间歇性可再生能源如何危害电网

许多人希望风能和太阳能光伏能够以有利的方式转换电网电力。这真的有可能吗？间歇性可再生能源产生大量电网电能真的可行吗？答案越来越像是“不，成本太高，投资回报率太低”。即使间歇性可再生电力的渗透率较低，我们也已经遇到了主要的电网问题：美国，占2015年用电量的5.4％；中国3.9％；德国，占19.5％；澳大利亚，百分之6.6。

实际上，我得出了一个相当惊人的结论：即使可以以零成本建造风力涡轮机和太阳能光伏发电，在没有更好，更便宜的电力的情况下，继续将其添加到电网中也没有任何意义。存储比今天要多。除了自行构建设备之外，还有太多成本。这些次要成本是有问题的。此外，间歇性电力的存在会扰乱竞争价格，导致电力价格对其他电力供应商（包括使用核能或天然气的电力供应商）而言过低。风能和太阳能对电网电力的微小贡献无法弥补由于价格低廉而使传统电力的损失。

世界各地的领导人都要求他们的国家转而使用可再生能源，而不必仔细研究可能产生的成本和收益。进行了一些简单的计算，例如“生命周期评估”和“能源投资回报的能源”。这些计算错过了以下事实，即返回的间歇能量的质量远低于操作电网所需的质量。他们还错过了时间和资金成本非常重要的观点，以及对其他能源产品定价的影响也很重要。这基本上是我先前写过的一个问题的另一个示例，“过于简单的能源经济模型给出了令人误解的答案”。

让我们看一下我们尝试向电网中添加间歇性可再生能源时遇到的一些问题。

问题1电网问题在间歇性电力渗透水平较低的情况下成为一个问题。

根据EIA数据，2015年，风能和太阳能光伏仅占夏威夷总电力消耗的12.2％。即使处于这样低的水平，夏威夷也遇到了足够严重的电网问题，因此它必须停止净计量（在将电力出售给电网时，让房主相信电力的零售成本）并逐步取消补贴。

图1。夏威夷电力生产，基于EIA数据。其他显示电力是各种其他非间歇性电源的总和，包括地热和作为燃料燃烧的生物质。

夏威夷由一系列群岛组成，因此无法从其他地方进口电力。这就是我所说的“发电量=消费量”。当然，在所有发电过程中都会存在一些传输线损耗，因此，发电和消耗实际上是稍有不同的。

在加利福尼亚，情况并没有太大不同。主要区别在于加利福尼亚可以从其他地方进口非间歇性（也称为“可分派”）电力。在平衡方面，真正重要的是间歇性电与总电之比。加州正以与夏威夷类似的间歇性电力渗透（风能+太阳能光伏）水平陷入电网问题，2015年约占电力消耗的12.3％，夏威夷为12.2％。

图2。基于EIA数据的加州电力消耗。其他显示是其他非间歇性来源的总和，包括地热和为发电而燃烧的生物量。

即使风能和太阳能生产不断增长，加利福尼亚州也越来越依赖于从其他州进口的非间歇性电力。

问题2间歇性用电量的明显“下降”占总用电量的10％到15％，这是由于运营储备的限制所致。

电网设置有“运行储备”，即使大型设备（例如核电厂）下线，电网也可以保持稳定。这些运营储备通常可以处理10％至15％的电力波动。

如果需要进行其他调整，则可以根据可中断供应的较低价格协议，使某些商业设施离线。某些类型的发电厂，尤其是水力发电站和天然气“发电厂”，也有可能迅速提高或降低产量。联合循环天然气厂也可提供合理的快速响应。

从理论上讲，可以对系统进行更改以使系统更加灵活。一种这样的变化是增加了更远距离的传输，从而使可变电力可以分布在更大的区域上。这样，10％至15％的业务准备金“上限”就可以更广泛地适用。另一种方法是增加能量存储，以便可以存储多余的电量，直到以后需要为止。第三种方法是使用“智能电网”进行更改，例如在电力供应不足时关闭所有空调和热水器。相对于因实施而可以添加的间歇性电量，所有这些更改往往实施起来缓慢且成本较高。

问题3如果没有其他解决方法来解决间歇性电能过剩的问题，则必须加以限制-即倾倒而不是添加到电网中。

没有电网容量的生产过剩是2009年德克萨斯州的一个严重问题，导致2009年风能的约17％被削减。当时，风能约占德克萨斯州总用电量的5.0％。由于一系列电网升级，风能从德克萨斯州西部流向德克萨斯州东部，该问题已基本解决。

图3。基于EIA数据的德克萨斯州电网净发电量。德州电网是独立的，因此没有进口或出口的电力。

2015年，风能和太阳能产生的间歇性电力总量仅占德克萨斯州电力的10.1％。太阳能从未足够大到无法在图表上显示出来– 2015年仅占消费量的0.1％。德克萨斯州的间歇性用电总量现在才刚刚开始达到操作储备的10％到15％的极限。因此，它在达到断断续续的电力极限方面仅次于夏威夷和加利福尼亚。

根据监督加州电网的公司模型，如果遵循40％的加利福尼亚可再生能源投资组合标准（RPS），并且不进行解决此问题的更改，那么到2024年，加利福尼亚的电力削减将非常重要。

问题4如果包括所有成本，包括电网成本和间接成本（例如需要额外存储），则间歇性可再生能源的成本往往会很高。

在欧洲，至少有合理的尝试将电费退还给消费者。在美国，可再生能源成本大部分是隐性的，而不是向消费者收取。这很容易做到，因为它们的使用率仍然很低。

尤安·梅恩斯（Euan Mearns）发现，在欧洲，风能和太阳能在总发电量中所占的比例越大，消费者的电价就越高。

图5。Euan Mearns的图显示了已安装的风能+太阳能容量与欧洲电价之间的关系。源能源问题。

红色显示的五个国家都遇到了财务困难。高昂的电价可能导致了他们的问题。

该图表未显示美国，因为它不属于欧洲。如果是的话，它将在捷克共和国和罗马尼亚的下方，并在右侧。

问题5电力公司愿意为间歇性电力支付的金额非常低。

最大的问题是：“增加间歇性电力能为电网增加多少价值？”显然，增加间歇性电力可以使公用事业减少原本可以购买的化石燃料能源量。在某些情况下，增加太阳能发电量会稍微减少所需的新一代发电量。之所以出现这种减少，是因为夏季下午空调使用率很高时，太阳能倾向于提供电力。当然，在发达国家，由于更高效的灯泡以及计算机屏幕和电视显示器的用电量减少，总的用电趋势有所下降。

同时，间歇性电的添加会增加一系列其他成本：

-需要更多与发电设备的连接。现在的房屋需要双向连接，而不是单向连接。有人需要维修这些连接并检查问题。

-除了间歇性问题外，有功功率和无功功率的混合也可能是错误的。发电源可能导致频率偏差大于法规允许的范围。

-需要更多的长距离输电线路，以便新的电力可以分配到足够宽的区域，从而在需要很少的电力时（例如，春季和秋季的周末）不会造成供过于求的问题。

-由于电力运输距离较远，因此运输损失更大。

-为了减轻其中一些问题，需要蓄电。这会增加两种费用：（1）存储设备的成本，以及（2）在此过程中断电。

-正如我稍后将讨论的那样，间歇性能源往往会导致非常低的批发电价。其他电力供应商需要补偿这些低价所造成的影响；否则他们将离开市场。

综上所述，将间歇性电力添加到电网中时，主要的节省是节省燃料。同时，增加了许多不同类型的大量成本，以抵消这些节省。实际上，甚至还不清楚，当进行比较时，添加间歇性电的好处是否大于所涉及的成本。

根据EIAs 2015年《风能技术市场报告》，间歇性电力出售给电力公司的主要方式是长期电力购买协议（PPA）的一部分，该协议通常持续20年。公用事业购买PPA作为对冲未来天然气价格上涨可能性的一种方式。该报告表明，PPA的近期售价约为每兆瓦时25至28美元（图6）。这相当于每千瓦时2.5至2.8美分，这非常便宜。

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图6。EIA展品显示了2015年《风能技术市场报告》中风电PPA的中位数和平均成本与EIA预测的天然气价格相比。

实际上，公用事业公司试图做的是对冲他们选择购买的任何燃料价格的上涨。他们甚至有能力承担其他昂贵的更改，例如增加传输线和存储能量，以便可以容纳更多的间歇性用电。

问题6在竞争激烈的电力市场（例如在加利福尼亚，德克萨斯州和欧洲）出售间歇性电力时，经常会导致电力批发价格下跌。在需求高涨的时候，它也可以使高价的高峰减少。

在使用竞争性定价（而不是某些州使用的公用事业定价）的州和国家中，电价的批发价格每分钟都在变化，具体取决于供需之间的平衡。当间歇性电力过多时，批发价格通常会变为负数。图7显示了负责加利福尼亚电网的公司代表的图表。

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图7。从2016年EIA年会的演讲中，展示了加利福尼亚州的负电价问题。

显然，随着间歇性电力的比例增加，负价格峰值的数量也增加了。得克萨斯州和欧洲也有类似的负价问题。

当太阳能包含在间歇性燃料的混合物中时，它也往往会降低高峰下午的价格。当然，这些按分钟计费的价格并不会真正流回最终消费者，因此不会影响他们的需求。相反，这些低廉的价格只会导致其他电力生产商的可用资金减少，而大多数电力生产商却无法快速修改发电量。相关：伊隆·马斯克（Elon Musk）是否在利用太阳能城市的投资者？

为了说明出现的问题，顾问Paul-Frederik Bach编写的图8显示了德国在许多欧洲国家的平均批发电价（虚线）与住宅电价的比较。显然，批发电价一直在下降，而住宅电价一直在上升。实际上，如果核能，天然气和燃煤电力的价格对其他这些提供者来说都是公平的价格，那么住宅电力价格的上升趋势将比图中所示的还要快！

图8。欧洲的住宅用电价格以及德国的现货批发价格

请注意，最近的平均批发电价约为每兆瓦时30欧元，相当于每千瓦时3.0美分。以美元计算，这相当于每兆瓦时36美元，或每千瓦时3.6美分。这些价格高于PPA为间歇性电力支付的价格（每兆瓦时25至28美元），但涨幅并不高。

我们遇到的问题是，对于几乎每种能源来说，36兆瓦时的价格都太低了。彭博社的图9是2013年的数据，因此并非完全是最新的，但它提供了基本问题的概念。

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图9。彭博社（Bloomberg）以全球水平衡量能源生产成本。

图表底部的价格为每兆瓦时36美元，在0至50之间。在这样的水平上，几乎没有任何能源可以盈利。相对于产生的能量，需要太多的投资。我们遇到了几乎每种电力供应商都需要补贴的情况。如果他们无法获得补贴，其中许多将关闭，仅给市场带来少量的不可靠间歇性电力，并且备份能力也很小。

加州和得克萨斯州也注意到了批发价格下降以及需要其他能源生产商补贴的同样问题。《华尔街日报》本周早些时候发表了一篇有关德克萨斯州低电价的文章，却没有意识到这是由风能引起的问题，而不是令人满意的结果！

问题7世界其他地区也遇到间歇性用电的问题。

德国是间歇性发电的世界领导者。2012年，其间歇性发电量占总发电量的12.2％。您会记得，这是加利福尼亚和夏威夷开始解决电网问题的水平。到2015年，其间歇性电力占总发电量的19.5％。

图10。根据《 2016年BP世界能源统计评论》，德国发电。

不用说，如此高的间歇性发电会导致频繁的发电高峰。德国选择通过将多余的电力供应倾销到欧盟电网上来解决此问题。波兰，捷克共和国和荷兰向欧盟投诉。结果，欧盟要求从2017年起，所有欧盟国家（不仅仅是德国）都不能再使用上网电价。这样做为间歇性供电商提供了太多优势。相反，欧盟成员国必须使用对市场敏感的拍卖，即“固定收益”。德国立法的变更甚至超出了欧盟要求的最低变更。欧洲可再生能源联合会主席DörteFouquet表示，德国的调整将“削弱该行业”。

在澳大利亚，最近的头条新闻是澳大利亚考虑禁止风力发电，因为它造成了停电。问题似乎出在南澳大利亚州，那里的最后一批燃煤发电厂都关闭了，因为风电补贴导致批发电价低廉。总体而言，澳大利亚的间歇性电力普及率不高（占2015年用电量的6.6％），但电网限制意味着南澳大利亚受到的影响不成比例。相关：大幅削减股息：大油的唯一选择？

由于中国没有电网能力将间歇性电力输送到人口稠密的地区，中国已暂停批准在华北安装新的风力涡轮机。另外，中国大部分的电力生产都来自煤炭，而且由于燃煤电厂的发展速度缓慢，因此很难利用煤炭与风能和太阳能保持平衡。中国风能和太阳能的总使用量不是很高（占2015年消费量的3.9％），但在电网整合中已经遇到了重大困难。

问题8提供给间歇性电力的补贴金额非常高。

美国的可再生能源计划包括地方，州和联邦计划的重叠。它包括授权，上网电价，免税，生产税抵免和其他设备。这种方法的组合实际上使得不可能通过加总来算出补贴的数额。但是，我们可以肯定的是，金额很高。根据国家风向标组织：

在联邦一级，生产或投资税收抵免以及双倍递减的加速折旧可以支付风力发电项目的三分之二。国家的其他激励措施，例如有保障的市场和免征财产税，可以再支付10％。

如果我们相信这一说法，开发商只需支付风能项目成本的23％。

美国能源信息管理局（US Energy Information Administration）对2013年某些类型的补贴（联邦政府提供的补贴，尤其是针对能源的补贴）进行了估算。其中风能和太阳能的总支出为113亿美元。2013年期间，风能和太阳能的销售量约为183.3太瓦，批发价为每千瓦时2.8美分，总售价为51亿美元。如果将113亿美元的批发价加上113亿美元的补贴，我们将获得164亿美元支付给开发商或用于特殊的电网扩张计划。这项补贴占估计总费用的69％。来自州或其他政府计划的任何补贴将不包括在此计算中。

Paul-Frederik Bach展示了丹麦的风能补贴计算结果，将根据公共服务义务（PSO）系统支付的价格与风能的市场价格进行了比较。他的计算表明，补贴的百分比和金额都在上升。2015年，补贴占PSO总成本的66％。

图11。荷兰的风能补贴金额，通过将PSO下的风能支付与风能市场价值进行比较得出。

从某种意义上说，这些计算并未显示出全部补贴。如果要使用可再生能源代替化石燃料，则必须像化石燃料供应商现在一样向政府缴税。能源供应商应该为系统提供“净能源”。他们与政府共享这种净能源的方式是通过缴纳各种税种-所得税，财产税和与开采有关的特殊税。如果间歇性可再生能源要替代化石燃料，它们还需要提供税收。当前的补贴计算没有考虑到化石燃料供应商支付的高额税款，以及如果政府要获得足够的收入则需要替代这些税款。

而且，随着更多地区超出其运营储备的限制，间歇性可再生能源所需补贴的数量和百分比预计会随着时间的推移而增加，并且需要建立长距离传输以将间歇性电力分布在更大的区域。现在，这似乎正在欧洲发生。根据我的计算，2015年间歇性电力批发价格产生的收入约为131亿欧元。为了进一步扩展，政策顾问Daniel Genz和Vattenfall表示，整个欧洲的电网都需要升级，成本在1000到4000亿欧元之间。换句话说，2015年电网需要的支出是间歇性电力批发收入的7.6到30.5倍。其中大部分可能需要来自额外的补贴，因为这种投资的回报率不可能很高。

当允许间歇性可再生能源在任何时候可用时出售其电力时，所有其他电力提供商的利润水平也存在问题。一种潜在的解决方案是对其他提供商的巨额补贴。另一个是购买大量的能源存储，以便高峰时的能源可以节省并在供应不足时使用。第三种解决方案要求可再生能源提供商在不需要时减少其产量。这些解决方案中的任何一个都可能需要补贴。

结论

在间歇性供电方面，我们似乎已经达到极限。美国能源信息管理局可能会得出相同的结论。在2016年7月的年度会议上，它选择了来自Kinder Morgan（管道公司）的Steve Kean作为主题演讲者。他就可再生能源发表了以下声明。

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图12。摘自Kinder Morgan的Steve Kean在美国能源管理会议上的主题演讲幻灯片。

这种观点与我的观点非常相似。很少有人停止意识到间歇性用电并不十分有价值。当考虑到使它有用所需的所有调整的成本时，它甚至可能具有负值。

能源产品的“质量”差异很大。间歇性电的质量极低。间歇性电力强加给系统的成本需要由其他人支付。这是一个巨大的问题，尤其是当渗透水平开始超过运营储备可以处理的10％到15％的水平时，必须进行更多昂贵的调整才能适应这种能量。即使可以以$ 0的价格生产风力涡轮机和太阳能电池板，解决因间歇性电引起的问题的成本似乎也可能大于为解决这些问题而获得的补偿。

这种情况有点像在高速公路系统中添加大量醉酒的司机或没有按计划真正工作的自动驾驶汽车。从理论上讲，如果增加了足够的额外车道，并且操作不良的车辆的集中度保持在足够低的水平，其他驾驶员也可以学会适应。但是，在同意允许高速公路系统添加性能较差的车辆之前，一个人需要确切了解情况，并了解所有需要进行的调整的成本。

在《石油峰值故事》的更新版本中，我谈到了这样一个事实，即石油不再“耗尽”，对我们的经济而言，它变得太昂贵了，无法容纳。当能源产品的成本很高时，经济表现不佳。新发电的情况与此类似。如果电力产品要想成功地促进经济增长，就需要使其性能良好（不像酒后驾车），并且成本低廉。如果不注意这些问题而继续向电网中添加大量间歇性电力，则可能会导致整个系统瘫痪。

盖尔·特维尔伯格（Gail Tverberg）通过我们的有限世界