《电子技术应用》

大规模输电投资有利于清洁能源发展 美国德州模式的推广

2017/11/14 13:22:18

  张家口和北京将联合举办2022年冬奥会,可再生能源是这两个城市的重点规划之一。去年,保尔森基金会发布了《风光无限》报告,指出这两个城市可以向美国德克萨斯州和德国学习,尽管可再生能源与人口密集区相距较远,仍可以实现可再生能源的大规模消纳。德克萨斯州和德国的专家们把可再生能源的成功消纳归功于三个重要因素:首先是市场规划,尤其是建立活跃的电力现货市场;二是调整平衡电力地区,将可再生能源调度到以前相互隔离的地区;三是增加可再生能源电力输电线路投资。

  基于上述结论和其他考量因素,报告建议在京津冀地区开展可再生能源消纳试点,把更多的风电和太阳能电力从张家口输往北京和河北省南部地区。此后,中国国家能源局发文,要求在京津冀地区开展电力市场建设试点,重点是直接电力交易和现货市场。

  《风光无限》报告发布之后,美国和欧洲的可再生能源消纳领域也有新的进展,进一步证实了报告得出的结论。总体上,美国的可再生能源电力持续快速增长。德克萨斯州的能源改革得到近邻地区的认可并予以推广。风能普及率高的地区正在推进大型输电项目,开拓新市场。

  德州和其他地区的清洁能源持续发展

  德州的风能和太阳能发电能力持续增长:该州目前有18吉瓦的风电装机容量,提供了全州电力消费量的15%。2017年3月23日,风电一度满足了该州50%以上的电力负荷,创下新纪录。太阳能装机容量虽然只有500兆瓦,但超过1吉瓦的新增太阳能正列队投产。重要的是,德州正在逐步淘汰煤电产能,以太阳能、风能和天然气发电代之。此外,德州还在不断建设新的输电线路。

  新增输电线路和可再生能源为德州带来了巨大的利益。需要可靠低碳能源的全球技术产业积极签署风电采购协议。德州的电价本来就在全美最低之列,在推出零售竞争、现货市场和可再生能源专用输电线路之后,电价还在进一步下降。而且,尽管不再有所谓的“基础荷载电力”,德州的电网依然非常可靠,弃风率极低。

  推广德州模式

  美国政坛两党都将德州视为可再生能源的成功典范。德州前州长里克˙佩里主持了德州的输电网络扩展项目,现升任美国能源部长。

  其他州开始将德州当作潜在的低碳能源供应地。虽然德州的电网长期以来一直相对孤立于美国其他州,但目前正在考虑加强与相邻地区的连接。拟议项目之一是新建一个直流电网,称为SouthernCross,与美国东部电网相连,建成后可以将德州的廉价风电输送到美国东南部地区。该项目需要建设一条644公里长、500千伏的直流电线路,能将2吉瓦风电从德州输送到亚拉巴马州和密西西比州。项目开发商预计,通过提高德州境内的风电和输电线路利用率,该项目将促使德州风电投资增加,风电装机容量可增加3吉瓦。与消费者付费的德州州内电网系统不同,SouthernCross将由使用输电线输出电力的风电厂付费。根据2017年的最新估计,这条输电线路将在2021年之前建成并投入使用。

  德州的经验表明,大规模输电投资有利于清洁能源发展,于是美国其他地区也纷纷效仿。目前,约有十几个大型输电项目正在申请州政府和联邦政府的批准,其中许多项目专门为风电和太阳能而设。值得一提的是两个项目:“西部快速输电线项目”和“大平原东部清洁输电线项目”。

  西部快速输电线项目的核心是,让低成本风电翻越位于怀俄明州的北美大陆分水岭,进入人口密集的南加州地区。该项目是一个600千伏的直流电输电项目,输电线跨越多个州,总长超过1000公里,输电能力为3000兆瓦。项目建设成本超过30亿美元,开发商希望在2020年完工。西部快速输电线项目已经论证多年,但在最近几个月相继获得美国两大重要政府机构(土地管理局和西部地区电力管理局)的批准。

  正在申请各类批准的第二个大型输电线项目是大平原东部清洁输电线项目。该项目是一条耗资20亿美元、长度超过1000公里的直流电输电线路,从俄克拉荷马州到田纳西州的田纳西州流域管理局区域,计划将5000~7000兆瓦的廉价风电和其他可再生能源电力输送到美国东南部。还有几个类似项目也在酝酿之中,许多私营企业都在积极参与,这说明低成本风电输电项目可以创造其他项目无法比拟的经济价值。

  不过,新建输电线路只是大格局中的一部分。德州的案例显示了市场改革的重要性,尤其是现货市场的建立和平衡地区的调整。在美国大平原和西部地区,这类改革在过去、现在和将来都很关键。例如,大平原各州同属SoutheastPowerPool(SPP),这是一个制定市场规则并运营电网的地区性输电组织。该组织在2013年建立了IntegratedMarketplace,这是包括现货市场和日前电力市场在内的综合市场,取代了之前由16个独立运行的、以双边合同为主的市场组成的复杂网络,将能源和辅助服务交易并入一个覆盖SPP全区的单一机构的管理之下。一项独立研究显示,SPP综合市场在运行的头两年就为用户节省了2.4亿美元,带来了34亿美元的输电项目投资。2015年,SPP吸收了内布拉斯加州、南达科他州、北达科他州、蒙大拿州部分地区、怀俄明州、明尼苏达州和艾奥瓦州的公用电网,进一步推动该地区提高风电消纳能力。

  加州设定2030年可再生能源占比目标为50%,并且加州与美国西部地区整合是一个必然趋势,所以西部快速输电线项目才有存在的价值。2014年,在加州和内华达州经营的电力公司PacifiCorp推出了“电力调配市场”(EIM),为这两个州的用户节省了大量开支,受到广泛赞誉。西部快速输电线进入PacifiCorp经营区域后终止,将电力输入EIM市场。

  2015年,加州的一项立法提案鼓励独立电网运营商互连,形成一个真正的跨州电网。围绕这项提案的多项独立研究表明,这将降低可再生能源采购费用,减少储备要求,优化发电资产利用率,从而每年为加州用户节省15亿美元。可再生能源方面的优势特别突出:当加州的太阳能资源变弱时,怀俄明州和西北部地区的风能可以大量发电。加州与亚利桑那州的太阳能可以相互平衡,弥补两地的早晚用电高峰缺口——亚利桑那州的太阳能可以弥补加州早间用电高峰的缺口,而加州的太阳能可以满足亚利桑那州傍晚的用电高峰需求。虽然这些旨在提高可再生能源消纳的项目现在暂缓推进,但电力消纳最终会进一步改善。

  中国的城市如何借鉴美国的可再生能源消纳经验?人们常说城市可以在应对气候变化方面发挥表率作用,但在可再生能源消纳方面,美国重视的是地区层面的市场改革与电力传输。美国的经验表明,市场规划才是可再生能源消纳的最大障碍,并不是技术。虽然城市有一些独立推进可再生能源消纳的途径,例如分布式太阳能,但长远来看,即使是分布式能源也要依赖于可再生能源交易和调配地区的拓宽。加州与德州的经验说明,这些改革不但可以节省资金、改善环境,还可以增强企业和消费者的信心,推动可再生能源发展更上一层楼。


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