我們不能因推行過時的“基底負載”電力概念而扼殺創(chuàng)新
要了解本文話題的更多詳細內容，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，針對電力市場設計和電網穩(wěn)定性的研究計劃，旨在評估當前市場設計在充分補償“基底負載”（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“基底負載電力對一個運轉良好的電網而言是必要的?！边@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被多個領域的機構（包括電力公司、系統(tǒng)運營商、經濟學家和其他與該領域相關的專家）徹底否定了。對于這些領域的業(yè)內人士而言，這一論調就好像當初艾森豪威爾總統(tǒng)沒有號令修建州際高速公路系統(tǒng)，而是轉向重新研究馬車的優(yōu)點。
今天的電網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的過時技術而造成數(shù)萬億美元損失以及數(shù)十億噸碳排放。
現(xiàn)代電網不需要基底負載
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)降低電網運行中基底負載的電力比例，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，英國電網自1882年以來，近期首次實現(xiàn)一整天零煤電電力供應，這無疑為其2025年全面關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家們一直以來的分析結論都顯示電網若并網中高比例的可再生能源（30%-80%）并降低同等比例的基底負載電力后，仍然能夠實現(xiàn)與化石燃料電力系統(tǒng)相當?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：基底負載電力不但不是電網穩(wěn)定性的必需品，而且從經濟性上考量也越發(fā)無法適應目前迅速變化的能源系統(tǒng)。美國國家電網CEO在2015年就說過：“基底負載電力的概念已經過時了，”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)運行的大型基底負載發(fā)電廠并不適合于我們所期待的未來電網市場條件”。
即使是在田納西州，盡管其立法機關近期通過法案暫停了該州風電項目開發(fā)，田納西河流域管理局首席財務官也承認，不斷變化的電網結構“令我們十分擔心，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載電力理論的實踐證據(jù)、嚴密分析和經濟事實，這一做法確實令人不解。雖然電力供應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性改變，但用以滿足這些物理條件的各種經濟方式卻已經發(fā)生了天翻地覆的變化。
穩(wěn)定性是一個系統(tǒng)指標，而不是個體指標
沒人否認我們的經濟需要一個可靠的電網來確保每一時刻電力供應與需求的匹配，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，當它們出現(xiàn)意外停機時，恢復成本十分高昂，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能這些并不依賴于遠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可靠性的方法。過去，這一組合包括了基底負載發(fā)電廠以及修建成本較低且更加靈活的電廠（如燃氣渦輪）。這一組合方式使電網能夠適應電力負荷的變化，而這一變化常常比風電和太陽能發(fā)電量更加難以預料。
相比僅僅5年前，如今情況已經發(fā)生了變化，低成本能源的基本默認選項成為了風能與太陽能。它們的長期固定成本已經能夠與新建核電、煤電和燃氣電廠相競爭，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極低并且仍在下降的現(xiàn)實下，電網靈活性這一指標甚至比過去更加重要——但幸運的是，如今實現(xiàn)電網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的最重要屬性
將清潔能源資源可靠地納入電網運行的系統(tǒng)靈活性可以有多種表現(xiàn)形式，并且橫跨各種時間尺度。與電網穩(wěn)定運營的需求相對應的，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，電網需要“輔助服務”來維持穩(wěn)定性，確保需求與供應的匹配。過去，化石燃料或水電的備用容量能夠提供這些服務，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開始具備了更強的經濟優(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)電流轉換從而并入主網的可靠電子技術設備，同時也能提供這一類的輔助服務，并且無需再支付額外的費用 。而PJM電網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（例如，更快且更準確地響應信號），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（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，同時額外向電網提供許多有價值的輔助服務。
2. “小時-天”時間尺度。在中等時間尺度中，由于終端電力服務需求和太陽能、風能發(fā)電量都有較大波動，所以電網需要不同資源在一天中的數(shù)小時內保持能源供需關系的平衡。清潔能源在提供此類服務方面已經具備了優(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市場的重要基礎。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項目的負荷總量高達60吉瓦左右。在峰值容量的競爭中，需求響應常常是成本最低的電力來源，能夠輕松戰(zhàn)勝新建燃氣發(fā)電設施。此外，同樣的技術也越來越多地應用于提供智能負荷轉移，而不僅僅是減少負荷，從而在數(shù)小時內平衡供需關系。智能空調、熱水器以及電動汽車等都是最具發(fā)展前景的技術，但至少30%的美國電力需求量都具備一定的彈性，能夠用于提供電網價值。如果能夠全面采用熱存儲技術（例如冰蓄冷空調）那么這一領域的發(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，風能和太陽能等可再生能源發(fā)電量并不總能精準地匹配各個季節(jié)的能源需求。我們在無風和陰天時應如何滿足電力需求？這對低碳電網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，大量的先進技術就會涌現(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，擴展問題的邊界，直到其將解決方案囊括在內。例如，將熱力和電力問題結合起來處理比將二者分開更容易解決。耦合電力加熱設備與熱電聯(lián)產電廠相結合，能夠利用大風和晴朗天氣的“富余”電力替代燃氣供熱。與同樣能在無風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)更具經濟效益。此外，問題也可以從地理的角度被“放大”。風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。它們能夠將低成本、高容量的風能從偏遠區(qū)域輸送到需電量大的城市，從而補充當?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)中心負荷的電量需求轉移至可再生能源富余的電網區(qū)域。這樣理論上可以使云技術對能源越來越大的需求量在全球范圍內真正地跟隨太陽能和風能的腳步移動，而不會帶來任何專用輸電設施方面的增量成本。
如果這些技術在今天尚未實現(xiàn)商業(yè)應用，這并不是由于技術的欠缺或實際條件的限制。事實上，這是由于季節(jié)性能源平衡的問題在數(shù)十年內還不會對我們造成影響，因此我們尚未應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，關于電網未來的論述已然演變成了一場現(xiàn)有基底負載發(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，即使是全新的燃氣電廠都無力勉強維持，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)調每一種能源設施發(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。
當前，協(xié)調美國電網的指揮者們正在發(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濟性的甚至并不是可再生能源，而是低價的天然氣。如果老舊的基底負載發(fā)電廠連燃料價格的異常波動都無法應對，那么它們還如何能夠在低價風能和太陽能的發(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于“基底負載對一個優(yōu)質電網的運轉而言十分必要”這一過時假設，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中，而其中許多資產的價值隨著能效、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)術語表示，它們將被“擱淺”。這將極大地影響美國經濟在全球的競爭力，尤其是面對中國、印度、歐洲等已經在積極從事可再生能源轉型，從而確保今后數(shù)十年享受超低電力成本的國家時。除了資產擱淺的風險外，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，如果我們能夠學習美國領先的幾個州和其他國家的先進經驗，發(fā)展一個主要基于可再生能源的彈性電網，就能夠以同樣可靠并且成本更低、風險更小的方式為我們的經濟增長提供動力。我們可以選擇利用可再生能源產業(yè)無與倫比的創(chuàng)新能力來降低風能和太陽能電力的供應成本。同時我們還能夠促進先進的美國企業(yè)和行業(yè)新貴的創(chuàng)新能力，在供需兩側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，我們應該抓住美國能源局研究計劃和當前批發(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)展目標服務，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家兼聯(lián)合創(chuàng)始人
