可再生能源和天然气：复盘今夏的能源危机（组图）

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随着全国乃至北半球各地气温的普遍下降，持续了一整个夏季的能源混乱局面也稍微缓解了一些。我们在上一篇文章中提到，需要在白天尖峰时刻充电的商用新能源车使得电网负担进一步加重；而这一篇文章中，我们将从供给侧入手分析过去二十年世界各地的“可再生能源转型”如何影响我们的电网和能源结构。

我们先从一个简单的科普话题开始聊起。现在市面上的热水器是五花八门：烧天然气的、用电的、太阳能的，都有。如果比较起热水器的体积，可以发现同等供水能力的热水器，燃气的体积最小、电力的次之、太阳能的最大。这是因为太阳能热水器往往背着一个一般可以储存约两百升水的大罐子。

为什么太阳能热水器需要储水呢？这是因为太阳能热水器是一种典型的能源供需错位的场景：太阳能只有白天有，但家庭往往在晚上才需要热水。为了解决这个错位问题，太阳能热水器设计了水罐这个储能机制，将白天加热好的热水储存起来，供晚上使用。

同时，一家人晚上对热水的需求往往是稳定的，但是白天太阳能可以加热的热水量却在随着每天天气的变化不断波动——因此，太阳能热水器往往还需要接入电力，在太阳能不足的时候使用电能作为辅助热源。这种“太阳能+电力=热水器=热水”的能源关系下，太阳能热水器每天使用的电能的量随着天气变化而波动——晴天少用些，阴天多用些。

在国家层次的例子中，刚刚的能源关系变成了“光伏和风电+其它发电厂=电网=电力”。一个国家对电力的需求和家庭对热水的需求相似，都是相对稳定的；而无论是用来烧水还是发电，来自光伏和风电的电力供应都是波动的。因此，电网对其它来源的电力需求，自然也在不断波动。

不过，对国家而言处理这种波动问题远比家庭复杂。一方面，电能没有像保温桶储存热水那样方便、经济的储存方式（在上一期我们提到，电池的昂贵是制约电动汽车续航的主要原因）。换言之，要想最实惠、最高效地利用电力，就必须即发即用。

同时，电网的供需情况会直接反映在电网的物理性质上。无论电网是“供不应求”还是“供过于求”，用电设备的输入电压和频率都会偏离额定电压和频率，从而损坏电子元器件。对于工业用户而言，这可能意味着巨大的损失：例如2016年，西安的一处变电站爆炸造成的临时性的“供不应求”，让在当地开设NAND闪存生产厂的韩国某电子大厂报废了一批晶圆，损失了数亿元人民币。

因此，以工业界客户为代表的电力客户，对电力供应稳定性抱着极高的期望。为此，电网需要不断调节发电厂输出匹配电力需求，将电压和频率维持在误差范围内（中国的误差标准是千分之四，50Hz正负0.2Hz）。这种调节叫做“调峰”。过往而言，调峰主要是应对需求波动：一般电网会通过分析过往数据确定需求波动的范围（例如白天是10000千瓦，晚上是8000千瓦）。此时，电网可以建设8000千瓦的基础供应和2000千瓦的调峰供应，就可以很好地满足需求。

但风电和光伏“输出功率随天气而变化”的特性使得波动从单纯的需求波动变成了“需求和供应一起波动”。我们假设刚刚的场景中引入了2000千瓦的风电和（或）光伏发电能力。此时，考虑到它们的最大发电能力，基础发电能力可以对应减少2000千瓦；但考虑到它们的最小发电能力，反而需要“配套”新建2000千瓦的调峰发电能力。

那么，什么样的发电厂有能力作为调峰电厂，应对光伏和风电带来的额外电网波动呢？

我们回到热水器的例子。我们可以看到的是，对于电热水器和太阳能热水器而言，要想维持稳定的热水供应，就要储存一定量的热水。但燃气热水器普遍不需要储水——因为它的功率高到可以在几分钟内满足额外的热水需求，足以满足家庭对热水的期望。

调峰电厂所需要的就是这种“在几分钟内满足需求”的能力。根据美国能源署的统计（https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=45956），美国有11%的电厂可以在10分钟内从冷启动到最大功率——这正好和光伏和风电的比重相近。

而在各种发电方式当中，水力发电的反应速度是最快的：大部分水力发电厂都可以在10分钟内从0功率调节到最大功率。使用燃气涡轮机的天然气和石油电厂次之，大部分可以在一个小时内完成；而大部分煤电和核电厂，需要至少12个小时才能完成调整。

这种迅速响应的能力和水力发电的原理密切相关：把水阀关紧，水就能安静地在水库里呆着；拧开阀门，水就能从高处奔流而下，将势能通过水轮机转为电能。阀门拧大，发电功率就高；阀门拧小，发电功率就低。

这使得水力发电可以和风电和（或）光伏“你进我退，你退我进”，以互补的形式维持稳定的功率输出。事实上，中国今天之所以能够驾驭世界上最大规模的风电和光伏装机规模，正是因为中国有着世界第一的水力发电能力。在西电东送等大型电网整合工程的帮助下，中国可以按水力发电的规模“配建”相应的风电和光伏设施，从而在提供稳定的电力供应的同时，降低对化石燃料的依赖。根据国家能源局的统计（http://zfxxgk.nea.gov.cn/2022-04/21/c_1310587748.htm），2021年底全国水电装机容量3.91亿千瓦、风电3.28亿千瓦、太阳能发电3.06亿千瓦。

但是，水力发电有两个问题。主观而言，水坝在储存水的势能的同时，也在储存水。因此，当下游由于干旱而需要水的时候，上游的水力发电厂无疑需要放水救旱：今年夏天的长江就是一个典型的例子。但是，放水的同时也放掉了水的势能，又不可能这么刚好就有与势能相匹配的电力需求，因此必然或多或少伴随着浪费，造成可用电力减少；加上四川酷热本身对电力的高需求，电力短缺自然是不可避免的了。

另一方面，客观而言水力发电需要多山、多河流的环境：没有河流，就没有水；没有山，就没有水的势能。根据英国石油公司的统计（https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/statistical-review/bp-stats-review-2022-full-report.pdf），中国在2021年生产了3.4万亿度的水电和3.1万亿度的可再生电（均为世界第一），每个中国人可以分到2400度左右的水电。同时，按照人均水力发电情况，我们可以将17个申根公约成员国、英国和爱尔兰分为大概三个档次：

1.冰岛（人均9.7万度，世界第一）、挪威（6.9万度，第二）、瑞典（1.8万度，第四）、芬兰（0.8万度）和奥地利（1.2万度）、瑞士（1.1万度）等6个北欧、中欧国家凭借境内多山多水的地理条件，在人均水电生产上一骑绝尘。这6个国家2021年人口共3939万人，发出了8444亿度的水电。

2.斯洛文尼亚（5300度）、拉脱维亚（4400度）、葡萄牙（3000度）、法国（2300度）、斯洛伐克（2000度）、意大利（2000度）、西班牙（1600度）、希腊（1300度）这8个东欧、南欧国家境内有一点山，有一点水，2021年人口共两亿人，发出了4194亿度的水电，属于中游。

3.德国（600度）、爱尔兰（550度）、捷克（520度）、英国（206度）、波兰（150度）等5个国家境内要么没山要么没水，因此总共两亿人只发出了778亿度的水电，人均水电生产不到1000度。比利时、荷兰、丹麦等另外9个申根国家资料暂缺，可能也在此列。

可以看到，这些国家并没有水力发电来配合风电和光伏，因此需要退而求其次以天然气电厂完成“配对”。如果根据BP的统计，用风电和光伏的总发电量（原文称之为“Renewables”）减去水力发电量近似“无法被水力发电满足的调节需求”来做一张图，可以发现这一调节需求和天然气发电需求几乎是1:1的关系——差值越大，需要进口的天然气就越多。

在这当中，最右上角的德国和第二右的英国无疑是最典型的两个国家：这两个国家的能源结构中，风电和光伏总和占17%，但水电只占1%。因此，这两个国家也是欧洲对天然气需求最大的两个国家。这也难免它俩现在电费暴涨了：在没有天然气“配对”的情况下，这两个国家的风电和光伏电力供应容易受到天气的影响，很难满足工业用户对稳定用电的期望。

最后让我们稍微总结一下。这个夏天留给世界电力从业者的教训无疑是深刻的。一方面，作为综合水利枢纽的一部分，水力发电站必然要承担其社会职责，有必要考虑这一情况对电力供给稳定性的影响；另一方面，如何通过水力和天然气等其它能源与光伏和风电等不稳定的电力供给来源“配对”形成稳定的电源供应，也是电力从业者需要思考的重要议题。

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