從控制污染、降低我國(guó)能源的國(guó)際依賴和鼓勵(lì)自主開發(fā)核心能源技術(shù)的角度，恐怕沒有多少人會(huì)質(zhì)疑發(fā)展新能源電力的必要性。在過去的十年里，我國(guó)新能源發(fā)電從無到有，取得了巨大的進(jìn)步。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委的數(shù)據(jù)，到2018年年底，我國(guó)全國(guó)風(fēng)電、光伏裝機(jī)達(dá)到3.6億千瓦，占全部發(fā)電裝機(jī)容量的近20%；風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電在我國(guó)發(fā)電總量中的比重，達(dá)到接近9%。
好消息不限于此。我國(guó)風(fēng)電和光伏電站的平均建設(shè)成本也逐年降低。2017年投產(chǎn)的風(fēng)電、光伏電站平均建設(shè)成本比2012年分別降低了20%和45%。據(jù)報(bào)道，目前在資源條件優(yōu)良、建設(shè)成本低、投資和市場(chǎng)條件好的地區(qū)，風(fēng)電、光伏發(fā)電成本已達(dá)到燃煤標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)水平，具備了不需要國(guó)家補(bǔ)貼平價(jià)上網(wǎng)的條件。
在這些背景下，國(guó)家發(fā)改委能源所發(fā)布的《中國(guó)可再生能源發(fā)展路線圖2050》中提出了我國(guó)新能源發(fā)電的宏偉目標(biāo)：到2050年，即使在基本情景，風(fēng)電和光伏電站的發(fā)電量，要分別達(dá)到2萬千瓦時(shí)和2.1萬千瓦時(shí)。單從發(fā)電成本，并結(jié)合歷史的發(fā)展確實(shí)，這個(gè)目標(biāo)的設(shè)定似乎沒有什么不妥。但是，如果考慮到電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的實(shí)際狀況，和我國(guó)新能源電力電網(wǎng)傳輸?shù)睦щy，這個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要克服幾個(gè)突出的困難。清醒的認(rèn)識(shí)，并提出解決這些困難的切實(shí)可行的方案，是實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)的前提條件。否則，只能是造成供需錯(cuò)配、投資和資源浪費(fèi)的情況。
本文主要闡述兩個(gè)核心的困難。
我國(guó)新能源供應(yīng)和能源需求呈逆向分布。我國(guó)80%以上的風(fēng)能資源分布在“三北”地區(qū)：西北、華北和東北；太陽(yáng)能資源也是“高原大于平原、西部大于東部”。但在需求方面，75%以上的能源需求集中在東部、中部地區(qū)。“三北”地區(qū)新能源近年來是爆發(fā)式增長(zhǎng)：“三北”總負(fù)荷僅占全國(guó)總負(fù)荷的36%，卻集中了全國(guó)75%的新能源裝機(jī)。
在“三北”整體新能源電力供給過剩的情況下，電力輸送通道不足是新能源行業(yè)出現(xiàn)棄風(fēng)和棄光現(xiàn)象的直接原因。目前的電能大規(guī)模存儲(chǔ)的技術(shù)瓶頸并沒有解決。在歐美，新能源發(fā)電行業(yè)的發(fā)展是搞分布式能源，遵循“分散接入，就地消納”的思路。但中國(guó)的居民住宅主要是樓宇，而不是西方獨(dú)立分布的房屋，以住戶為單位的分布式能源無法實(shí)現(xiàn)。再加上人口稠密的東部和南部的風(fēng)力和光伏資源并不豐富，風(fēng)力和光伏主要在人口稀疏的北部和西部地區(qū)，所以中國(guó)新能源發(fā)電的并網(wǎng)，長(zhǎng)期遵循“大基地建設(shè)，大規(guī)模送出”的思路。這就需要中國(guó)具有從北向南、從西向東的長(zhǎng)途電力運(yùn)輸?shù)哪芰Α?/p>
目前長(zhǎng)途電力運(yùn)輸能力的不足，是導(dǎo)致棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象的主要原因。2018年年底全國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電、光伏裝機(jī)占全部裝機(jī)容量的20%，但發(fā)電量不足9%。在多年的努力之下，2017年年底，全國(guó)棄風(fēng)、棄光電量仍然分別達(dá)419億千瓦時(shí)、73億千瓦時(shí)，棄風(fēng)棄光率各為12%和6%，甘肅、新疆、吉林的棄風(fēng)比例甚至高達(dá)33%、29%和21%。
未來中國(guó)，是否應(yīng)該大力發(fā)展長(zhǎng)途運(yùn)輸新能源電力的能力？這里面首先是個(gè)成本的問題。其次，是在長(zhǎng)途輸送的電力損耗的問題。特高壓輸電技術(shù)能否成為一道良方，取決于在準(zhǔn)確評(píng)估電力損耗的基礎(chǔ)上，細(xì)致的成本和收益分析。
風(fēng)電、光電的隨機(jī)性與波動(dòng)性，使得把風(fēng)電和光電整合進(jìn)目前的電網(wǎng)系統(tǒng)，有非常大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的難度。首先，即使在同一地點(diǎn)，每天風(fēng)能和太陽(yáng)能的強(qiáng)度都各不相同。這需要在沒有風(fēng)和太陽(yáng)的日子，傳統(tǒng)能源能夠有效地提供替代。為了使這種替代平滑順利，不引致電力系統(tǒng)的運(yùn)行困難，就需要提前做好調(diào)度安排，這就要求能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)風(fēng)能和電陽(yáng)能的強(qiáng)度。這種預(yù)測(cè)不是平均意義上的，而是要在每天甚至每小時(shí)的刻度上進(jìn)行。
其次，是在一天之內(nèi)，每個(gè)時(shí)段風(fēng)能和太陽(yáng)能的強(qiáng)度很大的差異。德國(guó)是過去一段時(shí)間太陽(yáng)能發(fā)展最為迅猛的國(guó)家，在日本福島事故之后，德國(guó)更是停止了核能的發(fā)展，著力打造太陽(yáng)能。但是發(fā)展到現(xiàn)在，德國(guó)也不得不停滯甚至發(fā)生倒退。主要的原因就是不能很好處理太陽(yáng)能每天強(qiáng)度變化，給電網(wǎng)調(diào)度的帶來的問題。本文圖表非常形象地說明了這個(gè)現(xiàn)象。
倫敦大學(xué)國(guó)王學(xué)院政策研究所主席巴特勒說，在改變能源行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步中，可能沒有哪一項(xiàng)比能源儲(chǔ)存更重要了。
該圖中虛線表示一天之內(nèi)電力的總需求，黑線表示傳統(tǒng)能源（除去太陽(yáng)能發(fā)電）所需要提供的電力。因?yàn)樘?yáng)光線在中午最為強(qiáng)烈而早晚不足，在光電上網(wǎng)的情況下，來自傳統(tǒng)能源的發(fā)電要在早晚保持高負(fù)荷，才能滿足生產(chǎn)和生活的電力需求；但是在中午光能強(qiáng)的時(shí)段，傳統(tǒng)電力的負(fù)荷要迅速降下來，才能保證光電的正常上網(wǎng)。也就是說，為了能夠接納太陽(yáng)能的發(fā)電，要求傳統(tǒng)的火電在一天之內(nèi)，在特定時(shí)間內(nèi)迅速把負(fù)荷降下，然后在特定時(shí)間迅速把負(fù)荷提上去。這樣頻繁并且大幅度的負(fù)荷調(diào)整，在技術(shù)上非常困難，同時(shí)經(jīng)濟(jì)上的成本也非常高。此外，類似的負(fù)荷問題不僅發(fā)生在一天之內(nèi)（intra-day），也存在于不同天之間（inter-day），特別是季節(jié)、天氣變化之類的影響（見圖中夏季和冬季電力的對(duì)比）。
認(rèn)識(shí)困難的目的不是裹足不前，而是提醒行動(dòng)不至于莽撞。要解決這個(gè)問題有兩個(gè)最有效的辦法，首先是能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)能和電陽(yáng)能的強(qiáng)度；其次是能盡快實(shí)現(xiàn)能源儲(chǔ)存技術(shù)的突破，并準(zhǔn)確評(píng)估能源儲(chǔ)存能力、新能源發(fā)電量和電網(wǎng)穩(wěn)定性之間的匹配度和系統(tǒng)效果。
目前對(duì)于風(fēng)能和太陽(yáng)能的預(yù)測(cè)極大依賴于氣象學(xué)的數(shù)據(jù)，氣象學(xué)本身對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度不需要達(dá)到小時(shí)級(jí)別，而電能由于儲(chǔ)存成本高，對(duì)即時(shí)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的要求更高，所以如果能夠提高風(fēng)速等指標(biāo)的預(yù)測(cè)精度，將極大促進(jìn)風(fēng)能的預(yù)測(cè)，也有利于各種電能之間的協(xié)調(diào)。
風(fēng)力發(fā)電的主要影響因素就是風(fēng)速和風(fēng)向。對(duì)風(fēng)力發(fā)電的預(yù)測(cè)也分為短期、中期和長(zhǎng)期三大類別。使用的模型主要有三大類模型：物理學(xué)、氣象學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)。主要思路都是基于已有風(fēng)速來預(yù)測(cè)風(fēng)力發(fā)電量，所以風(fēng)速的信息對(duì)風(fēng)力發(fā)電量的預(yù)測(cè)至關(guān)重要。短期內(nèi)對(duì)風(fēng)速的預(yù)測(cè)最快捷有效的模型是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)，從成本和操作角度來說都是最方便的。
倫敦大學(xué)國(guó)王學(xué)院政策研究所主席巴特勒說，在改變能源行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步中，可能沒有哪一項(xiàng)比能源儲(chǔ)存更重要了。上文提到的新能源發(fā)電會(huì)給電網(wǎng)調(diào)度帶來巨大的挑戰(zhàn)，原因就是電網(wǎng)必須保持供給和需求在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的平衡。如果太陽(yáng)能在白天的時(shí)候被轉(zhuǎn)化成電能，儲(chǔ)存起來，到晚上使用，這樣電網(wǎng)調(diào)度就非常容易了。
但遺憾的是，雖然能源儲(chǔ)存在電動(dòng)車行業(yè)的發(fā)展中，有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但從目前來看，在滿足居民生活和工業(yè)生產(chǎn)這個(gè)規(guī)模上的能源儲(chǔ)存，還沒有看到曙光。筆者在2018年訪問麻省理工學(xué)院，深刻感受到能源儲(chǔ)存已成為美國(guó)學(xué)界和工業(yè)界的主攻方向，相信在未來會(huì)有大的發(fā)展。但是能源儲(chǔ)存的量，會(huì)有一個(gè)從無到有、從少到多的發(fā)展。所以，如何更準(zhǔn)確地模擬和預(yù)評(píng)估新能源發(fā)電量、能源儲(chǔ)存能力，以及接入電網(wǎng)之后整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性效果，就成為一個(gè)非常重要的問題。這需要建立準(zhǔn)確的仿真模型乃至數(shù)字孿生平臺(tái)去評(píng)價(jià)相應(yīng)政策手段的效果。
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