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(zhuǎn)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(wǎng)遇到的最大問題就是發(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)電過多的時候削減自己的發(fā)電量、發(fā)電過少的時候增加自己的發(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)中太陽能以外其他發(fā)電源（稱為凈負(fù)荷，net load）在一天24小時內(nèi)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(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；光伏在整個電網(wǎng)的占比(penetration)越多，中午的時候整個電網(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，這時候就有過量發(fā)電(overgeneration)的可能。圖中我們可以看到，大部分時候凈負(fù)荷，也就是其他能源的發(fā)電，在20GW左右，而圖中灰色的點是2016年5月15日下午2點光伏發(fā)電達到的峰值，如果要達到電網(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。
可能有人會想說，讓其他的發(fā)電機半負(fù)載運轉(zhuǎn)或者關(guān)掉一些就是了。
但我們知道發(fā)電機啟動、關(guān)閉都需要時間，如何在早上8點到下午2點一路根據(jù)光伏的情況削減發(fā)電量？更麻煩的是，下午2點電網(wǎng)凈負(fù)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——于是所有本來太陽能負(fù)責(zé)的負(fù)載，加上高峰時期的用電需求，統(tǒng)統(tǒng)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(biāo)注的是2016年2月1日下午的情況，電網(wǎng)凈負(fù)荷3小時內(nèi)升了11GW，幾乎翻了一倍。如何從下午2點的波谷迅速調(diào)整到晚上8點的波峰？這就非?？简炿娋W(wǎng)的靈活性（grid flexibility）了。
那么為什么叫太陽能、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(fā)電，減少光伏發(fā)電量（風(fēng)電同理，關(guān)閉電機）。雖然這樣看起來浪費了電，但是這讓凈負(fù)荷保持在一個較為平穩(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能板，結(jié)果發(fā)電量最高的時候你還要把人家關(guān)掉，這可不就是垃圾嗎？
新能源并網(wǎng) = 成本 + 電網(wǎng)靈活性 + 儲能
那么有什么辦法能不要棄光呢？
美國國家新能源實驗室(NREL, National Renewable Energy Laboratory)于2016年發(fā)布的報告討論了光伏占到整個電網(wǎng)發(fā)電量50%情況。50%光伏是一個非常遠(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(yīng)減輕。
一、太陽能成本
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(dāng)然是好事。中午發(fā)電過量？關(guān)了就關(guān)了，不心疼。事實上近年由于中國生產(chǎn)商的參與，太陽能造價已經(jīng)一路狂跌，簡直造福全人類。德國光伏研究機構(gòu)Fraunhofer ISE（目前全世界效率最高的太陽能電池板就是他們研發(fā)的，效率達到46%，令人發(fā)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(yè)界目前的共識是，太陽能成本已經(jīng)跌了很多，并且在相當(dāng)?shù)臅r間內(nèi)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。這里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(fā)電廠減輕負(fù)載的能力。
用圖來解釋：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，下半部分是對應(yīng)的光伏發(fā)電量。由上半部分可見，從0%PV增長到6%光伏，對于電網(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)的時間也從下午2點移動到了晚上6點。但是然后呢？高峰時間已經(jīng)移到了6點，裝再多光伏，太陽下山了這么多太陽能板也發(fā)不了電，對6點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點這個截點以后，往后的容量價值直線下降。降低太陽能成本的意義就在于增加裝機量，但是裝機量增加到一定比例，往后就沒有太多價值。
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)太陽能發(fā)電的特點自由調(diào)整，那當(dāng)然是最好了。這個大目標(biāo)又分成幾個小目標(biāo)（比如先掙它一個億）： 提升發(fā)電靈活性；建立電網(wǎng)進口、出口電力的機制；提升需求響應(yīng)、負(fù)載轉(zhuǎn)移能力；提升電動車份額。
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。火電不是說停就停的，需要至少幾個小時個響應(yīng)時間。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，也就是說整個電網(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(tǒng)熱電廠的發(fā)電量，同時使用響應(yīng)時間更短的新型發(fā)電機取代被淘汰的舊發(fā)電機；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；提升對光電、風(fēng)電的預(yù)測能力。在種種手段用盡的情況下，NREL的這篇報告預(yù)測加州目前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。
中國目前新能源并網(wǎng)的問題比美國嚴(yán)重得多，主要來源于能源結(jié)構(gòu)。我國70%左右的電力都來源于煤，而加州44%的電力來自于天然氣。煤電的響應(yīng)時間比天然氣慢得多。另外也和新能源的類型有關(guān)。風(fēng)電由于風(fēng)時有時無，即時范圍不穩(wěn)定性大，預(yù)估難度大；光電波動來自于日照強度的變化，波動是周期性的、可預(yù)估的，但是波動范圍大。從調(diào)節(jié)難度來說，光電的波動相對而言是比較好適應(yīng)的，因為可以預(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，遮蓋太陽能板表面，影響發(fā)電效率，因此光伏雖然好估計，但是沒有發(fā)電優(yōu)勢。我國風(fēng)電的發(fā)展，又相當(dāng)考驗對于風(fēng)力的預(yù)判能力。我從NREL的一位專家那里了解到，目前NREL對于風(fēng)電2小時內(nèi)的預(yù)估已經(jīng)相當(dāng)準(zhǔn)確，但是48小時的預(yù)估還比較困難。不了解中國風(fēng)電并網(wǎng)的情況，但是從當(dāng)前的棄風(fēng)量來看……嗯……
2. 建立電網(wǎng)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(wǎng)中進口的份，從來沒有出口過。加州光伏裝機量如果持續(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)對于發(fā)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(xí)慣，采取的方式有分時電價（time-of-use）（比如國內(nèi)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(zhì)上也就是負(fù)載轉(zhuǎn)移。一個可能的想法是利用智能家居，在產(chǎn)電高峰時自動開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，再加上美國人用電大手大腳的壞習(xí)慣，目前平均來看只有大概2%的波峰需求是可以被轉(zhuǎn)移到閑時的。
4. 提升電動車（EV）份額
電動車在中午產(chǎn)電高峰時充電，在電網(wǎng)中可以起到類似于電池的儲能效果（甚至可以在用電高峰時向電網(wǎng)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(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(yōu)化充電(optimized charging)：假設(shè)電動車的充電能完全貼合電網(wǎng)負(fù)荷，在光伏發(fā)電最高峰的時候充電，消納本來要被棄掉的光電。
下圖討論了10%的電動車占比時，不同使用習(xí)慣下能夠?qū)﹄娋W(wǎng)負(fù)荷起到的影響。
然而從事實角度來看，大部分人的電動車充電習(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，電動車反而對電網(wǎng)是有傷害的。下圖是隨著光伏占比的提升、不同電動車充電習(xí)慣下，電動車對光伏削減產(chǎn)生的影響。
為了讓電動車更好地調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷，可以通過分時電價、增加充電設(shè)施來改變大家的充電習(xí)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(xiàn)。文章的想法是讓電動車在整個轎車的占比達到10%，甚至25%。這個數(shù)字看起來沒什么感覺，那么對比一下目前1%都不到的電動車占比，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(guī)定新能源車要達到設(shè)定的占比目標(biāo)，目前電池性能這么爛，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(yōu)秀電池背景的車企以外，普通電動車?yán)m(xù)航都在150公里以內(nèi)，充電時間至少兩三個小時。下一代電池已經(jīng)可以明確預(yù)見將是全固態(tài)電池。什么時候固態(tài)電池能突破到夠商業(yè)化了，電動車在續(xù)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(zhì)所限制的。）
我個人覺得中國的電動車發(fā)展前景應(yīng)該會比美國好。美國能源成本低，地廣人?。ㄏ鄬τ谥袊绹硕剂?xí)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，要改變消費觀念并不容易。中國人口稠密，一次開車?yán)锍滔鄬^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(shè)施成本可以被平攤。當(dāng)然了，這是拋開政策因素和實施效率情況下的考量。
三、儲能
如果電網(wǎng)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(shè)備來消納。下圖顯示了加州20%光伏的情況下，儲能對于波峰、波谷的調(diào)和能力。
加州目前有4.4GW的儲能容量，而整個電網(wǎng)用電大概在20GW。如果能夠達到低光伏成本(net LCOE ￠7/kWh)、高電網(wǎng)靈活性(不可調(diào)度7.5GW)，可以不用增加儲能。如果要達到40%的光伏占比，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(dāng)然了，這些數(shù)字對于中國沒什么指導(dǎo)意義，畢竟20%的光伏都不太可能實現(xiàn)。
加州的儲能是有先天不足的。目前電網(wǎng)規(guī)模(grid scale)儲能95%都是抽水蓄電(pumped hydro)承擔(dān)的，也就是電網(wǎng)閑時啟動發(fā)電機抽水到高處，用電高峰時打開水閘防水，把水的勢能轉(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，抽水蓄電儲能方面沒有什么提升空間，再想提升儲能容量就只能用成本高、壽命短的電池了。而我國水力資源相對豐富，可以通過抽水蓄電應(yīng)對一定量由新能源導(dǎo)致的電網(wǎng)負(fù)荷波動。
新能源并網(wǎng)范例：德國
在新能源上網(wǎng)困難重重的情況下，有沒有國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——德國的情況。
“如果在全世界樹立一個可再生能源發(fā)展的標(biāo)桿，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(chuàng)造了一個新的紀(jì)錄：可再生能源發(fā)電量可滿足全國95%的需求?！?/p>
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(fēng)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(wù)實。步子邁得太大，容易扯著蛋。
