隨著美國燃煤發(fā)電量穩(wěn)步下降，哪種能源將最終替代煤炭來滿足美國電力需求的問題仍然沒有答案。因過去十年開采技術(shù)不斷進步而價格低廉的天然氣是一個潛在候選。而技術(shù)的突破性進展和創(chuàng)新商業(yè)模式的出現(xiàn)使無論大規(guī)模還是分布式風(fēng)電和太陽能發(fā)電項目的長期價格屢創(chuàng)新低，他們也成為了天然氣發(fā)電的強勁競爭對手。

這些趨勢可能并不是互相排斥的。事實上，許多電力行業(yè)參與者認(rèn)為天然氣和可再生能源可以攜手共同發(fā)展。多年來，美國電力公司和系統(tǒng)運營商一直主張通過修建天然氣發(fā)電裝機能夠有效平衡波動的可再生能源并滿足峰值負(fù)荷，還指出了電網(wǎng)內(nèi)可再生能源發(fā)電比例也許存在“上限”。此外，風(fēng)能和太陽能資源豐富時會降低能源價格，這種“優(yōu)先順序效應(yīng)”會降低可再生能源項目開發(fā)的投資回報率，并有可能進一步限制它們在整個發(fā)電系統(tǒng)中所占的比例。

但是，這一分析僅描述了供應(yīng)側(cè)的情況而忽視了需求側(cè)的彈性。落基山研究所在最新報告《需求彈性：實現(xiàn)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?xì)怆姀S成本更低、污染更少的替代品來平衡電網(wǎng)中的可再生能源。我們通過模擬在大范圍地理區(qū)域內(nèi)調(diào)度需求彈性，將一天之中用電需求高但可再生能源供應(yīng)不足時段的電力消費轉(zhuǎn)移到可再生能源供應(yīng)充足的時段。研究發(fā)現(xiàn)，與依賴于燃?xì)獍l(fā)電相比，這種策略能夠顯著地降低用戶成本，減少可再生能源棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，降低峰值需求和碳排放。

為什么提高可再生能源發(fā)電裝機比例會限制其自身經(jīng)濟效益

由于運營成本低廉，新增可再生能源裝機常常會替代電網(wǎng)中成本更高的發(fā)電裝機，從而降低整體批發(fā)電力價格。系統(tǒng)中波動性可再生能源裝機量的升高也會造成能源需求和供應(yīng)之間的不匹配，因燃煤電廠和核電廠等缺乏彈性的發(fā)電裝機無法在可再生能源豐富時段降低出力，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(yīng)和隨時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，會極大地降低可再生能源項目的收益，阻礙它們市場份額的增長。例如，在加利福尼亞州和美國中西部地區(qū)，可再生能源應(yīng)用比例的提高、電網(wǎng)擁堵和其他發(fā)電設(shè)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(yīng)相結(jié)合

落基山研究所的最新報告展示了如何通過利用控制和通信技術(shù)來管理能源消費，從而解決需求與供應(yīng)不匹配，以及可再生能源“價值縮水”的問題。一般而言，需求響應(yīng)技術(shù)僅注重于在高負(fù)荷時段削減負(fù)荷，而我們的研究分析了需求彈性在轉(zhuǎn)移一天中電力消費時段方面起到的作用，同時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(chǔ)上，對未來德克薩斯州高比例可再生能源電力系統(tǒng)每小時的電力供需情況進行模擬。分析結(jié)果顯示，在8種家用和商用終端電力負(fù)荷中使用需求彈性技術(shù)，將電力需求轉(zhuǎn)移到可再生能源豐富的時段能夠平緩凈負(fù)荷曲線并降低峰值負(fù)荷，極大地降低下午時段對發(fā)電量爬升的需求。與缺乏彈性需求的系統(tǒng)相比，需求彈性能夠通過減少棄風(fēng)棄光使可再生能源的價值提高30%以上，大幅提高開發(fā)新建可再生能源項目的吸引力。

圖1：日常需求彈性凈負(fù)荷與變化

需求彈性不僅可以使需求更好地匹配波動性的能源供應(yīng)，還能夠以比僅依靠燃?xì)怆姀S綜合成本更低、碳排放更少的系統(tǒng)來平衡可再生能源并滿足峰值負(fù)荷需求。總體來看，在模擬系統(tǒng)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(fù)荷峰值(總負(fù)荷減去可再生發(fā)電)，并減少56%的數(shù)小時負(fù)荷爬升(“鴨子曲線”)平均幅度。

表1：模型分析結(jié)果匯總

將需求彈性納入系統(tǒng)規(guī)劃

要完全實現(xiàn)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(guī)劃的各個階段。如果在采購決策中沒有充分考慮需求彈性，可能會造成燃?xì)怆姀S或新建基礎(chǔ)設(shè)施的過度投資，當(dāng)需求彈性隨著機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的進步而變得更具經(jīng)濟可行性且應(yīng)用更廣泛時，這些投資可能會成為擱淺資產(chǎn)。在設(shè)定電網(wǎng)中可再生能源供應(yīng)份額目標(biāo)時，需求彈性能夠通過大幅提高新建可再生能源裝機的價值而進一步提高之前確定的可再生能源應(yīng)用上限。將需求彈性與可再生能源項目結(jié)合還能夠降低項目開發(fā)商和承購商面臨不確定回報時的部分價格風(fēng)險。

激勵電力公司和電力用戶投資需求彈性

一個多世紀(jì)以來，電力公司收入由服務(wù)成本決定這一監(jiān)管原則都在鼓勵電力公司優(yōu)先考慮監(jiān)管部門列出的能夠納入電費計算的資本投資，因為在傳統(tǒng)商業(yè)模式下這樣能夠帶來更高的收益。然而，新的監(jiān)管條例開始出現(xiàn)，允許電力公司通過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)資源來維持傳統(tǒng)投資回報。這些對傳統(tǒng)電力公司商業(yè)模式的調(diào)整將為擴大需求彈性在系統(tǒng)規(guī)劃決策中的應(yīng)用起到關(guān)鍵作用。

能源用戶在購買新的彈性技術(shù)的決策過程中也將需要足夠的激勵。其中，價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電費能夠改善用戶投資回報。此外，非物質(zhì)性激勵措施，比如增加自動化和控制技術(shù)的應(yīng)用來提高用戶體驗，能進一步鼓勵用戶參與電力公司的需求彈性項目。

氣候和用戶的雙贏機遇

美國電網(wǎng)已經(jīng)來到了十字路口。落基山研究所預(yù)計可能有大約半數(shù)的現(xiàn)存燃煤、燃?xì)夂秃穗姀S將在今后的15年內(nèi)退役，造成大量的發(fā)電裝機缺口需要填補。與此同時，可再生能源價格正在以比預(yù)計更快的速度下降，造成了可再生能源應(yīng)用率的加速上升。投資新建燃?xì)怆姀S來替代退役電廠以及平衡波動的新建可再生能源設(shè)施會在今后的數(shù)十年中鎖定大量成本和碳排放。但我們通過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等帶來新的價值。