我們不能因推行過時的“基底負(fù)載”電力概念而扼殺創(chuàng)新
要了解本文話題的更多詳細(xì)內(nèi)容，讀者可參閱盧安武對聯(lián)邦能源管理委員會的評論，《福布斯》雜志最近發(fā)表的一篇文章，以及即將發(fā)表在《電學(xué)期刊》上的一篇論文。
今年四月，美國能源部長里克·佩里宣布了一項為期60天，針對電力市場設(shè)計和電網(wǎng)穩(wěn)定性的研究計劃，旨在評估當(dāng)前市場設(shè)計在充分補償“基底負(fù)載”（例如燃煤和核電）發(fā)電廠時存在多大程度的不足。
在該研究備忘錄中將“基底負(fù)載電力對一個運轉(zhuǎn)良好的電網(wǎng)而言是必要的。”這一值得考究的論點視為“事實”。然而，這一概念在多年前就已經(jīng)被多個領(lǐng)域的機構(gòu)（包括電力公司、系統(tǒng)運營商、經(jīng)濟(jì)學(xué)家和其他與該領(lǐng)域相關(guān)的專家）徹底否定了。對于這些領(lǐng)域的業(yè)內(nèi)人士而言，這一論調(diào)就好像當(dāng)初艾森豪威爾總統(tǒng)沒有號令修建州際高速公路系統(tǒng)，而是轉(zhuǎn)向重新研究馬車的優(yōu)點。
今天的電網(wǎng)需要的是不同的電力資源為其提供系統(tǒng)靈活性，而不是提供基底負(fù)載的發(fā)電廠。市場的力量能夠幫助我們在不同選項中做出最佳選擇，從而避免盲目地投資于上世紀(jì)的過時技術(shù)而造成數(shù)萬億美元損失以及數(shù)十億噸碳排放。
現(xiàn)代電網(wǎng)不需要基底負(fù)載
隨著成本較低的可再生能源的發(fā)展，美國電力公司在過去十年中開始陸續(xù)降低電網(wǎng)運行中基底負(fù)載的電力比例，并維持了不錯的運行表現(xiàn)。與此同時，在大西洋彼岸的歐洲，電網(wǎng)穩(wěn)定性和可再生能源比例都實現(xiàn)了比美國更高的水平；尤其是英格蘭，英國電網(wǎng)自1882年以來，近期首次實現(xiàn)一整天零煤電電力供應(yīng)，這無疑為其2025年全面關(guān)停燃煤電廠的計劃建立了信心。
從研究角度看，美國能源部（DOE）下屬國家實驗室的科學(xué)家們一直以來的分析結(jié)論都顯示電網(wǎng)若并網(wǎng)中高比例的可再生能源（30%-80%）并降低同等比例的基底負(fù)載電力后，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)與化石燃料電力系統(tǒng)相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性和系統(tǒng)靈活性，同時還能實現(xiàn)更低的運行成本與風(fēng)險。
同時，電力公司的高管們也越來越意識到這一事實：基底負(fù)載電力不但不是電網(wǎng)穩(wěn)定性的必需品，而且從經(jīng)濟(jì)性上考量也越發(fā)無法適應(yīng)目前迅速變化的能源系統(tǒng)。美國國家電網(wǎng)CEO在2015年就說過：“基底負(fù)載電力的概念已經(jīng)過時了，”現(xiàn)在的消費者更傾向于選擇位置更近 、也更便宜的電力資源來滿足他們的需求。全美最大的電力公司之一PG&E公司的一位高管表示：“大部分時間持續(xù)運行的大型基底負(fù)載發(fā)電廠并不適合于我們所期待的未來電網(wǎng)市場條件”。
即使是在田納西州，盡管其立法機關(guān)近期通過法案暫停了該州風(fēng)電項目開發(fā)，田納西河流域管理局首席財務(wù)官也承認(rèn)，不斷變化的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)“令我們十分擔(dān)心，不敢再將賭注長期壓在大型昂貴的新建發(fā)電廠”。
因此，此次國家能源局研究計劃中選擇忽略過去十多年以來否定基底負(fù)載電力理論的實踐證據(jù)、嚴(yán)密分析和經(jīng)濟(jì)事實，這一做法確實令人不解。雖然電力供應(yīng)的物理條件從威斯汀豪斯和愛迪生時代至今并沒有什么實質(zhì)性改變，但用以滿足這些物理條件的各種經(jīng)濟(jì)方式卻已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化。
穩(wěn)定性是一個系統(tǒng)指標(biāo)，而不是個體指標(biāo)
沒人否認(rèn)我們的經(jīng)濟(jì)需要一個可靠的電網(wǎng)來確保每一時刻電力供應(yīng)與需求的匹配，但這并不意味著我們需要在每個時刻都不停運行的個體電廠。事實上，這樣的電廠也不可能存在。
基底負(fù)載發(fā)電廠的故障停機率在2%（核電廠）到10%（燃煤電廠）之間，當(dāng)它們出現(xiàn)意外停機時，恢復(fù)成本十分高昂，而且這些意外情況常常發(fā)生在極熱和極寒等最需要電力的情況下。即便電廠擁有“充足的儲備燃料”，以上問題仍然無法避免。然而，“充足的儲備燃料”這一概念令人困惑，因為相比于燃煤電廠，它更適用于太陽能和風(fēng)能這些并不依賴于遠(yuǎn)方燃料的可再生能源電廠——因為它們根本不需要燃料。
因此，在整個電網(wǎng)發(fā)展的歷史中，多元化的能源組合總是成本最低的保證電網(wǎng)可靠性的方法。過去，這一組合包括了基底負(fù)載發(fā)電廠以及修建成本較低且更加靈活的電廠（如燃?xì)鉁u輪）。這一組合方式使電網(wǎng)能夠適應(yīng)電力負(fù)荷的變化，而這一變化常常比風(fēng)電和太陽能發(fā)電量更加難以預(yù)料。
相比僅僅5年前，如今情況已經(jīng)發(fā)生了變化，低成本能源的基本默認(rèn)選項成為了風(fēng)能與太陽能。它們的長期固定成本已經(jīng)能夠與新建核電、煤電和燃?xì)怆姀S相競爭，甚至與已建電廠的運營成本相比也不差上下。在目前可再生能源成本已經(jīng)極低并且仍在下降的現(xiàn)實下，電網(wǎng)靈活性這一指標(biāo)甚至比過去更加重要——但幸運的是，如今實現(xiàn)電網(wǎng)靈活性的方式也比過去更加成本低廉、更加清潔，并更加豐富了。
系統(tǒng)靈活性是新時代電網(wǎng)的最重要屬性
將清潔能源資源可靠地納入電網(wǎng)運行的系統(tǒng)靈活性可以有多種表現(xiàn)形式，并且橫跨各種時間尺度。與電網(wǎng)穩(wěn)定運營的需求相對應(yīng)的，我們主要需要考慮三種時間尺度：
1. “秒-分鐘”時間尺度。在這些較短時間段中，電網(wǎng)需要“輔助服務(wù)”來維持穩(wěn)定性，確保需求與供應(yīng)的匹配。過去，化石燃料或水電的備用容量能夠提供這些服務(wù)，但逐漸地，使用分布式能源及其他新能源、清潔能源來提供輔助服務(wù)開始具備了更強的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。例如， 加利福尼亞州的一家大型集中式光伏電站表示，光伏逆變器——作為一種幫助可再生電力實現(xiàn)電流轉(zhuǎn)換從而并入主網(wǎng)的可靠電子技術(shù)設(shè)備，同時也能提供這一類的輔助服務(wù)，并且無需再支付額外的費用 。而PJM電網(wǎng)運營商則是通過控制大量熱水器來控制這些數(shù)秒間的電力不平衡 。重要的是，這些資源和其他清潔能源常常能夠提供比它們所替代的化石燃料電廠更好的輔助服務(wù)（例如，更快且更準(zhǔn)確地響應(yīng)信號），因此它們能夠通過聯(lián)邦能源管理委員會的“根據(jù)運行表現(xiàn)來支付”規(guī)則獲得更多補助。包括電動汽車和專用電池等其他資源也越來越多地參與到了這一市場，并且這類型的資源可通過其提供的主要服務(wù)（如汽車的駕駛用途或電池的備用電力用途）來收回其硬件成本，同時額外向電網(wǎng)提供許多有價值的輔助服務(wù)。
2. “小時-天”時間尺度。在中等時間尺度中，由于終端電力服務(wù)需求和太陽能、風(fēng)能發(fā)電量都有較大波動，所以電網(wǎng)需要不同資源在一天中的數(shù)小時內(nèi)保持能源供需關(guān)系的平衡。清潔能源在提供此類服務(wù)方面已經(jīng)具備了優(yōu)勢；同時，它們還是數(shù)十億美元規(guī)模的美國電力需求響應(yīng)市場的重要基礎(chǔ)。例如，由零售電力公司和批發(fā)市場運營商所運營的需求響應(yīng)項目的負(fù)荷總量高達(dá)60吉瓦左右。在峰值容量的競爭中，需求響應(yīng)常常是成本最低的電力來源，能夠輕松戰(zhàn)勝新建燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施。此外，同樣的技術(shù)也越來越多地應(yīng)用于提供智能負(fù)荷轉(zhuǎn)移，而不僅僅是減少負(fù)荷，從而在數(shù)小時內(nèi)平衡供需關(guān)系。智能空調(diào)、熱水器以及電動汽車等都是最具發(fā)展前景的技術(shù)，但至少30%的美國電力需求量都具備一定的彈性，能夠用于提供電網(wǎng)價值。如果能夠全面采用熱存儲技術(shù)（例如冰蓄冷空調(diào)）那么這一領(lǐng)域的發(fā)展前景將更加可觀。例如，通過控制建筑材料儲存熱和冷的能力，使房屋的暖通設(shè)備的使用能夠與可再生能源的供給相匹配。
3. “周-月”時間尺度。在特定地理區(qū)域內(nèi)，風(fēng)能和太陽能等可再生能源發(fā)電量并不總能精準(zhǔn)地匹配各個季節(jié)的能源需求。我們在無風(fēng)和陰天時應(yīng)如何滿足電力需求？這對低碳電網(wǎng)的運營帶來了一個不小的挑戰(zhàn)。雖然這在目前，甚至數(shù)十年內(nèi)都還不是一個緊迫的問題，所以市場尚未發(fā)出信號激勵這方面的創(chuàng)新解決方案。然而，許多證據(jù)已證實，一旦市場發(fā)出對這種解決方案的需求，大量的先進(jìn)技術(shù)就會涌現(xiàn)。艾森豪威爾將軍的名言就曾為一個有潛力的創(chuàng)意提供了靈感：“如果一個問題無法被解決，那么就將其放大?！币簿褪钦f，擴(kuò)展問題的邊界，直到其將解決方案囊括在內(nèi)。例如，將熱力和電力問題結(jié)合起來處理比將二者分開更容易解決。耦合電力加熱設(shè)備與熱電聯(lián)產(chǎn)電廠相結(jié)合，能夠利用大風(fēng)和晴朗天氣的“富余”電力替代燃?xì)夤?。與同樣能在無風(fēng)和陰天日子里提供足夠電力“超容量”可再生能源系統(tǒng)相比，這種系統(tǒng)更具經(jīng)濟(jì)效益。此外，問題也可以從地理的角度被“放大”。風(fēng)能與太陽能電力所需求的天氣情況及時段常常是不同的，因此兩者可以通過互補達(dá)到最佳狀態(tài)，尤其是在互聯(lián)系統(tǒng)覆蓋了足夠大的地理區(qū)域的情況下。的確，長距離高壓輸電線路雖然在美國還有待發(fā)展，但在中國和其他國家已十分普遍。它們能夠?qū)⒌统杀?、高容量的風(fēng)能從偏遠(yuǎn)區(qū)域輸送到需電量大的城市，從而補充當(dāng)?shù)乜稍偕茉吹牟蛔恪?/p>
或者，甚至更簡潔的方法是，我們可以通過光纖電纜將數(shù)據(jù)中心負(fù)荷的電量需求轉(zhuǎn)移至可再生能源富余的電網(wǎng)區(qū)域。這樣理論上可以使云技術(shù)對能源越來越大的需求量在全球范圍內(nèi)真正地跟隨太陽能和風(fēng)能的腳步移動，而不會帶來任何專用輸電設(shè)施方面的增量成本。
如果這些技術(shù)在今天尚未實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，這并不是由于技術(shù)的欠缺或?qū)嶋H條件的限制。事實上，這是由于季節(jié)性能源平衡的問題在數(shù)十年內(nèi)還不會對我們造成影響，因此我們尚未應(yīng)用市場的力量來解決這些問題。
從混亂的爭吵到和諧的交響曲
在過去的幾個月里，關(guān)于電網(wǎng)未來的論述已然演變成了一場現(xiàn)有基底負(fù)載發(fā)電廠（及其說客）和新市場利益之間的口舌之戰(zhàn)。隨著當(dāng)前低價（但并不穩(wěn)定）天然氣造成的需求量下降和能源價格跳水，如今的基底負(fù)載發(fā)電廠毫無疑問成為了輸家。瑞銀最近發(fā)布的分析顯示，即使是全新的燃?xì)怆姀S都無力勉強維持，只得被廉價出售。電廠擁有者只能依靠于尋求官僚介入和開展所謂“研究”等手段來幫助他們吶喊助威，從而試圖迫使今天的勝利者為昨日的失敗者買單。
我們需要終止這場爭吵并讓市場發(fā)揮作用。市場能夠起到一個交響樂隊指揮的作用：協(xié)調(diào)每一種能源設(shè)施發(fā)揮作用的時間和地點，就像樂隊中的樂器一樣，從而為終端用戶提供最大價值。最美妙的交響曲需要許多不同樂器在正確的時間以正確的音量發(fā)揮自己的作用。沒有一支樂器需要一直演奏，但樂隊整體卻在持續(xù)創(chuàng)造美妙的交響曲。
當(dāng)前，協(xié)調(diào)美國電網(wǎng)的指揮者們正在發(fā)出一個千真萬確的信號：我們已不再需要任何新建基底負(fù)載發(fā)電廠，同時現(xiàn)存的此類發(fā)電廠也即將迎來退出歷史舞臺的時刻。與一個普遍存在的誤解相反的事實是，扼殺掉化石燃料火電廠的經(jīng)濟(jì)性的甚至并不是可再生能源，而是低價的天然氣。如果老舊的基底負(fù)載發(fā)電廠連燃料價格的異常波動都無法應(yīng)對，那么它們還如何能夠在低價風(fēng)能和太陽能的發(fā)展浪潮之中存活下來呢？
價值萬億美元的問題
由此可見，我們正面臨著一個風(fēng)險高昂的抉擇。美國大約有50%的現(xiàn)役熱電裝機將在2030年達(dá)到退役期限——而如果用電需求保持平穩(wěn)甚至萎縮，這一期限還將更快到來，給這些電廠的盈利能力帶來更大壓力。如果我們簡單聽取美國能源部關(guān)于“基底負(fù)載對一個優(yōu)質(zhì)電網(wǎng)的運轉(zhuǎn)而言十分必要”這一過時假設(shè)，我們將重新投資于相同種類的熱力電廠，而正是這類電廠造成了上文描述的無休止的爭論。
如果這樣，我們會將高額成本投資在這些新建資產(chǎn)中，而其中許多資產(chǎn)的價值隨著能效、可再生能源和其它清潔能源的發(fā)展而被迅速抹殺，如果用電力行業(yè)術(shù)語表示，它們將被“擱淺”。這將極大地影響美國經(jīng)濟(jì)在全球的競爭力，尤其是面對中國、印度、歐洲等已經(jīng)在積極從事可再生能源轉(zhuǎn)型，從而確保今后數(shù)十年享受超低電力成本的國家時。除了資產(chǎn)擱淺的風(fēng)險外，這種發(fā)展路徑還將以直接（電廠運營本身）或間接方式（因在不符合氣候穩(wěn)定性資源上投入的資本浪費）造成數(shù)十億噸的碳排放。
相反，如果我們能夠?qū)W習(xí)美國領(lǐng)先的幾個州和其他國家的先進(jìn)經(jīng)驗，發(fā)展一個主要基于可再生能源的彈性電網(wǎng)，就能夠以同樣可靠并且成本更低、風(fēng)險更小的方式為我們的經(jīng)濟(jì)增長提供動力。我們可以選擇利用可再生能源產(chǎn)業(yè)無與倫比的創(chuàng)新能力來降低風(fēng)能和太陽能電力的供應(yīng)成本。同時我們還能夠促進(jìn)先進(jìn)的美國企業(yè)和行業(yè)新貴的創(chuàng)新能力，在供需兩側(cè)最大程度的利用這種低成本能源。
我們只有有限的機會來做出正確的抉擇。今天，我們應(yīng)該抓住美國能源局研究計劃和當(dāng)前批發(fā)市場改革爭論所提供的機遇，從而確保未來的電力市場將能夠為我們的社會發(fā)展目標(biāo)服務(wù)，而不是背道而馳。
Mark Dyson，落基山研究所部門總監(jiān)；Amory Lovins，落基山研究所首席科學(xué)家兼聯(lián)合創(chuàng)始人
