研究人员是否低估了可再生能源的成本？

如何评估来自风力涡轮机和太阳能电池板的电力？是否应该将这些设备视为独立设备进行评估？还是由于这些设备的间歇性和其他因素而导致这些设备提供的电能质量如此之低，以至于我们应该认识到需要支持与实际将电能投入电网相关的服务？这个问题出现在许多类型的评估中，包括平均能源成本（LCOE），能源投资的能源回报（EROI），生命周期分析（LCA）和能源回收期（EPP）。

我最近在蒙大拿州的一次生物物理学会议上发表了名为“正确评估间歇性可再生资源的问题”（PDF）的演讲。你们中很多人都知道，这是一个关注能源投资回报率（EROI）的群体。您可能会猜到，我的结论是，当前的方法论是很容易让人误解的。在提供电网所需的电力时，风能和太阳能并不是真正的独立设备。电网运营商，公用事业和备用电力提供商必须提供隐藏的补贴，以使系统真正运行。

使用LCOE，EROI，LCA和EPP之类的技术，目前任何评估风能和太阳能的小组都尚未意识到此问题。结果，已发表的结果表明，风能和太阳能比实际的要有益得多。这种失真会影响价格和假定的二氧化碳减排量。

会议上提出的一个问题是：“当仅向电网中添加少量间歇性电力时，这种失真真的重要吗？”因此，我也讨论了这个问题。我的结论是，即使在电网普及率较低的情况下，间歇性问题及其引起的价格失真也很重要。在某些情况下，间歇性可再生能源在不加缓冲的情况下是有益的补充（特别是当当前燃料为石油，而风能或太阳能可帮助减少燃料使用时），但是在许多其他情况下，涉及的成本大大超过收益的情况获得。我们需要对特定情况下的成本和收益进行更周到的分析，以准确了解间歇性资源可能在哪些方面有所帮助。

问题的很大一部分是我们正在处理“非独立”的变量。如果我们添加补贴的风能和太阳能，这本身就会改变所有其他类型电力的所需价格。支持类型的电力的每千瓦时价格需要提高，因为它们的EROI因使用效率较低而下降。同样的问题也会影响所有其他定价方法，包括LCOE。因此，我们当前的定价方法使间歇性的风能和太阳能看起来比实际的要有益得多。

解决此非独立性问题的一个明确的解决方法是，主要考虑成本（就EROI或LCOE而言），在该成本中，风能和太阳能是需要发电的地方的整体“组合”的一部分，这些组合可产生电网质量的电能。如果我们能在此基础上找到解决方案，那么风能和太阳能似乎有更多的机会可以增加到总电力的很大一部分。“问题”在于可接受的EROI的下限（根据Charles Hall的工作，可能为10：1，但可能低至3：1）。这在某种程度上相当于使用LCOE的可承受电费的上限。

这意味着，如果我们真的希望扩大风能和太阳能的规模，我们可能需要创建具有可接受的高EROI的电网质量的电力（风能或太阳能，并辅以各种设备来产生电网质量的电力）。这与风能或太阳能（包括使它们达到电网质量的所有必要调整）以较低的美元成本（可能与当今的电力批发成本没有太大差别）可用的要求非常相似。EROI理论将有力地表明，一个经济体的能源成本不会急剧上升，而不会给该经济体带来巨大的问题。用政府补贴掩盖不断上涨的能源成本无法解决这个问题。

失真很早就变得严重

如果我们查看最近发布的有关向电网中添加多少间歇性电力的信息，该电量将非常少。总体而言，2016年，风能和太阳能的组合产生的电量（几乎全部是间歇性的）为5.2％。以面积为单位，风能和太阳能的百分比如图1所示。

图1。根据《 2017年世界能源统计》，风能和太阳能在2016年发电量中所占份额。未显示世界总数，但非常接近中国显示的百分比。

这些百分比低于人们预期的原因有两个。一个原因是，通常引用的数字是风能和太阳能所增加的“发电量”，而这些数字几乎总是高于实际电力供应量补充，因为风和太阳能的“容量”往往很少使用。

图1中的百分比低于我们预期的另一个原因是因为风能和太阳能发电异常集中的地方（示例：德国，丹麦和加利福尼亚）往往依赖于（a）慷慨的补贴计划，（b）来自其他地方的廉价平衡电力的可用性以及（c）邻居慷慨地吸收不需要的电力并将其添加到他们的电力中的组合价格低廉的网格。

随着大量间歇性电力的增加，廉价的平衡能力（例如，来自挪威和瑞典的水力发电）的可用性很快就用尽，邻居对装在电网上的多余多余发电量也越来越不满意。丹麦发现，如果要继续实施其间歇性可再生能源计划，补贴的美元数量逐年增加。

向电网添加间歇性可再生能源的主要问题之一是这样做会扭曲批发电价。太阳能往往会降低电价的中午高峰，从而使“峰值电厂”（天然气电厂仅在价格非常高时才提供电力）保持开放的经济性降低。如果在给定时间产生的风能和太阳能的总量大于客户所需的总电量，价格有时可能会变为负数。发生这种情况是因为间歇性电力通常在电网上被优先考虑，无论价格信号指示是否需要它。除非提供补贴，否则这些问题的结合往往会使备份生成无利可图。如果仍然需要高峰工厂和其他备用设备，但需要减少工作时间，则必须提供补贴，以便工厂能够负担聘请常年工作的员工并支付其日常固定费用。

如果我们将新的电力需求视为“正常”需求，并通过实际，相当随机的风能和太阳能发电进行调整，则新的需求模式最终会出现许多异常情况。异常现象之一是，当风能和太阳能发电量很高时，所需价格会变为负数，但电网并不需要它们。这往往首先发生在春季和秋季的周末，那时电力需求较低。随着间歇性电力份额的增长，负电价的问题变得越来越大。

另一个主要的异常情况是需要大量的“上坡”和“下坡”能力。这种情况通常发生在日落，一次是在日落时，这时需求很高（人们在做饭），但是由于落日，大量的太阳能消失了。对于风来说，快速的起伏似乎与雷暴和其他风暴条件有关。加利福尼亚和澳大利亚都在增加特斯拉制造的大型电池系统，以帮助应对快速的起伏问题。

关于“智能电网”的工作很多，但这项工作并未解决因增加风能和太阳能而带来的特殊问题。特别是，智能电网不会将需求从夏季和冬季（通常是高需求）转移到春季和秋季（通常是低需求）。智能电网和一天中的时间定价也不能很好地解决快速增长的问题，尤其是在这些问题与天气有关的情况下。

一天中的时间定价可能会有所帮助的一个地方是减轻日落时太阳能的快速倾斜问题。当前正在尝试的一种解决方法是在晚上（下午6:00至晚上9:00）提供最高的批发电价，而不是在一天的早些时候。这种方法鼓励那些增加了新的太阳能发电量的人增加其面板朝西而不是朝南，以便更好地满足需求。从电池板产生的总电量来看，这样做的效率较低（因此降低了太阳能电池板的EROI），但有助于防止日落时出现一些快速倾斜问题。当它更好地匹配“需求”时，它也使某些人从中午移到晚上。

从理论上讲，从6:00 pm到9:00 pm的高价可能会鼓励消费者将部分用电（烹饪晚餐，看电视，运行空调）转移到9:00 pm之后。但是，实际上，很难将大量住宅需求转移到基于价格的所需时段。从理论上讲，也可以根据电价将需求从夏季和冬季转移到春季和秋季，但是很难想到家庭可以轻松做出的改变将使这种改变发生。

当添加间歇性可再生能源时出现奇怪的需求模式，标准定价方法（基于边际成本）倾向于产生批发电价，该价格对于天然气，煤炭和核能供应商生产的电而言太低了。实际上，随着越来越多的间歇性电的加入，用于支持提供商的批发电价趋于与所需的价格越来越不同。图2中的虚线显示了即使零售住宅电价上涨，欧洲批发电价也在下降。

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图2。即使批发电价（虚线）下降，欧洲住宅电价也上涨了。

Paul-Frederik Bach的图表。

边际定价方案几乎没有提供关于实际需要多少备份的指导。因此，由政府和地方电力监督小组来决定如何补偿已知的定价问题。有些向非间歇性生产者提供补贴；别人没有。

使事情更加复杂的是，在经济不景气的国家，用电量迅速下降。增加风能和太阳能可进一步减少所需的天然气，煤炭和核能发电。一些国家可能会让这些生产者倒闭。不管是否需要备份，其他人都可以将它们作为工作创造程序进行补贴。

当然，如果由单个付款人负责间歇性电力计划和其他电力计划，则可以设置足够高的综合费率来支付间歇性电力和备用发电的成本，从而从电价的角度消除价格问题提供者。于是问题就变成了：“新的高电价能被消费者负担得起吗？”

最近发布的《 IEA世界能源投资报告2017》提供了有关许多发展中问题的信息：

“目前，网络投资仍然保持强劲增长，但是随着电网投资的长期经济可行性下降，一些地区对公用事业死亡螺旋的前景已产生担忧。基于每千瓦时收费可变的固定网络资产报酬的仍然广泛的监管实践不适合具有大量分散式太阳能光伏和存储容量的电力系统。”

IEA的投资报告指出，尽管先前解决的缺乏输电问题已在2016年减少了中国10％的太阳能光伏发电和17％的风力发电发电。图1显示，2016年中国来自风能和太阳能的电力仅占其总电力消耗的5.0％。

关于印度，国际能源机构的报告说：“为支持太阳能的持续增长，将需要更灵活的常规能力，包括天然气发电厂，与水资源的更好连接以及对电池存储的投资。”2016年印度间歇性电力仅占总电力供应的4.1％。

在欧洲，2017年1月电价飙升至10年高位，当时风能和太阳能输出均很低，而且温度异常寒冷。如前所述，加利福尼亚州和南澳大利亚州发现有必要添加特斯拉电池以应对快速上升和下降。如果燃煤电厂继续在南澳大利亚提供服务，澳大利亚还将增加大量不需要的输电方式。

EROI分析中目前未包含与间歇性解决方法有关的任何成本。它们通常也不会包括在其他种类的分析中，例如LCOE。我认为，现在已经到了需要比过去更广泛地进行分析的时候了，以便更好地掌握添加间歇性电力的真实成本。

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当然，正如我们在介绍中所看到的那样，全球电力供应仅占风能和太阳能的5％。2016年，全球仅有5％高于5％的地区是欧洲（2016年为11.3％）和美国（6.6％）。

关于完全由可再生能源（例如水力发电，风能，太阳能和燃烧的生物质）运行的电气系统，已有很多讨论，但据我所知，这些在实践中并不存在。试图取代包括石油和天然气使用在内的总能源消耗将是一个更大的问题。

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消费者所需的电量在一年中变化很大。在平日，工厂和学校经常关闭，因此用电需求通常比周末高。通常在冬天（异常寒冷）中有一个“高峰”，而在夏天（异常炎热）中的第二高峰。在一天的24小时内，晚上的需求往往最低。在一年中，最低的需求通常发生在春季和秋季的周末。

如果将来自W＆S的间歇性电力在电网上放在首位，则最终的“净”需求将比基于客户使用情况的原始需求模式变化更大。随着添加到电网的间歇性电的百分比增加，这种日益变化的需求往往变得越来越难以处理。

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EROI几乎总是在太阳能电池板或风力涡轮机的水平以及常规逆变器以及用于将设备固定到位的任何设备的水平上计算的。此计算未考虑将电力输送到正确位置以及达到电网质量的所有成本。如果顺时针旋转图表，随着W＆S百分比的增加，我们会看到一些问题。

智能逆变器是一项发明，除了间歇性问题外，它还用于使电能输出的质量更接近电网质量。由于仅使用“常规”逆变器遇到的问题，德国已经对太阳能光伏系统进行了改造。升级到智能逆变器将是通常不包括在EROI或LCOE计算中的成本。

幻灯片6中说明的下一个问题是，如果风能和太阳能在电网上具有优先权，则定价系统无法使用任何燃料。通常使用的边际成本方法对于受此定价方案约束的每个生产商而言，批发价过低。结果是定价系统给出了令人误解的低价信号。监管机构通常都知道此问题，但没有解决此问题的好方法。容量支付在某些地方被用作尝试的解决方法，但是尚不清楚这种支付是否能真正解决问题。

不太明显的是，除了给出过低的电价指示之外，当前的边际成本定价方法还间接地针对天然气和煤炭作为燃料的要求价格给出了人为的低价指示。由于这股力量和其他力量朝着同一个方向行动，我们最终遇到了一个非常奇怪的情况：（a）天然气和煤炭价格往往低于其生产成本。（b）同时，由于无法承受极低价天然气和煤炭所产生的人为低价电力的竞争，核电厂被迫关闭。误导性较低的批发电价往往会导致整个系统崩溃。

幻灯片6还显示了一些问题，这些问题似乎是在添加更多间歇性电时开始出现的。一旦添加了新的长途传输线，它将改变整个“游戏”的性质。依靠邻居增加的发电量变得更加容易。一个国家可能增加的任何一代都变得对邻国更具吸引力。只要周围有足够的电量，一切就可以进行。当出现短缺时，争论就开始出现。诸如此类的论点可能会破坏欧元区的稳定。

在此图表中我没有提到的一件事是，当电力供应过剩时，需要向间歇性的电网供应商付款而不是发电的需求日益增加。在英国，2015年每周支付的款项超过100万英镑。我之前提到过，2016年中国的风力发电量减少了17％，太阳能光伏发电量减少了10％。EROI计算未考虑这种可能性；他们假设所产生的电的100％实际上可以被系统使用。

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定价系统不再起作用，因为W＆S会在可用时（而不是其他世代）被添加。在许多方面，定价体系就像我们对食物的需求一样。通常，我们在饥饿时进食，而进食会降低食欲。W＆S完全添加到系统中，而无需考虑系统是否需要它，而让其他电力生产商使用他们得到的虚假定价信号来设法解决问题。IEAs《 2017年投资报告》建议各国制定新的定价方案来纠正问题，但尚不清楚如果不纠正隐性补贴，这实际上是可能的。

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如果您可以使用邻居增加的新电源，为什么还要增加更多的电源？

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南澳大利亚州最近发生了两次重大停电事故-部分与向电网中增加大量风能和太阳能以及其最近的两家燃煤发电厂的损失有关。第一次大停电是在天气事件期间发生的。第二个大停电发生在夏季温度很高的时候，因此，电力需求很高。

计划解决供应短缺的一种方法是天然气。不幸的是，南澳大利亚州实际上没有很好的天然气供应来运行其使用天然气发电的装置。因此，除了价格很高以外，可用的天然气发生器无法真正实现期望的响应。现在正在进行一些更改，包括计划中的Tesla电池系统。随着所做的更改，有报告称南澳大利亚州企业的电费上涨高达120％。

具有讽刺意味的是，澳大利亚是天然气的主要出口国。企业期望，与向南澳大利亚州居民提供天然气相比，他们可以将更多的天然气作为LNG出售到国外来赚钱。目前，这些出口正受到限制，以试图帮助解决南澳大利亚州的天然气问题。

这些问题指出，如果监管机构简单地假设“市场力量将提供解决方案”，那么所有不同类型的发电之间的互联程度如何，以及情况如何迅速成为局部危机。

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澳大利亚的一个专家小组建议采用类似的方法。使用内置补贴的系统变得太困难了。

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时间会有所不同。为利息而支付的款项需要直接或间接地使用只能使用能源产品进行支付的未来商品和服务来支付。因此，它们还需要使用能量产品。

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（a）查看现有石油和天然气或煤炭公司的实际运营经验，与（b）猜测由风板和太阳能板运行的系统的未来运行经验之间可能存在真正的区别。在预见将来可能出现什么问题时，猜测很低。

随着时间的推移，不仅需要更换风力涡轮机和太阳能电池板；所有支撑设备都需要保持良好的维修状态，并随着时间的推移而更换。此外，电网的维护还依赖于石油。如果石油成为问题，则确实存在电网将无法使用的危险，随之而来的是电网通常分配的电力，包括风能和太阳能。

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经济和人类都是自我组织的系统，它们的生存依赖于能源消耗。它们也具有许多其他共同特征。

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我们知道，对于人类，我们确实需要检查新药或饮食习惯在实践中是如何工作的。一方面，必须按计划使用药物和饮食。发生了我们无法预料的意外长期变化。

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将风和太阳能添加到电网系统时，会发生相同类型的问题。我们真的必须看看发生了什么，才能了解整个情况。

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追踪新闻的任何人都知道药品的悠久历史，后来又被撤回。

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提议的能源解决方案可能会发生类似的情况。

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需要考虑一整套费用以及一系列直接和间接的结果。

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据我所知，生产使用100％可再生能源运行的系统的任何尝试都没有成功。化石燃料的使用有所减少，但成本很高。

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A2013 Weissabach等人。EROI分析检查了风和太阳能的部分缓冲情况（大约需要10天的缓冲时间）。它省去了将风能和太阳能提高到电网质量的电力所需的其他成本，例如超长距离的输电成本，以及更显着的缓冲功能，可以将春季和秋季产生的电力转移到夏季或冬季。这些作者计算出风的部分缓冲EROI为4：1，太阳能PV的部分缓冲EROI范围为1.5：1至2.3：1。

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当然，在某些特定情况下，确实需要进行更多的调查，包括查看所需设备的完整包装以提供不间断的电网质量的电能。技术的改进将倾向于提高EROI指标；增加更多的辅助设备以提高电网质量会降低EROI指标。

如前所述，如果维持现代社会的标准是10：1，那么如果要大量使用，风能和太阳能PV似乎都将远远低于所需的EROI标准。

如Hall所言，如果EROI值低至3：1可能有用，那么就有可能有些风能会有所帮助，特别是在特定风场具有非常高的容量系数（可以大量发电的情况下）时间），以及价格问题是否可以得到适当处理。在大多数应用中，太阳能光伏的EROI可能仍然太低。无论如何，我们需要更仔细地研究情况，而不是简单地假设可以无限期地隐瞒补贴。

盖尔·特维尔伯格（Gail Tverberg）通过我们的有限世界