在中期尺度上,存在著可能的一種變化,那就是通過對現有系統的更新改造或者關停(比如未達到技術壽命的發電機組)來加快系統的結構變化與資產更新。這方面值得探討的是:在中短期,是否需要提前退役嚴重影響系統靈活性的大容量輸電線路以及大容量的煤電機組。
這些廣泛存在的措施的最終目標,在于以經濟有效的方式,保證電力系統在任意地點與時間上的供需平衡。在目前的系統中,通常電網平衡與安全負責的機構(比如調度或者電網)都擁有一定的平衡資源,而發電廠商也在一定的調節范圍內有參與系統服務的義務。超過這些范圍,電力市場也存在著平衡市場,去實現額外的平衡需求的購買與供應服務。在美國的部分電力市場,這一平衡市場還能夠與能量市場聯合優化出清,促進整個電力系統的最優化。
風電出力預測的誤差(fore error)總是存在,相比傳統的可控能源形式,風電往往意味著更多的系統平衡與備用資源。這一平衡的需求,是針對風電預測的誤差,而不是風電的全部。這一增加的程度,從若干歐洲風電大國的經歷來看,是非常有限的。短期來看,風電存在一定程度的保證容量(與地點與負荷特性高度相關,在5%-40%左右),而我國電力系統也存在著較大的冗余。不考慮系統的爬坡速率問題,筆者團隊的初步研究表明,即使目前的電力系統完全不改造,接納年(發電量)10%風電與5%太陽能以上份額在技術上是可行的。目前的可再生能源比例距此還存在相當的距離,仍具有快速發展的現有系統可行性條件,關鍵在于其他問題的解決。
風電并網的成本視角——超越發電成本(LCOE)的系統成本
從一般的角度而言,由于電力的需求是波動的,并且不方便儲存,因此不同的時間上具有不同的價值,在電力需求高的時候價值大,需求低的時候價值小。相對于單一的發電技術,不同特點技術的組合是成本更低的選擇。比如基荷選擇低燃料成本機組(比如核電),尖峰選擇低投資成本(比如天然氣)的是最有效率的。
從不同電源類型的出力特性來看,沒有任何一種電源類型可以完美無縫隙的滿足波動的需求(完全可調節的天然氣機組也存在機組故障風險)。從經濟學價值的角度,我們可以定義一個假想的“電源”類型,具有與需求完全一致的出力特性,也就不需要任何除發電外的成本。那么,其他電源類型,包括傳統的煤電、氣電,也包括風電、太陽能等可再生能源,與這一理想電源的差別,就是這些電源除了本身發電成本之外的“系統成本”。因為,作為波動性的電源,風電要提供充分滿足需求特性的電力,還將存在相比傳統電源更大的系統成本。
以完美跟蹤需求變化的發電技術為參照,系統成本主要將包括三個方面:
1、出力特性與需求特性的差別。風電的保證容量較低,因此風電進入系統并不能等效地降低其他機組的投入,它會減少其他機組的利用時間,增加系統過多冗余的必要性,甚至在某些時刻大過總負荷,這在目前的技術條件下可能導致負的電力價格。這導致系統成本相比不發展可再生能源而增加。可稱之為特性成本(Profile cost)。
2、出力的誤差平衡。風電的出力是波動并具有不確定性的,預測總是有誤差的,因此預測的誤差就需要系統提供額外的容量來平衡。這就需要平衡成本(Balance cost)。
3、風電出力的地域限制與傳輸限制。這一成本也存在于其他的電源當中,也就是電網的傳輸容量限制,或者缺乏,必須為了風電能夠充分上網而投資或者擴建。這就對應網絡成本(Grid cost)。
以上的三項成本,基本隨著可再生能源的份額增加而增加,但是其具體的大小仍取決于電力系統的特點,取決于系統中各項技術的互動。一般而言,特性成本往往是三項成本中最大的。從程度上,可再生能源的隨機性與間歇性,也決定了它們的系統成本,往往要大于傳統的可控化石能源機組,特別是具有良好調節性能的機組。
必須指出的是,這些成本是客觀存在的,但是這是系統特點與風電出力的特點所決定的,并不是市場失靈,不需要任何的政府政策干預。在起作用的電力市場中,這種成本自然會顯現并由相應的承擔主體。比如由于風電出力的時候市場價格低,而風電不出力的時候市場價格高,那么平均來看,風電的單位發電收益水平就比不上具有靈活調節性能的天然氣;風電出力預測有誤差,其業主就必然需要在平衡市場購買相應的平衡服務,以實現自己此前向市場的發電承諾;系統需要為大規模的風電出力波動提供更高水平的旋轉備用等資源,這一系統服務也必然會以某種形式(比如分攤到輸配成本、風電自身承擔、調度收費)得以消化。