想要低成本跑贏碳中和,光伏、風電就得建的多?

  來源:人大生態金融

  以下文章來源於環境科學與政策 ,作者Shangwei Liu

  中央提出「實施可再生能源替代行動,深化電力體制改革,構建以新能源為主體的新型電力系統」,以新能源為主體的新型電力系統中,光伏和風電肯定是主體中的主體。近年來,光伏和風電的成本都在快速下降,為電力系統中部署光伏和風電提供了機會。但是光伏風電的間歇性的特點要求必須有光、有風,意味著在某個地區部署更多的光伏、風電的時候,光伏和風電有可能會賣得更便宜,所以光伏風電的收益也會減少。所以光伏、風電成本的下降和收益的下降一直有一個裝備競賽。這提醒我們,不能因為成本的下降對光伏、風電的前景過分樂觀。

  比如某地白天需要一定量的電,開始的時候建光伏很不錯,也能賣個好價錢,但是這個地方光伏建得越來越多,結果就是白天能提供電力的供給多了,所以電力的價格就下來了,這是Profile(發電時間曲線)的原因;也有的地方建得多了,也有需求,但是電力傳輸有限,賣不到電價貴的地方,這樣的收益下降就是Congestion(電力擁堵)的原因;此外,有的地方建得太多,出現了棄風棄光,發電少了收益少了,這種下降是Curtailment(棄風棄光)的原因。這三大原因相互之間是關聯的,除了這些原因也有的收益下降和電力市場設計有關,比如電力平衡(balancing)成本的增加等等。以往的研究有很多模型證實了光伏、風電的收益隨著其比例會快速下降,但是用實際數據的還比較少,而且很少文章把上面三種原因區別開來,今天的文章用美國2012-2019年數據討論了這個問題。

  Millstein, D., Wiser, R., Mills, A. D., Bolinger, M., Seel, J., & Jeong, S. (2021). Solar and wind grid system value in the United States: The effect of transmission congestion, generation profiles, and curtailment. Joule.

  作者的研究是基於美國幾大獨立系統運營商(ISOs)內風電、光伏的真實收益來計算的。在電力市場上,一個電廠的收益來源大概分為兩個:能量市場發電價值(Energy)和容量市場價值(Capacity,主要是在電力需求高峰期的價值,可以減少建更多的電廠)。光伏和風電基本不參與輔助市場,輔助市場也比較小,所以主要就是上面兩個收益來源。下圖比較了一個假想的持續等量發電的電廠和有間歇性的光伏、風電在不同ISO內的發電收益(ERCOT德州的電網沒有容量市場,所以不會有容量市場的收益)。可以看到,光伏發電的價值一般比較高,而且比假想的持續等量發電的電廠收益還高,這原因就是光伏發電的高峰期一般也是用電高峰期——除非你光伏建得多了(大概超過20-30%就有區別),比如CAISO這個加州的系統,著名的「鴨子曲線」告訴我們光伏超過一定量的時候,白天都是光伏,所以光伏的收益也就降了下來。

  光伏和風電的收益(或者叫價值)顯然是和光伏、風電建了多少(penetration level,光伏、風電在電網中的比例)有關的,下圖就是美國2012-2019年各地區不同光伏、風電佔比下光伏、風電收益的變化。下圖左邊區分了不同的ISO,可以看到美國大多數ISO的可再生能源佔比都不高,加州CAISO有很多光伏,ERCOT、SPP主要是風電,整體趨勢都是建得越多,光伏和風電就越便宜;但是也有一些地方比較特殊,比如ERCOT在10%左右佔比的時候風電的價值就升高了,原因主要是ERCOT建了電力傳輸導致的。下圖的右邊是擬合的曲線,大概都是一個對數曲線的形狀,開始的百分之幾賣的很貴,後來多了賣得就越來越賤。根據現有的模型模擬的結果,也大概認為會是如此,但是很多模型也指出,當可再生能源達到20-30%以上的時候,事情就不好辦了,光伏、風電建得往往過多,出現一定程度的棄風棄光,從而單位收益大幅下降,不過美國的數據還不能證實這一點,這些電網的可再生能源比例都不高。

  光伏和風電有可能會賣的更便宜,作者還分解了上述的三個原因的貢獻,如下圖所示(左邊是光伏,右邊是風電,與假想的持續等量發電的電廠價值差異的貢獻分解)。整體來看,風電的間歇性導致風電賤賣,但是光伏發電曲線和用電需求比較一致,所以開始價值較高。但是不同的ISO系統下價值也不同,比如NYISO這個地方傳輸建得不怎麼樣,所以傳輸擁堵導致光伏、風電賣不了好價錢。前幾天這個地方的J區域(紐約城和長島)的電價就在高峰階段漲到了40多刀一度,原因也是電力擁堵、傳輸不行,所以NYISO這種地方多建傳輸很關鍵。但是只建傳輸顯然不能解決所有問題,因為很多地方光伏、風電價值的下降不是傳輸擁堵導致的,而是發電時間曲線的原因,特別典型的就是ERCOT的風電和CAISO的光伏。而棄風棄光在美國整體上不嚴重,很多模型也指出,光伏、風電佔比比較低的情況下,棄風棄光應該不是大的問題。我們國家之前嚴重的棄風棄光問題,應該主要是系統規則設計的原因。當然這也不是說一點也不能棄風棄光,因為光伏、風電足夠便宜的情況下,合理的棄風棄光也是必要的。

  怎麼解決光伏和風電越多賣得越賤的問題呢?前面建傳輸顯然是重要的辦法,我們國家的特高壓(特高壓更多是區域間的傳輸而不是區域內)也好,高壓也好,都是重要的建設可再生能源為主體的新型電網的措施,美國SPP,ERCOT的例子也實際證明了這是有效的,可以促進光伏、風電的部署。但是針對光伏、風電本身的間歇性,就需要儲能技術和需求側響應來幫助了,在加州,已經有強制儲能建設要求;在中國,也有風光儲一體化的政策,要求建設風電光伏的同時配置一定的儲能,但真正不確定的問題是,這些政策需要多激進?要配置多少的靈活性能源才足夠風光的成本仍然小於收益?

  風光的成本和風光的收益正在進行裝備競賽,建得越多,因為規模效應和學習曲線,風光越便宜;建得越多,因為風光間歇性,賣得也越便宜,下圖表現到美國目前的風光成本還是跑得更快一些。

  但是現在成本跑得過收益,不代表將來也可以。如前所說,很多模型指出,大概風光佔比到了30%左右的時候,風光收益會出現明顯地下降,主要是因為棄風棄光的「overproduction」。不過在美國,這一事情還沒有發生,之後會不會發生,也還存在不確定性,這也就給發展多少儲能和供給側響應帶來不確定性。我們國家按照目前披露的計劃,大概到2030年風光的佔比會在20-30%這個區間,那時候我們國家需要多少儲能、多少供給側響應呢?考慮我們國家用電結構工業仍是大頭,而且傳輸建設比美國好不少,可能會同美國的情況有不小差異;另一個不同是,我們國家的電力市場化改革還在進行中,怎麼建立一個服務新能源為主體的新型電力系統的電力市場,仍有太多不確定性。

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