仅要考虑系统运行期间外部攻击者利用漏洞的威胁，还要关注整个生命周期内制造国及当地政府的影响。如中国政府在 CATL 的企业结构和采矿地点使用等方面的影响力，就引发了美国对相关供应链安全的担忧。供应链风险：在供应链的组装、运输和建设阶段，存在诸多难以追踪的风险。部分中国太阳能生产商通过其他国家转运产品以规避美国关税，电池公司也可能采取类似手段。即使这种操作合法，但中间公司和国家也应受到严格审查，以保障供应链安全。此外，BESS 在关键应用场景中可能成为国家行为体的攻击目标，而在非关键应用场景中也可能被网络犯罪分子视为易攻击对象，近年来针对能源行业和可再生能源目标的攻击呈上升趋势。2、系统的脆弱性组件层面的脆弱性：电池模块、PCS / 逆变器、BMS 等组件存在安全隐患。电池模块制造过程中的缺陷可能导致性能下降甚至失效，单个电池故障还可能引发连锁反应。PCS / 逆变器的制造缺陷、恶意篡改以及通信和固件更新中的漏洞，都可能影响其性能和安全性。BMS 的固件和软件也可能存在漏洞，易受到攻击，尤其是 FEOC 设备，可能存在恶意代码插入风险。系统层面的脆弱性：监督控制系统和 EMS 在数据访问和管理方面存在风险，若访问权限管理不当，可能导致数据泄露或系统被恶意控制。电气断开装置、通信网络设备等也存在安全漏洞，如数字继电器的漏洞可能导致设备误操作，通信设备的漏洞可能被攻击者利用，影响数据传输和系统安全。此外，常见的技术问题，如硬编码和弱密码、直接连接 OEM 进行固件和质量监控、应用安全问题、访问控制薄弱以及通过云平台进行大规模编排等，都增加了系统的安全风险。特别是对于 FEOC 供应商的产品，还存在固件管理、质量监控、芯片质量、文档等方面的问题，且缺乏对美国或国际政府的漏洞披露。3、攻击暴露情况远程管理与攻击面扩大：BESS 引入远程管理系统虽有助于维护安全功能，但也扩大了攻击面。随着美国对电池及其相关电力电子设备的依赖增加，更多利益相关者需要访问数据和命令权限，这使得系统更容易受到攻击。若某个授权利益相关者被攻击，攻击者可能利用其权限进行恶意操作。第三方风险：许多第三方利益相关者，如 OEM 和维护提供商，可能不受与公用事业或电力供应商相同水平的监管。一旦这些第三方公司遭受黑客攻击，BESS 就可能面临攻击风险。尽管在遭受攻击时，受影响的组织通常会切断远程访问以防止攻击扩散，但这种应急响应的速度和完整性仍有待提高。实际案例中的攻击暴露：近年来，出现了一些利用 BESS 漏洞的实际案例。如 Enphase Envoy 通信网关存在多个漏洞，可被攻击者利用获取 root 权限；Mirai 僵尸网络利用 CONTEC 漏洞进行传播和攻击。这些案例表明，BESS 在实际运行中面临着真实的攻击威胁，其安全形势严峻。六、BESS 的风险缓解策略与相关举措1、政策法规方面立法措施：美国通过多项立法来保障 BESS 供应链安全。《国防授权法案》（NDAA）通过创建和执行禁止公司名单，限制联邦机构与特定公司开展业务，以降低供应链风险。《建设美国购买美国法案》（BABA）要求联邦资助的公共基础设施项目优先使用国内生产的产品，促进国内制造，减少对外国供应商的依赖。《基础设施投资和就业法案》（IIJA）提供基础设施项目税收抵免，并对涉及外国关注实体（FEOC）的项目进行限制，引导企业选择更安全的供应链。措施的局限性：虽然这些立法在一定程度上有助于保障供应链安全，但也存在局限性。例如，禁止名单的实施和执行面临挑战，随着名单规模扩大，相关部门需投入更多时间和资源进行核查，且名单更新速度难以跟上企业变化，导致应对威胁时处于被动地位。此外，“拆除并更换” 策略在短期内不现实，现有 BESS 系统规模庞大，更换设备成本高昂，且美国国内供应链在短期内难以满足需求 。2、技术手段方面网络信息工程（CIE）：CIE 由美国能源部（DOE）等机构开发，将网络安全原则融入工程生命周期，从设计阶段消除或减轻网络攻击风险，确保网络安全成为工程过程的内在部分，为现有系统集成提供工程解决方案和互联指导。战略组件评估：对能源供应链中的关键组件和系统进行评估，识别潜在漏洞和风险，重点关注 BMS、逆变器和 PCS 等组件。通过与集成商合作，调整组件模型和配置，使其符合网络安全要求，降低供应链风险。开发硬件和固件认证：该举措通过在安装过程中更换零件确保硬件真实性，验证固件的安全性，对关键组件安装额外监测系统，实时监测异常情况，保障能源基础设施系统中硬件和固件的安全与完整性。3、标准制定方面制定标准的重要性：BMS、逆变器和 PCS 等组件涉及硬件和软件，开发美国控制的安全软件包，结合非国内组件，能显著降低风险。相关标准的制定对可再生能源系统的安全、可靠和互操作性至关重要，如 IEEE 1547.3、UL 2941 和 SunSpec Modbus 等标准，虽发展缓慢，但能规范行业发展 。推进标准的措施：需要各方合作加快标准的制定和实施，同时加强国内测试规模，确保标准有效执行，使技术发展与标准制定相匹配，推动可再生能源系统的健康发展。4、其他举措方面优化设备安装位置：在关键位置或功能中，优先使用 “非 FEOC 非豁免” 设备，如在医院等对能源供应要求高的场所，即使成本更高，也不给予豁免，以增强关键基础设施对网络威胁的抵御能力，提高应急准备水平。建立监测和信息共享机制：在关键站点部署先进传感器，近实时和历史地评估数据，建立可再生能源安全运营中心或与 DOE 能源威胁分析中心（ETAC）集成，加强监测能力，记录数据来源，及时发现和应对潜在风险。规范采购流程：制定合同和采购指南，明确评估供应商、谈判合同和实施网络安全条款的程序，确保供应商满足安全标准，规范采购行为，降低供应链风险。七、关键项目与未来建议1、关键项目进展能源部（DOE）与国家实验室举措：DOE 和国家实验室积极行动，推出一系列管理最佳实践和缓解措施。能源部网络安全、能源安全和应急响应办公室（CESER）运用网络信息工程（CIE）策略，评估现有系统受恶意网络活动的影响，实施工程控制措施降低高后果事件风险。电网部署办公室（GDO）借助《基础设施投资和就业法案》（IIJA）开发的工具，与 CESER 合作，为新开发项目提供 CIE 资源，包括应用 CIE 的手册和采购指导、合同语言等，以增强系统安全性。相关项目具体工作：国家实验室凭借在供应链和组件分析方面的专业知识，开展多个项目。如 “弹性工业控制系统网络测试”（CyTRICS）项目，利用六个 DOE 国家实验室的先进测试设施和分析能力，与关键利益相关者合作，检测特定设备的风险和漏洞，并制定应对和缓解措施。此外，还有能源网络感知（Energy Cyber Sense）、网络标记（Cyber Labeling）等多个项目，从不同角度为 BESS 的安全保障提供支持。2、建议持续关注供应链风险：密切跟踪 BESS 供应链风险，认识到区域电池系统功能和安全的重要性，根据不同地区的市场需求和电网挑战，制定个性化的所有权和运营策略，以适应多样化的公用事业模式。强化网络安全集成：深入贯彻 CIE 方法，将网络安全全面融入电池系统的设计、运行等生命周期各个环节，确保系统在复杂的网络环境中具备足够的安全性和韧性。应对地缘政治挑战：鉴于外国关注实体（FEOC）相关事件和能源行业网络安全威胁带来的地缘政治复杂性，供应链管理需保持高度警惕，及时响应，降低地缘政治因素对 BESS 供应链的负面影响。优化供应链管理：采用分区策略管理供应链，优先处理对控制和通信系统影响最大、风险最高的组件，提高供应链的安全性和稳定性，减少潜在风险。评估后果并制定策略：构建基于模块化后果的评估框架，对供应链组件进行优先级排序，以此指导战略制造和安全决策。同时，考虑区域和季节变化、电池服务对象以及应急资源可用性等因素，制定针对不同后果的应对策略，提高 BESS 运行的可靠性和应急响应能力。

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