清潔能源替代火電是一個(gè)必然的過(guò)程，就好像人最終都是要死的一樣，但是這個(gè)從化石能源逐漸轉(zhuǎn)換到新能源的過(guò)程中，有許多難題需要解決。
所有新能源目前上網(wǎng)遇到的最大問(wèn)題就是發(fā)電不穩(wěn)定。
我們知道電網(wǎng)的輸入和輸出是必須要平衡的，發(fā)電不穩(wěn)定就意味著需要有額外的“能源池”去在清潔能源發(fā)電過(guò)多的時(shí)候削減自己的發(fā)電量、發(fā)電過(guò)少的時(shí)候增加自己的發(fā)電量。
鴨子曲線 (duck curve)
California Independent System Operator (CAISO) 在2013年畫了一張很有意思的圖，顯示電網(wǎng)中太陽(yáng)能以外其他發(fā)電源（稱為凈負(fù)荷，net load）在一天24小時(shí)內(nèi)的變化情況。因?yàn)樾螤钕聒喿?，就成為了著名的duck curve（鴨子曲線）。
越接近中午，光伏發(fā)電量越多，但是總的電量需求是差不多的，于是凈負(fù)荷減少，也就是圖中鴨子的腹部；光伏在整個(gè)電網(wǎng)的占比(penetration)越多，中午的時(shí)候整個(gè)電網(wǎng)的凈負(fù)荷就越少，鴨子的腹部就越往下，一直下到凈負(fù)荷減不下去了，這時(shí)候就有過(guò)量發(fā)電(overgeneration)的可能。圖中我們可以看到，大部分時(shí)候凈負(fù)荷，也就是其他能源的發(fā)電，在20GW左右，而圖中灰色的點(diǎn)是2016年5月15日下午2點(diǎn)光伏發(fā)電達(dá)到的峰值，如果要達(dá)到電網(wǎng)平衡，那么電網(wǎng)中的凈負(fù)荷必須從早上的20GW降到下午12GW以下。
可能有人會(huì)想說(shuō)，讓其他的發(fā)電機(jī)半負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)或者關(guān)掉一些就是了。
但我們知道發(fā)電機(jī)啟動(dòng)、關(guān)閉都需要時(shí)間，如何在早上8點(diǎn)到下午2點(diǎn)一路根據(jù)光伏的情況削減發(fā)電量？更麻煩的是，下午2點(diǎn)電網(wǎng)凈負(fù)荷到達(dá)最低點(diǎn)，然而過(guò)沒(méi)幾個(gè)小時(shí)下午5點(diǎn)大家又各自回家開(kāi)始做飯洗澡看電視，用電量攀升，同時(shí)太陽(yáng)又落山——于是所有本來(lái)太陽(yáng)能負(fù)責(zé)的負(fù)載，加上高峰時(shí)期的用電需求，統(tǒng)統(tǒng)都?jí)旱狡渌茉吹纳砩希@就是鴨子曲線的頭部。圖中綠色對(duì)話框標(biāo)注的是2016年2月1日下午的情況，電網(wǎng)凈負(fù)荷3小時(shí)內(nèi)升了11GW，幾乎翻了一倍。如何從下午2點(diǎn)的波谷迅速調(diào)整到晚上8點(diǎn)的波峰？這就非?？简?yàn)電網(wǎng)的靈活性（grid flexibility）了。
那么為什么叫太陽(yáng)能、風(fēng)電垃圾電？
垃圾就是要被丟掉的東西，在能源的術(shù)語(yǔ)中稱為削減(curtailment)。削減的意思是在中午太陽(yáng)非常大的時(shí)候斷開(kāi)一些太陽(yáng)能板的發(fā)電，減少光伏發(fā)電量（風(fēng)電同理，關(guān)閉電機(jī)）。雖然這樣看起來(lái)浪費(fèi)了電，但是這讓凈負(fù)荷保持在一個(gè)較為平穩(wěn)的狀態(tài)，讓鴨子的腹部更加平坦，減小了波谷波峰的差距，給了電網(wǎng)調(diào)整的余地。
好不容易花了這么多錢裝了這么多太陽(yáng)能板，結(jié)果發(fā)電量最高的時(shí)候你還要把人家關(guān)掉，這可不就是垃圾嗎？
新能源并網(wǎng) = 成本 + 電網(wǎng)靈活性 + 儲(chǔ)能
那么有什么辦法能不要棄光呢？
美國(guó)國(guó)家新能源實(shí)驗(yàn)室(NREL, National Renewable Energy Laboratory)于2016年發(fā)布的報(bào)告討論了光伏占到整個(gè)電網(wǎng)發(fā)電量50%情況。50%光伏是一個(gè)非常遠(yuǎn)大的理想，所以隨之也提了比較完整的發(fā)展思路，主要分為光伏成本、電網(wǎng)靈活性、儲(chǔ)能三大塊。做好其中任何一項(xiàng)，其他兩項(xiàng)的進(jìn)步壓力就會(huì)相應(yīng)減輕。
一、太陽(yáng)能成本
降低成本可能是大家會(huì)想到的第一件事。如果太陽(yáng)能成本足夠低，低到不要錢，當(dāng)然是好事。中午發(fā)電過(guò)量？關(guān)了就關(guān)了，不心疼。事實(shí)上近年由于中國(guó)生產(chǎn)商的參與，太陽(yáng)能造價(jià)已經(jīng)一路狂跌，簡(jiǎn)直造福全人類。德國(guó)光伏研究機(jī)構(gòu)Fraunhofer ISE（目前全世界效率最高的太陽(yáng)能電池板就是他們研發(fā)的，效率達(dá)到46%，令人發(fā)指）的報(bào)告顯示了從1980年到2015年35年間，太陽(yáng)能成本一路下跌（但是注意這是log圖）。業(yè)界目前的共識(shí)是，太陽(yáng)能成本已經(jīng)跌了很多，并且在相當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)還會(huì)保持這種下跌的勢(shì)頭。
然而單單降低成本、不做其他改變，這樣是不夠的。這里又引入了一個(gè)新概念，叫容量?jī)r(jià)值(capacity value，或容量可信度capacity credit)，指的是幫助發(fā)電廠減輕負(fù)載的能力。
用圖來(lái)解釋：下圖的上半部分表明的是電網(wǎng)凈負(fù)荷的波峰隨著光伏占比增高的移動(dòng)，下半部分是對(duì)應(yīng)的光伏發(fā)電量。由上半部分可見(jiàn)，從0%PV增長(zhǎng)到6%光伏，對(duì)于電網(wǎng)凈負(fù)荷波峰高度的減小還是非常顯著的——由于光伏的補(bǔ)充，電網(wǎng)凈負(fù)荷的波峰從62GW降到了59GW左右，波峰出現(xiàn)的時(shí)間也從下午2點(diǎn)移動(dòng)到了晚上6點(diǎn)。但是然后呢？高峰時(shí)間已經(jīng)移到了6點(diǎn)，裝再多光伏，太陽(yáng)下山了這么多太陽(yáng)能板也發(fā)不了電，對(duì)6點(diǎn)的高峰并不能起什么作用，電網(wǎng)凈負(fù)荷還是需要由發(fā)電廠來(lái)承載。 由此可見(jiàn)，光伏的容量?jī)r(jià)值一開(kāi)始是比較高的，但是一旦達(dá)到晚上6點(diǎn)這個(gè)截點(diǎn)以后，往后的容量?jī)r(jià)值直線下降。降低太陽(yáng)能成本的意義就在于增加裝機(jī)量，但是裝機(jī)量增加到一定比例，往后就沒(méi)有太多價(jià)值。
二、電網(wǎng)靈活性
如果電網(wǎng)的凈負(fù)荷發(fā)電量能根據(jù)太陽(yáng)能發(fā)電的特點(diǎn)自由調(diào)整，那當(dāng)然是最好了。這個(gè)大目標(biāo)又分成幾個(gè)小目標(biāo)（比如先掙它一個(gè)億）： 提升發(fā)電靈活性；建立電網(wǎng)進(jìn)口、出口電力的機(jī)制；提升需求響應(yīng)、負(fù)載轉(zhuǎn)移能力；提升電動(dòng)車份額。
1. 提升發(fā)電靈活性
提升發(fā)電靈活性是提升電網(wǎng)靈活性最主要的一塊。下圖為20%光伏的情況下，加州48小時(shí)電網(wǎng)內(nèi)電力調(diào)度(dispatch)情況。圖中黑色粗線為電網(wǎng)凈負(fù)載，也就是除卻光伏、風(fēng)電的發(fā)電量；斜線部分為可以靈活調(diào)度的水電+熱電廠提供的電力，可以看到鴨子曲線的大起大落。最底下幾層是不可調(diào)度（non-dispatchable），也就是固定的發(fā)電量?；痣姴皇钦f(shuō)停就停的，需要至少幾個(gè)小時(shí)個(gè)響應(yīng)時(shí)間。如果我們把不可調(diào)度的電力換成可調(diào)度，即可以調(diào)節(jié)輸出的電力，鴨子的腹部就還能再往下一些，也就是說(shuō)整個(gè)電網(wǎng)可以容納更多新能源產(chǎn)生的變量。
怎么做才能提升發(fā)電的靈活度呢？這篇報(bào)告提出了以下幾點(diǎn)：修訂和熱電廠的長(zhǎng)期合約，慢慢減少傳統(tǒng)熱電廠的發(fā)電量，同時(shí)使用響應(yīng)時(shí)間更短的新型發(fā)電機(jī)取代被淘汰的舊發(fā)電機(jī)；從目前每天的熱電響應(yīng)的周期中收集數(shù)據(jù)，汲取經(jīng)驗(yàn)；提升對(duì)光電、風(fēng)電的預(yù)測(cè)能力。在種種手段用盡的情況下，NREL的這篇報(bào)告預(yù)測(cè)加州目前15GW不可調(diào)度的電源還能再往下砍一半。 然而即便是非常低的光伏成本、非常靈活的發(fā)電源的情況下，光伏在整個(gè)電網(wǎng)中的占比仍然難以突破35%，因此要需要用上其他手段。
中國(guó)目前新能源并網(wǎng)的問(wèn)題比美國(guó)嚴(yán)重得多，主要來(lái)源于能源結(jié)構(gòu)。我國(guó)70%左右的電力都來(lái)源于煤，而加州44%的電力來(lái)自于天然氣。煤電的響應(yīng)時(shí)間比天然氣慢得多。另外也和新能源的類型有關(guān)。風(fēng)電由于風(fēng)時(shí)有時(shí)無(wú)，即時(shí)范圍不穩(wěn)定性大，預(yù)估難度大；光電波動(dòng)來(lái)自于日照強(qiáng)度的變化，波動(dòng)是周期性的、可預(yù)估的，但是波動(dòng)范圍大。從調(diào)節(jié)難度來(lái)說(shuō)，光電的波動(dòng)相對(duì)而言是比較好適應(yīng)的，因?yàn)榭梢灶A(yù)估。但是東亞地區(qū)是全球光照最弱的地區(qū)，光伏的發(fā)展有著天生不足，加上霧霾多，遮蓋太陽(yáng)能板表面，影響發(fā)電效率，因此光伏雖然好估計(jì)，但是沒(méi)有發(fā)電優(yōu)勢(shì)。我國(guó)風(fēng)電的發(fā)展，又相當(dāng)考驗(yàn)對(duì)于風(fēng)力的預(yù)判能力。我從NREL的一位專家那里了解到，目前NREL對(duì)于風(fēng)電2小時(shí)內(nèi)的預(yù)估已經(jīng)相當(dāng)準(zhǔn)確，但是48小時(shí)的預(yù)估還比較困難。不了解中國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)的情況，但是從當(dāng)前的棄風(fēng)量來(lái)看……嗯……
2. 建立電網(wǎng)進(jìn)口、出口電力的機(jī)制
加州是美國(guó)第一大州，是能源消耗大戶，所以歷來(lái)只有從電網(wǎng)中進(jìn)口的份，從來(lái)沒(méi)有出口過(guò)。加州光伏裝機(jī)量如果持續(xù)提升，可能就要在大中午破天荒地往隔壁州（比如陰雨綿綿的華盛頓州）出口電力了。下圖是隨著光伏占比增加，在不同應(yīng)對(duì)措施下的光伏削減度。在電網(wǎng)高靈活性(7.5GW Min Gen)的情況下，如果還能允許10GW的電力出口，在光伏占比30%的情況下，削減量能從40%降到20%；中度靈活性(10GW Min Gen)、30%光伏的情況下，5GW的電力出口也能讓削減量從60%減到50%。
3. 提升需求響應(yīng)(demand response)、負(fù)載轉(zhuǎn)移(load shift)能力
需求響應(yīng)指的是在電網(wǎng)對(duì)于發(fā)電波動(dòng)感到壓力的時(shí)候，通過(guò)降低/提升電價(jià)來(lái)改變用戶的用電習(xí)慣，采取的方式有分時(shí)電價(jià)（time-of-use）（比如國(guó)內(nèi)夜間電價(jià)便宜）、實(shí)時(shí)電價(jià)(real-time)等手段，將高峰時(shí)期的需求挪到閑時(shí)，本質(zhì)上也就是負(fù)載轉(zhuǎn)移。一個(gè)可能的想法是利用智能家居，在產(chǎn)電高峰時(shí)自動(dòng)開(kāi)始為之后的高峰做準(zhǔn)備，比如提前加熱熱水器中的熱水，諸如此類零碎的事件。但是能夠被轉(zhuǎn)移的需求(demand shift)畢竟有限，再加上美國(guó)人用電大手大腳的壞習(xí)慣，目前平均來(lái)看只有大概2%的波峰需求是可以被轉(zhuǎn)移到閑時(shí)的。
4. 提升電動(dòng)車（EV）份額
電動(dòng)車在中午產(chǎn)電高峰時(shí)充電，在電網(wǎng)中可以起到類似于電池的儲(chǔ)能效果（甚至可以在用電高峰時(shí)向電網(wǎng)放電，不過(guò)這一點(diǎn)從目前的電池容量看來(lái)不太可能）。然而電動(dòng)車對(duì)電網(wǎng)的影響又與于用戶的充電習(xí)慣有關(guān)。用戶的充電習(xí)慣主要分為三種：
· 回家充電(at home charging)：電動(dòng)車只有晚上下班回家才充電。
· 機(jī)會(huì)充電(opportunity charging)：電動(dòng)車到達(dá)目的地就開(kāi)始充電，但是需要到處都有充電樁。
· 優(yōu)化充電(optimized charging)：假設(shè)電動(dòng)車的充電能完全貼合電網(wǎng)負(fù)荷，在光伏發(fā)電最高峰的時(shí)候充電，消納本來(lái)要被棄掉的光電。
下圖討論了10%的電動(dòng)車占比時(shí)，不同使用習(xí)慣下能夠?qū)﹄娋W(wǎng)負(fù)荷起到的影響。
然而從事實(shí)角度來(lái)看，大部分人的電動(dòng)車充電習(xí)慣都是下班回家充電，這樣就正好趕上用電高峰。這種使用習(xí)慣下，電動(dòng)車反而對(duì)電網(wǎng)是有傷害的。下圖是隨著光伏占比的提升、不同電動(dòng)車充電習(xí)慣下，電動(dòng)車對(duì)光伏削減產(chǎn)生的影響。
為了讓電動(dòng)車更好地調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷，可以通過(guò)分時(shí)電價(jià)、增加充電設(shè)施來(lái)改變大家的充電習(xí)慣。
我個(gè)人覺(jué)得呢，雖然報(bào)告的理論是對(duì)的，但是對(duì)電動(dòng)車這一塊的討論有些理想化，至少短期無(wú)法實(shí)現(xiàn)。文章的想法是讓電動(dòng)車在整個(gè)轎車的占比達(dá)到10%，甚至25%。這個(gè)數(shù)字看起來(lái)沒(méi)什么感覺(jué)，那么對(duì)比一下目前1%都不到的電動(dòng)車占比，你就知道這個(gè)差距有多大了。即便是加州有ZEV (Zero-Emission Vehicle)政策硬性規(guī)定新能源車要達(dá)到設(shè)定的占比目標(biāo)，目前電池性能這么爛，電動(dòng)車真是扶也扶不起，畢竟不是所有人都有錢買得起特斯拉——除了特斯拉、BYD這樣有優(yōu)秀電池背景的車企以外，普通電動(dòng)車?yán)m(xù)航都在150公里以內(nèi)，充電時(shí)間至少兩三個(gè)小時(shí)。下一代電池已經(jīng)可以明確預(yù)見(jiàn)將是全固態(tài)電池。什么時(shí)候固態(tài)電池能突破到夠商業(yè)化了，電動(dòng)車在續(xù)航方面就迎來(lái)大躍進(jìn)了。（只不過(guò)充電速度仍然是問(wèn)題，而且是被電池本身性質(zhì)所限制的。）
我個(gè)人覺(jué)得中國(guó)的電動(dòng)車發(fā)展前景應(yīng)該會(huì)比美國(guó)好。美國(guó)能源成本低，地廣人稀（相對(duì)于中國(guó)），美國(guó)人都習(xí)慣了大手大腳地用油用車，每天上班來(lái)回開(kāi)個(gè)30公里路那是平均水平，還動(dòng)不動(dòng)就來(lái)個(gè)road trip，要改變消費(fèi)觀念并不容易。中國(guó)人口稠密，一次開(kāi)車?yán)锍滔鄬?duì)較短，又有比亞迪這樣接地氣的電動(dòng)車企，而且因?yàn)槿丝诔砻芩噪妱?dòng)樁之類的公共設(shè)施成本可以被平攤。當(dāng)然了，這是拋開(kāi)政策因素和實(shí)施效率情況下的考量。
三、儲(chǔ)能
如果電網(wǎng)本身消納不了新能源帶來(lái)的能源波動(dòng)，這些波動(dòng)就需要由儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)消納。下圖顯示了加州20%光伏的情況下，儲(chǔ)能對(duì)于波峰、波谷的調(diào)和能力。
加州目前有4.4GW的儲(chǔ)能容量，而整個(gè)電網(wǎng)用電大概在20GW。如果能夠達(dá)到低光伏成本(net LCOE ￠7/kWh)、高電網(wǎng)靈活性(不可調(diào)度7.5GW)，可以不用增加儲(chǔ)能。如果要達(dá)到40%的光伏占比，同時(shí)還有一個(gè)合理的棄光量（削減度20%），需要至少15GW的儲(chǔ)能容量。
——當(dāng)然了，這些數(shù)字對(duì)于中國(guó)沒(méi)什么指導(dǎo)意義，畢竟20%的光伏都不太可能實(shí)現(xiàn)。
加州的儲(chǔ)能是有先天不足的。目前電網(wǎng)規(guī)模(grid scale)儲(chǔ)能95%都是抽水蓄電(pumped hydro)承擔(dān)的，也就是電網(wǎng)閑時(shí)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)抽水到高處，用電高峰時(shí)打開(kāi)水閘防水，把水的勢(shì)能轉(zhuǎn)換回電能。然而加州嚴(yán)重缺水，能建水電站的地方肯定都建了，抽水蓄電儲(chǔ)能方面沒(méi)有什么提升空間，再想提升儲(chǔ)能容量就只能用成本高、壽命短的電池了。而我國(guó)水力資源相對(duì)豐富，可以通過(guò)抽水蓄電應(yīng)對(duì)一定量由新能源導(dǎo)致的電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)。
新能源并網(wǎng)范例：德國(guó)
在新能源上網(wǎng)困難重重的情況下，有沒(méi)有國(guó)家真的做到了大力發(fā)展新能源呢？讓我們看看新能源燈塔國(guó)——德國(guó)的情況。
“如果在全世界樹立一個(gè)可再生能源發(fā)展的標(biāo)桿，可以說(shuō)非德國(guó)莫屬。截至2015年，可再生能源電力在總消費(fèi)電量中的比例上升到32%。甚至在去年5月的某一天，德國(guó)創(chuàng)造了一個(gè)新的紀(jì)錄：可再生能源發(fā)電量可滿足全國(guó)95%的需求?！?/p>
這樣的語(yǔ)氣在各種能源媒體中非常常見(jiàn)。但是他們沒(méi)有告訴你的是，德國(guó)的電價(jià)從2006年到2017年漲了50%，目前是美國(guó)電價(jià)的3倍，日本的1.5倍。光電德國(guó)和風(fēng)電丹麥簡(jiǎn)直在歐洲電價(jià)的頂端惺惺相惜。
想法是好的，做事還是要?jiǎng)?wù)實(shí)。步子邁得太大，容易扯著蛋。
