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汉新视野 杨汉新
双优不但可能 而且必然
《碳中和-能源大革命-1 推动实现中国能源独立》和《碳中和-能源大革命-2 天赐良机 机不可失》登出后，有读友担心碳减排会影响经济发展。
从先驱国家的经验来看，GDP增长和碳排放减少的双优不但可能，而且是必然的。
下面这张图片显示的是英国自1960年至2019年的国内生产总值增长和电力需求的对比。1980前电力需求增长和经济增长基本同步，1980-2005年经济增长快于电力增长，2005年后GDP稳定增长，但电力需求已经分道扬镳，反向而行了。
老杨1990年代在反动式汽轮机鼻祖Parsons公司（当时隶属R-R工业动力集团）工作，九十年代初公司为响应CEGB（中心发电局）上90万千瓦大机组（此前的最大机组66万千瓦）的计划，专门从意大利进口了龙门综合加工机床，但很快英国就发现电力需求没有此前预测的那么旺盛，大机组煤电计划就不了了之。经济转型、节能和效率提高会比预期来的更快，后面会专篇讨论。
英国是工业革命的发源地，当年大烟囱冒出的滚滚浓烟是经济发展、工业强盛和财富的象征。下面这个19世纪初的明信片，就以滚滚浓烟为自豪：可爱的曼彻斯特！
进入19世纪后，作为工业中心的伦敦进入工业急速发展期，大量化石燃料，尤其是煤炭的消耗量不断增加，使得伦敦大气污染愈演愈烈，工厂产生大量废气，形成了极浓的灰黄色烟雾，伦敦的空气污染形势渐趋严峻。
1952年冬季，英格兰东南部被高气压长 时间覆盖，造成该地区空气滞流， 伦敦中心区气温长时间在零度左右。人们为了取暖而大量壁炉烧煤，发电厂为了应付供电供暖需求大量烧煤，用煤量在12 月大量增加，排放的二氧化碳和硫化物不断上升。
烟雾事件集中爆发的 12 月 5 - 9 日间，空气中的二氧化硫最高竟达2000 μg /m3，总悬浮颗粒物高达 1620 μg /m3，日死亡人数高达900！下图引自英国国会2002年《英国空气质量》告示。
12月5日伦敦城被黑暗的迷雾笼罩，人们只能小心翼翼地沿着人行道摸索前进，街上的路灯若明若暗。
恶劣的情况延续到12月10日，5天时间里据官方的统计，伦敦市5000多人丧生。在接下来的两个月中有12000多人死亡，这就是震惊世界的“伦敦烟雾事件”。
英国人为这次烟雾事件付出了高昂的代价，但灾难后果也为伦敦的空气质量改善提供了契机，促使深刻反思，对国家干预环境问题提出了紧迫要求。
1955年11月全球第一部有关空气污染防治的《清洁空气法案》在议会通过，翌年正式生效。
下面这张图是英国1850至2019期间的煤炭消费量、CO2排放量和人均GDP的变化情况。
可以看到英国的煤炭消费量在《清洁空气法案》生效的1956年后就开始下降，随后核电的大规模运营和北海油田的发现与开发促成了煤炭消费量的持续下降。
英国煤电比例几乎已经降低到了极限，其仅剩的2个煤电厂已经不再承担供电的功能，而是主要为了维持电力消耗和供应的平衡稳定，2020年上半年有68天无煤期。英国计划最早2022年最迟2025年取消煤电。
下面长张图片取自我朋友涂教授5月1日演讲的PPT,同样可以清晰地看到德国现状和预测到2050的经济增长和碳减排双优。
供给（生产和销售）侧要优化
今年以来，有机构大力推广“一人一千瓦光伏”。其实在实现3060的目标过程中，很快就会达到一人一千瓦光伏。到2060时，何止一人一千瓦光伏，估计到那时可能一人两千瓦光伏都不止。
但光伏是间歇式发电，保持电网稳定可靠就非常重要。因此供给侧和消费侧都要进行优化和改革，这才是关键，只有这样才能兼容和消纳风光的间歇式供电。
下面这张图是典型的24小时的负荷曲线图，左边红色的是夏季负荷，右边蓝色的是冬季负荷。
这张负荷曲线图显示，事实上，大部分电力需求是24/7连续供电（基本负荷），而一些电力需求是一天中约四分之三的可预测供电量较少，而对于多达一半时间的可变峰值需求则更少。
下面以英国为例，讨论一下由于风光等再生能源受制于自然条件的间歇性增加了负荷调度的难度。
2019年英国共发电324TWh：核电17.3%，生物质11.4%，水电1.8%，风电19.9%，光伏3.9%，天然气40.8%，煤电2.1%，其他占2.7%。2019年英国海上风电装机容量达到9.7GW。
2020年受到疫情影响增幅为 483MW，小于预期。英国计划到2030年将海上风电装机容量提升到40GW。
下图是英国2020年11月12-26日发电能源方式构成，核电是基荷，水电和再生能源基本满发，然后是天然气，最后是煤电。26日风力大幅减小，风电发电容量<1GW。英国国家电网(National Grid) 基于天气预报和过往数据，预测由于气温骤降将推高电力负荷，叠加风电出力极低，在11月25日发出警告，预计26日的电力系统会面临供给短缺的风险，系统负荷裕度极低，需要更多的备用电源及灵活性措施。由于供需紧张，电力现货市场出现了巨幅波动，26日傍晚18时电价飙升至£313（€350)/MWh（为方便后面讨论姑且称之“英国1126电荒”）。
应对再生能源挑战，精准预测能可以发挥很大作用。
在1989年以前，英格兰和威尔士的电力市场由中央发电局CEGB垄断运营。1989年政府颁布了《电力工业白皮书》，提出将电力工业私有化和实行自由竞争的市场经济政策，并在次年开始厂网分开、竞价上网。1990-95年，CEGB分解成为3个发电公司：National Power、PowGen和Nuclear Electric(NE,核电公司),NE后来分为Magnox (拥有老旧的实验堆、原型堆和第一代核电站)和British Energy(拥有7个AGR电站和1个PWR电站，上市后在2009年被法国电力公司EDF收购)；12个地区配电公司；国家电网（National Grid公司）。除Magnox以外的其它公司后来陆续上市。
1997年颁布了《电力法》，完成了电力工业私有化的格局，形成如下结构。
最初政府在National Power、PowGen和National Grid公司各持有一金股，金股不参加分红，但在影响国计民生的重大事项上有一票否决权。在政府最后放弃金股后，英国的电力市场相当部分已经被北美和欧洲大陆的电力和资本巨头们收购瓜分。
这个结构框架图中列出了抽水蓄能， 英国有几个抽水蓄能电站，最大的是位于威尔士的迪诺维格发电站（Dinorwig，1974年动工，1984年建成），装有6台30万千瓦的水轮发电/电动抽水双用机组，转速500rpm，存储容量为9.1GWh，能满容量运行5个多小时。发电机可以在约75秒内由静止达到满负荷，当同步空转时约在16秒内可实现0 -1800 MW的负荷。
Dinorwig在夜间低电价时把水抽到上游水库，在高峰需求时放水发电，运行效率约为75%。运行不仅有助于峰值调荷，也为短期突增负荷提供快速响应。有很多年圣诞节下午三点女王的圣诞致辞结束后是用电高峰：数百万消费者在几分钟内打开电水壶，导致需求增加高达2.8GW。有意思的是水务局的统计这时也是用水高峰：数百万人在用洗手间。
随着风能和太阳能等可再生能源的增加，抽水蓄能应对间歇性发电发挥了很大作用。
同样的原理，水电可以部分起到抽水蓄能的的作用，其它蓄能设备诸如压缩空气/CO2、氢能、熔盐蓄热等等都能发挥作用。从上述英国1126电荒是负荷激增叠加风力极低导致，National Grid在 25日发出精准预测警告就很有作用，这样备用电源及灵活性措施的功效就能发挥到极致。
私营化后又进行了数次改革，先是引入新的市场机制和交易模式NETA (New Electricity Trading Arrangement)；2005年后实施“英国电力交易和输电协议BERRA (BritishElectricity Trading and Transmission Arrangements)。英国的电力市场把每天24小时分为48个时段以0.5小时为单位，由发电商们竞争报价，这部分后续再进一步介绍。
随着再生能源的推广发展，风光电不仅进入了企业，也“飞入寻常百姓家”。老杨家的屋顶也装了光伏板（英国允许居民屋顶安装4kW的光伏，假定所发的电一半被用掉，另一半卖入电网）。于是上面的英国电力市场架构图就形成了新的格局，如添加的蓝色箭头和线条所示，在输电（电库）/配电/供电之间，也就是在供给侧和消费侧之间有了双向流动：
2018年时，就有 170家发电商和 64家电力零售商。但发电、输电（电库）、配电和供电的基本结构没有什么大的变化，用户可以自由选择供应商，电网就是供电的网络渠道，通过供电商收取过路费。
2019年英国的电力进口仅占4%, 但由于英国碳排放收费较高，到2022年将从法国、爱尔兰、荷兰、比利时、丹麦、挪威等国家增加进口，到2030年，电力进口有可能增加到25%！
从英国的电力市场的改革和变化可以借鉴：
·整合资源，统一调度，充分发挥资源功效；
·充分利用天气预报、AI和大数据等提高预测功能；
·充分利用备用电源及提高灵活性措施的功效。
消费（用户）侧要改革
一直以来，电力供给侧一直是在被动的满足消费侧（用户）的需求。下面这张图是英国冬天最大负荷（蓝色）和典型负荷（浅蓝色）；夏天的典型负荷（绿色）和最小负荷（橙色）。
尽管批发价格波动很大，但零售价相对稳定波动很小，零售价一般是以年度调整的，如下图所示。
通常消费侧用户的电表记录了用电量，根据零售电价和线路固定费计算出须交费用。
后来有了智慧电表，但现在的功能也就是远程抄表，更高级的是分为日间和夜间两个时段以区分不同的电价。
其实现在的技术完全可以让智慧电表展现出更多的功能，可以有变化的电价来抑制或鼓励用电。
2021年1月13日（周三）由于一些发电厂断电和可再生能源极低发电量，晚上的需求高峰期上网电价飙升到1500英镑/MWh，也就是每度电1.5英镑。但在用户端是没有反映出来的。但如果智慧电表有了灵活电价的功能，此时的电价不是通常的0.15英镑/度电，而是1.5英镑/度电，就有可能抑制一部分用电需求（停用洗衣机、洗碗机、充电、非必需的照明等用电），缓解电力紧张，以适应再生能源的间歇式供电，维护电网安全。
前几天一位朋友买了电动车，很兴奋地向介绍新车的功能。但老杨感兴趣的是其80kWh的电池容量。如果有了峰谷电价差，就有可能调动积极性，鼓励用户在电力供应充足的低价时段充电，在供电紧张的高价时段把电卖回电网，就可以缓解电网（电库）的紧张。
2020年中国拥有汽车近3亿辆，估计到2030年应该有4亿多辆，届时应该全是电动车，如果有20%的车辆用50%的电池容量参与其中，滴水汇海，集腋成裘，那就是3.2TWh的电池汇集容量！
于是乎，发、输、配、供和用户之间的架构就发生了改变，供给侧和消费侧就有了双向互动，缓解了再生能源发电间歇式对电网的冲击，增加了稳定安全性。
有研究初步表明燃油/气车被电动车取代后的充电会改变负荷曲线，见下图：
也就是在进入电动车时代后日负荷曲线会变得平缓，降低峰谷差值，有利于电网的稳定。
总结一下本文要点：
1.经济增长和碳减排双优不但可能而且必然。
2.供给侧（生产和销售）要优化：
a.整合资源，统一调度，充分发挥资源功效；
b.充分利用天气预报、AI和大数据等提高预测功能；
c.充分利用备用电源及提高灵活性措施的功效。
3.消费（用户）侧要改革
a.研究和扩展智慧电表功能，引入变化电价来抑制（负荷尖峰期）或鼓励（负荷低谷期）用电；
b.研究将电动车电池纳入双向流动的可能性。
2021年5月4日
(未完待续)
