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美国的能源转型对中国的参考意义

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1.电力系统转型:美国现状

美国电力部门的转型主要由可靠性,成本和弹性驱动。特朗普政府旨在推动美国在石油和天然气生产以及减少能源排放方面领先世界。2018年,美国成为世界上最大的原油和天然气生产国。在联邦层面,2017年出现了特朗普政府修订或重新考虑奥巴马政府实施的许多与能源相关的政策,包括美国在COP21框架下的国家确定贡献(NDC),清洁电力计划以及车辆的公司平均燃料经济性标准。

除了国家层面的这些行动外,州和地方政府层面的行动也应考虑在内,这主要是由于联邦政府对州际贸易拥有管辖权,而各州对与对客户费率和工厂选址等当地问题具有主要管辖权。不受联邦政府监管的市场因素,例如天然气相对于煤炭的价格,风能和太阳能等新技术成本的降低,以及电厂决策等减缓了联邦政策的影响。

美国将继续推动可再生能源的发展。2019年1月,丹尼尔西蒙斯正式宣誓就任能源部能源效率和可再生能源助理部长(EERE)。

美国能源部Mark W.Menezes曾表示“可再生能源,储能和能源效率,是我们整体能源和经济战略的关键要素,我很高兴西蒙斯助理部长的加入能够继续推进我们国家的可再生能源技术的发展。”

国会2005年签署“能源政策法”时,51.3%的发电量来自煤炭。自那时起,水力压裂等燃料提取技术的创新与水平钻井相结合,导致天然气供应量大幅增加且价格下降。此外,可再生能源采用率显着增加,这主要得益于风能和太阳能发电系统成本的下降,政府颁布的有利政策以及投资者对这些技术性能信心的增强。

也正是由于这些变化,2018年美国电力部门的煤炭发电份额下降至27.4%。这种变化也反映在最近的煤电退役趋势中—根据AEO2019报告显示,2018年末美国煤电装机容量为240GW,远低于2008年的约310GW,预计到2050年将有101吉瓦的装机完成退役。

同时,公用事业规模的可再生能源占美国总发电量的17.0%以上;值得注意的是,公用事业和小规模太阳能发电量增加了24.4%,可再生能源发电量从2017年到2018年增长了4.5%。这种转变也反映在就业方面:在美国,太阳能领域劳动力从2010年(93502名工人)到2018年(超过242000名工人)增长了159%。尽管自2016年以来经历了略微下降,但由于州政府的政策激励和积压的公用事业规模项目预期,2019年太阳能领域劳动力就业的前景有望改善。

2.当前的焦点和潜力

以下部分主要介绍美国能源转型的一些关键方法和经验,以及它们对美国能源部门未来的影响以及它们对中国能源转型的相关参考。

自下而上的政策发展

独立于联邦政府,一些州和城市组成了一个联盟—美国气候联盟—目的在于在2025年之前实现州层面温室气体减排量比2005年下降了26~28%。联盟成员包括19个州和波多黎各领土,占美国人口的40%以上以及2015年美国能源相关二氧化碳排放量的31.2%。

实现温室气体减排目标的关键政策工具是可再生能源投资组合标准(RPS),其版本已由29个州颁布。劳伦斯伯克利国家实验室估计,2018年,55%的零售电力销售由RPS承保。美国加利福尼亚州,康涅狄格州,马萨诸塞州,新泽西州和纽约州在2018年对其RPS计划进行了重大修订。例如,到2030年,加州将其RPS目标提高到60%,并在2045年之前强制实施100%的清洁能源目标。

设定能效目标是另一种可再生激励方法。例如,在2018年,科罗拉多州监管机构将Xcel的年度能效目标提高了25%(从2019年的400GWh提高到2023年的500GWh),以便为客户提供更多的利益并降低公用事业投资成本。

展望未来,更多雄心勃勃的政策将继续从州和地方层面出现。在私营部门,总部位于美国的49%的大型企业在2018年积极采购可再生能源。在全球范围内,签署清洁能源合同的公司在2017年至2018年期间增加了一倍多,达到13.4吉瓦,其中美国公司占60%。

市场结构和价格

总的来说,能源市场已经从中央监管的指挥和控制垄断公用事业转向竞争性市场,但由于区域环境,政治承诺和传输互连,这些都已经采取了不同的形式。除了在联邦能源监管委员会(FERC)管辖范围内运营的众多区域性市场外,还出现了鼓励优化分配可再生能源的其他新方法。

加利福尼亚州的独立系统运营商(CAISO)已经运营西部能源不平衡市场(EIM),自2014年以来实现公用事业公司近乎实时的能源交易;这样的机制可以通过扩大市场占地面积缓解拥堵,提高系统灵活性和提高电网可靠性来防止过度可再生能源发电的缩减。八个州和一个加拿大省现在已经是EIM的一部分,其中两个公用事业公司在2018年加入,另外有五个公司计划在2021年之前加入。

在纽约,该州的改革能源愿景(NYREV)倡议获得了进一步的发展。通过一系列监管变革,NYREV打算将公用事业的角色从分销层面的销售电力转变为运营分布式能源资源(DER)参与的分销平台。在这个愿景中,由公用事业公司维护的分配系统将变成电力市场的幕后资源,储能和微电网也将参与到电力交易中既作为生产者也作为消费者。该项目代表着对灵活且有弹性的电网的重大监管进步。

联邦能源管理委员会FERC政策更新

2018年,联邦能源管理委员会FERC实施了许多规则来提高电力系统可靠性,提高区域市场透明度,确保系统安全并减少客户支出。表2说明了联邦能源管理委员会FERC在2018年提出的主要问题。

基荷概念的演变

不断增加的可再生能源渗透已经改变了“基荷”发电的性质及其对系统可靠性的贡献。诸如灵活性之类的特性可以是更有用的规划概念,用于探索最小化电力中断的方法。通过对需求概况以及风能和太阳能预测的充分时间解析,运营商可以在必要的情况下评估来自其他来源的灵活调度功率,包括联合循环天然气,煤炭或核能,需求响应(DR)或其他资产。

在加利福尼亚州,正在利用新的需求响应DR方法来减少开启热电厂以达到峰值负荷的需求。加利福尼亚州的独立系统运营商CAISO引入了代理需求资源市场,允许分布式能源(DER)的聚合器参与实时和日前能源市场。通过在节点消耗较高时实时提醒客户并补偿它们以减少负载,聚合器已经实现了高水平的应用。与客户的持续交互允许较小负载以更高的频率使用需求响应DR。

这些灵活的资源由各种机制实现,包括特定产品或向市场投标服务的能力,如容量或需求响应。

各种分布式能源DER技术(如PV)与储能,热电联产系统和微电网相结合,可在系统范围的电网中断事件中增强系统弹性。随着停电事件的频率和强度的发展,各级政策制定者正在引入新的互连流程和标准,以促进电力系统中弹性技术的采用。

储能的未来

近年来储能系统成本显着降低,并且预计未来会继续降低。在未来,可变可再生能源可能越来越多地与储能配对,以更加经济有效的方式提供额外的电网服务。最近的联邦能源管理委员会FERC订单通过要求电网运营商允许储能参与能源,容量和辅助服务市场来显着改变公用事业规模储能的前景。此外,最近的联邦能源管理委员会FERC订单要求所有新连接的发电机提供主要频率响应能力;这可能导致可再生资源易受影响,越来越多地与储能配对以稳定频率输出。

贸易壁垒

特朗普总统宣布自2018年开始对美国进口某些光伏组件的4年关税(第201条)。关税从30%开始,每年下降5%,直到2021年到期。关税旨在激励国内光伏制造业的额外投资;一些人估计,未来五年新建光伏装置短期可能会减少11%。2017年太阳能项目取消和互连延迟导致许多项目进入2018年。美国预计2018年新增光伏装机容量为11.1GWdc,与2017年相比几乎持平。201项关税的不确定性导致开发商推迟项目,并且可能是2018年末增加公用事业太阳能采购的一个原因。

3.转移到中国

除了明显的系统性差异之外,中国和美国在电力部门转型的道路上面临着许多共同的挑战,每个国家都可以从另一个国家的经验中受益。积极分享经验教训可以对两国和国际社会产生有益的长期影响。一些值得注意的方面如下所述:

进一步技术研发的需要

技术进步将进一步促进先进能源技术的更大部署和更广泛应用。在制造和处理这些技术方面仍有提高效率,降低成本和改善环境可持续性的空间。这种持续的进步可以加速能源部门向低碳排放组合的转变。例如不依赖稀土矿物的光伏化学,开发能够在各种时间范围内满足特定电力部门需求的新储能技术,以及海洋流体动力学发电等新技术的进步。

行业成熟:标准

成熟行业的一个标志是标准化的存在,以降低交易成本和提高监管确定性。随着可再生能源产业的成熟,降低成本的份额可能来自这些标准的制定。标准化控制器等组件的通信协议可以降低与微电网等新生技术相关的项目工程成本。

同样,建立标准合同可提高投资者信心并降低与融资相关的交易成本。可再生能源证书(REC)跟踪工具的国际标准化机会同样存在。随着中国自己的可再生能源组合标准的发展,与美国各州实施可再生能源证书跟踪计划的沟通是分享经验教训的宝贵途径。随着可再生能源证书的市场在全球范围内的增长,数据库管理和认证方法的标准化将成为确保环境属性证书有效性的关键。

灵活的电力系统

也许能源行业在全球面临的最大挑战是可变可再生能源在高渗透率下的有效整合。随着行业的发展和各国陆续实现其政策目标,这一挑战将更加普遍。通过规划系统灵活性和电力市场设计,可以实现有效的集成。随着中国希望到2040年全面整合其批发电力市场,可以从国际经验中吸取教训,包括美国ISO/RTO和西方EIM等司法管辖区,这些管辖区已经证明了在整合灵活资源的同时提供可靠性电力供应的能力。