併網難的光伏和風電≠垃圾電

我們經常談到光伏和風電併網難和棄風棄光現象嚴峻的問題，以至於有一些人用「垃圾電」來形容光伏和風電。能豆君推薦對光伏感興趣的朋友們，可看看這篇文章，作者研究了豐富的材料，以加州光伏舉例，對光伏能源併網的問題加以說明，並提出了解決方案。

內容概括：

光伏、風電等新能源併網最大的問題就是波動性問題。解決方向包括：降低太陽能成本、提升電網靈活性（包括提升發電靈活性、建立電網進口、出口電力的機制、提升需求響應、負載轉移能力、提升電動車份額）、增加儲能容量。

【無所不能 文 | Janish Wang】清潔能源替代火電是一個必然的過程，就好像人最終都是要死的一樣，但是這個從化石能源逐漸轉換到新能源的過程中，有許多難題需要解決。

所有新能源目前上網遇到的最大問題就是發電不穩定。

我們知道電網的輸入和輸出是必須要平衡的，發電不穩定就意味著需要有額外的「能源池」去在清潔能源發電過多的時候削減自己的發電量、發電過少的時候增加自己的發電量。

鴨子曲線 (duck curve)

California Independent System Operator (CAISO) 在2013年畫了一張很有意思的圖，顯示電網中太陽能以外其他發電源（稱為凈負荷，net load）在一天24小時內的變化情況。因為形狀像鴨子，就成為了著名的duck curve（鴨子曲線）。

越接近中午，光伏發電量越多，但是總的電量需求是差不多的，於是凈負荷減少，也就是圖中鴨子的腹部；光伏在整個電網的佔比(penetration)越多，中午的時候整個電網的凈負荷就越少，鴨子的腹部就越往下，一直下到凈負荷減不下去了，這時候就有過量發電(overgeneration)的可能。圖中我們可以看到，大部分時候凈負荷，也就是其他能源的發電，在20GW左右，而圖中灰色的點是2016年5月15日下午2點光伏發電達到的峰值，如果要達到電網平衡，那麼電網中的凈負荷必須從早上的20GW降到下午12GW以下。

可能有人會想說，讓其他的發電機半負載運轉或者關掉一些就是了。

但我們知道發電機啟動、關閉都需要時間，如何在早上8點到下午2點一路根據光伏的情況削減發電量？更麻煩的是，下午2點電網凈負荷到達最低點，然而過沒幾個小時下午5點大家又各自回家開始做飯洗澡看電視，用電量攀升，同時太陽又落山——於是所有本來太陽能負責的負載，加上高峰時期的用電需求，統統都壓到其他能源的身上，這就是鴨子曲線的頭部。圖中綠色對話框標註的是2016年2月1日下午的情況，電網凈負荷3小時內升了11GW，幾乎翻了一倍。如何從下午2點的波谷迅速調整到晚上8點的波峰？這就非常考驗電網的靈活性（grid flexibility）了。

那麼為什麼叫太陽能、風電垃圾電？

垃圾就是要被丟掉的東西，在能源的術語中稱為削減(curtailment)。削減的意思是在中午太陽非常大的時候斷開一些太陽能板的發電，減少光伏發電量（風電同理，關閉電機）。雖然這樣看起來浪費了電，但是這讓凈負荷保持在一個較為平穩的狀態，讓鴨子的腹部更加平坦，減小了波谷波峰的差距，給了電網調整的餘地。

好不容易花了這麼多錢裝了這麼多太陽能板，結果發電量最高的時候你還要把人家關掉，這可不就是垃圾嗎？

那麼有什麼辦法能不要棄光呢？

美國國家新能源實驗室(NREL, National Renewable Energy Laboratory)於2016年發布的報告討論了光伏佔到整個電網發電量50%情況。50%光伏是一個非常遠大的理想，所以隨之也提了比較完整的發展思路，主要分為光伏成本、電網靈活性、儲能三大塊。做好其中任何一項，其他兩項的進步壓力就會相應減輕。

降低成本可能是大家會想到的第一件事。如果太陽能成本足夠低，低到不要錢，當然是好事。中午發電過量？關了就關了，不心疼。事實上近年由於生產商的參與，太陽能造價已經一路狂跌，簡直造福全人類。德國光伏研究機構Fraunhofer ISE（目前全世界效率最高的太陽能電池板就是他們研發的，效率達到46%，令人髮指）的報告顯示了從1980年到2015年35年間，太陽能成本一路下跌（但是注意這是log圖）。業界目前的共識是，太陽能成本已經跌了很多，並且在相當的時間內還會保持這種下跌的勢頭。

然而單單降低成本、不做其他改變，這樣是不夠的。這裡又引入了一個新概念，叫容量價值(capacity value，或容量可信度capacity credit)，指的是幫助發電廠減輕負載的能力。

用圖來解釋：下圖的上半部分表明的是電網凈負荷的波峰隨著光伏佔比增高的移動，下半部分是對應的光伏發電量。由上半部分可見，從0%PV增長到6%光伏，對於電網凈負荷波峰高度的減小還是非常顯著的——由於光伏的補充，電網凈負荷的波峰從62GW降到了59GW左右，波峰出現的時間也從下午2點移動到了晚上6點。但是然後呢？高峰時間已經移到了6點，裝再多光伏，太陽下山了這麼多太陽能板也發不了電，對6點的高峰並不能起什麼作用，電網凈負荷還是需要由發電廠來承載。 由此可見，光伏的容量價值一開始是比較高的，但是一旦達到晚上6點這個截點以後，往後的容量價值直線下降。降低太陽能成本的意義就在於增加裝機量，但是裝機量增加到一定比例，往後就沒有太多價值。

如果電網的凈負荷發電量能根據太陽能發電的特點自由調整，那當然是最好了。這個大目標又分成幾個小目標（比如先掙它一個億）： 提升發電靈活性；建立電網進口、出口電力的機制；提升需求響應、負載轉移能力；提升電動車份額。

提升發電靈活性是提升電網靈活性最主要的一塊。下圖為20%光伏的情況下，加州48小時電網內電力調度(dispatch)情況。圖中黑色粗線為電網凈負載，也就是除卻光伏、風電的發電量；斜線部分為可以靈活調度的水電+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度（non-dispatchable），也就是固定的發電量。火電不是說停就停的，需要至少幾個小時個響應時間。如果我們把不可調度的電力換成可調度，即可以調節輸出的電力，鴨子的腹部就還能再往下一些，也就是說整個電網可以容納更多新能源產生的變數。

怎麼做才能提升發電的靈活度呢？這篇報告提出了以下幾點：修訂和熱電廠的長期合約，慢慢減少傳統熱電廠的發電量，同時使用響應時間更短的新型發電機取代被淘汰的舊發電機；從目前每天的熱電響應的周期中收集數據，汲取經驗；提升對光電、風電的預測能力。在種種手段用盡的情況下，NREL的這篇報告預測加州目前15GW不可調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、非常靈活的發電源的情況下，光伏在整個電網中的佔比仍然難以突破35%，因此要需要用上其他手段。

目前新能源併網的問題比美國嚴重得多，主要來源於能源結構。70%左右的電力都來源於煤，而加州44%的電力來自於天然氣。煤電的響應時間比天然氣慢得多。另外也和新能源的類型有關。風電由於風時有時無，即時範圍不穩定性大，預估難度大；光電波動來自於日照強度的變化，波動是周期性的、可預估的，但是波動範圍大。從調節難度來說，光電的波動相對而言是比較好適應的，因為可以預估。但是東亞地區是全球光照最弱的地區，光伏的發展有著天生不足，加上霧霾多，遮蓋太陽能板表面，影響發電效率，因此光伏雖然好估計，但是沒有發電優勢。風電的發展，又相當考驗對於風力的預判能力。我從NREL的一位專家那裡了解到，目前NREL對於風電2小時內的預估已經相當準確，但是48小時的預估還比較困難。不了解風電併網的情況，但是從當前的棄風量來看……嗯……

2. 建立電網進口、出口電力的機制

加州是美國第一大州，是能源消耗大戶，所以歷來只有從電網中進口的份，從來沒有出口過。加州光伏裝機量如果持續提升，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。下圖是隨著光伏佔比增加，在不同應對措施下的光伏削減度。在電網高靈活性(7.5GW Min Gen)的情況下，如果還能允許10GW的電力出口，在光伏佔比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(demand response)、負載轉移(load shift)能力

需求響應指的是在電網對於發電波動感到壓力的時候，通過降低/提升電價來改變用戶的用電習慣，採取的方式有分時電價（time-of-use）（比如國內夜間電價便宜）、實時電價(real-time)等手段，將高峰時期的需求挪到閑時，本質上也就是負載轉移。一個可能的想法是利用智能家居，在產電高峰時自動開始為之後的高峰做準備，比如提前加熱熱水器中的熱水，諸如此類零碎的事件。但是能夠被轉移的需求(demand shift)畢竟有限，再加上美國人用電大手大腳的壞習慣，目前平均來看只有大概2%的波峰需求是可以被轉移到閑時的。

4. 提升電動車（EV）份額

電動車在中午產電高峰時充電，在電網中可以起到類似於電池的儲能效果（甚至可以在用電高峰時向電網放電，不過這一點從目前的電池容量看來不太可能）。然而電動車對電網的影響又與於用戶的充電習慣有關。用戶的充電習慣主要分為三種：

· 回家充電(at home charging)：電動車只有晚上下班回家才充電。

· 機會充電(opportunity charging)：電動車到達目的地就開始充電，但是需要到處都有充電樁。

· 優化充電(optimized charging)：假設電動車的充電能完全貼合電網負荷，在光伏發電最高峰的時候充電，消納本來要被棄掉的光電。

下圖討論了10%的電動車佔比時，不同使用習慣下能夠對電網負荷起到的影響。

然而從事實角度來看，大部分人的電動車充電習慣都是下班回家充電，這樣就正好趕上用電高峰。這種使用習慣下，電動車反而對電網是有傷害的。下圖是隨著光伏佔比的提升、不同電動車充電習慣下，電動車對光伏削減產生的影響。

為了讓電動車更好地調節電網負荷，可以通過分時電價、增加充電設施來改變大家的充電習慣。

我個人覺得呢，雖然報告的理論是對的，但是對電動車這一塊的討論有些理想化，至少短期無法實現。文章的想法是讓電動車在整個轎車的佔比達到10%，甚至25%。這個數字看起來沒什麼感覺，那麼對比一下目前1%都不到的電動車佔比，你就知道這個差距有多大了。即便是加州有ZEV (Zero-Emission Vehicle)政策硬性規定新能源車要達到設定的佔比目標，目前電池性能這麼爛，電動車真是扶也扶不起，畢竟不是所有人都有錢買得起特斯拉——除了特斯拉、BYD這樣有優秀電池背景的車企以外，普通電動車續航都在150公里以內，充電時間至少兩三個小時。下一代電池已經可以明確預見將是全固態電池。什麼時候固態電池能突破到夠商業化了，電動車在續航方面就迎來大躍進了。（只不過充電速度仍然是問題，而且是被電池本身性質所限制的。）

我個人覺得的電動車發展前景應該會比美國好。美國能源成本低，地廣人稀（相對於），美國人都習慣了大手大腳地用油用車，每天上班來回開個30公里路那是平均水平，還動不動就來個road trip，要改變消費觀念並不容易。人口稠密，一次開車裡程相對較短，又有比亞迪這樣接地氣的電動車企，而且因為人口稠密所以電動樁之類的公共設施成本可以被平攤。當然了，這是拋開政策因素和實施效率情況下的考量。

如果電網本身消納不了新能源帶來的能源波動，這些波動就需要由儲能設備來消納。下圖顯示了加州20%光伏的情況下，儲能對於波峰、波谷的調和能力。

加州目前有4.4GW的儲能容量，而整個電網用電大概在20GW。如果能夠達到低光伏成本(net LCOE ￠7/kWh)、高電網靈活性(不可調度7.5GW)，可以不用增加儲能。如果要達到40%的光伏佔比，同時還有一個合理的棄光量（削減度20%），需要至少15GW的儲能容量。

——當然了，這些數字對於沒什麼指導意義，畢竟20%的光伏都不太可能實現。

加州的儲能是有先天不足的。目前電網規模(grid scale)儲能95%都是抽水蓄電(pumped hydro)承擔的，也就是電網閑時啟動發電機抽水到高處，用電高峰時打開水閘防水，把水的勢能轉換回電能。然而加州嚴重缺水，能建水電站的地方肯定都建了，抽水蓄電儲能方面沒有什麼提升空間，再想提升儲能容量就只能用成本高、壽命短的電池了。而水力資源相對豐富，可以通過抽水蓄電應對一定量由新能源導致的電網負荷波動。

新能源併網範例：德國

在新能源上網困難重重的情況下，有沒有國家真的做到了大力發展新能源呢？讓我們看看新能源燈塔國——德國的情況。

「如果在全世界樹立一個可再生能源發展的標杆，可以說非德國莫屬。截至2015年，可再生能源電力在總消費電量中的比例上升到32%。甚至在去年5月的某一天，德國創造了一個新的紀錄：可再生能源發電量可滿足全國95%的需求。」

這樣的語氣在各種能源媒體中非常常見。但是他們沒有告訴你的是，德國的電價從2006年到2017年漲了50%，目前是美國電價的3倍，日本的1.5倍。光電德國和風電丹麥簡直在歐洲電價的頂端惺惺相惜。

想法是好的，做事還是要務實。步子邁得太大，容易扯著蛋。

【無所不能特約作者，Janish Wang, 科羅拉多大學博爾德分校材料科學與工程研究所】

本文僅代表作者觀點，不代表無所不能的立場和觀點

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