隨著可再生能源占比持續(xù)擴(kuò)大，歐洲尤其是德國經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)電價(jià)現(xiàn)象。這一現(xiàn)象一方面源于電廠深度反調(diào)峰能力的局限，另一方面則是由補(bǔ)貼政策設(shè)計(jì)不當(dāng)(即激勵與需求跟蹤不匹配)所引起。在2020年，新冠肺炎疫情導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)放緩和能源需求減少，德國、法國和瑞士等國的負(fù)電價(jià)小時(shí)數(shù)達(dá)到了歷史高峰(詳見圖1)。在負(fù)電價(jià)時(shí)段，發(fā)電商不得不支付給消費(fèi)者的費(fèi)用，甚至高達(dá)正常電價(jià)的數(shù)倍。這不僅對歐洲電力市場的穩(wěn)定造成了負(fù)面影響，也嚴(yán)重打擊了消費(fèi)者的信心。
歐洲各國迅速認(rèn)識到了這一問題的重要性，并立即采取了行動。通過增強(qiáng)電廠的運(yùn)行靈活性和調(diào)整補(bǔ)貼政策，有效地緩解了負(fù)電價(jià)問題。本文將從技術(shù)、市場和政策三個(gè)方面深入探討引發(fā)負(fù)電價(jià)的深層次原因，解析歐洲各國的應(yīng)對策略，并展望未來這一現(xiàn)象的發(fā)展趨勢。文章的結(jié)尾部分將總結(jié)這些經(jīng)驗(yàn)，并探討其對中國的啟示和可能的借鑒價(jià)值。
負(fù)電價(jià)出現(xiàn)的背后原因
負(fù)電價(jià)主要在風(fēng)電和光伏發(fā)電高峰期出現(xiàn)。盡管發(fā)電總量已經(jīng)過剩，并引起了負(fù)電價(jià)現(xiàn)象，許多電廠仍然在持續(xù)發(fā)電，但背后的原因是多種多樣的。主要涉及三個(gè)關(guān)鍵因素：首先，電廠的應(yīng)變能力有限，難以適應(yīng)可再生能源的波動性，還與能源結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相關(guān)。其次，為了保持電網(wǎng)穩(wěn)定，調(diào)頻備用電廠不能輕易中止運(yùn)行，反映了電廠應(yīng)變能力方面的短板。最后，可再生能源的補(bǔ)貼政策未能精準(zhǔn)契合市場需求，這既涉及到需求層面，也與政策適應(yīng)性相關(guān)。從某種程度上來說，都或多或少地與發(fā)電機(jī)組和政策機(jī)制的靈活性相關(guān)。負(fù)電價(jià)的表現(xiàn)因各國情況而異，但均與各國的能源結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其演變有密切的聯(lián)系。(歐洲各國電力結(jié)構(gòu)見表1)
電廠靈活性對負(fù)電價(jià)的影響
德國聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管局在2016年至2018年期間多次進(jìn)行普查，總結(jié)了在負(fù)電價(jià)時(shí)段電廠仍繼續(xù)發(fā)電的幾大主要原因：熱電耦合、自備用、停開機(jī)的成本、調(diào)頻備用、調(diào)度資源有限、替代能源供熱成本過高、價(jià)格走勢預(yù)期、需要處理氣體的工業(yè)過程、最短運(yùn)行時(shí)間、其他原因。
熱電耦合(地區(qū)供熱和蒸汽供應(yīng))被認(rèn)為是第一大原因(占45-55%)。在幾乎所有時(shí)期，自備發(fā)電都是排在熱電耦合之后的第二大原因，而停開機(jī)的成本和調(diào)頻備用也是常見原因。(見圖2)
電廠的調(diào)度資源、調(diào)頻備用以及實(shí)際調(diào)頻電量都是決定電廠最小發(fā)電量的重要因素。在最大負(fù)電價(jià)時(shí)段，最小發(fā)電量(門檻發(fā)電量)占總發(fā)電量的20%至34%。另外，傳統(tǒng)電廠所提供的負(fù)調(diào)頻電量在所有最小發(fā)電量中占比最高。
電力結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對負(fù)電價(jià)的影響
歐洲各國出現(xiàn)負(fù)電價(jià)的時(shí)間和特點(diǎn)各有不同。可再生能源過剩和負(fù)荷不足都會引起負(fù)電價(jià)。研究結(jié)果表明，負(fù)荷每下降5%，負(fù)電價(jià)的小時(shí)數(shù)就會增加35%之多。2020年，新冠肺炎疫情導(dǎo)致需求下降，使歐洲各國的負(fù)電價(jià)小時(shí)數(shù)增加。
德國的負(fù)電價(jià)主要和火電廠的運(yùn)行靈活性不足有關(guān)。德國北部風(fēng)力資源豐富，風(fēng)電經(jīng)常過剩。而南部的陽光充足，光伏發(fā)電占比較高。冬季既有風(fēng)又有大太陽時(shí)，光伏發(fā)電會疊加到風(fēng)電上去，引起負(fù)電價(jià)，特別是周末負(fù)荷低谷時(shí)段。2020年，負(fù)電價(jià)高達(dá)298小時(shí)，分散在51天內(nèi)。
對于瑞士來說，每年3~5月，雪融水增多導(dǎo)致水電發(fā)電量上升。水力發(fā)電廠因停啟費(fèi)用過高仍然繼續(xù)發(fā)電，使發(fā)電供過于求，出現(xiàn)負(fù)電價(jià)現(xiàn)象。2020年，瑞士負(fù)電價(jià)累計(jì)達(dá)75小時(shí)，主要在15天內(nèi)。
法國的核電在全球占比領(lǐng)先。核電主要提供基荷，運(yùn)行相對缺乏靈活性，不便于經(jīng)濟(jì)高效地關(guān)閉和重新啟動。
德國大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電過剩時(shí)，還會通過國與國之間的聯(lián)絡(luò)線影響到周邊國家。波蘭電網(wǎng)首先受到了重大沖擊，隨后影響范圍擴(kuò)大到了瑞士和法國。
盡管德國和丹麥地理位置相近，但丹麥的風(fēng)電占比已近50%，遠(yuǎn)超德國的20%，但負(fù)電價(jià)與德國幾乎處于同一水平。丹麥的火電也不多，說明可再生能源的消納和負(fù)荷控制都做得非常好。(詳細(xì)情況將在下文中介紹)
瑞士也與德國相鄰。瑞士擁有豐富的水力資源，發(fā)電機(jī)組具有出色的調(diào)節(jié)能力，跨境進(jìn)口容量也相對受限，從而在很大程度上避免了負(fù)電價(jià)的出現(xiàn)。但在冰雪開凍季節(jié)，水電會過剩，瑞士仍然會遭遇負(fù)電價(jià)。
隨著可再生能源的增長和進(jìn)口德國廉價(jià)電力，法國也出現(xiàn)了負(fù)電價(jià)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年法國并未出現(xiàn)負(fù)電價(jià)，但從2018年開始，法國清晨的前八小時(shí)開始頻繁出現(xiàn)負(fù)電價(jià)，這可能與法國風(fēng)能的增長有關(guān)。與瑞士類似，法國水力發(fā)電在春季增多，負(fù)電價(jià)的出現(xiàn)尤為頻繁。2020年，新冠疫情導(dǎo)致電力需求驟降近17%，負(fù)電價(jià)小時(shí)數(shù)也因此激增，達(dá)到前年的五倍。
由于電網(wǎng)對外聯(lián)系相對較弱，愛爾蘭在風(fēng)電過剩時(shí)段經(jīng)常面臨電力出口的瓶頸問題，進(jìn)而導(dǎo)致負(fù)電價(jià)的頻繁出現(xiàn)。2020年的負(fù)電價(jià)累計(jì)高達(dá)374小時(shí)，使其成為當(dāng)年歐洲負(fù)電價(jià)小時(shí)數(shù)最高的國家。
西班牙的電力結(jié)構(gòu)相對理想。2022年，可再生能源和燃?xì)獍l(fā)電的比例分別是35%和30%，核電為22%，煤電可以忽略不計(jì)。燃?xì)獍l(fā)電給西班牙的電力系統(tǒng)提供了足夠的靈活性，所以至今為止沒有發(fā)生負(fù)電價(jià)現(xiàn)象。
總之，歐洲各國的負(fù)電價(jià)現(xiàn)象揭示了負(fù)電價(jià)的出現(xiàn)不僅與能源結(jié)構(gòu)(電力的構(gòu)成)有關(guān)，還會受電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)的影響，甚至非可再生能源也會成為引起負(fù)電價(jià)的原因。
調(diào)頻備用對負(fù)電價(jià)的影響
調(diào)頻電廠的熱備用機(jī)組由于要參與調(diào)頻，由于停啟時(shí)間過長，即使在負(fù)電價(jià)的時(shí)段也不能停止運(yùn)行。在德國，為了補(bǔ)償發(fā)電小時(shí)數(shù)不斷減少帶來的利潤下降，很多煤電機(jī)組也參與調(diào)頻，在負(fù)電價(jià)時(shí)段成為累贅。
從圖2可以看出，負(fù)電價(jià)的高峰期，傳統(tǒng)電廠仍然在發(fā)電。不僅燃?xì)怆姀S(灰色曲線)來不及停下來，作為基礎(chǔ)負(fù)荷的核電廠(褐色曲線)也不能幸免。當(dāng)電價(jià)恢復(fù)以后，硬煤(黑色曲線)和燃?xì)怆姀S的反應(yīng)速度都十分有限，倒是被價(jià)格較貴的抽水蓄能電站(深藍(lán)色曲線)把錢賺走了。
德國適合建設(shè)抽水蓄能電站的地方非常有限，光靠抽水蓄能電站滿足不了調(diào)頻需求。
政策的靈活性對負(fù)電價(jià)的影響
在歐洲眾多國家中，德國對可再生能源的支持尤為顯著，其補(bǔ)貼力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他國家。不過，當(dāng)可再生能源過剩導(dǎo)致負(fù)電價(jià)時(shí)，這種政策卻成了一種束縛：為了保住市場補(bǔ)貼，可再生能源運(yùn)營商不得不選擇繼續(xù)發(fā)電，哪怕這樣做既不經(jīng)濟(jì)，又可能對電網(wǎng)構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。
與此不同，法國的可再生能源補(bǔ)貼法規(guī)規(guī)定，在負(fù)電價(jià)出現(xiàn)時(shí)，該時(shí)段內(nèi)發(fā)電不會得到補(bǔ)償。相反，若可再生能源運(yùn)營商停止發(fā)電，將獲得某種形式的獎勵。
瑞士獲得固定補(bǔ)貼的可再生能源裝置數(shù)量遠(yuǎn)低于德國，基本上沒有因補(bǔ)貼引起負(fù)電價(jià)的情況。目前，政策法規(guī)不允許停發(fā)水電，不過對于這些水電站來說負(fù)電價(jià)也并非好事。
丹麥早在1980年代就開始大力發(fā)展風(fēng)電，遠(yuǎn)早于德國。受到1970年代石油危機(jī)的影響，丹麥立志減少對外部能源的依賴。其主要的補(bǔ)貼策略是固定電價(jià)補(bǔ)貼和價(jià)格差額補(bǔ)貼。此外，丹麥還采用了招標(biāo)方式，為風(fēng)電項(xiàng)目確定補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)。
丹麥對其補(bǔ)貼政策的調(diào)整較為頻繁，持續(xù)地與市場價(jià)格保持同步，并根據(jù)技術(shù)成本的變化進(jìn)行調(diào)整。與此相比，德國在早期則提供了一個(gè)較長期的固定補(bǔ)貼。丹麥一直鼓勵社區(qū)參與新能源項(xiàng)目，因此，許多早期的風(fēng)能項(xiàng)目都是由當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)主導(dǎo)的。為了讓當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)從風(fēng)能項(xiàng)目中獲益，政府鼓勵居民購買風(fēng)電的股份。盡管德國也有類似的鼓勵措施，但其實(shí)施規(guī)模遠(yuǎn)小于丹麥。
盡管丹麥的風(fēng)電占比超出德國一倍以上，但兩國負(fù)電價(jià)的小時(shí)數(shù)卻大體相當(dāng)。這無疑證明了政策靈活性在負(fù)電價(jià)問題上起到了至關(guān)重要的作用。
負(fù)電價(jià)的應(yīng)對策略
為了減少負(fù)電價(jià)的出現(xiàn)，發(fā)電必須以跟蹤用電的方式來達(dá)到供需平衡。在發(fā)電過剩的時(shí)候，傳統(tǒng)電廠需要通過提高運(yùn)行的靈活性來減少發(fā)電量。用戶可以通過實(shí)施電轉(zhuǎn)熱、電轉(zhuǎn)氣、電轉(zhuǎn)液，以及負(fù)荷控制來增加用電量，降低負(fù)電價(jià)小時(shí)數(shù)。政府可以通過調(diào)整可再生能源的政策使其跟隨需求。另外，抽水蓄能和電池的雙向發(fā)用電特性和市場的平衡機(jī)制都可以促使供需平衡。
提高電廠靈活性在減少負(fù)電價(jià)中的重要作用
德國，在能源轉(zhuǎn)型之初，一直以煤電為主。因此，提高電廠靈活性在當(dāng)時(shí)實(shí)質(zhì)上是增強(qiáng)煤電的適應(yīng)性。到目前為止，有條件的電廠都已經(jīng)進(jìn)行了相應(yīng)的靈活性升級和改造。其中，燃?xì)怆姀S通過鍋爐改造和大小機(jī)組組合的方式提高了運(yùn)行的靈活性。一些工業(yè)企業(yè)甚至達(dá)到了多樣化的燃料選用，例如，燃油和燃?xì)獾奶娲褂?，或是燃?xì)馀c氫氣的混合使用。
與德國相比，核能在法國的電力結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，提供了約65%的電力，法國在提高核電廠的靈活性方面經(jīng)驗(yàn)更豐富一些。以下是法國針對核電廠的靈活性改造所采取的幾個(gè)工作要點(diǎn)：
其一，為適應(yīng)可再生能源的波動性，核電廠改造后支持負(fù)荷跟蹤運(yùn)行，可以根據(jù)需求實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電量;其二，核電廠部分設(shè)備和控制系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行技術(shù)升級，以確保在變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能保持穩(wěn)定和安全;其三，通過增強(qiáng)靈活性，核電廠減少了頻繁的啟動和關(guān)閉，延長了其使用壽命并降低了維護(hù)成本;其四，隨著可再生能源比例不斷增長，核電廠的靈活性改造為與風(fēng)能、太陽能等可再生能源的更高效協(xié)同創(chuàng)造了條件;其五，除技術(shù)升級外，操作人員的培訓(xùn)也是核心部分，以確保他們能有效應(yīng)對各種運(yùn)行場景。此外，管理和運(yùn)行策略也進(jìn)行了調(diào)整以適應(yīng)新的變化。
然而，歐洲其他國家核電的靈活性尚不及煤電，而煤電又不及燃?xì)獍l(fā)電。但是，每種能源形式的靈活性都有其物理極限。例如，法國經(jīng)驗(yàn)表明，核電廠在燃料使用初期可以將最低出力降到20%，但這一數(shù)字會隨著燃料使用的進(jìn)展逐漸增加。
總得來說，法國在提高核電廠靈活性上的努力和經(jīng)驗(yàn)為其他國家提供了有益參考。尤其是在核電廠的協(xié)同運(yùn)營上，法國有時(shí)會讓部分核電廠退出運(yùn)行，而讓其他電廠滿負(fù)荷發(fā)電，這一點(diǎn)尤其值得其他國家學(xué)習(xí)。
電轉(zhuǎn)熱對減少負(fù)電價(jià)的作用
德國在能源領(lǐng)域的創(chuàng)新及其對負(fù)荷的削峰填谷管理已經(jīng)取得了顯著的成果。盡管大型可再生能源發(fā)電有直銷電力市場的要求，并且虛擬電廠技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但熱電聯(lián)產(chǎn)和電轉(zhuǎn)熱的發(fā)展?jié)摿θ匀痪薮蟆?/p>
為了應(yīng)對極低電價(jià)甚至負(fù)電價(jià)時(shí)的運(yùn)營挑戰(zhàn)，德國的供熱運(yùn)營商正在增設(shè)大容量的電轉(zhuǎn)熱模塊。在負(fù)電價(jià)出現(xiàn)時(shí)，他們可以暫時(shí)停止熱電聯(lián)產(chǎn)電廠運(yùn)行，利用電轉(zhuǎn)熱技術(shù)，低成本地滿足供熱需求。這一策略可有效降低熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電的運(yùn)營損失。
對于電轉(zhuǎn)熱，德國的典型商業(yè)模式是熱電聯(lián)產(chǎn)和電轉(zhuǎn)熱的協(xié)同運(yùn)作，同時(shí)參與調(diào)頻市場和現(xiàn)貨市場。在過去，大型電轉(zhuǎn)熱設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益并不理想，因?yàn)樗须娏οM(fèi)都要繳納“可再生能源稅”。但自2022年起，這項(xiàng)附加稅已被取消，大大增強(qiáng)了大型電轉(zhuǎn)熱設(shè)備的投資吸引力。對于這類設(shè)備，其經(jīng)濟(jì)效益與其滿載運(yùn)行時(shí)間緊密相關(guān)。通常，滿載運(yùn)行時(shí)間在1000至1800小時(shí)之間是其盈利的關(guān)鍵，特別是在負(fù)電價(jià)頻繁出現(xiàn)的情境下。
目前，德國北部的輸電公司正在與當(dāng)?shù)氐木C合能源網(wǎng)絡(luò)公司合作開發(fā)大型電轉(zhuǎn)熱項(xiàng)目。這些項(xiàng)目位于北部風(fēng)電過剩的地區(qū)，預(yù)計(jì)將新增10吉瓦的電轉(zhuǎn)熱容量，相當(dāng)于當(dāng)?shù)仫L(fēng)電裝機(jī)容量的約1/6。
電轉(zhuǎn)熱的效率不高，熱泵是更好的選擇。盡管熱泵單體規(guī)模一般較小，但德國已擁有累計(jì)超過10吉瓦熱泵的總?cè)萘俊５聡鵁岜脜f(xié)會預(yù)測，到2050年，為實(shí)現(xiàn)供熱轉(zhuǎn)型，德國至少需要部署1700萬臺熱泵?，F(xiàn)在，一些熱泵已經(jīng)被集成進(jìn)虛擬電廠系統(tǒng)，為現(xiàn)貨市場和調(diào)頻服務(wù)市場提供支持，尤其是在負(fù)電價(jià)時(shí)段。
與德國相比，丹麥擁有高度集中的供熱系統(tǒng)，多數(shù)供熱設(shè)施都已與電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了良好的集成。電轉(zhuǎn)熱技術(shù)正成為一種將多余電能轉(zhuǎn)化為熱能的有效手段。丹麥早在20世紀(jì)80~90年代就開始研究和推廣大型熱泵技術(shù)，隨著技術(shù)進(jìn)步和成本降低，這一技術(shù)的應(yīng)用范圍已大為擴(kuò)展。
丹麥的負(fù)電價(jià)在2020年前主要發(fā)生在冬季風(fēng)電過剩的時(shí)候。隨著電轉(zhuǎn)熱和熱泵技術(shù)的普及，風(fēng)電對供熱的貢獻(xiàn)逐漸增大。從2020年開始，負(fù)電價(jià)由于光伏發(fā)電的增加只是在夏季才出現(xiàn)。這體現(xiàn)了電轉(zhuǎn)熱和熱泵技術(shù)在電力和供熱系統(tǒng)整合中所發(fā)揮的重要作用。
政策的靈活性對減少負(fù)電價(jià)的作用
在歐洲各國中，德國實(shí)施的電力補(bǔ)貼政策更為積極主動。以其對可再生能源的補(bǔ)貼政策為例，德國的補(bǔ)貼期限長達(dá)20年，相比之下，法國的此類補(bǔ)貼僅維持15年。在面臨負(fù)電價(jià)挑戰(zhàn)時(shí)，歐洲各國政府都展現(xiàn)出政策的靈活性，既保持了對可再生能源的長期扶持，同時(shí)也對市場補(bǔ)貼政策進(jìn)行了動態(tài)調(diào)整。
德國的研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)電價(jià)以持續(xù)6小時(shí)居多。因此，德國政府制定了相應(yīng)的限制措施，例如，如果現(xiàn)貨市場價(jià)格出現(xiàn)長達(dá)6小時(shí)或更長時(shí)間的負(fù)電價(jià)，可再生能源的市場及管理補(bǔ)貼將會被取消。而法國對于負(fù)電價(jià)持續(xù)的時(shí)間上限規(guī)定則是20小時(shí)。(見圖3)
盡管如此，這并沒有完全遏制負(fù)電價(jià)的增長。因此，到2021年，德國這一限制措施進(jìn)一步收緊至“4小時(shí)規(guī)則”。
到2023年初，為避免負(fù)電價(jià)超過規(guī)定時(shí)間，可再生能源運(yùn)營商開始采取預(yù)防性減少發(fā)電量，以免失去市場和管理補(bǔ)貼。這一現(xiàn)象進(jìn)一步證實(shí)，政策的靈活性對于減少負(fù)電價(jià)起到了明顯的作用(詳見圖4)。
值得注意的是，負(fù)電價(jià)不僅在電力供過于求的情況下出現(xiàn)，也可能在用電量減少時(shí)出現(xiàn)。2022年，受俄烏沖突的影響，天然氣價(jià)格飆升，導(dǎo)致德國的天然氣消費(fèi)量急劇下降。德國大部分家庭因此開始調(diào)整取暖時(shí)間，以降低電力消費(fèi)。然而，這一期間并沒有出現(xiàn)負(fù)電價(jià)回升的情況，說明了動態(tài)市場補(bǔ)貼的重要性和有效性。
法國在能源危機(jī)后也進(jìn)行了相應(yīng)的政策調(diào)整，核能占比有所下降，燃?xì)獍l(fā)電比例增加。隨著經(jīng)濟(jì)逐漸復(fù)蘇，負(fù)荷逐漸恢復(fù)，負(fù)電價(jià)的小時(shí)數(shù)也有了明顯下降。
綜上所述，政策的靈活性對于減少負(fù)電價(jià)起到了關(guān)鍵作用。無論是在日常市場還是能源危機(jī)中，這種靈活性都顯示出其重要性。同時(shí)，政策的適應(yīng)性和靈活性也為儲能技術(shù)的應(yīng)用提供了空間。
雙向發(fā)用電技術(shù)對減少負(fù)電價(jià)的作用
抽水蓄能電站和電池，由于擁有雙向發(fā)用電和快速響應(yīng)的特性，逐漸在電力市場中占據(jù)優(yōu)勢地位。在一次調(diào)頻市場上，逐漸替代了傳統(tǒng)的燃煤和燃?xì)怆姀S。
在德國，隨著電池技術(shù)的進(jìn)步和投資成本的下降，其在一次調(diào)頻市場中的市場份額已迅速攀升至60%。考慮到正在建設(shè)或已獲批準(zhǔn)的電池電站，預(yù)計(jì)電池在不久的將來將完全主導(dǎo)一次調(diào)頻市場。
目前，德國的許多火電廠都配備了電池用于一次調(diào)頻，以減少發(fā)電機(jī)在一次調(diào)頻時(shí)的磨損，增加發(fā)電機(jī)的壽命。電池也被用于增強(qiáng)火電廠在二次調(diào)頻時(shí)的響應(yīng)速度。
盡管電池在一次調(diào)頻市場的表現(xiàn)卓越，但其價(jià)格仍然相對較高，導(dǎo)致其獨(dú)立盈利能力受限，尤其是在沒有政府補(bǔ)助的情況下。此外，當(dāng)前的電池容量還無法滿足二次調(diào)頻的要求，也限制了其在二次調(diào)頻市場的應(yīng)用。
總體而言，儲能技術(shù)，尤其是電池，正在逐漸取代傳統(tǒng)電廠的調(diào)頻方式。但要充分發(fā)揮其緩解負(fù)電價(jià)的效果，還需進(jìn)一步降低成本、擴(kuò)大容量，并得到適當(dāng)?shù)恼咧С帧?/p>
市場平衡機(jī)制對減少負(fù)電價(jià)的作用
市場平衡機(jī)制在減少負(fù)電價(jià)中扮演了核心角色。負(fù)電價(jià)，從本質(zhì)上看，是電力系統(tǒng)在供需不平衡時(shí)的一種突出的表現(xiàn)。歐洲的經(jīng)驗(yàn)特別是德國的實(shí)踐表明，有針對性的系統(tǒng)平衡機(jī)制能夠刺激平衡服務(wù)的發(fā)展，利用市場力量，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的應(yīng)對能力，可以降低出現(xiàn)負(fù)電價(jià)的頻率。隨著服務(wù)提供者和商業(yè)模式的增多，價(jià)格上的競爭變得激烈，不僅減少了負(fù)電價(jià)，還降低了系統(tǒng)平衡的費(fèi)用。
系統(tǒng)平衡機(jī)制的另一個(gè)重要組成部分是電力市場之間的互聯(lián)和協(xié)同。通過跨區(qū)域、跨國的合作，可以更好地對系統(tǒng)需求進(jìn)行平衡，大大減少了負(fù)電價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)。例如2021年，當(dāng)愛爾蘭加強(qiáng)了與英國的電網(wǎng)連接，并提高了互聯(lián)線的交換能力時(shí)，負(fù)電價(jià)的出現(xiàn)頻次顯著減少。當(dāng)然，其中也有疫情后的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇、用電量增長的原因。
值得深思的是，引入負(fù)電價(jià)本身就是市場調(diào)節(jié)機(jī)制的體現(xiàn)，目的就是鼓勵電力生產(chǎn)者增加系統(tǒng)的靈活性，從而更好地適應(yīng)市場的變化。這在某種意義上與數(shù)學(xué)中引入負(fù)數(shù)的邏輯是相似的——都是為了拓展系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和處理能力。
對負(fù)電價(jià)未來發(fā)展的分析與預(yù)估
在經(jīng)歷了能源危機(jī)之后，歐洲各國政府紛紛加大了對可再生能源發(fā)展的投入。自2014年德國光伏陷入低點(diǎn)以來，近年來德國的光伏發(fā)電得以復(fù)蘇，重新達(dá)到了往日的高峰。更引人注意的是，盡管電價(jià)仍然明顯低于2022年能源危機(jī)時(shí)的最高水平，但它們在某種程度上已經(jīng)超過了德國政府對光伏發(fā)電招標(biāo)的平均標(biāo)價(jià)(范圍在4~6歐分/千瓦時(shí))。因此，近年投入運(yùn)營的大多數(shù)風(fēng)電和光伏發(fā)電項(xiàng)目不僅能在無需國家補(bǔ)貼的情況下進(jìn)行再融資，其發(fā)電的收益還有可能超過預(yù)期。
然而，負(fù)電價(jià)問題在德國能源市場中仍然持續(xù)存在。盡管德國對傳統(tǒng)電廠進(jìn)行了系統(tǒng)化靈活性改造，但按照德國可再生能源協(xié)會的預(yù)測，到2030年德國仍將面臨300多小時(shí)的負(fù)電價(jià)情況，且這種狀況有可能直到2050年仍將維持在相同的水平(詳見圖5)，主要原因是能源系統(tǒng)的靈活性仍未能達(dá)到要求，盡管預(yù)期將有大規(guī)模的儲能和靈活負(fù)荷投入使用。
根據(jù)預(yù)測，如果所有傳統(tǒng)電廠都能成功進(jìn)行靈活性改造，那么負(fù)電價(jià)出現(xiàn)的時(shí)間可以大大減少，甚至可能降低到現(xiàn)狀的1/3。然而，海上風(fēng)電可能仍是一個(gè)棘手的問題，因?yàn)槠湓谪?fù)電價(jià)時(shí)段的電力產(chǎn)量可能會達(dá)到整體的18%。
這也意味著，僅僅通過技術(shù)途徑可能難以完全解決負(fù)電價(jià)問題，政府還應(yīng)該繼續(xù)調(diào)整可再生能源政策。因此，增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性、促進(jìn)海上風(fēng)電和其他可再生能源的有序并網(wǎng)、發(fā)展熱泵和電轉(zhuǎn)熱等技術(shù)，以及提高電動汽車和其他電力負(fù)荷的普及率，都是未來減少負(fù)電價(jià)的關(guān)鍵措施。
電轉(zhuǎn)熱和熱泵對負(fù)電價(jià)的影響展望
德國可再生能源的裝機(jī)容量預(yù)計(jì)到2030年將增長到300吉瓦，而常規(guī)負(fù)荷僅維持在80吉瓦。其中超出的發(fā)電量主要將用于交通和供熱轉(zhuǎn)型。供熱占德國能源消費(fèi)的一半以上，所以供熱轉(zhuǎn)型非常關(guān)鍵。新增的可再生能源將主要用于電轉(zhuǎn)熱、熱泵和其他電轉(zhuǎn)氣的應(yīng)用。
德國的模擬計(jì)算顯示，雖然電轉(zhuǎn)熱、熱泵和電轉(zhuǎn)氣都有轉(zhuǎn)移負(fù)荷的潛力，從而緩解負(fù)電價(jià)現(xiàn)象。但如果負(fù)荷靈活性沒達(dá)到預(yù)期，負(fù)電價(jià)問題還是會出現(xiàn)。
考慮到未來能源價(jià)格可能會維持在高位，電轉(zhuǎn)熱的關(guān)鍵將是高效的熱泵，尤其是與光伏設(shè)備結(jié)合使用時(shí)，這在經(jīng)濟(jì)上會更有益。與此同時(shí)，德國的家庭供熱還依賴于天然氣，但政府的新規(guī)定要求到2024年新增家庭供熱的可再生能源要達(dá)到65%。雖然這項(xiàng)政策引起了相當(dāng)大的爭議，但方向應(yīng)該是對的。電轉(zhuǎn)氣只有在年運(yùn)行小時(shí)數(shù)達(dá)到4000小時(shí)才具有經(jīng)濟(jì)效益，所以對減少負(fù)電價(jià)并不能發(fā)揮關(guān)鍵作用。
簡言之，電轉(zhuǎn)熱和熱泵有助于緩解德國的負(fù)電價(jià)問題，但要真正達(dá)到效果，還需結(jié)合其他技術(shù)和政策手段。
能源政策對負(fù)電價(jià)的影響展望
隨著德國計(jì)劃在2038年完全停用煤炭發(fā)電，其電力系統(tǒng)的靈活性有望大幅提高。因此，預(yù)計(jì)負(fù)電價(jià)的出現(xiàn)率將不會再繼續(xù)增長。若天然氣價(jià)格持續(xù)走高，那么德國的高能耗企業(yè)可能會在其他地區(qū)尋求更具經(jīng)濟(jì)效益的生產(chǎn)環(huán)境，從而降低非靈活電力的需求，進(jìn)一步削減負(fù)電價(jià)的發(fā)生。但是，這種遷移可能引發(fā)一定的去工業(yè)化現(xiàn)象。
根據(jù)特定的模型預(yù)測，負(fù)電價(jià)補(bǔ)貼規(guī)則的修改會影響到可再生能源運(yùn)營商的收益。這會促使運(yùn)營商密切關(guān)注市場電力需求，而與此相應(yīng)的可再生能源投資政策也將隨之調(diào)整。但根據(jù)德國可再生能源協(xié)會的數(shù)據(jù)，即使在能源轉(zhuǎn)型完成后，負(fù)電價(jià)小時(shí)數(shù)仍可能維持在較高水平。預(yù)計(jì)歐洲各國對負(fù)電價(jià)小時(shí)數(shù)上限的限制可能還會更加嚴(yán)格，甚至可能完全取消此上限，實(shí)時(shí)修正可再生能源的市場補(bǔ)貼。
雖然德國已經(jīng)停用核電，但核能對負(fù)電價(jià)的影響依舊不能被忽視。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，雖然西班牙的核電現(xiàn)在還沒有導(dǎo)致負(fù)電價(jià)，但隨著可再生能源比例的提高，深度調(diào)峰時(shí)負(fù)電價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)仍然存在。
事實(shí)上，受能源危機(jī)的沖擊，法國已對核能政策做出了重大調(diào)整。新政策取消了之前的核電占比目標(biāo)，并解除了63吉瓦的發(fā)電上限。為了增強(qiáng)核電的靈活性以補(bǔ)充水電的不足，法國正在研發(fā)兆瓦級模塊化反應(yīng)堆。這些反應(yīng)堆旨在實(shí)現(xiàn)模塊化、批量生產(chǎn)以降低成本，且其尺寸緊湊，與傳統(tǒng)的吉瓦級大型反應(yīng)堆形成對比。
目前，核電技術(shù)正向小型化方向發(fā)展。設(shè)備將具有設(shè)計(jì)簡潔的特點(diǎn)，能迅速適應(yīng)電力市場的變動，還會集成熱電聯(lián)產(chǎn)。盡管在核心技術(shù)上與傳統(tǒng)的大型核電站相近，但它們更強(qiáng)調(diào)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)方法。這樣的策略預(yù)計(jì)將減少現(xiàn)場施工的難度，因?yàn)榇蟛糠植考梢栽诠S預(yù)先制造后再運(yùn)往工地。隨著小型核電站生產(chǎn)的規(guī)?；四軐?dǎo)致的負(fù)電價(jià)問題有望得到更為有效的管控。
電池調(diào)頻對負(fù)電價(jià)的影響展望
在傳統(tǒng)電廠中，最低的運(yùn)行出力一般在20~40%之間，這使得負(fù)電價(jià)的現(xiàn)象仍難以完全消除。調(diào)頻備用電廠已逐漸地成為降低負(fù)電價(jià)的重要瓶頸。在德國，二次調(diào)頻的成本逐漸開始接近一次調(diào)頻，而且電池電站的建設(shè)成本與抽水蓄能電站成本已經(jīng)相差無幾。只要在容量上滿足要求，且經(jīng)濟(jì)性不依賴政策補(bǔ)貼，電池未來很可能被廣泛應(yīng)用于二次調(diào)頻。如果鐵-空氣電池技術(shù)的規(guī)?；y題能夠得到妥善解決，電池在二次調(diào)頻中的應(yīng)用將對降低負(fù)電價(jià)產(chǎn)生重要影響。
總體而言，從宏觀層面看，要解決負(fù)電價(jià)問題，需采納多種策略。首要任務(wù)是增強(qiáng)整體能源系統(tǒng)的靈活性，包括提升電廠運(yùn)行的靈活性及推動電熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)步。同時(shí)，引入創(chuàng)新的政策和法規(guī)，及調(diào)整能源結(jié)構(gòu)。在能源轉(zhuǎn)型的過程中，政府政策起到了決定性的作用，尤其是通過調(diào)整可再生能源的補(bǔ)貼機(jī)制，有助于推動能源市場向更健康的方向發(fā)展。完善市場平衡機(jī)制是進(jìn)一步提高能源系統(tǒng)的靈活性、實(shí)現(xiàn)供需平衡并減少負(fù)電價(jià)出現(xiàn)頻率的關(guān)鍵。值得強(qiáng)調(diào)的是，雖然上述策略取得了一定的成效，但負(fù)電價(jià)問題并未徹底消除，我們還需持續(xù)努力。終極目標(biāo)在于將能源的生產(chǎn)、輸配、消費(fèi)和儲存整合，形成一個(gè)靈活、有機(jī)和高度互聯(lián)的統(tǒng)一綜合能源系統(tǒng)。
歐洲負(fù)電價(jià)對中國的啟示
從中國的電力結(jié)構(gòu)來看，煤電仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，可再生能源增長勢頭強(qiáng)勁，已超過了美國與法國。在水電領(lǐng)域中，抽水蓄能電站的比例約占6%。這意味著有70%的電源需要進(jìn)行靈活性改造，而且主要集中在煤電與水電上。這使得控制負(fù)電價(jià)成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。
從表2中可以看出，中國與德國的電力結(jié)構(gòu)有更多的相似之處，主要都是可再生能源與煤電占比較高。而美國主要依賴天然氣發(fā)電，法國則以核電為主。因此，德國的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對于中國可能會具有更高的參考價(jià)值。
在提高火電靈活性方面，以下的德國經(jīng)驗(yàn)對中國具有一定積極的意義：
首先，火力發(fā)電廠的靈活性表現(xiàn)優(yōu)越于預(yù)期。盡管燃煤機(jī)組的靈活性普遍低于燃?xì)鈾C(jī)組，但經(jīng)過技術(shù)改造，煤電同樣也具有強(qiáng)大的調(diào)節(jié)能力，能夠迅速適應(yīng)可再生能源與電力需求的波動。
其次，改造煤電的靈活性，可以采納多種技術(shù)手段，不會降低工作效率，但可能會縮短設(shè)備壽命。另外，技術(shù)改造可以增強(qiáng)發(fā)電廠的響應(yīng)速度，縮短啟動時(shí)間，但可能提高運(yùn)營成本。盡管如此，從整體上看，通過大量發(fā)展可再生能源，節(jié)省下的燃料成本還是遠(yuǎn)超過增加的運(yùn)營與維護(hù)開支。
第三，提升燃煤電廠的靈活性可以增加風(fēng)電和光伏發(fā)電的比例，但仍可能帶來更多的二氧化碳排放，因此，設(shè)定合適的碳價(jià)格至關(guān)重要。
第四，聯(lián)合調(diào)度火電廠的運(yùn)營可以緩解其高昂的啟停成本，例如，一些火電廠暫停運(yùn)營，而其他火電廠全負(fù)荷運(yùn)作。這種聯(lián)合調(diào)度手段就是所謂的虛擬電廠技術(shù)，不僅涵蓋了分布式電源，還包含大型火電廠，其中火電廠是最核心的部分。
為了最大限度地發(fā)揮火電廠的靈活性，調(diào)整現(xiàn)貨市場機(jī)制，提供恰當(dāng)?shù)膬r(jià)格信號至關(guān)重要。目前，中國已經(jīng)有部分地區(qū)出現(xiàn)了負(fù)電價(jià)。這表明電力供需平衡已成為顯著問題，有可能出現(xiàn)系統(tǒng)安全問題。因此，引入現(xiàn)貨市場的平衡機(jī)制勢在必行。
德國的經(jīng)驗(yàn)表明，分布式發(fā)電在消納可再生能源方面發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。鑒于中國的電力需求仍然在持續(xù)上升，增量部分采用分布式發(fā)電技術(shù)，將進(jìn)一步增強(qiáng)電力系統(tǒng)的適應(yīng)性。這樣不僅能更高效地消納可再生能源，還可避免負(fù)電價(jià)的頻繁出現(xiàn)。
德國的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還表明，在可再生能源的占比未達(dá)到50%之前，大規(guī)模地建設(shè)儲能系統(tǒng)并不比建立平衡機(jī)制有效，而且可能會增加能源轉(zhuǎn)型的成本。在中國，與電池技術(shù)相比，抽水蓄能電站不僅成本更為優(yōu)化，建設(shè)速度也快。因此，發(fā)展抽水蓄能是提高電力系統(tǒng)靈活性的理想選擇。
在德國，為電廠進(jìn)行靈活性改造的資金部分來源于系統(tǒng)的平衡費(fèi)用，部分來源于現(xiàn)貨市場的出清價(jià)格，即按照邊際成本進(jìn)行排序的最終價(jià)格。在新能源初期發(fā)展階段，天然氣發(fā)電曾受到可再生能源的排擠，導(dǎo)致出清價(jià)格下降，致使傳統(tǒng)電廠經(jīng)常處于虧損狀態(tài)。但在可再生能源進(jìn)入中期發(fā)展時(shí)，由于棄核退煤政策，出清價(jià)格開始由燃?xì)獍l(fā)電的邊際成本來決定，火電盈利狀況會隨之好轉(zhuǎn)。否則，在沒有補(bǔ)貼的情況下，火電很難承受靈活性改造的成本。另外，適時(shí)調(diào)整新能源的補(bǔ)貼政策，能使新能源的發(fā)展更好地適應(yīng)電力需求的平衡。
最后需要指出的是，盡管德國的經(jīng)驗(yàn)具有一定的參考價(jià)值，但鑒于中國的國情、經(jīng)濟(jì)布局和地理特點(diǎn)與德國仍然存在顯著差異，直接復(fù)制德國的做法或不完全符合中國的實(shí)際情況。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2023年09期，作者系德國PSI軟件公司高級業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理、中國電機(jī)工程學(xué)會外籍會士
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