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“自由電力市場(chǎng)下，人們很可能享受不到太陽能、風(fēng)能等清潔能源帶來的便宜電價(jià)。而且，儲(chǔ)能的發(fā)展有可能與碳中和目標(biāo)漸行漸遠(yuǎn)。”

近日，英國劍橋大學(xué)博士生秦鑫作為第一作者在《焦耳》發(fā)表論文，提出上述顛覆常識(shí)的結(jié)論。但論文同時(shí)指出，碳中和與便宜電價(jià)，對(duì)美國而言可能將面臨二選一，而中國通過后發(fā)優(yōu)勢(shì)有機(jī)會(huì)避開美國踩過的坑。

該工作由太原理工大學(xué)教授孫宏斌團(tuán)隊(duì)與美國哥倫比亞大學(xué)助理教授徐博倫團(tuán)隊(duì)、劍橋大學(xué)教授Ioannis Lestas團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)清華-伯克利深圳學(xué)院教授郭燁團(tuán)隊(duì)合作完成。

“斷層”學(xué)科煥發(fā)生機(jī)

初入劍橋大學(xué)的秦鑫發(fā)現(xiàn)，在這所大學(xué)里，研究電力系統(tǒng)的教授，年齡差距非常明顯：要么不到40歲，要么年過花甲甚至古稀。不到35歲的徐博倫在美國也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。

教授年齡斷層的背后，揭示了電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)這門學(xué)科所處的境地。美國工程院評(píng)選的20世紀(jì)對(duì)人類社會(huì)生活影響最大的20項(xiàng)工程技術(shù)成就中，電力系統(tǒng)排在首位。然而三四十年來，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)基本停滯不前，無法吸引人才。

電力系統(tǒng)是構(gòu)成整個(gè)社會(huì)傳輸能量的大動(dòng)脈，“牽一發(fā)而動(dòng)全身”是其最顯著特點(diǎn)。該系統(tǒng)既要求安全、高效，現(xiàn)在又要求重視低碳，是人類自創(chuàng)的最復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，也是黑客最感興趣的“軟肋”。

一個(gè)經(jīng)典案例極具代表性。曾經(jīng)，加拿大溫哥華一個(gè)發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)小規(guī)模震蕩，蝴蝶效應(yīng)傳至數(shù)千里，最后在美國加利福尼亞州演化為一場(chǎng)停電事故。電力系統(tǒng)這“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的特點(diǎn)，放在交通等其他系統(tǒng)里幾乎不可想象，就像一場(chǎng)汽車追尾事故能影響另一個(gè)省的高速路網(wǎng)絡(luò)。

秦鑫假設(shè)，如果有一天人工智能誕生了自我意識(shí)，能夠如科幻片中描述的那樣統(tǒng)治世界，那么電力系統(tǒng)將是人類最后的防線。因?yàn)闆]有電，人工智能的一切都無從談起，而電力系統(tǒng)的復(fù)雜程度，更令今天的人工智能暫時(shí)難以攻破。

“希望我們能跑贏黑客和有自主意識(shí)的人工智能。”博士二年級(jí)，秦鑫繼續(xù)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)工具分析、診斷、修復(fù)這張最復(fù)雜的網(wǎng)。

電價(jià)和碳減排不可兼得

儲(chǔ)能是電網(wǎng)里的大型“充電寶”，風(fēng)電、光伏等新能源都是“看天吃飯”，發(fā)電量具有波動(dòng)性、間歇性，而有了這個(gè)“充電寶”，就可以在電量豐足時(shí)吸收余電、在電量虧欠時(shí)放電補(bǔ)能。為了減少波動(dòng)，當(dāng)風(fēng)電、光伏裝機(jī)量大踏步前進(jìn)時(shí)，很多國家的儲(chǔ)能設(shè)施也在同步興建。

儲(chǔ)能稍微改變了一些電力市場(chǎng)的游戲規(guī)則，但是誰也無法精確測(cè)算出它的影響有多大。

徐博倫在美國麻省理工學(xué)院做博士后時(shí)研發(fā)出一套用于儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)競(jìng)價(jià)的算法，運(yùn)算速度非常快。以此為基礎(chǔ)，他想把儲(chǔ)能的市場(chǎng)定價(jià)模型、市場(chǎng)出清模型和電力系統(tǒng)市場(chǎng)運(yùn)行模擬平臺(tái)結(jié)合到一起，預(yù)測(cè)儲(chǔ)能增加后的定價(jià)盈利模式，以及它在電力系統(tǒng)中的表現(xiàn)。

在更龐大復(fù)雜的系統(tǒng)里增加了關(guān)鍵變量，模擬結(jié)果定然超乎想象。

儲(chǔ)能在市場(chǎng)中就像個(gè)投機(jī)商，每天要和火力機(jī)組競(jìng)爭(zhēng)比價(jià)，把電賣給電網(wǎng)。今天從新能源風(fēng)電、太陽能那里進(jìn)點(diǎn)貨，明天再高價(jià)賣出賺差價(jià)。左右儲(chǔ)能報(bào)價(jià)的是一只“看不見的手”——系統(tǒng)成本、碳排放需求、儲(chǔ)能競(jìng)價(jià)、發(fā)電機(jī)競(jìng)價(jià)、負(fù)荷需求和可再生能源份額等多種因素疊加，市場(chǎng)瞬息萬變。

徐博倫在模擬中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)儲(chǔ)能作出自認(rèn)為“準(zhǔn)確”的形勢(shì)預(yù)判后，給終端用戶報(bào)出一個(gè)看似合理的價(jià)格，當(dāng)這個(gè)價(jià)格高于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手火力機(jī)組，儲(chǔ)能就會(huì)基于自身利益，把市場(chǎng)拱手相讓，任由火力機(jī)組去發(fā)電，完全不顧減少火力機(jī)組、使用低碳能源的初衷。

儲(chǔ)能不僅肩負(fù)保持電網(wǎng)穩(wěn)定的職責(zé)，還有降低用電成本、減少碳排放兩大任務(wù)。前者是技術(shù)問題，后者本質(zhì)上是市場(chǎng)機(jī)制問題。

徐博倫說，儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)存在飽和效應(yīng)，即到了一個(gè)極限值，增加儲(chǔ)能容量可能會(huì)加大運(yùn)行成本和碳排放。這就意味著，不僅用戶電費(fèi)上漲，電網(wǎng)也不“脫碳”了。

更多的儲(chǔ)能需要調(diào)動(dòng)額外的資源去抵消波動(dòng)，最后的成本壓力都會(huì)轉(zhuǎn)嫁到用戶身上。如果市場(chǎng)機(jī)制不調(diào)整，便宜電價(jià)和清潔能源坐上了蹺蹺板，美國將面臨保用電成本和保碳中和目標(biāo)二選一的艱難抉擇。

因?yàn)樾履茉窗l(fā)電量攀升勢(shì)頭太猛，徐博倫的結(jié)論揭示了原本幾年后才會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象。這是全世界電力市場(chǎng)領(lǐng)域第一篇直接表達(dá)“儲(chǔ)能在市場(chǎng)參與中會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)起反作用”觀點(diǎn)的學(xué)術(shù)論文。

摸著石頭過河

在電力行業(yè)專家眼里，這篇論文像經(jīng)濟(jì)學(xué)論文；而在經(jīng)濟(jì)學(xué)家眼里，該論文又具有電力行業(yè)的烙印。這篇另類文風(fēng)的論文，放在綜合性期刊中也是別具一格。

隨著研究的深入，研究人員拋棄滿篇的數(shù)據(jù)和公式，將全文內(nèi)容重新替換了好幾遍，使文章讀起來通俗易懂。淺顯的文字背后則是來之不易的數(shù)據(jù)以及對(duì)電力市場(chǎng)深邃的洞察力。

徐博倫經(jīng)常與美國各州的電網(wǎng)公司打交道，一方面與企業(yè)探討新能源儲(chǔ)能給電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)帶來的新挑戰(zhàn)，一方面幫助產(chǎn)業(yè)界解決實(shí)際問題。他還參與了數(shù)個(gè)州電網(wǎng)和電力公司的科研項(xiàng)目。

據(jù)他觀察，美國的電力自由市場(chǎng)像是諸侯爭(zhēng)霸，各有特色，而我國的電力市場(chǎng)早已實(shí)現(xiàn)了大一統(tǒng)。徐博倫收集了已公開的美國得克薩斯州、加利福尼亞州和新英格蘭地區(qū)，以及澳大利亞和德國等國家的拓?fù)鋽?shù)據(jù)，作為研究的切入點(diǎn)。

濃縮簡化后的拓?fù)鋽?shù)據(jù)既能反映市場(chǎng)整體面貌，又不會(huì)暴露安全和隱私問題。拓?fù)鋽?shù)據(jù)相當(dāng)于燃油車，新能源發(fā)電和用電數(shù)據(jù)相當(dāng)于汽油，有車沒油、有油沒車都跑不動(dòng)。完整的數(shù)據(jù)集對(duì)市場(chǎng)研究非常關(guān)鍵。

儲(chǔ)能在復(fù)雜模型下展示出的趨勢(shì)，讓徐博倫開始思考如何在市場(chǎng)機(jī)制方面作出調(diào)整，這項(xiàng)極為煩瑣的工作只能通過論文貢獻(xiàn)一些思路，更多是要通過政策激勵(lì)引導(dǎo)儲(chǔ)能合理參與電力市場(chǎng)。

具體怎么改？美國曾經(jīng)用過兩個(gè)辦法：一個(gè)是給儲(chǔ)能補(bǔ)貼，鼓勵(lì)同時(shí)興建新能源和儲(chǔ)能設(shè)備；另一個(gè)是通過法律和政策推進(jìn)改革，但是阻力極大。

徐博倫表示，如果未來有碳交易市場(chǎng)或碳稅等機(jī)制，儲(chǔ)能的盈利手段就會(huì)更多，也會(huì)更容易權(quán)衡經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。還有一種手段是儲(chǔ)能因?yàn)閹椭蛹{新能源而獲得補(bǔ)貼，不過這樣做的前提是在一個(gè)大電力系統(tǒng)中量化某一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的貢獻(xiàn)，這在技術(shù)上還無法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槲覀儫o法記錄自己用的每一度電是來自風(fēng)電還是光伏。

由于各個(gè)國家和地區(qū)的實(shí)際情況差異較大，徐博倫暫時(shí)無法給每個(gè)國家提出更具體的指導(dǎo)建議，但是推演的結(jié)論具有普適性，并且還有更廣闊的研究空間。

太原理工大學(xué)副校長孫宏斌認(rèn)為，我國正處于電力市場(chǎng)建設(shè)的早期，儲(chǔ)能和電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)系是一個(gè)需要及早考慮且挑戰(zhàn)重重的課題。“我們擁有后發(fā)優(yōu)勢(shì)，一定可以設(shè)計(jì)出更合理、更靈活的電力市場(chǎng)，既能用上便宜的新能源，又能加快實(shí)現(xiàn)碳中和。”

原標(biāo)題：碳中和與電價(jià)，二者能兼得嗎？