碳中和時代的電力系統(tǒng)
全社會50%的使用能源：機械能、熱能、“冷”能、光能、電子設(shè)備驅(qū)動能量，……，是由電能提供的。
中國每年開采出來的一半煤炭，是用來發(fā)電的。
中國現(xiàn)在60%以上的電力，是由化石能源——主要是煤炭燃燒提供的。
而碳中和的世界，電力不再由化石能源提供。而是由可再生能源提供。可再生能源替代化石能源提供電力有兩個問題需要解決：
一是成本——現(xiàn)在已經(jīng)基本解決，而且可再生能源電力的成本還會越來越低，未來將遠低于化石能源生產(chǎn)的電力；二是未來可再生能源的主力、無處不在的太陽能和風(fēng)力不穩(wěn)定， 其波動需要補償和消納，這正是德國轉(zhuǎn)型2.0 要解決的關(guān)鍵問題。
過去的電力系統(tǒng)，是用電戶決定發(fā)電量。所以電力系統(tǒng)由電源、電網(wǎng)和用戶三個部分組成。
而在碳中和的電力系統(tǒng)中，主力電源是風(fēng)光電，但風(fēng)光電的發(fā)電出力受氣象和天文條件的影響，不穩(wěn)定。于是在碳中和的電力系統(tǒng)中，要對波動的風(fēng)光電進行調(diào)節(jié)，即補償和消納，于是就在電力系統(tǒng)增加了一個部分——智慧能源系統(tǒng)。智慧能源系統(tǒng)中有四大金剛，我們將在后面詳述。
我們先看電源端。
碳中和電力系統(tǒng)中的主力電源是風(fēng)光電，而水電在中國的西南部是主力電源。
風(fēng)電的發(fā)電成本一直在穩(wěn)步下降，而且下降的速率現(xiàn)在還很快。
現(xiàn)在風(fēng)電的并網(wǎng)電價已經(jīng)與煤電相似，不遠的將來就會明顯低于煤電。
光伏的發(fā)電成本一直在快速下降，預(yù)計到2025年左右會在全國的范圍內(nèi)低于煤電，在2030年以后遠遠低于煤電。從發(fā)電成本的角度看，10年后，風(fēng)光電可以全面取代煤電。
在德國，可再生能源電力在總發(fā)電量中所占的比例，已經(jīng)從2002年的不到8.6%，發(fā)展到2020年上半年的55.8%。2019年上半年，波動的風(fēng)光電在德國的總發(fā)電量中占34.8%。而在2020年上半年，就增加到了42%，而煤電+核電的發(fā)電量在德國的總發(fā)電量中現(xiàn)在僅占43%。
這是2020年6月27日~7月6日德國各類電源的發(fā)電出力和用電總負荷的變化曲線。
從圖中可以看出在碳中和電力系統(tǒng)中的問題，就是可再生能源的發(fā)電出力隨天氣波動，而不能自行與電力需求吻合。兩者出現(xiàn)巨大的差異。
這張曲線圖描述了在未來德國的電力系統(tǒng)中除了可再生能源供應(yīng)的電力之外，要滿足德國的電力需求還需要多少額外電力。到了2050年，60%的時間需要額外電力，最大值為約50GW。在另外40%的時間里，則是可再生能源電力 過剩，發(fā)電出力過剩的最大值可達70GW左右。
這就需要有不使用化石能源的技術(shù)方法，在可再生能源發(fā)電出力不足時提供額外的電力，在可再生能源發(fā)電出力過剩時消納掉過剩的電力。而不使用化石能源補償和消納可再生能源電力的方法，就被稱作智慧能源。
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