→這是《環(huán)球零碳》的第075篇原創(chuàng)
摘要：加州素有“陽(yáng)光之州”的美譽(yù)，擁有豐富的太陽(yáng)能資源。正是由于可再生能源的快速增長(zhǎng)，加州一天當(dāng)中的電力凈負(fù)荷情況變成了“鴨子曲線”。2020年的停電事件，有人認(rèn)為是能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中電網(wǎng)配套沒跟上。未來(lái)高比例新能源接入將對(duì)電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力提出極高的要求。
美國(guó)西部的加利福尼亞州（簡(jiǎn)稱“加州”），是美國(guó)人口第一大州。這兩年頻頻出現(xiàn)在媒體的報(bào)道中，是這里的高溫、森林大火和停電。
2020年8月，加州忍受了炙熱高溫的煎熬，南加州部分城市氣溫甚至達(dá)到了46攝氏度。熱浪讓電網(wǎng)邁向崩潰邊緣。當(dāng)時(shí)，數(shù)以十萬(wàn)計(jì)的民眾不得不每日輪流面臨拉閘限電。
這是自2007年以來(lái)加州電力系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)營(yíng)商CAISO 首次在已采取所有緩解措施的情況下，電網(wǎng)供電仍不能滿足預(yù)期的電力需求。
當(dāng)時(shí)，時(shí)任總統(tǒng)特朗普還在推特上寫道:“在加州，民主黨人故意輪流停電，讓美國(guó)人處于黑暗之中。
僅僅半年之后，德州也因極寒天氣停電引發(fā)關(guān)注。和其他州不一樣的是，德州大部分地區(qū)的電力供應(yīng)是完全獨(dú)立的，擁有自己的電網(wǎng)公司ERCOT，和美國(guó)西部電網(wǎng)是完全斷開的。當(dāng)?shù)轮莅l(fā)電系統(tǒng)崩潰的時(shí)候，其他州就算電力富余，也是愛莫能助。
高溫酷暑，拉閘限電；寒流來(lái)襲，停水?dāng)嚯姟Ｗ鳛槊绹?guó)經(jīng)濟(jì)與人口前兩位的大州，加州和德州的電力系統(tǒng)卻出現(xiàn)如此重大的斷電事故，建立穩(wěn)定安全的電力供應(yīng)系統(tǒng)成為美國(guó)聯(lián)邦政府和各州政府的重要議程。
拜登在2021年提出重建更好法案（（Build Back Better，簡(jiǎn)稱BBB），計(jì)劃用1000億美元建設(shè)一個(gè)更有彈性的電網(wǎng)。
日前，加州電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商CAISO發(fā)布的一份規(guī)劃文件提出，到2040年，加州向清潔電力轉(zhuǎn)型將需要305億美元的高壓大容量輸電基礎(chǔ)設(shè)施投資，以將潛在的121GW新電池存儲(chǔ)和可再生能源生產(chǎn)結(jié)合起來(lái)。
斥巨資建設(shè)穩(wěn)定電力系統(tǒng)
加州是美國(guó)清潔能源的領(lǐng)頭羊，2020年的停電事件，有人認(rèn)為是能源轉(zhuǎn)型配套沒跟上。
新能源轉(zhuǎn)型，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，規(guī)模也愈加龐大。充足的電力供應(yīng)以確保安全可靠的電網(wǎng)功能是成功實(shí)施可再生能源驅(qū)動(dòng)電網(wǎng)清潔轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。
CAISO發(fā)布的這份文件名為《20年輸電展望》（20 Year Transmission Outlook），也是這個(gè)機(jī)構(gòu)首次發(fā)布20年展望。文件概述了加州實(shí)現(xiàn)清潔能源目標(biāo)的長(zhǎng)期基礎(chǔ)設(shè)施需求。
“加州電網(wǎng)迫切需要更積極、更長(zhǎng)期的輸電規(guī)劃和協(xié)調(diào)。” CAISO首席執(zhí)行官 Elliot Mainzer表示。
這份規(guī)劃文件表示，為實(shí)現(xiàn)2045年100%清潔供電的目標(biāo)，要求加州增加53.2GW的公用事業(yè)太陽(yáng)能，而2020年約為14GW；來(lái)自懷俄明州等其他州的37GW電池存儲(chǔ)和12GW風(fēng)能。
其他2040年規(guī)劃包括來(lái)自加州中部和北部沿海項(xiàng)目的10GW浮動(dòng)海上風(fēng)電、4GW 長(zhǎng)期儲(chǔ)能、2.3GW 地?zé)岷?2.2GW 內(nèi)陸風(fēng)電。
該規(guī)劃指出，連接這些新資源將涉及“重大”重型傳輸開發(fā)?？紤]到這些設(shè)施所需的交付時(shí)間，主要是由于獲得通行權(quán)和環(huán)境許可的要求，這使得加州機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)期規(guī)劃更加重要。
《20年輸電展望》指出，加州在未來(lái)10到20年內(nèi)面臨著對(duì)新的可再生資源的前所未有的需求。
激進(jìn)的可再生能源政策影響加州電網(wǎng)的可靠性
加州電網(wǎng)北部與俄勒岡州電網(wǎng)互聯(lián)，南部與亞利桑那州、墨西哥等電網(wǎng)互聯(lián)。其電網(wǎng)輸電系統(tǒng)主要包括 500、345、220kV等若干個(gè)電壓等級(jí)，由多家電網(wǎng)公司共同運(yùn)營(yíng)，其中最大的電網(wǎng)公司為太平洋煤氣與電力公司(PG&E)，運(yùn)營(yíng)范圍覆蓋加州全網(wǎng)80%以上。
2020年，加州電網(wǎng)總發(fā)電量達(dá)19萬(wàn)GWh，其中燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電達(dá)9萬(wàn)GWh，處于電網(wǎng)發(fā)電首位，占比48%。光伏發(fā)電占比16%次之，水電為11%，位列整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)第三。其次是核能，風(fēng)電，地?zé)崮艿取?/div>
2018年9月，時(shí)任加州州長(zhǎng)杰里布朗簽署了名為《California Renewables Portfolio Standard Program：emissions of greenhouse gases》的清潔能源法案(SB100法案)。該法案目標(biāo)力求到2026年可再生能源發(fā)電量將占全州發(fā)電量的50%；到2030年該比例提高到60%；到2045 年實(shí)現(xiàn)100%可再生能源和零碳電力供應(yīng)。
與此同時(shí)，加州還提前停運(yùn)或報(bào)廢了一些核電和燃?xì)鈾C(jī)組。在基本負(fù)荷天然氣和核電計(jì)劃退役的情況下，迫切需要擁有替代資源來(lái)維持電網(wǎng)的可靠性。
電網(wǎng)的不穩(wěn)定體現(xiàn)在持續(xù)高溫的出現(xiàn)導(dǎo)致用電量激增。加州持續(xù)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的電力短缺情況。
燃?xì)鈾C(jī)組的成本高于可再生能源電站，加州發(fā)電商認(rèn)為如果沒有容量市場(chǎng)的補(bǔ)貼，投資燃?xì)怆姀S將難以盈利。缺乏容量市場(chǎng)等激勵(lì)機(jī)制，加州發(fā)電商缺少增加天然氣機(jī)組裝機(jī)容量的動(dòng)力。燃?xì)鈾C(jī)組容量不足限制了 CAISO 應(yīng)對(duì)短時(shí)間內(nèi)可再生能源大幅波動(dòng)的能力。
CAISO發(fā)布的該公司2021年度夏季負(fù)荷和資源評(píng)估調(diào)查報(bào)告指出，加州電網(wǎng)的能源安全狀況在夏季得到改善，其中一個(gè)因素是部署的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的裝機(jī)容量將會(huì)迅速增長(zhǎng)，而在夏季的極端熱浪期間，電網(wǎng)仍然容易受到供電壓力影響。
不斷增加的光伏-“鴨子曲線”
加州素有“陽(yáng)光之州”的美譽(yù)，擁有豐富的太陽(yáng)能資源。太陽(yáng)輻射強(qiáng)，日照時(shí)間長(zhǎng)，平均日照峰時(shí)超過(guò)五小時(shí)。也正是由于可再生能源的快速增長(zhǎng)，加州一天當(dāng)中的電力凈負(fù)荷情況變成了“鴨子曲線”。
由于太陽(yáng)能發(fā)電在中午達(dá)到高峰，隨著太陽(yáng)的下山而逐漸降低。使得電網(wǎng)內(nèi)其他熱電廠在白天則基本較空閑，而到傍晚時(shí)分就迅速增加發(fā)電量。這就形成了一個(gè)“鴨子”形基本負(fù)荷曲線。
可再生能源生產(chǎn)高峰期過(guò)度發(fā)電的風(fēng)險(xiǎn)很高，而當(dāng)光照停止時(shí)，發(fā)電需求會(huì)在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)發(fā)生巨大變化。
“鴨子曲線”產(chǎn)生的主要因素是光伏發(fā)電量在中午時(shí)達(dá)到最大，在傍晚沒有太陽(yáng)能時(shí)消失，但此時(shí)的電力需求卻急劇上升。而此時(shí)光伏發(fā)電無(wú)法滿足這種需求。“鴨子曲線”源自美國(guó)加州電力系統(tǒng)模型，是指加州電網(wǎng)內(nèi)熱電廠一天的凈負(fù)荷曲線，因曲線形似一只鴨子而得名。
加州不斷增加的光伏使電力凈需求曲線為典型的“鴨子曲線”，所以需要大量靈活的機(jī)組來(lái)維持實(shí)時(shí)電力供需平衡。
極端高溫、風(fēng)電出力減少、初期的彈性警報(bào)效果不佳、激進(jìn)的可再生能源政策、電網(wǎng)靈活性資源不足、靈活性調(diào)節(jié)產(chǎn)品失效、加州電網(wǎng)總裝機(jī)容量不足、加州電網(wǎng)難以與其他電網(wǎng)互濟(jì)以及加州電力市場(chǎng)機(jī)制問(wèn)題。
隨著可再生能源技術(shù)價(jià)格的穩(wěn)步下降，越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)開始實(shí)施積極的可再生能源組合標(biāo)準(zhǔn)(RPS)目標(biāo)，要求增加供應(yīng)電力需求的可再生資源數(shù)量。
實(shí)現(xiàn)100%可再生能源供給過(guò)程實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)能源、可再生能源和儲(chǔ)能協(xié)調(diào)發(fā)展尤為重要。
未來(lái)高比例新能源接入將對(duì)電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力提出極高的要求，因此需要在評(píng)估電力系統(tǒng)安全性及新能源接入承載力的基礎(chǔ)上，合理優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，建設(shè)必要規(guī)模的常規(guī)電源，配置足夠的靈活性調(diào)節(jié)電源，提升新能源消納能力，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型。
