德國傳統(tǒng)能源發(fā)電行業(yè)面臨的需求曲線：2014

從控制污染、降低我國能源的國際依賴和鼓勵自主開發(fā)核心能源技術(shù)的角度，恐怕沒有多少人會質(zhì)疑發(fā)展新能源電力的必要性。在過去的十年里，我國新能源發(fā)電從無到有，取得了巨大的進步。根據(jù)國家發(fā)改委的數(shù)據(jù)，到2018年年底，我國全國風(fēng)電、光伏裝機達到3.6億千瓦，占全部發(fā)電裝機容量的近20%；風(fēng)能和太陽能發(fā)電在我國發(fā)電總量中的比重，達到接近9%。

好消息不限于此。我國風(fēng)電和光伏電站的平均建設(shè)成本也逐年降低。2017年投產(chǎn)的風(fēng)電、光伏電站平均建設(shè)成本比2012年分別降低了20%和45%。據(jù)報道，目前在資源條件優(yōu)良、建設(shè)成本低、投資和市場條件好的地區(qū)，風(fēng)電、光伏發(fā)電成本已達到燃煤標(biāo)桿上網(wǎng)電價水平，具備了不需要國家補貼平價上網(wǎng)的條件。

在這些背景下，國家發(fā)改委能源所發(fā)布的《中國可再生能源發(fā)展路線圖2050》中提出了我國新能源發(fā)電的宏偉目標(biāo)：到2050年，即使在基本情景，風(fēng)電和光伏電站的發(fā)電量，要分別達到2萬千瓦時和2.1萬千瓦時。單從發(fā)電成本，并結(jié)合歷史的發(fā)展確實，這個目標(biāo)的設(shè)定似乎沒有什么不妥。但是，如果考慮到電網(wǎng)運營的實際狀況，和我國新能源電力電網(wǎng)傳輸?shù)睦щy，這個目標(biāo)的實現(xiàn)需要克服幾個突出的困難。清醒的認識，并提出解決這些困難的切實可行的方案，是實現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)的前提條件。否則，只能是造成供需錯配、投資和資源浪費的情況。

本文主要闡述兩個核心的困難。

供需在地理空間上的錯配

我國新能源供應(yīng)和能源需求呈逆向分布。我國80%以上的風(fēng)能資源分布在“三北”地區(qū)：西北、華北和東北；太陽能資源也是“高原大于平原、西部大于東部”。但在需求方面，75%以上的能源需求集中在東部、中部地區(qū)。“三北”地區(qū)新能源近年來是爆發(fā)式增長：“三北”總負荷僅占全國總負荷的36%，卻集中了全國75%的新能源裝機。

在“三北”整體新能源電力供給過剩的情況下，電力輸送通道不足是新能源行業(yè)出現(xiàn)棄風(fēng)和棄光現(xiàn)象的直接原因。目前的電能大規(guī)模存儲的技術(shù)瓶頸并沒有解決。在歐美，新能源發(fā)電行業(yè)的發(fā)展是搞分布式能源，遵循“分散接入，就地消納”的思路。但中國的居民住宅主要是樓宇，而不是西方獨立分布的房屋，以住戶為單位的分布式能源無法實現(xiàn)。再加上人口稠密的東部和南部的風(fēng)力和光伏資源并不豐富，風(fēng)力和光伏主要在人口稀疏的北部和西部地區(qū)，所以中國新能源發(fā)電的并網(wǎng)，長期遵循“大基地建設(shè)，大規(guī)模送出”的思路。這就需要中國具有從北向南、從西向東的長途電力運輸?shù)哪芰Α?/p>

目前長途電力運輸能力的不足，是導(dǎo)致棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象的主要原因。2018年年底全國并網(wǎng)風(fēng)電、光伏裝機占全部裝機容量的20%，但發(fā)電量不足9%。在多年的努力之下，2017年年底，全國棄風(fēng)、棄光電量仍然分別達419億千瓦時、73億千瓦時，棄風(fēng)棄光率各為12%和6%，甘肅、新疆、吉林的棄風(fēng)比例甚至高達33%、29%和21%。

未來中國，是否應(yīng)該大力發(fā)展長途運輸新能源電力的能力？這里面首先是個成本的問題。其次，是在長途輸送的電力損耗的問題。特高壓輸電技術(shù)能否成為一道良方，取決于在準確評估電力損耗的基礎(chǔ)上，細致的成本和收益分析。

風(fēng)電、光電與電網(wǎng)系統(tǒng)的整合

風(fēng)電、光電的隨機性與波動性，使得把風(fēng)電和光電整合進目前的電網(wǎng)系統(tǒng)，有非常大的技術(shù)和經(jīng)濟上的難度。首先，即使在同一地點，每天風(fēng)能和太陽能的強度都各不相同。這需要在沒有風(fēng)和太陽的日子，傳統(tǒng)能源能夠有效地提供替代。為了使這種替代平滑順利，不引致電力系統(tǒng)的運行困難，就需要提前做好調(diào)度安排，這就要求能夠準確地預(yù)測風(fēng)能和電陽能的強度。這種預(yù)測不是平均意義上的，而是要在每天甚至每小時的刻度上進行。

其次，是在一天之內(nèi)，每個時段風(fēng)能和太陽能的強度很大的差異。德國是過去一段時間太陽能發(fā)展最為迅猛的國家，在日本福島事故之后，德國更是停止了核能的發(fā)展，著力打造太陽能。但是發(fā)展到現(xiàn)在，德國也不得不停滯甚至發(fā)生倒退。主要的原因就是不能很好處理太陽能每天強度變化，給電網(wǎng)調(diào)度的帶來的問題。本文圖表非常形象地說明了這個現(xiàn)象。

倫敦大學(xué)國王學(xué)院政策研究所主席巴特勒說，在改變能源行業(yè)的技術(shù)進步中，可能沒有哪一項比能源儲存更重要了。

該圖中虛線表示一天之內(nèi)電力的總需求，黑線表示傳統(tǒng)能源（除去太陽能發(fā)電）所需要提供的電力。因為太陽光線在中午最為強烈而早晚不足，在光電上網(wǎng)的情況下，來自傳統(tǒng)能源的發(fā)電要在早晚保持高負荷，才能滿足生產(chǎn)和生活的電力需求；但是在中午光能強的時段，傳統(tǒng)電力的負荷要迅速降下來，才能保證光電的正常上網(wǎng)。也就是說，為了能夠接納太陽能的發(fā)電，要求傳統(tǒng)的火電在一天之內(nèi)，在特定時間內(nèi)迅速把負荷降下，然后在特定時間迅速把負荷提上去。這樣頻繁并且大幅度的負荷調(diào)整，在技術(shù)上非常困難，同時經(jīng)濟上的成本也非常高。此外，類似的負荷問題不僅發(fā)生在一天之內(nèi)（intra-day），也存在于不同天之間（inter-day），特別是季節(jié)、天氣變化之類的影響（見圖中夏季和冬季電力的對比）。

未來之路：能源預(yù)測和儲存

認識困難的目的不是裹足不前，而是提醒行動不至于莽撞。要解決這個問題有兩個最有效的辦法，首先是能夠準確預(yù)測風(fēng)能和電陽能的強度；其次是能盡快實現(xiàn)能源儲存技術(shù)的突破，并準確評估能源儲存能力、新能源發(fā)電量和電網(wǎng)穩(wěn)定性之間的匹配度和系統(tǒng)效果。

目前對于風(fēng)能和太陽能的預(yù)測極大依賴于氣象學(xué)的數(shù)據(jù)，氣象學(xué)本身對風(fēng)速、風(fēng)向預(yù)測的精準度不需要達到小時級別，而電能由于儲存成本高，對即時預(yù)測準確性的要求更高，所以如果能夠提高風(fēng)速等指標(biāo)的預(yù)測精度，將極大促進風(fēng)能的預(yù)測，也有利于各種電能之間的協(xié)調(diào)。

風(fēng)力發(fā)電的主要影響因素就是風(fēng)速和風(fēng)向。對風(fēng)力發(fā)電的預(yù)測也分為短期、中期和長期三大類別。使用的模型主要有三大類模型：物理學(xué)、氣象學(xué)、統(tǒng)計學(xué)。主要思路都是基于已有風(fēng)速來預(yù)測風(fēng)力發(fā)電量，所以風(fēng)速的信息對風(fēng)力發(fā)電量的預(yù)測至關(guān)重要。短期內(nèi)對風(fēng)速的預(yù)測最快捷有效的模型是基于統(tǒng)計學(xué)，從成本和操作角度來說都是最方便的。

倫敦大學(xué)國王學(xué)院政策研究所主席巴特勒說，在改變能源行業(yè)的技術(shù)進步中，可能沒有哪一項比能源儲存更重要了。上文提到的新能源發(fā)電會給電網(wǎng)調(diào)度帶來巨大的挑戰(zhàn)，原因就是電網(wǎng)必須保持供給和需求在每個時間點上的平衡。如果太陽能在白天的時候被轉(zhuǎn)化成電能，儲存起來，到晚上使用，這樣電網(wǎng)調(diào)度就非常容易了。

但遺憾的是，雖然能源儲存在電動車行業(yè)的發(fā)展中，有了長足的進步，但從目前來看，在滿足居民生活和工業(yè)生產(chǎn)這個規(guī)模上的能源儲存，還沒有看到曙光。筆者在2018年訪問麻省理工學(xué)院，深刻感受到能源儲存已成為美國學(xué)界和工業(yè)界的主攻方向，相信在未來會有大的發(fā)展。但是能源儲存的量，會有一個從無到有、從少到多的發(fā)展。所以，如何更準確地模擬和預(yù)評估新能源發(fā)電量、能源儲存能力，以及接入電網(wǎng)之后整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性效果，就成為一個非常重要的問題。這需要建立準確的仿真模型乃至數(shù)字孿生平臺去評價相應(yīng)政策手段的效果。