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可再生能源和天然气:复盘今夏的能源危机

来源:网络整理 作者:admin 人气: 发布时间:2022-09-06
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来自FT中文网的温馨提示:如您对FT中文网的内容感兴趣,请在苹果应用商店或华为应用市场搜索“FT中文网”,下载FT中文网的官方应用,付费订阅。祝您使用愉快!

随着全国乃至北半球各地气温的普遍下降,持续了一整个夏季的能源混乱局面也稍微缓解了一些。我们在上一篇文章中提到,需要在白天尖峰时刻充电的商用新能源车使得电网负担进一步加重;而这一篇文章中,我们将从供给侧入手分析过去二十年世界各地的“可再生能源转型”如何影响我们的电网和能源结构。

我们先从一个简单的科普话题开始聊起。现在市面上的热水器是五花八门:烧天然气的、用电的、太阳能的,都有。如果比较起热水器的体积,可以发现同等供水能力的热水器,燃气的体积最小、电力的次之、太阳能的最大。这是因为太阳能热水器往往背着一个一般可以储存约两百升水的大罐子。

为什么太阳能热水器需要储水呢?这是因为太阳能热水器是一种典型的能源供需错位的场景:太阳能只有白天有,但家庭往往在晚上才需要热水。为了解决这个错位问题,太阳能热水器设计了水罐这个储能机制,将白天加热好的热水储存起来,供晚上使用。

同时,一家人晚上对热水的需求往往是稳定的,但是白天太阳能可以加热的热水量却在随着每天天气的变化不断波动——因此,太阳能热水器往往还需要接入电力,在太阳能不足的时候使用电能作为辅助热源。这种“太阳能+电力=热水器=热水”的能源关系下,太阳能热水器每天使用的电能的量随着天气变化而波动——晴天少用些,阴天多用些。

在国家层次的例子中,刚刚的能源关系变成了“光伏和风电+其它发电厂=电网=电力”。一个国家对电力的需求和家庭对热水的需求相似,都是相对稳定的;而无论是用来烧水还是发电,来自光伏和风电的电力供应都是波动的。因此,电网对其它来源的电力需求,自然也在不断波动。

不过,对国家而言处理这种波动问题远比家庭复杂。一方面,电能没有像保温桶储存热水那样方便、经济的储存方式(在上一期我们提到,电池的昂贵是制约电动汽车续航的主要原因)。换言之,要想最实惠、最高效地利用电力,就必须即发即用。

同时,电网的供需情况会直接反映在电网的物理性质上。无论电网是“供不应求”还是“供过于求”,用电设备的输入电压和频率都会偏离额定电压和频率,从而损坏电子元器件。对于工业用户而言,这可能意味着巨大的损失:例如2016年,西安的一处变电站爆炸造成的临时性的“供不应求”,让在当地开设NAND闪存生产厂的韩国某电子大厂报废了一批晶圆,损失了数亿元人民币。

因此,以工业界客户为代表的电力客户,对电力供应稳定性抱着极高的期望。为此,电网需要不断调节发电厂输出匹配电力需求,将电压和频率维持在误差范围内(中国的误差标准是千分之四,50Hz正负0.2Hz)。这种调节叫做“调峰”。过往而言,调峰主要是应对需求波动:一般电网会通过分析过往数据确定需求波动的范围(例如白天是10000千瓦,晚上是8000千瓦)。此时,电网可以建设8000千瓦的基础供应和2000千瓦的调峰供应,就可以很好地满足需求。

但风电和光伏“输出功率随天气而变化”的特性使得波动从单纯的需求波动变成了“需求和供应一起波动”。我们假设刚刚的场景中引入了2000千瓦的风电和(或)光伏发电能力。此时,考虑到它们的最大发电能力,基础发电能力可以对应减少2000千瓦;但考虑到它们的最小发电能力,反而需要“配套”新建2000千瓦的调峰发电能力。

那么,什么样的发电厂有能力作为调峰电厂,应对光伏和风电带来的额外电网波动呢?

我们回到热水器的例子。我们可以看到的是,对于电热水器和太阳能热水器而言,要想维持稳定的热水供应,就要储存一定量的热水。但燃气热水器普遍不需要储水——因为它的功率高到可以在几分钟内满足额外的热水需求,足以满足家庭对热水的期望。

调峰电厂所需要的就是这种“在几分钟内满足需求”的能力。根据美国能源署的统计(https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=45956),美国有11%的电厂可以在10分钟内从冷启动到最大功率——这正好和光伏和风电的比重相近。

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