這些趨勢可能并不是互相排斥的。事實(shí)上，許多電力行業(yè)參與者認為天然氣和可再生能源可以攜手共同發(fā)展。多年來(lái)，美國電力公司和系統運營(yíng)商一直主張通過(guò)修建天然氣發(fā)電裝機能夠有效平衡波動(dòng)的可再生能源并滿(mǎn)足峰值負荷，還指出了電網(wǎng)內可再生能源發(fā)電比例也許存在“上限”。此外，風(fēng)能和太陽(yáng)能資源豐富時(shí)會(huì )降低能源價(jià)格，這種“優(yōu)先順序效應”會(huì )降低可再生能源項目開(kāi)發(fā)的投資回報率，并有可能進(jìn)一步限制它們在整個(gè)發(fā)電系統中所占的比例。
但是，這一分析僅描述了供應側的情況而忽視了需求側的彈性。落基山研究所在最新報告《需求彈性：實(shí)現低成本低碳電網(wǎng)的關(guān)鍵》中展示了需求彈性可以成為比燃氣電廠(chǎng)成本更低、污染更少的替代品來(lái)平衡電網(wǎng)中的可再生能源。我們通過(guò)模擬在大范圍地理區域內調度需求彈性，將一天之中用電需求高但可再生能源供應不足時(shí)段的電力消費轉移到可再生能源供應充足的時(shí)段。研究發(fā)現，與依賴(lài)于燃氣發(fā)電相比，這種策略能夠顯著(zhù)地降低用戶(hù)成本，減少可再生能源棄風(fēng)棄光現象，降低峰值需求和碳排放。
為什么提高可再生能源發(fā)電裝機比例會(huì )限制其自身經(jīng)濟效益
由于運營(yíng)成本低廉，新增可再生能源裝機常常會(huì )替代電網(wǎng)中成本更高的發(fā)電裝機，從而降低整體批發(fā)電力價(jià)格。系統中波動(dòng)性可再生能源裝機量的升高也會(huì )造成能源需求和供應之間的不匹配，因燃煤電廠(chǎng)和核電廠(chǎng)等缺乏彈性的發(fā)電裝機無(wú)法在可再生能源豐富時(shí)段降低出力，迫使可再生能源降低出力，增加可再生能源棄風(fēng)棄光的風(fēng)險。
可再生能源供應和隨時(shí)段變化的電力需求之間的不匹配，再加上缺乏彈性的火力發(fā)電裝機，會(huì )極大地降低可再生能源項目的收益，阻礙它們市場(chǎng)份額的增長(cháng)。例如，在加利福尼亞州和美國中西部地區，可再生能源應用比例的提高、電網(wǎng)擁堵和其他發(fā)電設施缺乏彈性等原因正在造成可再生能源發(fā)電收益的下降。
將可再生能源與需求而不是供應相結合
落基山研究所的最新報告展示了如何通過(guò)利用控制和通信技術(shù)來(lái)管理能源消費，從而解決需求與供應不匹配，以及可再生能源“價(jià)值縮水”的問(wèn)題。一般而言，需求響應技術(shù)僅注重于在高負荷時(shí)段削減負荷，而我們的研究分析了需求彈性在轉移一天中電力消費時(shí)段方面起到的作用，同時(shí)保持一天中電力消費總量不變。
我們在《重塑能源》研究中重塑情景的基礎上，對未來(lái)德克薩斯州高比例可再生能源電力系統每小時(shí)的電力供需情況進(jìn)行模擬。分析結果顯示，在8種家用和商用終端電力負荷中使用需求彈性技術(shù)，將電力需求轉移到可再生能源豐富的時(shí)段能夠平緩凈負荷曲線(xiàn)并降低峰值負荷，極大地降低下午時(shí)段對發(fā)電量爬升的需求。與缺乏彈性需求的系統相比，需求彈性能夠通過(guò)減少棄風(fēng)棄光使可再生能源的價(jià)值提高30%以上，大幅提高開(kāi)發(fā)新建可再生能源項目的吸引力。
圖1：日常需求彈性?xún)糌摵膳c變化
需求彈性不僅可以使需求更好地匹配波動(dòng)性的能源供應，還能夠以比僅依靠燃氣電廠(chǎng)綜合成本更低、碳排放更少的系統來(lái)平衡可再生能源并滿(mǎn)足峰值負荷需求?？傮w來(lái)看，在模擬系統中利用需求彈性能夠每年避免大約20億美元的發(fā)電成本，并減少1/5的二氧化碳排放。這一量級的彈性需求還能夠減少40%的可再生能源棄風(fēng)棄光，降低24%的凈負荷峰值(總負荷減去可再生發(fā)電)，并減少56%的數小時(shí)負荷爬升(“鴨子曲線(xiàn)”)平均幅度。
表1：模型分析結果匯總
將需求彈性納入系統規劃
要完全實(shí)現這些效益，必須將需求彈性作為一種核心資源納入電網(wǎng)和資產(chǎn)規劃的各個(gè)階段。如果在采購決策中沒(méi)有充分考慮需求彈性，可能會(huì )造成燃氣電廠(chǎng)或新建基礎設施的過(guò)度投資，當需求彈性隨著(zhù)機器學(xué)習和數據分析技術(shù)的進(jìn)步而變得更具經(jīng)濟可行性且應用更廣泛時(shí)，這些投資可能會(huì )成為擱淺資產(chǎn)。在設定電網(wǎng)中可再生能源供應份額目標時(shí)，需求彈性能夠通過(guò)大幅提高新建可再生能源裝機的價(jià)值而進(jìn)一步提高之前確定的可再生能源應用上限。將需求彈性與可再生能源項目結合還能夠降低項目開(kāi)發(fā)商和承購商面臨不確定回報時(shí)的部分價(jià)格風(fēng)險。
激勵電力公司和電力用戶(hù)投資需求彈性
一個(gè)多世紀以來(lái)，電力公司收入由服務(wù)成本決定這一監管原則都在鼓勵電力公司優(yōu)先考慮監管部門(mén)列出的能夠納入電費計算的資本投資，因為在傳統商業(yè)模式下這樣能夠帶來(lái)更高的收益。然而，新的監管條例開(kāi)始出現，允許電力公司通過(guò)投資或采購低成本和/或第三方持有的需求彈性并將其作為電網(wǎng)資源來(lái)維持傳統投資回報。這些對傳統電力公司商業(yè)模式的調整將為擴大需求彈性在系統規劃決策中的應用起到關(guān)鍵作用。
能源用戶(hù)在購買(mǎi)新的彈性技術(shù)的決策過(guò)程中也將需要足夠的激勵。其中，價(jià)格補貼能夠降低投資成本，而旨在獎勵電網(wǎng)友好消費方式的分時(shí)電費能夠改善用戶(hù)投資回報。此外，非物質(zhì)性激勵措施，比如增加自動(dòng)化和控制技術(shù)的應用來(lái)提高用戶(hù)體驗，能進(jìn)一步鼓勵用戶(hù)參與電力公司的需求彈性項目。
氣候和用戶(hù)的雙贏(yíng)機遇
美國電網(wǎng)已經(jīng)來(lái)到了十字路口。落基山研究所預計可能有大約半數的現存燃煤、燃氣和核電廠(chǎng)將在今后的15年內退役，造成大量的發(fā)電裝機缺口需要填補。與此同時(shí)，可再生能源價(jià)格正在以比預計更快的速度下降，造成了可再生能源應用率的加速上升。投資新建燃氣電廠(chǎng)來(lái)替代退役電廠(chǎng)以及平衡波動(dòng)的新建可再生能源設施會(huì )在今后的數十年中鎖定大量成本和碳排放。但我們通過(guò)最新研究證明了需求彈性可以成為更清潔、更經(jīng)濟的替代方式，為可再生能源、電力公司和能源用戶(hù)等帶來(lái)新的價(jià)值。
