棄風(fēng)棄光是當(dāng)下風(fēng)電和光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)之一，造成棄風(fēng)棄光的典型原因是電網(wǎng)靈活性不足，這有時(shí)是不可避免的，這也常常被用來解釋為什么可再生能源利用率較低的國家，想要在電力系統(tǒng)中大幅增加可再生能源發(fā)電比例也非常困難。
但流行的解釋未必就是對的。事實(shí)上，許多已建設(shè)備本可以實(shí)現(xiàn)更具靈活性的運(yùn)營，但因?yàn)闆]有動(dòng)力去做技術(shù)改造而作罷。本文以熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用較為成功的丹麥為例，展示了如何通過不斷克服“技術(shù)局限”，提高電力系統(tǒng)整體靈活性，從而大幅減少棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。這其中的關(guān)鍵，是丹麥監(jiān)管當(dāng)局通過重塑電力市場結(jié)構(gòu)，刺激電廠積極開發(fā)新技術(shù)和管理解決方案，從而提高其運(yùn)行靈活性和利潤最大化。
這一舉措使得丹麥擁有了世界上最高的風(fēng)電比例——42%，同時(shí)將棄風(fēng)現(xiàn)象減少到可以忽略的水平。
熱電聯(lián)產(chǎn)靈活性不足帶來?xiàng)夛L(fēng)棄光
幾十年來，丹麥很大一部分電力是通過被公認(rèn)為最缺乏靈活性的熱電技術(shù)提供的，即熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）。顧名思義，熱電廠具有同時(shí)向用戶提供熱力和電力的雙重職責(zé)，這也正是其缺乏靈活性的原因：當(dāng)熱電廠提供熱力時(shí)，就必須同時(shí)生產(chǎn)電力。因此在冬季，當(dāng)熱電廠為了提供熱力而持續(xù)運(yùn)行時(shí)，它也在不斷向電網(wǎng)輸送電力——無論電力需求是否存在。因此，當(dāng)電力需求量很低，風(fēng)電充足，而熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組又必須運(yùn)行時(shí)，電力系統(tǒng)運(yùn)營商必須優(yōu)先滿足供熱需求（即優(yōu)先使用機(jī)組同時(shí)生產(chǎn)的電力），不得不放棄更具經(jīng)濟(jì)性的風(fēng)力發(fā)電。
由于具備超高的能效，熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)對于許多國家實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)至關(guān)重要，尤其是處在寒冷氣候帶的國家。由于熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)將發(fā)電過程中產(chǎn)生的余熱（通常是被浪費(fèi)的）用于供熱，對于分別生產(chǎn)電力和熱力，熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)能夠節(jié)約30%左右的化石燃料，提高了整體的能效。
中國熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)在靈活性方面的欠缺對可再生能源并網(wǎng)帶來了極大的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致了在供熱需求較高的東三省地區(qū)棄風(fēng)棄光現(xiàn)象比較嚴(yán)重。2015年至2016年間，中國全國棄風(fēng)棄光率分別達(dá)到了17%和10%，相當(dāng)于浪費(fèi)了風(fēng)電和太陽能電力行業(yè)341億元人民幣的營收。雖然丹麥的風(fēng)電裝機(jī)及發(fā)電比例遠(yuǎn)超過中國一些因熱電聯(lián)產(chǎn)而棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重的省份（如風(fēng)電比例達(dá)到17%的吉林省），但其電網(wǎng)當(dāng)前的棄風(fēng)率僅為0.2%（吉林省2016年棄風(fēng)率為30%）。
市場機(jī)制刺激技術(shù)升級
丹麥在其風(fēng)電比例尚未達(dá)到如今的高度時(shí)就意識到了熱電聯(lián)產(chǎn)缺乏靈活性的問題——用戶的電力需求常常與供熱需求并不一致，尤其是在夜間，溫度驟降（供熱需求升高，因此熱電聯(lián)產(chǎn)電力產(chǎn)量也升高），但企業(yè)停工、居民入睡（電力需求降低）。經(jīng)過深入研究，丹麥人逐漸開發(fā)了一系列得以廣泛應(yīng)用的技術(shù)解決方案，幫助解決供熱與電力需求不匹配的問題：
* 存儲熱力供以后使用，這意味著電力生產(chǎn)可以擺脫供熱需求的影響。
* 在電力供應(yīng)過剩而供熱需求未被滿足時(shí)，電熱鍋爐和熱泵可以將電力轉(zhuǎn)換為熱力。
* 作為最后的手段，以降低綜合能效為代價(jià)，可以打開旁通閥讓熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組將蒸汽導(dǎo)向渦輪四周，從而只生產(chǎn)熱力而不生產(chǎn)電力，這比原來同時(shí)生產(chǎn)熱力和電力時(shí)燃燒更少的燃料。
雖然這些技術(shù)解決方案十分關(guān)鍵，但丹麥人更重要的創(chuàng)新在于他們部署這些技術(shù)的方式。丹麥并沒有強(qiáng)制推行這些技術(shù)解決方案，而是依靠市場的力量激勵(lì)運(yùn)營商改造熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備并調(diào)整它們的運(yùn)營，使其更具靈活性。
丹麥早在1999年就引入了競爭性電力市場，當(dāng)時(shí)并未將熱電聯(lián)產(chǎn)電廠并入這些市場，因?yàn)樗麄儗崃?yīng)視為公共福利，認(rèn)為其不應(yīng)受到市場力量控制。對電網(wǎng)來講，這意味著供熱需求在任何時(shí)刻都控制著來自熱電廠的最低水平電力供應(yīng)，限制電網(wǎng)使用其他成本更低的發(fā)電方式。雖然熱電廠能夠提高其出力水平，但出力水平的降低程度是受技術(shù)限制的。由于熱電聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)先級高于低邊際成本的風(fēng)電和太陽能電力，電力系統(tǒng)必須選擇并網(wǎng)優(yōu)先級別高的熱電聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)的電力，造成了棄風(fēng)棄光現(xiàn)象的發(fā)生。簡而言之，熱電廠被認(rèn)為是“必須運(yùn)行”的發(fā)電機(jī)組。
但隨著不斷開發(fā)新的技術(shù)解決方案，“必須運(yùn)行發(fā)電機(jī)組”的概念受到了質(zhì)疑。丹麥決定分解對熱電聯(lián)產(chǎn)的調(diào)度決策：熱力供應(yīng)繼續(xù)作為受監(jiān)管的公共服務(wù)，但對電力生產(chǎn)則開始引入市場機(jī)制。這意味著熱電聯(lián)產(chǎn)的熱力供應(yīng)將與過去一樣，按照用戶實(shí)際使用的熱量、以規(guī)定的費(fèi)率得到補(bǔ)償，但熱電聯(lián)產(chǎn)的電力生產(chǎn)必須在批發(fā)電力市場中收回成本。
這一變革的結(jié)果是：對于燃燒的每噸煤炭而言，來自熱力的收益只能收回燃料的部分成本。熱電廠生產(chǎn)的電力必須接受市場價(jià)格，這意味著在電價(jià)較低時(shí)（風(fēng)力資源豐富及需求量較低），熱電廠將無法回收他們的全部邊際成本，但當(dāng)電價(jià)較高時(shí)（電力市場價(jià)格上升反映了電力供應(yīng)的不足），熱電廠則能夠獲得更高收益。在這個(gè)系統(tǒng)中，熱電廠必須更具靈活性才能獲得最大收益：在低電價(jià)時(shí)段盡量降低電力生產(chǎn)，而在高電價(jià)時(shí)段最大化電力生產(chǎn)。
價(jià)格波動(dòng)僅由需求波動(dòng)決定時(shí)，熱電廠提高靈活性的經(jīng)濟(jì)意義并不大，但隨著丹麥國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電比例持續(xù)上升，低電價(jià)時(shí)段越來越多，熱電廠提高靈活性的利益動(dòng)機(jī)就越發(fā)強(qiáng)烈。
熱電廠開始通過優(yōu)化當(dāng)前運(yùn)營方式來提高靈活性，當(dāng)電力需求較為穩(wěn)定、電廠以高效且平穩(wěn)的水平出力時(shí)，經(jīng)驗(yàn)邊界值（特定供熱水平下的最低必須發(fā)電量）被認(rèn)為是難以逾越的技術(shù)局限。這種看法使運(yùn)營商認(rèn)為熱電廠無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效、有效且靈活的運(yùn)營。但在靈活運(yùn)營的利益動(dòng)機(jī)激勵(lì)下，這些運(yùn)營商開始發(fā)現(xiàn)電廠其實(shí)能夠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)這樣的運(yùn)營并保持可控的設(shè)備磨損度。丹麥熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)業(yè)得以進(jìn)一步降低最低運(yùn)行率，減少開機(jī)時(shí)間和成本，并提高快速爬坡能力。如今，丹麥的熱電廠在快速調(diào)整出力方面已達(dá)到世界最高水平。
在優(yōu)化了當(dāng)前運(yùn)營方式后，運(yùn)營商們開始考慮具備成本效益的改造項(xiàng)目。例如，按照2010年丹麥?zhǔn)袌鰞r(jià)計(jì)算，儲熱罐與旁通技術(shù)改造的折現(xiàn)回收期大約是三年左右。熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)營商首先保證地區(qū)熱力站現(xiàn)有儲熱罐得到最大化利用，隨后開始加大投資建設(shè)大型上游儲熱設(shè)施。鑒于大型電力存儲技術(shù)成本仍然較高（雖然已在快速降低），因此熱力存儲的性價(jià)比更高，尤其是它能夠被用來最大化低價(jià)時(shí)段和高價(jià)時(shí)段的整體收益。
為了進(jìn)一步提高熱電廠的靈活性，電廠接下來開始使用電熱鍋爐或熱泵，在電網(wǎng)收到降低電力生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)信號時(shí)，通過利用富余電力生產(chǎn)熱量來補(bǔ)充熱力供應(yīng)。與熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的熱力生產(chǎn)相比，電熱鍋爐一般成本高昂且效率低下。但當(dāng)電力價(jià)格因風(fēng)電生產(chǎn)量大而非常低（甚至是負(fù)值）時(shí)，電熱鍋爐成為了更具吸引力的投資選項(xiàng)。
例如，按照2013年市場價(jià)格和稅收制度計(jì)算，在典型熱電廠加裝一套75兆瓦的電熱鍋爐，每年能夠?yàn)闊犭姀S節(jié)約大概300萬歐元。
這就是說，當(dāng)許多國家正在通過購置天然氣調(diào)峰電廠和電池存儲設(shè)施等高成本方式來中和大量增加可再生能源所帶來的電網(wǎng)波動(dòng)，丹麥則以更低的成本實(shí)現(xiàn)了這種運(yùn)營靈活性，將風(fēng)險(xiǎn)從用戶轉(zhuǎn)移至發(fā)電者，從而激勵(lì)后者承擔(dān)責(zé)任，通過創(chuàng)新在市場中保持盈利。
新的挑戰(zhàn)
在整個(gè)丹麥能源系統(tǒng)中，選擇改造的電廠 、提高靈活性的熱電廠能夠?qū)崿F(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，而其他純冷凝或未改造電廠則喪失了競爭力，逐漸退出市場。2000年至今，丹麥約有2吉瓦裝機(jī)的熱電機(jī)組退役，另外1吉瓦則處于長期待機(jī)狀態(tài)。雖然這些市場淘汰是難以避免的，但將熱電廠納入電力批發(fā)市場的做法本身也存在諸多挑戰(zhàn)。例如，隨著越來越多低成本可再生能源并網(wǎng)，即使經(jīng)過改造的熱電廠也只能維持微薄的利潤。未來，隨著市場電價(jià)進(jìn)一步降低，熱電廠可能不再有利可圖，被迫退出市場，從而威脅到穩(wěn)定的供熱能力。
這些挑戰(zhàn)和問題的確需要重視，但監(jiān)管者無須因此恢復(fù)保護(hù)熱電聯(lián)產(chǎn)的監(jiān)管制度，這將破壞在這一轉(zhuǎn)型過程中已經(jīng)取得的成績，更不用說傳統(tǒng)電力批發(fā)市場在設(shè)計(jì)中已考慮到了火電廠的非零邊際成本。恢復(fù)對熱電聯(lián)產(chǎn)的保護(hù)機(jī)制，將造成電網(wǎng)電價(jià)長時(shí)間保持接近零的水平，從而使可再生能源無力回收成本。這一問題給丹麥或中國乃至其他所有國家提出了新的挑戰(zhàn)，即如何設(shè)計(jì)電力市場來適應(yīng)未來主導(dǎo)我們能源系統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)，包括風(fēng)電和熱電聯(lián)產(chǎn)等。
要完全擺脫化石燃料，我們就必須實(shí)現(xiàn)所有部門的電氣化，包括交通、烹飪、供熱等等。長遠(yuǎn)來看，熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)也將被取代。盡管如此，現(xiàn)階段還有大量熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)施在運(yùn)行，而且具備很高的能效和經(jīng)濟(jì)性，它們也同時(shí)以犧牲風(fēng)能資源為代價(jià)在運(yùn)轉(zhuǎn)。而電力供熱技術(shù)的能效仍然較低，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用還為時(shí)尚早。
文章原載于2017年9月18日《財(cái)經(jīng)》雜志
Dan Wetzel，落基山研究所部門總監(jiān)； 劉一格，落基山研究所咨詢師
