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“自由電力市場下，人們很可能享受不到太陽能、風能等清潔能源帶來的便宜電價。而且，儲能的發(fā)展有可能與碳中和目標漸行漸遠?！?/p>

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

該工作由太原理工大學教授孫宏斌團隊與美國哥倫比亞大學助理教授徐博倫團隊、劍橋大學教授Ioannis Lestas團隊、清華大學清華-伯克利深圳學院教授郭燁團隊合作完成。

“斷層”學科煥發(fā)生機

初入劍橋大學的秦鑫發(fā)現(xiàn)，在這所大學里，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，揭示了電力市場設計這門學科所處的境地。美國工程院評選的20世紀對人類社會生活影響最大的20項工程技術(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)成整個社會傳輸能量的大動脈，“牽一發(fā)而動全身”是其最顯著特點。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)的最復雜的動態(tài)系統(tǒng)，也是黑客最感興趣的“軟肋”。

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

秦鑫假設，如果有一天人工智能誕生了自我意識，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。因為沒有電，人工智能的一切都無從談起，而電力系統(tǒng)的復雜程度，更令今天的人工智能暫時難以攻破。

“希望我們能跑贏黑客和有自主意識的人工智能?！辈┦慷昙墸伥卫^續(xù)用數(shù)學、計算機工具分析、診斷、修復這張最復雜的網(wǎng)。

電價和碳減排不可兼得

儲能是電網(wǎng)里的大型“充電寶”，風電、光伏等新能源都是“看天吃飯”，發(fā)電量具有波動性、間歇性，而有了這個“充電寶”，就可以在電量豐足時吸收余電、在電量虧欠時放電補能。為了減少波動，當風電、光伏裝機量大踏步前進時，很多國家的儲能設施也在同步興建。

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

徐博倫在美國麻省理工學院做博士后時研發(fā)出一套用于儲能參與電力市場競價的算法，運算速度非?？臁Ｒ源藶榛A，他想把儲能的市場定價模型、市場出清模型和電力系統(tǒng)市場運行模擬平臺結(jié)合到一起，預測儲能增加后的定價盈利模式，以及它在電力系統(tǒng)中的表現(xiàn)。

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

儲能在市場中就像個投機商，每天要和火力機組競爭比價，把電賣給電網(wǎng)。今天從新能源風電、太陽能那里進點貨，明天再高價賣出賺差價。左右儲能報價的是一只“看不見的手”——系統(tǒng)成本、碳排放需求、儲能競價、發(fā)電機競價、負荷需求和可再生能源份額等多種因素疊加，市場瞬息萬變。

徐博倫在模擬中發(fā)現(xiàn)，當儲能作出自認為“準確”的形勢預判后，給終端用戶報出一個看似合理的價格，當這個價格高于競爭對手火力機組，儲能就會基于自身利益，把市場拱手相讓，任由火力機組去發(fā)電，完全不顧減少火力機組、使用低碳能源的初衷。

儲能不僅肩負保持電網(wǎng)穩(wěn)定的職責，還有降低用電成本、減少碳排放兩大任務。前者是技術(shù)問題，后者本質(zhì)上是市場機制問題。

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

更多的儲能需要調(diào)動額外的資源去抵消波動，最后的成本壓力都會轉(zhuǎn)嫁到用戶身上。如果市場機制不調(diào)整，便宜電價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二選一的艱難抉擇。

因為新能源發(fā)電量攀升勢頭太猛，徐博倫的結(jié)論揭示了原本幾年后才會發(fā)生的現(xiàn)象。這是全世界電力市場領域第一篇直接表達“儲能在市場參與中會對電力系統(tǒng)起反作用”觀點的學術(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)濟學論文；而在經(jīng)濟學家眼里，該論文又具有電力行業(yè)的烙印。這篇另類文風的論文，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)以及對電力市場深邃的洞察力。

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)探討新能源儲能給電力市場設計帶來的新挑戰(zhàn)，一方面幫助產(chǎn)業(yè)界解決實際問題。他還參與了數(shù)個州電網(wǎng)和電力公司的科研項目。

據(jù)他觀察，美國的電力自由市場像是諸侯爭霸，各有特色，而我國的電力市場早已實現(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撲數(shù)據(jù)，作為研究的切入點。

濃縮簡化后的拓撲數(shù)據(jù)既能反映市場整體面貌，又不會暴露安全和隱私問題。拓撲數(shù)據(jù)相當于燃油車，新能源發(fā)電和用電數(shù)據(jù)相當于汽油，有車沒油、有油沒車都跑不動。完整的數(shù)據(jù)集對市場研究非常關鍵。

儲能在復雜模型下展示出的趨勢，讓徐博倫開始思考如何在市場機制方面作出調(diào)整，這項極為煩瑣的工作只能通過論文貢獻一些思路，更多是要通過政策激勵引導儲能合理參與電力市場。

具體怎么改？美國曾經(jīng)用過兩個辦法：一個是給儲能補貼，鼓勵同時興建新能源和儲能設備；另一個是通過法律和政策推進改革，但是阻力極大。

徐博倫表示，如果未來有碳交易市場或碳稅等機制，儲能的盈利手段就會更多，也會更容易權(quán)衡經(jīng)濟和環(huán)境效益。還有一種手段是儲能因為幫助接納新能源而獲得補貼，不過這樣做的前提是在一個大電力系統(tǒng)中量化某一個儲能系統(tǒng)的貢獻，這在技術(shù)上還無法實現(xiàn)，因為我們無法記錄自己用的每一度電是來自風電還是光伏。

由于各個國家和地區(qū)的實際情況差異較大，徐博倫暫時無法給每個國家提出更具體的指導建議，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。

太原理工大學副校長孫宏斌認為，我國正處于電力市場建設的早期，儲能和電力市場設計的關系是一個需要及早考慮且挑戰(zhàn)重重的課題?！拔覀儞碛泻蟀l(fā)優(yōu)勢，一定可以設計出更合理、更靈活的電力市場，既能用上便宜的新能源，又能加快實現(xiàn)碳中和?！?/p>

相關論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.05.014