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家中的能源站:虚拟电厂将如何重塑电力供应格局?

虚拟电厂概念的提出,有可能在未来对我们生产、分配和使用能源的方式产生重大影响。 Image: Pexels/PhotoMIX Company

Daniel Cohan
Associate Professor of Civil and Environmental Engineering, Rice University
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  • 近日,由中国研究院主导制定的首个虚拟电厂国际标准发布,填补了该领域国际标准的空白。
  • 虚拟电厂是一个基于能源互联网技术的分布式能源网络。它将自身聚合的分布式能源资源组合在一起,发电并响应电力需求。
  • 分布式能源资源指分布在用户端的能源综合利用系统。它种类多样,包括太阳能电池板、电池、电动汽车和其他可以生产、储存或消耗电力的设备。
  • 虚拟发电厂可以用来平衡电网,整合可再生能源,减少高峰需求。与此同时,它们还可以降低能源成本和在电网服务的花费。

全球气候不断变暖,人们对电动汽车、数据中心和空调等设备的需求随之攀升。即使美国的电力需求已经保持稳定未增长的水平近20年,在此宏观背景之下,电力需求也开始无法避免地飙升。但是,以煤炭、天然气或核能发电的传统电厂生产的电力已无法满足人们的需求。此外,即使新型电厂不断涌现,这一速度也远远赶不上传统电厂被淘汰的速度。同时,新的问题也随之出现。新型电厂多以风能、太阳能为主,它们的发电量随天气而变化,波动不定,这都会扰乱正常的供电节奏。

这使得电力公司亟需寻求能够维持电力供需平衡的新方法。而虚拟电厂,正逐渐获得他们的青睐。

虚拟电厂究竟是什么?“虚拟”意味着他们并非实体的发电设施,所以虚拟电厂并不是真正意义上的发电厂,而是一种基于能源互联网技术的“看不见的电厂”。虚拟电厂是电力生产者、消费者和储存者的集合体,电网管理者可以调用它们来平衡电力需求和供应。通常情况下,我们将这些电力生产者、消费者和储存者统称为分布式能源。

分布式能源的种类十分多样。比如电池就是电力的储存者,而工厂则为电力的消费者。兼具生产者与消费者的角色正是虚拟电厂的独特优势所在。当总体电力需求较高时,工厂等消费者如果同意减少电力使用,便能为其他消费者腾出能源。同时,与新型电厂相比,虚拟电厂通常选址历时更短,建造速度更快,运营更清洁,成本也更低。

分布式能源不断涌现

虚拟电厂并不新鲜。根据美国能源部的估计数据,目前正在运行的太阳能电池板数量,已经高达30到60千兆瓦。1千兆瓦相当于10亿瓦,这也就意味着,目前太阳能电池板的发电总量,已经约等于250万块太阳能光伏板或一个大型核反应堆的发电总量了。

早先,虚拟电厂的主体主要是工厂。他们同意在条件紧张的时期减少对电力的需求,这意味着当电网经历高需求和有限供应时,电网依旧能够得到很好的平衡,确保每个人都有稳定的电力供应。而现在,随着越来越多的家庭和小企业也开始在屋顶安装太阳能电池板,使用电池和电动汽车,他们也可以用太阳能电池板发电,用电池储存,并将多余的电力卖给电网,进一步实现“生产者”和“消费者”两种角色的统一。

具体而言,在阳光明媚的晴天,房主可以在使用屋顶太阳能电池板发电的同时,将多余的电力储存在电池中以备之后使用。在晚上,当电力需求高,电价也可能因此更高时,房主可以将电池中的电力放回电网,出售他们储存的电力。

随着越来越多的家庭和企业采用智能恒温器、热水器、屋顶太阳能电池板和电池等技术,虚拟电厂得到愈发广泛的使用。美国能源部估计,到2030年,虚拟电厂的规模可能会增加两倍,能够满足美国50%不断增长的需求,并替补50%即将被淘汰的老旧发电厂。显然,虚拟电厂规模的扩大能够有效减少新建风能、太阳能和天然气发电厂的需求,从而限制与扩大美国发电能力相关的成本。

此外,由于虚拟电厂通常位于用电地附近,通过发电和电力的管理,它们能够有助于减少电力传输系统的负担,缓解增设新电力传输线路的压力。

加州的一住宅小区中200栋房屋已实现全自动供电。太阳能电池板、电池配备齐全,微电网连接通畅,可以在大范围停电的情况下依旧确保居民供电。图中为其中一间样板房内的电池展示板。 Image: Watchara Phomicinda/MediaNews Group/The Press-Enterprise via Getty Images

能源消费者的新角色

虚拟电厂改变了电力生产者和消费者的角色。

传统模式是先在电厂发电,然后将电力输送给消费者。在这种模式下,为使电网正常运行,供需双方必须始终保持精确平衡。

电厂通常要提前预测消费端的需求。这一需求可能会随天气变化而波动,但仍会遵循相当可预测的模式。为了更灵活地调整发电量,电网运营商会混合调度煤电厂和核电厂等能持续运行的基荷电源,以及天然气和水电等可根据需要快速调节输出的更灵活电源。

不过,风能和太阳能发电场的发电量在白天时高时低,因此其他能源必须更加灵活地运行,以保持供需平衡。尽管如此,传统电厂的基本理念就是通过大型设施为数百万被动消费者生产电力。

虚拟发电则颠覆了这一模式,让消费者可以控制自己的电力需求。工业消费者很早就已经学会了灵活变更运营时间,在电力供应紧张时限制需求来换取低价电费或补贴。

而如今,普通家庭也能通过与电网通信的恒温器和热水器来调节需求。例如,智能电热水器可以在电力充足、价格便宜的时候加热大部分的水,并在电力不足的时候限制需求。

在美国佛蒙特州,当地的绿山电力公司为客户提供安装电池的激励措施,这些电池将在最需要的时候向电网供电。在我居住的得克萨斯州,2021年致命的停电事故凸显了加强孤立电网的重要性。现在,这里的电力公司正在使用特斯拉推出的家用电池产品Powerwall(电力墙),让每家每户变成电网的虚拟电源。

在澳大利亚,当地南澳大利亚州也在试图建立该国最大的虚拟发电厂,用太阳能和电池连接5万个家庭。

2021年2月,一场严重的冬季暴风雪导致美国得克萨斯州电网停电并发生灾难性故障。人们在休斯敦排队加注丙烷。

图片来源:Go Nakamura/Getty Images

虚拟电力,真实挑战

虚拟电厂并非灵丹妙药。许多普通消费者连让电网临时控制恒温器都不愿意,也不想让自己的电动汽车充电速度变慢。一些消费者还担心智能电表的安全和隐私问题。我们目前仍不知道究竟有多少用户会来加入这些新兴项目,当地运营商又将如何有效调节供需。

虚拟电厂在业务方面也存在挑战。管理数百万消费者要比管理数十家发电厂难得多。虚拟电厂运营商可以通过补贴客户,协调他们的用电需求来灵活调整供需,从而克服这一挑战。

经济增长要求电力供给也能跟上脚步。而随着电力正逐渐取代使用化石燃料的汽车和火炉,人们对可再生资源依赖逐步增加,电网管理者将需要极力发挥自身灵活性来平衡风能和太阳能发电的可变输出。虚拟电厂在这一趋势下可以帮助重塑电力行业,使其变得更加灵活、高效,并对不断变化的条件和客户需求做出快速反应。

本文作者:

Daniel Cohan,莱斯大学土木与环境工程系副教授

本文与The Conversation合作发布,原载于世界经济论坛Agenda博客,转载请注明来源并附上本文链接。

翻译:吴逸萌、江颂贤

编辑:江颂贤

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