2020年初，新冠封锁措施导致全球各地的电力需求下降。
在英国大不列颠，大部分电力需求由可再生能源满足，但这种发电结构暂时削弱了电网的稳定性。
这些关于电网脱碳未来的见解既凸显了我们面临的挑战，也揭示了我们可能的解决之道。
新冠疫情是我们仍在共同面对的严峻现实。但值得关注的是，这一前所未有的局面能为我们带来与医疗保健关系不大的宝贵教训，这门服务便是电力。英国大不列颠尤其值得关注：这个岛国自2020年3月23日起实施了严格的封锁，持续近三个月。此次封锁对电力系统产生了前所未有的影响：零碳能源成为迄今为止最主要的电力来源。然而，它也带来了某些挑战，而随着未来电网的脱碳，这些挑战可能会变得更加明显。
封锁、电力需求下降与电网脱碳
这次首轮封锁（英国目前正在走出第三轮封锁）创下了纪录。英国见证了有记录以来的最低全国用电需求，2020年6月28日（星期日）夜间为13.4吉瓦（相比之下，2019年的最低需求为18吉瓦）。此外，有记录以来的最低碳强度，出现在2020年5月24日，当时输电网络上每千瓦时仅产生46克二氧化碳 。同时，工业革命以来最长的无煤供电期，即2020年4月至6月期间连续68天。
在封锁期间，可再生能源和核电站是主要的发电来源。这是由于需求下降，进而导致批发电力市场价格随之下跌。可再生能源和核能对价格的敏感度较低，因为它们的燃料成本很低甚至为零。但目前仅依靠可再生能源和核电机组来运营电力系统是不可行的。这种发电结构缺乏灵活性。
为获得更多灵活性，英国大不列颠的能源系统运营商国家电网ESO采取了一系列“稳定性措施”。最常见的稳定性措施是启动多座燃气电厂，以提高电网的灵活性。这些电厂在批发能源市场中未能成功竞争，因为在我们经历的低需求水平下，它们的成本过高。因此，国家电网不得不调整发电调度，以确保有足够的灵活性来支持暂时的电网脱碳：换言之，支付给燃气电厂的费用，只是为了确保英国大不列颠能够在每一秒钟都维持供需平衡，而并非因为需要它们发电。在英国大不列颠春季封锁期间，这些稳定性措施的总成本超过了3亿英镑，较2019年同期增长了两倍。这意味着英国电力消费者不得不为灵活性服务支付账单中的很大一部分，而非为能源本身付费。
电池储能等快速响应设备有望在电网脱碳后解决未来的稳定性问题
那么，燃气电厂能提供而可再生能源无法提供的这种“灵活性”究竟是什么？这两类发电方式的关键区别在于一个简单的概念：惯性。惯性是指热力发电机（如燃气和燃煤发电厂）中的旋转质量块，它们在旋转发电以供我们消费电力时，会自然地储存动能。这些质量块因此成为宝贵的能量缓冲，一旦出现突发的供需失衡，便会自发释放这些能量。另一方面，可再生能源并不会自然地为系统提供惯性，这正是它们增加了电网功率平衡维持难度的原因。惯性使我们能够避免停电，而随着我们对电力的依赖日益加深，这一需求愈发关键。
未来，随着电网脱碳后热力发电厂变得稀缺，获取这种灵活性的成本将变得更加高昂。如图2所示，到2030年，稳定性措施可能占电网运营总成本的15%。但电池储能等新型设备可以提供更为有效的稳定性支持，因为它们由电力电子变流器控制，能够在出现发电与需求失衡时，迅速向电网注入功率。我们近期的研究表明，提供支持的电池容量提高，可能大幅降低稳定性措施的成本，如图3所示。不仅成本会降低，我们还能避免与稳定性相关的排放，因为仅为惯性而启动燃气电厂不仅成本高昂，而且污染严重。
新冠封锁措施表明，电力电网正在发生清晰的范式转变：未来由可再生能源主导、缺乏惯性的电网将具有非常快速的动态特性，而过去则由大型热力发电机主导。这既是挑战，也是机遇：变化将以更快的速度发生，但我们也有机会更快地作出应对。电网脱碳的未来将像法拉利一样快速，而其前身则更像卡车。这意味着我们需要从根本上改变电网的运营方式：让我们充分发挥法拉利的优势，而不要像驾驶卡车那样驾驶它。
