站在未來看中國發(fā)展超級電網(wǎng)還是智能電網(wǎng)?
張樹徫，首席能源經(jīng)濟(jì)師，卓爾德(北京)環(huán)境研究與咨詢，shuwei.zh@gmail.com
這是我近來看到的有關(guān)特高壓的最好的一篇文章，良心之作，強(qiáng)力推薦。張樹偉解答了這樣的一個關(guān)鍵問題：未來的中國應(yīng)該選擇超級電網(wǎng)還是智能電網(wǎng)? 文章的每一段都值得拿出來細(xì)讀。
正文:
在保障能源安全、提高本地環(huán)境質(zhì)量、減緩氣候變化的需求下，提高可再生能源在能源體系中的比重成為世界大部分地區(qū)的共同選擇。歐盟正朝著2020年實(shí)現(xiàn)或超過可再生能源20%的目標(biāo)穩(wěn)步前進(jìn)；目前2030年27%的可再生能源目標(biāo)也在政策議程當(dāng)中，有待成員國討論與最終立法批準(zhǔn)；遠(yuǎn)期50%-100%的可再生能源供應(yīng)也成為學(xué)者研究的方向。作為一個有“分權(quán)”傳統(tǒng)與更重視市場機(jī)制的國家，美國的可再生能源政策更多體現(xiàn)在州政府強(qiáng)制性配額與電價(jià)激勵方面，總體而言可再生能源可望在2020年電力結(jié)構(gòu)中達(dá)到20%-30%。我國也制定了2020年11.4%的可再生能源目標(biāo)，其中風(fēng)電要達(dá)到2億千瓦裝機(jī)，太陽能3500萬；按目前的發(fā)展趨勢，在裝機(jī)中的比重將達(dá)到10%-15%。
但是，可再生能源不同于傳統(tǒng)的可控化石能源發(fā)電，其出力間歇性與波動性的特點(diǎn)使其與需求波動的性質(zhì)更為接近，電網(wǎng)的角色變得尤為關(guān)鍵。在如何解決可再生波動性輸出的問題上，各國的思路與方式不盡相同。美國2008年推出智能電網(wǎng)（Smart Grid)戰(zhàn)略，核心在于發(fā)展智能電表與分布式存儲技術(shù)；在能源部2009年電網(wǎng)現(xiàn)代化投資中，100%將用于配電網(wǎng)調(diào)度通訊等系統(tǒng)的智能化發(fā)展，而沒有擴(kuò)大電網(wǎng)互聯(lián)的預(yù)算。歐盟2010年發(fā)布的基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)先計(jì)劃中，跨國天然氣與電力超級傳輸網(wǎng)絡(luò)（Super Grid)的擴(kuò)大則是投資的重點(diǎn)，而智能化部分的投資更多地體現(xiàn)在要吸引社會私人投資。在我國，“棄風(fēng)限電”問題的解決至關(guān)重要，擴(kuò)大電網(wǎng)范圍、遠(yuǎn)距離輸送與消納，抑或依托智能電網(wǎng)，分布式接入，減少大范圍的傳輸是兩種截然不同的戰(zhàn)略選擇；關(guān)于超級電網(wǎng)與智能電網(wǎng)、直流與交流角色的討論也日益增多，可能影響“十二五”乃至更長期的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與電力發(fā)展。
那么，必須回答的問題是：超級電網(wǎng)與智能電網(wǎng)，能否整合成為超級智能電網(wǎng)(SuperSmart Grid)來促進(jìn)可再生能源的發(fā)展，他們是競爭關(guān)系還是互補(bǔ)關(guān)系？他們是否可以和諧共存，抑或一個的發(fā)展會強(qiáng)烈的抑制另一個的擴(kuò)張？從全社會的效率與福利角度，政策制定者是否需要對其中一個進(jìn)行政策扶持，以避免另外一個的潛在鎖定風(fēng)險(xiǎn)？等等。
問題之一：電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展有無邊界？
電力系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了從直流傳輸?shù)浇涣鞒删W(wǎng)的歷史過程，電壓等級、輸送容量與輸送距離逐漸擴(kuò)大，系統(tǒng)復(fù)雜程度逐步提高。目前，世界各國的主網(wǎng)基本是400kV或者500kV的網(wǎng)架，而最高電壓等級達(dá)到了交流1000kV，以及直流800kV、1100kV甚至更高。緊密互聯(lián)的交流電網(wǎng)，也曾被比喻為“電力高速公路交通網(wǎng)”。
那么一個有意思的一般性問題是，電壓等級與傳輸容量與距離是否應(yīng)該，以及能夠繼續(xù)提升，其必要性與可行性如何，互聯(lián)電網(wǎng)系統(tǒng)的覆蓋范圍是否需要或者能夠繼續(xù)擴(kuò)大。超級電網(wǎng)作為最大的人造系統(tǒng)，其發(fā)展有無邊界。現(xiàn)實(shí)中，的確曾經(jīng)有“北非-歐洲超級電網(wǎng)”、“洲際電網(wǎng)”的提法與建議。從技術(shù)上來講，更大范圍和/或更高電壓等級的輸電線路在一定范圍內(nèi)不存在技術(shù)性的障礙，更多地爭論體現(xiàn)在必要性與可行性上。該種提議的支持者的論據(jù)包括資源的更大范圍傳輸與電力的互濟(jì)與平衡，發(fā)揮電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)。一個地區(qū)發(fā)生了由于事故或者裝機(jī)不夠的缺電，其原因往往歸結(jié)到電網(wǎng)覆蓋范圍不夠大，不能夠從遠(yuǎn)處調(diào)電予以解決。
這種思路，其實(shí)有點(diǎn)類似金融“龐氏騙局”論證的特點(diǎn)。如果一個“集資”活動資金鏈斷裂，其永遠(yuǎn)可以解釋為資金規(guī)模不夠大。如果能夠更大，它就可以不倒，永遠(yuǎn)玩下去?？墒聦?shí)上，這種論證難有說服力。其擴(kuò)大的過程，就是對各項(xiàng)資源的消耗與占用增加的過程，所需要的巨大的協(xié)調(diào)必要性與復(fù)雜程度，早就超過了可得與可能的范圍。這也是Desertec涉及到了40多個國家與地區(qū)，而5、6年以來幾無進(jìn)展的基本原因。
總體而言，電力傳輸是損耗較高的能量傳輸方式，這一點(diǎn)通過簡單的推算就可以看出來，這也是電網(wǎng)系統(tǒng)通常并不作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的基本原因。通過鐵路運(yùn)輸，4000大卡的煤運(yùn)輸1000公里，單位萬噸公里油耗在25公斤。這樣1萬噸煤，消耗25噸油，按照熱量，能耗也就在0.6%。而電力機(jī)車的效率更是比燃油機(jī)車高出幾倍，即使按照等價(jià)熱值（測算相應(yīng)電的燃煤等量熱值），其能耗也會小于0.2%。至于運(yùn)輸過程中倒車等損耗，在目前的技術(shù)條件下，與上邊的能耗相比，要小一個數(shù)量級以上，幾乎可以忽略不計(jì)。而目前的直流電力傳輸?shù)木€損率，普遍要在5%以上，要比鐵路運(yùn)輸高出一個甚至幾個數(shù)量級。
在能源效率低很多的情況下，總體經(jīng)濟(jì)性也必然相對的低。因?yàn)槟茉摧斔椭?，能源的消耗在絕大部分情況下都是最大的可變成本，效率低意味著可變成本會相對較大。無論初始投資大還是小，隨著時(shí)間的累積，可變成本大會侵蝕全壽期的經(jīng)濟(jì)性，成為經(jīng)濟(jì)性差的主導(dǎo)因素。
擴(kuò)大的電網(wǎng)范圍與規(guī)模，一方面，導(dǎo)致投資的上升與損耗的加大，以及日常維護(hù)與安全保障需要的增加；另一方面，可以在更大的范圍內(nèi)調(diào)配出力特性存在互補(bǔ)可能的電源形式，節(jié)省裝機(jī)與減少系統(tǒng)冗余。前者可以看做電網(wǎng)擴(kuò)大的成本，而后者是其收益。電網(wǎng)的規(guī)模不是越大越好，當(dāng)然也不是越小越好。隨著邊際成本的上升與邊際收益的下降，這無疑是一個存在最優(yōu)規(guī)模的問題。
那么，目前的互聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模是否超過了最優(yōu)規(guī)模，還是未達(dá)到？這并不顯而易見。但是以下幾個基本事實(shí)可以提供部分信息。
第一，我國的區(qū)域電網(wǎng)范圍已經(jīng)比大部分地區(qū)的互聯(lián)電網(wǎng)要大，無論是地理范圍還是裝機(jī)容量；第二，主要電網(wǎng)設(shè)備的利用率普遍比其他國家要低；第三，升壓到1000kV交流網(wǎng)絡(luò)的投資巨大，是次級電壓序列網(wǎng)絡(luò)的指數(shù)倍數(shù)；第四，電網(wǎng)目前的結(jié)構(gòu)與復(fù)雜程度已經(jīng)很高，安全與穩(wěn)定保障難度從每年的保電事實(shí)也顯示比較大。
基于這些事實(shí)，筆者傾向于認(rèn)為，中國交流互聯(lián)電網(wǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)大不是指向最優(yōu)規(guī)模的方向。中國的電網(wǎng)已經(jīng)具有了超級電網(wǎng)的特征，未來的重點(diǎn)發(fā)展方向應(yīng)該在低壓的智能化方向。
從技術(shù)特點(diǎn)上講，緊密聯(lián)系的交流電網(wǎng)最主要的作用在于成網(wǎng)，而目前擴(kuò)大成網(wǎng)的邊際收益很小，而邊際成本非常高，因此交流電網(wǎng)的范圍不宜再擴(kuò)大（Desertec也格外強(qiáng)調(diào)了直流的優(yōu)勢）；獨(dú)立的直流線路更多地用于長距離輸送電力，輸電損耗較高，需要項(xiàng)目級的審慎論證。
問題之二：超級電網(wǎng)與智能電網(wǎng)是否兼容？——國外案例
直觀來看，從投資與資金層面，超級電網(wǎng)每增加一份投資，就意味著智能電網(wǎng)減少一份投資，雙方是互相擠出的。Blarke與Jenkins2013年在《Energy Policy》的一篇文章對此進(jìn)行了理論與案例探討。他們首先從二者的發(fā)展路徑、技術(shù)特征以及相關(guān)利益群體比較了二者的不同，傾向于認(rèn)為這二者存在本質(zhì)上的沖突。
這種沖突具體表現(xiàn)在：超級電網(wǎng)更加關(guān)注傳輸技術(shù)，是漸進(jìn)的技術(shù)進(jìn)步，而智能電網(wǎng)更加關(guān)注本地控制與減少外部依賴，是“顛覆性”改變，其發(fā)展代表的“贏家”與“輸家”也存在本質(zhì)的不同。無疑，超級電網(wǎng)中電力服務(wù)商將是贏家，其擁有了更大的市場；而智能電網(wǎng)發(fā)展中，用戶面臨的選擇變多，是贏家。
因此，如果這二者在一個地理范圍內(nèi)競爭，就有一種可能，超級電網(wǎng)的“漸進(jìn)”技術(shù)變化與大量投資可能會擠壓智能電網(wǎng)的發(fā)展。 作者以丹麥西部的電力市場形態(tài)為例進(jìn)行了分析。這一區(qū)域已經(jīng)建設(shè)了較多的傳輸線路，可以與沒有電網(wǎng)擴(kuò)張的東部地區(qū)進(jìn)行天然比較。比較的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，丹麥西部傳輸線路建成之后，大量的低價(jià)格電力傳輸?shù)綎|部，造成東部電價(jià)價(jià)格的相對上升，而這一電價(jià)的上升使得很多的智能電網(wǎng)技術(shù)（比如電熱鍋爐）失去了經(jīng)濟(jì)吸引力，從而造成投資的不足，減少了東部智能電網(wǎng)發(fā)展的可能性。
基于此，作者建議，智能電網(wǎng)與超級電網(wǎng)的發(fā)展，要做到嚴(yán)格的地理區(qū)域上的區(qū)分戰(zhàn)略，特別是中短期內(nèi)。二者在同一個市場競爭的結(jié)果往往是此消彼長的，從而造成技術(shù)鎖定的風(fēng)險(xiǎn)。對于智能電網(wǎng)發(fā)展，作者建議要重新定義基礎(chǔ)設(shè)施的定義，不能僅限于網(wǎng)絡(luò)與線路，要確保充足的智能電網(wǎng)投資。
問題之三：我國智能電網(wǎng)與超級電網(wǎng)是否兼容？
電網(wǎng)的發(fā)展，涉及到的經(jīng)濟(jì)、能源等不確定性必須得到顯性的考慮。電力輸送規(guī)模越大，需要與之配合的資源就越多，要求越高，而不匹配的可能性也會越大，這是所有重大基礎(chǔ)工程的共同特點(diǎn)。過去，我國二灘水電站的消納困難是一個典型的案例。而每年，為了保證三峽水電的消納，同樣需要花費(fèi)巨大的技術(shù)、人力與其他資源。未來，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增長、不同能源的價(jià)格、技術(shù)的進(jìn)步與重大突破等因素都會影響到輸電受入地區(qū)的電力需求，以及需要受入電力的規(guī)模。其中的不確定性極大，甚至成為輸電省份還是受電省份都存在著諸多可能。重大的電網(wǎng)輸送工程建成，成為“燙手山芋”的可能性是客觀存在的。在這一點(diǎn)上，“科學(xué)把握未來發(fā)展趨勢”幾無可操作性，“對一個地區(qū)定位”的過時(shí)做法出錯成本非常之高。比如，為何僅基于能源資源稟賦定位內(nèi)蒙古為能源基地，而不是基于其自然資源與生態(tài)環(huán)境、地理位置定位為生態(tài)保護(hù)基地，成為基地相比分散的布局，有何規(guī)模效益可以發(fā)揮？
以“棄風(fēng)限電”問題為例。就解決風(fēng)電的棄風(fēng)而言，長距離輸送的確是解決方案之一。遠(yuǎn)距離輸送作為重大能源工程，其如果建成并最終投入使用，必然成為需要保證高負(fù)荷率的“政治工程”，將在東部電力系統(tǒng)參與實(shí)時(shí)平衡，將極大的消耗東部省份的調(diào)峰備用資源，使得東部地區(qū)的“廉價(jià)可得”的可再生能源發(fā)展失去足夠電網(wǎng)資源的支撐。從這一角度來講，筆者傾向于認(rèn)為，我國超級電網(wǎng)與智能電網(wǎng)下的分布式電源發(fā)展尤其是沖突的。
在這方面，需要更新關(guān)于何為“資源”的觀念。關(guān)于中國的資源特點(diǎn)，“富煤缺油少氣”是一個常用的表述，而對于風(fēng)電與太陽能資源分布，也有“主要在西北地區(qū)”的表述。這其實(shí)只是技術(shù)資源量的表述，類似“北非的太陽能可以滿足歐洲的全部需要”，“太陽能輻射是人類需要能源的100倍”之類的表達(dá)，缺乏“經(jīng)濟(jì)資源量”的考量，而后者往往是更關(guān)鍵的。因?yàn)?em>資源是否有價(jià)值，在于其能否實(shí)現(xiàn)有效的利用。目前全國范圍內(nèi)可利用的低風(fēng)速資源面積約占全國風(fēng)能資源區(qū)的2/3，且均接近電網(wǎng)負(fù)荷中心地區(qū)。京津冀地區(qū)低風(fēng)速資源到處都是， 太陽能資源比較優(yōu)質(zhì)，年利用小時(shí)數(shù)大部分地區(qū)可以達(dá)到1800-2000小時(shí)，這遠(yuǎn)優(yōu)于以發(fā)展分布式光伏著稱的德國的大部分地區(qū)。這種資源的利用無需付出較高的能源輸送成本，在經(jīng)濟(jì)意義上“好于”西部的風(fēng)電與太陽能資源。同樣，西南地區(qū)的水電如果不能低成本的外送，也不能稱之為好資源。
問題之四：理順價(jià)格信號對認(rèn)識優(yōu)劣尤其關(guān)鍵
在超級電網(wǎng)與智能電網(wǎng)存在沖突的情況下，如何保證二者的公平競爭就變?yōu)橐粋€關(guān)鍵的問題。其中，理順價(jià)格信號在當(dāng)前可能尤為關(guān)鍵。
從去年開始，云南水電的消納困難問題暴露出來。分析整個過程可以看出，消納困難的基本原因不在于基礎(chǔ)設(shè)施不足以及滯后的問題，而是整體經(jīng)濟(jì)性不足導(dǎo)致效益“蛋糕不夠大”，而電力供輸雙方代表無法談攏的經(jīng)濟(jì)性問題。而風(fēng)電相比水電，其線路利用率更低，從而成本更加高昂，而輸送成本下降的潛力也非常有限。目前，東部的風(fēng)機(jī)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，福建、云南等地區(qū)更是高達(dá)3000小時(shí)以上，即使在低風(fēng)速地區(qū)，其運(yùn)行小時(shí)數(shù)也可以達(dá)到2100小時(shí)甚至更高。西部與中東部的資源差別，彌補(bǔ)不了長距離輸送低利用小時(shí)數(shù)電力帶來的成本增加。遠(yuǎn)距離輸送風(fēng)電，其一度電的供應(yīng)成本，顯著地高于在東部地區(qū)利用低廉的進(jìn)口煤炭，建設(shè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格的火電站。實(shí)現(xiàn)同樣的減排，也將顯著地高于東部風(fēng)電的成本。相比而言，少數(shù)西北地區(qū)的太陽能光伏發(fā)電有可能具有經(jīng)濟(jì)可行性。因?yàn)槠湎鄬|部，特別是華東地區(qū)，具有優(yōu)越的光照條件，以及低廉的供地成本，輸電成本可以被更高的發(fā)電量以及更低的成本所抵消。
必須注意的是，成本在大部分情況下不具有優(yōu)勢，在現(xiàn)實(shí)中不一定會顯性的體現(xiàn)出來。因?yàn)橐延械捏w制機(jī)制、或者政府政策（稅、費(fèi)、特定價(jià)格手段等）可能已經(jīng)嚴(yán)重扭曲了價(jià)格體系?？傮w上，我國的能源資源價(jià)格信號傳導(dǎo)不太通暢，統(tǒng)一市場建設(shè)還非常滯后。一個例子就是分省火電標(biāo)桿電價(jià)水平。在目前的標(biāo)桿電價(jià)體系之下，東部地區(qū)的電廠的利潤水平明顯好于中西部地區(qū)，這說明其電價(jià)水平脫離成本的程度要更大，基于成本的“標(biāo)桿電價(jià)”扭曲程度更高，其代價(jià)由所有的高電價(jià)地區(qū)的消費(fèi)者承擔(dān)。在某些項(xiàng)目案例中，面對兩地巨大的電價(jià)差異（這種差異本身就是不合理的），這可能造成遠(yuǎn)距離輸送風(fēng)電到東部仍有“盈余”的錯覺。
因此，一個起碼的底線，“遠(yuǎn)距離輸送”項(xiàng)目，需要遵循一項(xiàng)目一議的基本原則，更加審慎的進(jìn)行成本效益分析。通過考慮各種極端情況（出力情況不理想、線路利用率低、安全保障支出增加）的單位供電成本的競爭力，考察項(xiàng)目的可行性。
而對于分布式發(fā)電項(xiàng)目，當(dāng)務(wù)之急，是取消嚴(yán)重影響居民判斷的“交叉補(bǔ)貼”。在美國以及歐洲的很多地區(qū)，由于居民電價(jià)水平較高，風(fēng)電、光伏等分布式、離散化的應(yīng)用已經(jīng)極具競爭力，2012年德國40%的可再生能源實(shí)現(xiàn)了直接平價(jià)上網(wǎng)，陸上風(fēng)電市場價(jià)格直接上網(wǎng)比例更是超過了70%。而我國居民電價(jià)始終處于一個較低的水平。這種低電價(jià)并沒有降低居民支出的總負(fù)擔(dān)，因?yàn)楣ど虡I(yè)的高昂電價(jià)必然要通過其他日常消費(fèi)品傳導(dǎo)給用戶，可以說在降低“總體居民支出”負(fù)擔(dān)方面沒有幫助，卻嚴(yán)重干擾了市場價(jià)格信號，使居民用戶產(chǎn)生了價(jià)格錯覺，扭曲了居民的用電行為，更有礙于新興可再生能源的經(jīng)濟(jì)性與競爭力的提高。這一交叉補(bǔ)貼政策必須盡快取消。這一機(jī)制如果能夠盡快理順，將提供中國分布式電源發(fā)展的最大動力。
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