可再生能源发电就像是悬在火电头上的「达摩克利斯之剑」

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可再生能源发电就像是悬在火电头上的「达摩克利斯之剑」

图片:Jürgen from Sandesneben / CC BY

可再生能源发电和现有化石能源发电矛盾吗?

Kevin Zhang,“你Ph.D.还没毕业?” Rua

先抛出我的观点:化石能源发电会视可再生能源发电为悬在自己头上的达摩克利斯之剑,让化石能源发电陷入了死亡螺旋(death spiral),但是在现有储能技术的限制和电网运行的要求暂时给部分“优质”火电留了一条生路

为什么?(下文用火电代指化石能源发电)

1. 电力需求的供给关系和清算机制

有一些电力相关知识的人应该知道,电力的供需是必须实时平衡的。那么我来说一下最简化最理想化的电力价格清算机制,如下图所示(这里说明一下,接下来一段的分析都是省略了一切外部条件,单纯从供需关系入手):

我稍微解释一下本图,横轴代表着接下来一个市场清算周期(英国为半小时)里叠加的可发电量或用电需求,而纵轴代表单位发电量报价或单位电力需求报价。至于图上的曲线,阶梯型的曲线是指系统发电机组的报价叠加曲线,叠加过程是从风电,太阳能和核电等低运营成本(OPEX)低报价的发电机组到最贵的燃气机组。而斜杠线是电力需求的价格弹性曲线(涉及经济学知识,我就不详细介绍,有兴趣的请自行搜索)。然后电力市场的基本清算机制就是找到需求和发电的交叉点,则可以得出这一清算周期应发电量和边际电力价格(marginal cost)。所有在此点之前的发电机组将会统一收到其发电量乘以边际价格的报酬,而这一点之后的机组全部停发。所以人们之前对风电的定义为"Price taker",因为清算的边际价格是由火力发电(图中为 condensing plants)决定的,市场给出什么价,风电就得接受什么价。

那么问题来了,当风力发电增多时边际电力价格会怎么变化呢?

图中的虚 / 实阶梯线分别代表着低 / 高风力发电时的发电机组报价曲线,假设此时的需求曲线是最右的 Peak 斜线,我们可以看到风力发电增多时,边际价格从 A 降低到 B 了。那如果风力发电量非常非常大呢?边际价格可能会近一步下降到 C。这个时候我们可以说风电从“Price taker”变成“Price maker”了,市场的清算边际价格很大程度上就由风电定了。

这里就有人会说:“清算边际价格下降不是好事情么”?对用户来说,是的。而且风电其实无所谓,英国的风电有 CfD(Contract for Difference)补贴,保证他们的效益。但是火电就这样一步一步的被挤出清算区间了,从点 A 的燃气机组,到点 B 的凝汽式机组,到 C 点完全被挤出。这也就是国内经常说的,“火电年平均利用小时数不足 4000 到不足 3500 再到不足.....(你懂的)”。

所以总结一下第一点,在新能源大量接入的背景下,通过保证上网时间来为火电获取足够利润的方式已不可取。

2. 电力系统的运行安全

大家都知道新能源发电最大的特点就是输出的变化大和不可预测性。所以系统调度需要一定的备用容量,以防止新能源输出不及预期。备用容量一般是一定数量的火力机组半载运行(火电明明能全发,结果被逼得半发,也是很不开心)。在英国,火电机组上网速度的快慢决定了其所能参与的备用服务,并对应着所能获得的报酬的高低(有歧义,不展开说)。

举个最近的栗子,英国国网在今年(16年)9月14日曾开出了比正常清算价格(£40/MWh)高24倍的价格(£999/MWh)。造成的原因是风力发电量很低,EDF 的核电机组突然关闭以及跟法国的 interconnector 的部分中断。系统估计都调用了柴油发电机以保证电力供应。

以上能引出第二点:火电未来的盈利方向:为系统提供备用服务将成为利润的重要组成部分,而高质量的机组(比如上网速度快)才能在备用服务竞争中更具优势。还有在市场机组资源稀缺的时候调高定价狠狠捞一笔(需要准确判断形势,一旦超出市场清算价格就....会怎么样?考你们一个_(┐「ε:)_

3. 规章制度的制定

从上文可以看出,从电网安全角度来说,保持一定的火电机组是必须的。因为新能源发电是不稳定的,而且储能设备现阶段成本过高,无法大规模部署,再遇上个无风加日食,系统没有足够的常规机组肯定就崩溃了。(可能是千年等一回,但发生了的话,经济损失可无法估量)

但是火电机组总是不盈利,调度你总不能让人家一直干等着亏钱呀?所以英国的电力市场管理者 ofgem 提出了一个新的补贴种类,叫做 capacity market。这个设计简要的说就是让一些“优质”火电机组别退役,你不上网不发电我也给你钱。保证系统有足够的备用机组。

就此引出第三点:当前的大环境下,火电是弱势群体。电力市场规章制定机构应对合适的火电机组(一般指 CCGT)给予一定的经济激励,以保证电力系统的安全运行和避免 scarcity(这里特指供电短缺)的发生。

提了这么多,应该也就不难理解为什么有的人喜欢称火电之外的发电为“垃圾电”了吧。(╯°Д°)╯︵ /(.□ . \)

综上所述可再生能源发电就像个不懂事的小媳妇儿,一边抢着火电碗里的肉还想着喝火电的汤。那边火电想离婚休妻,爹妈(电力调度)又不让。

最大的受益者?当然是储能设备,例如抽水蓄能啦,还有 interconnector。通过峰谷购电峰顶卖出赚取价差或是引进相邻系统的便宜电力,同时为系统提供一定的备用服务赚取佣金。

等等,上文提的都是教火电赚钱,那么这钱从哪来?当然是用户啦。羊毛出在羊身上。大规模部署可再生能源发电和核电能降电费?大兄弟 / 大妹子,你可能真的想多了。

注:上文的分析条件基于英国电力市场的运行条件,毕竟这很有成为中国电改未来的方向之一。由于答主运用的知识都是在英文背景下学习的,所以翻译上可能存在不准确的地方。如果有知友了解一些专有名词并发现用词不当的地方,还望指出,谢谢。

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