作者:李清波 来源:中国科学报微信公众号 发布时间:2023/8/16 20:36:04
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碳中和与低电价,二者能兼得吗?

 

“自由电力市场下,人们很可能享受不到太阳能、风能等清洁能源带来的便宜电价。而且,储能的发展有可能与碳中和目标渐行渐远。”

近日,英国剑桥大学博士生秦鑫作为第一作者在《焦耳》发表论文,提出上述颠覆常识的结论。但论文同时指出,碳中和与便宜电价,对美国而言可能将面临二选一,而中国通过后发优势有机会避开美国踩过的坑。

该工作由太原理工大学教授孙宏斌团队与美国哥伦比亚大学助理教授徐博伦团队、剑桥大学教授Ioannis Lestas团队、清华大学清华-伯克利深圳学院教授郭烨团队合作完成。

“断层”学科焕发生机

初入剑桥大学的秦鑫发现,在这所大学里,研究电力系统的教授,年龄差距非常明显:要么不到40岁,要么年过花甲甚至古稀。不到35岁的徐博伦在美国也发现了同样的现象。

教授年龄断层的背后,揭示了电力市场设计这门学科所处的境地。美国工程院评选的20世纪对人类社会生活影响最大的20项工程技术成就中,电力系统排在首位。然而三四十年来,传统电力系统基本停滞不前,无法吸引人才。

电力系统是构成整个社会传输能量的大动脉,“牵一发而动全身”是其最显著特点。该系统既要求安全、高效,现在又要求重视低碳,是人类自创的最复杂的动态系统,也是黑客最感兴趣的“软肋”。

一个经典案例极具代表性。曾经,加拿大温哥华一个发电机组出现小规模震荡,蝴蝶效应传至数千里,最后在美国加利福尼亚州演化为一场停电事故。电力系统这“牵一发而动全身”的特点,放在交通等其他系统里几乎不可想象,就像一场汽车追尾事故能影响另一个省的高速路网络。

秦鑫假设,如果有一天人工智能诞生了自我意识,能够如科幻片中描述的那样统治世界,那么电力系统将是人类最后的防线。因为没有电,人工智能的一切都无从谈起,而电力系统的复杂程度,更令今天的人工智能暂时难以攻破。

“希望我们能跑赢黑客和有自主意识的人工智能。”博士二年级,秦鑫继续用数学、计算机工具分析、诊断、修复这张最复杂的网。

电价和碳减排不可兼得

储能是电网里的大型“充电宝”,风电、光伏等新能源都是“看天吃饭”,发电量具有波动性、间歇性,而有了这个“充电宝”,就可以在电量丰足时吸收余电、在电量亏欠时放电补能。为了减少波动,当风电、光伏装机量大踏步前进时,很多国家的储能设施也在同步兴建。

储能稍微改变了一些电力市场的游戏规则,但是谁也无法精确测算出它的影响有多大。

徐博伦在美国麻省理工学院做博士后时研发出一套用于储能参与电力市场竞价的算法,运算速度非常快。以此为基础,他想把储能的市场定价模型、市场出清模型和电力系统市场运行模拟平台结合到一起,预测储能增加后的定价盈利模式,以及它在电力系统中的表现。

在更庞大复杂的系统里增加了关键变量,模拟结果定然超乎想象。

储能在市场中就像个投机商,每天要和火力机组竞争比价,把电卖给电网。今天从新能源风电、太阳能那里进点货,明天再高价卖出赚差价。左右储能报价的是一只“看不见的手”——系统成本、碳排放需求、储能竞价、发电机竞价、负荷需求和可再生能源份额等多种因素叠加,市场瞬息万变。

徐博伦在模拟中发现,当储能作出自认为“准确”的形势预判后,给终端用户报出一个看似合理的价格,当这个价格高于竞争对手火力机组,储能就会基于自身利益,把市场拱手相让,任由火力机组去发电,完全不顾减少火力机组、使用低碳能源的初衷。

储能不仅肩负保持电网稳定的职责,还有降低用电成本、减少碳排放两大任务。前者是技术问题,后者本质上是市场机制问题。

徐博伦说,储能参与电力市场存在饱和效应,即到了一个极限值,增加储能容量可能会加大运行成本和碳排放。这就意味着,不仅用户电费上涨,电网也不“脱碳”了。

更多的储能需要调动额外的资源去抵消波动,最后的成本压力都会转嫁到用户身上。如果市场机制不调整,便宜电价和清洁能源坐上了跷跷板,美国将面临保用电成本和保碳中和目标二选一的艰难抉择。

因为新能源发电量攀升势头太猛,徐博伦的结论揭示了原本几年后才会发生的现象。这是全世界电力市场领域第一篇直接表达“储能在市场参与中会对电力系统起反作用”观点的学术论文。

摸着石头过河

在电力行业专家眼里,这篇论文像经济学论文;而在经济学家眼里,该论文又具有电力行业的烙印。这篇另类文风的论文,放在综合性期刊中也是别具一格。

随着研究的深入,研究人员抛弃满篇的数据和公式,将全文内容重新替换了好几遍,使文章读起来通俗易懂。浅显的文字背后则是来之不易的数据以及对电力市场深邃的洞察力。

徐博伦经常与美国各州的电网公司打交道,一方面与企业探讨新能源储能给电力市场设计带来的新挑战,一方面帮助产业界解决实际问题。他还参与了数个州电网和电力公司的科研项目。

据他观察,美国的电力自由市场像是诸侯争霸,各有特色,而我国的电力市场早已实现了大一统。徐博伦收集了已公开的美国得克萨斯州、加利福尼亚州和新英格兰地区,以及澳大利亚和德国等国家的拓扑数据,作为研究的切入点。

浓缩简化后的拓扑数据既能反映市场整体面貌,又不会暴露安全和隐私问题。拓扑数据相当于燃油车,新能源发电和用电数据相当于汽油,有车没油、有油没车都跑不动。完整的数据集对市场研究非常关键。

储能在复杂模型下展示出的趋势,让徐博伦开始思考如何在市场机制方面作出调整,这项极为烦琐的工作只能通过论文贡献一些思路,更多是要通过政策激励引导储能合理参与电力市场。

具体怎么改?美国曾经用过两个办法:一个是给储能补贴,鼓励同时兴建新能源和储能设备;另一个是通过法律和政策推进改革,但是阻力极大。

徐博伦表示,如果未来有碳交易市场或碳税等机制,储能的盈利手段就会更多,也会更容易权衡经济和环境效益。还有一种手段是储能因为帮助接纳新能源而获得补贴,不过这样做的前提是在一个大电力系统中量化某一个储能系统的贡献,这在技术上还无法实现,因为我们无法记录自己用的每一度电是来自风电还是光伏。

由于各个国家和地区的实际情况差异较大,徐博伦暂时无法给每个国家提出更具体的指导建议,但是推演的结论具有普适性,并且还有更广阔的研究空间。

太原理工大学副校长孙宏斌认为,我国正处于电力市场建设的早期,储能和电力市场设计的关系是一个需要及早考虑且挑战重重的课题。“我们拥有后发优势,一定可以设计出更合理、更灵活的电力市场,既能用上便宜的新能源,又能加快实现碳中和。”

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.05.014

 
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