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电网需要交响乐式的和谐
我们不能因推行过时的“基底负载”电力概念而扼杀创新
 
Mark Dyson,落基山研究所部门总监;Amory Lovins,落基山研究所首席科学家兼联合创始人

要了解本文话题的更多详细内容,读者可参阅卢安武对联邦能源管理委员会的评论《福布斯》杂志最近发表的一篇文章,以及即将发表在《电学期刊》上的一篇论文

今年四月,美国能源部长里克·佩里宣布了一项为期60天,针对电力市场设计和电网稳定性的研究计划,旨在评估当前市场设计在充分补偿“基底负载”(例如燃煤和核电)发电厂时存在多大程度的不足。

在该研究备忘录中将“基底负载电力对一个运转良好的电网而言是必要的。”这一值得考究的论点视为“事实”。然而,这一概念在多年前就已经被多个领域的机构(包括电力公司、系统运营商、经济学家和其他与该领域相关的专家)彻底否定了。对于这些领域的业内人士而言,这一论调就好像当初艾森豪威尔总统没有号令修建州际高速公路系统,而是转向重新研究马车的优点。

今天的电网需要的是不同的电力资源为其提供系统灵活性,而不是提供基底负载的发电厂。市场的力量能够帮助我们在不同选项中做出最佳选择,从而避免盲目地投资于上世纪的过时技术而造成数万亿美元损失以及数十亿吨碳排放。

现代电网不需要基底负载
随着成本较低的可再生能源的发展,美国电力公司在过去十年中开始陆续降低电网运行中基底负载的电力比例,并维持了不错的运行表现。与此同时,在大西洋彼岸的欧洲,电网稳定性和可再生能源比例都实现了比美国更高的水平;尤其是英格兰,英国电网自1882年以来,近期首次实现一整天零煤电电力供应,这无疑为其2025年全面关停燃煤电厂的计划建立了信心。

从研究角度看,美国能源部(DOE)下属国家实验室的科学家们一直以来的分析结论都显示电网若并网中高比例的可再生能源(30%-80%)并降低同等比例的基底负载电力后,仍然能够实现与化石燃料电力系统相当的稳定性和系统灵活性,同时还能实现更低的运行成本风险

同时,电力公司的高管们也越来越意识到这一事实:基底负载电力不但不是电网稳定性的必需品,而且从经济性上考量也越发无法适应目前迅速变化的能源系统。美国国家电网CEO在2015年就说过:“基底负载电力的概念已经过时了,”现在的消费者更倾向于选择位置更近 、也更便宜的电力资源来满足他们的需求。全美最大的电力公司之一PG&E公司的一位高管表示:“大部分时间持续运行的大型基底负载发电厂并不适合于我们所期待的未来电网市场条件”。

即使是在田纳西州,尽管其立法机关近期通过法案暂停了该州风电项目开发,田纳西河流域管理局首席财务官也承认,不断变化的电网结构“令我们十分担心,不敢再将赌注长期压在大型昂贵的新建发电厂”。

因此,此次国家能源局研究计划中选择忽略过去十多年以来否定基底负载电力理论的实践证据、严密分析和经济事实,这一做法确实令人不解。虽然电力供应的物理条件从威斯汀豪斯和爱迪生时代至今并没有什么实质性改变,但用以满足这些物理条件的各种经济方式却已经发生了天翻地覆的变化。

稳定性是一个系统指标,而不是个体指标

没人否认我们的经济需要一个可靠的电网来确保每一时刻电力供应与需求的匹配,但这并不意味着我们需要在每个时刻都不停运行的个体电厂。事实上,这样的电厂也不可能存在。

基底负载发电厂的故障停机率在2%(核电厂)到10%(燃煤电厂)之间,当它们出现意外停机时,恢复成本十分高昂,而且这些意外情况常常发生在极热极寒等最需要电力的情况下。即便电厂拥有“充足的储备燃料,以上问题仍然无法避免。然而,“充足的储备燃料”这一概念令人困惑,因为相比于燃煤电厂,它更适用于太阳能和风能这些并不依赖于远方燃料的可再生能源电厂——因为它们根本不需要燃料。

因此,在整个电网发展的历史中,多元化的能源组合总是成本最低的保证电网可靠性的方法。过去,这一组合包括了基底负载发电厂以及修建成本较低且更加灵活的电厂(如燃气涡轮)。这一组合方式使电网能够适应电力负荷的变化,而这一变化常常比风电和太阳能发电量更加难以预料。

相比仅仅5年前,如今情况已经发生了变化,低成本能源的基本默认选项成为了风能与太阳能。它们的长期固定成本已经能够与新建核电、煤电和燃气电厂相竞争,甚至与已建电厂的运营成本相比也不差上下。在目前可再生能源成本已经极低并且仍在下降的现实下,电网灵活性这一指标甚至比过去更加重要——但幸运的是,如今实现电网灵活性的方式也比过去更加成本低廉、更加清洁,并更加丰富了。

系统灵活性是新时代电网的最重要属性

将清洁能源资源可靠地纳入电网运行的系统灵活性可以有多种表现形式,并且横跨各种时间尺度。与电网稳定运营的需求相对应的,我们主要需要考虑三种时间尺度:

1.“秒-分钟”时间尺度。在这些较短时间段中,电网需要“辅助服务”来维持稳定性,确保需求与供应的匹配。过去,化石燃料或水电的备用容量能够提供这些服务,但逐渐地,使用分布式能源及其他新能源、清洁能源来提供辅助服务开始具备了更强的经济优势。例如, 加利福尼亚州的一家大型集中式光伏电站表示,光伏逆变器——作为一种帮助可再生电力实现电流转换从而并入主网的可靠电子技术设备,同时也能提供这一类的辅助服务,并且无需再支付额外的费用 。而PJM电网运营商则是通过控制大量热水器来控制这些数秒间的电力不平衡 。重要的是,这些资源和其他清洁能源常常能够提供比它们所替代的化石燃料电厂更好的辅助服务(例如,更快且更准确地响应信号),因此它们能够通过联邦能源管理委员会的“根据运行表现来支付”规则获得更多补助。包括电动汽车和专用电池等其他资源也越来越多地参与到了这一市场,并且这类型的资源可通过其提供的主要服务(如汽车的驾驶用途或电池的备用电力用途)来收回其硬件成本,同时额外向电网提供许多有价值的辅助服务

2.“小时-天”时间尺度。在中等时间尺度中,由于终端电力服务需求和太阳能、风能发电量都有较大波动,所以电网需要不同资源在一天中的数小时内保持能源供需关系的平衡。清洁能源在提供此类服务方面已经具备了优势;同时,它们还是数十亿美元规模的美国电力需求响应市场的重要基础。例如,由零售电力公司和批发市场运营商所运营的需求响应项目的负荷总量高达60吉瓦左右。在峰值容量的竞争中,需求响应常常是成本最低的电力来源,能够轻松战胜新建燃气发电设施。此外,同样的技术也越来越多地应用于提供智能负荷转移,而不仅仅是减少负荷,从而在数小时内平衡供需关系。智能空调热水器以及电动汽车等都是最具发展前景的技术,但至少30%的美国电力需求量都具备一定的弹性,能够用于提供电网价值。如果能够全面采用热存储技术(例如冰蓄冷空调)那么这一领域的发展前景将更加可观。例如,通过控制建筑材料储存热和冷的能力,使房屋的暖通设备的使用能够与可再生能源的供给相匹配。

3.“周-月”时间尺度。在特定地理区域内,风能和太阳能等可再生能源发电量并不总能精准地匹配各个季节的能源需求。我们在无风和阴天时应如何满足电力需求?这对低碳电网的运营带来了一个不小的挑战。虽然这在目前,甚至数十年内都还不是一个紧迫的问题,所以市场尚未发出信号激励这方面的创新解决方案。然而,许多证据已证实,一旦市场发出对这种解决方案的需求,大量的先进技术就会涌现。艾森豪威尔将军的名言就曾为一个有潜力的创意提供了灵感:“如果一个问题无法被解决,那么就将其放大。”也就是说,扩展问题的边界,直到其将解决方案囊括在内。例如,将热力和电力问题结合起来处理比将二者分开更容易解决。耦合电力加热设备热电联产电厂相结合,能够利用大风和晴朗天气的“富余”电力替代燃气供热。与同样能在无风和阴天日子里提供足够电力“超容量”可再生能源系统相比,这种系统更具经济效益。此外,问题也可以从地理的角度被“放大”。风能与太阳能电力所需求的天气情况及时段常常是不同的,因此两者可以通过互补达到最佳状态,尤其是在互联系统覆盖了足够大的地理区域的情况下。的确,长距离高压输电线路虽然在美国还有待发展,但在中国和其他国家已十分普遍。它们能够将低成本、高容量的风能从偏远区域输送到需电量大的城市,从而补充当地可再生能源的不足。

或者,甚至更简洁的方法是,我们可以通过光纤电缆将数据中心负荷的电量需求转移至可再生能源富余的电网区域。这样理论上可以使云技术对能源越来越大的需求量在全球范围内真正地跟随太阳能和风能的脚步移动,而不会带来任何专用输电设施方面的增量成本。
如果这些技术在今天尚未实现商业应用,这并不是由于技术的欠缺或实际条件的限制。事实上,这是由于季节性能源平衡的问题在数十年内还不会对我们造成影响,因此我们尚未应用市场的力量来解决这些问题。

从混乱的争吵到和谐的交响曲

在过去的几个月里,关于电网未来的论述已然演变成了一场现有基底负载发电厂(及其说客)和新市场利益之间的口舌之战。随着当前低价(但并不稳定)天然气造成的需求量下降能源价格跳水,如今的基底负载发电厂毫无疑问成为了输家。瑞银最近发布的分析显示,即使是全新的燃气电厂都无力勉强维持,只得被廉价出售。电厂拥有者只能依靠于寻求官僚介入和开展所谓“研究”等手段来帮助他们呐喊助威,从而试图迫使今天的胜利者为昨日的失败者买单。
我们需要终止这场争吵并让市场发挥作用。市场能够起到一个交响乐队指挥的作用:协调每一种能源设施发挥作用的时间和地点,就像乐队中的乐器一样,从而为终端用户提供最大价值。最美妙的交响曲需要许多不同乐器在正确的时间以正确的音量发挥自己的作用。没有一支乐器需要一直演奏,但乐队整体却在持续创造美妙的交响曲。

当前,协调美国电网的指挥者们正在发出一个千真万确的信号:我们已不再需要任何新建基底负载发电厂,同时现存的此类发电厂也即将迎来退出历史舞台的时刻。与一个普遍存在的误解相反的事实是,扼杀掉化石燃料火电厂的经济性的甚至并不是可再生能源,而是低价的天然气。如果老旧的基底负载发电厂连燃料价格的异常波动都无法应对,那么它们还如何能够在低价风能和太阳能的发展浪潮之中存活下来呢?

价值万亿美元的问题

由此可见,我们正面临着一个风险高昂的抉择。美国大约有50%的现役热电装机将在2030年达到退役期限——而如果用电需求保持平稳甚至萎缩,这一期限还将更快到来,给这些电厂的盈利能力带来更大压力。如果我们简单听取美国能源部关于“基底负载对一个优质电网的运转而言十分必要”这一过时假设,我们将重新投资于相同种类的热力电厂,而正是这类电厂造成了上文描述的无休止的争论。

如果这样,我们会将高额成本投资在这些新建资产中,而其中许多资产的价值随着能效、可再生能源和其它清洁能源的发展而被迅速抹杀,如果用电力行业术语表示,它们将被“搁浅”。这将极大地影响美国经济在全球的竞争力,尤其是面对中国、印度、欧洲等已经在积极从事可再生能源转型,从而确保今后数十年享受超低电力成本的国家时。除了资产搁浅的风险外,这种发展路径还将以直接(电厂运营本身)或间接方式(因在不符合气候稳定性资源上投入的资本浪费)造成数十亿吨的碳排放。

相反,如果我们能够学习美国领先的几个州和其他国家的先进经验,发展一个主要基于可再生能源的弹性电网,就能够以同样可靠并且成本更低、风险更小的方式为我们的经济增长提供动力。我们可以选择利用可再生能源产业无与伦比的创新能力来降低风能和太阳能电力的供应成本。同时我们还能够促进先进的美国企业和行业新贵的创新能力,在供需两侧最大程度的利用这种低成本能源。

我们只有有限的机会来做出正确的抉择。今天,我们应该抓住美国能源局研究计划和当前批发市场改革争论所提供的机遇,从而确保未来的电力市场将能够为我们的社会发展目标服务,而不是背道而驰。

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