电力公司“倒贴钱”?聊聊负电价背后的商业玄机与光伏发电
文|硅谷101
最近全球各地越来越频繁出现一个反常识的现象:用电不仅不花钱,反而还能赚钱。
在今年4月,德国电力市场出现了50个小时的负电价,无独有偶,美国加州的电价也在部分时段跌至负数。到6月份,法国继续出现负电价的情况,现货市场日前电价跌到四年来的最低点:-5.76欧元/兆瓦时。
有些地区因为电能过多导致价格为负,但还有些地区却正面临着电能短缺,我们之前的一期文章就聊过,随着人工智能的发展,一些地区出现了“用电荒”的情况。
这篇文章我们就来聊聊,负电价背后的商业玄机,以及新能源市场的未来。
01负电价与清洁能源
Chapter1.1太阳能产品飙升
首先,我们来说说为什么会出现负电价。
负电价其实并不是什么新鲜事,我所在的美国加州早在2017年就出现了负电价,去年的欧洲市场也有不少国家电价接连跌到负数,包括德国、荷兰、芬兰,其中德国、荷兰甚至一度出现了-500欧元/兆瓦时的价格。
根据欧盟能源监管合作机构(ACER)发布的报告《欧盟电力批发市场的主要发展-2024年市场检测报告》,在2023年,欧洲地区负电价次数急剧增长,总共50个电价竞标地区中,有27个地区的负电价次数,打破7年间的最高记录。
负电价出现的最直接的原因就是:供给大于需求。因为某一个时间段太多的供给,用不掉又存不下来,只能希望需求侧快点用掉这些多余的供给量。
造成这种情况的幕后黑手,正是清洁能源发电量过剩了。再具体一点来说就是,太阳能发电板的数量急剧增加。
因为风能的回报周期较长,而建设水力发电的大坝也需要很久,再加上水力发电设施需要在特定地形下建设,所以最快最简洁的方式就是光伏设备了。
以我们所在的加州硅谷为例,从2014年到2023年这十年间,公共事业的太阳能发电量一度增长了近400%,全年最高发电量达到39320GW/h。
加州四季阳光充足,且政策友好,确实是很适合光伏发电的地区,根据最新的统计,目前加州的光伏发电量已经达到了47GW,足以为1390万户家庭供电。
欧洲国家的情况也差不多,德国联邦网络管理局(BNetzA)统计数据显示,2023年,德国可再生能源新增装机容量17GW,总装机容量接近170GW,同比增长12%,可再生能源的增长主要来自光伏,占总增长的83%。
之所以光伏发电发展如此迅速,行业的人告诉我们,有三个原因:
第一,最近20年技术突破了不少,太阳能板的转化率从10%左右翻倍提升到了22%到24%。
第二,随着太阳能板产量的增加,生产成本也降低了不少。
第三,电价一直呈上涨趋势。
这几个原因叠加后,就让光伏发电的成本,与传统化石燃料基本齐平了,达到了GridParity(电网平价),进而更多用户开始拥抱太阳能。
正是因为清洁能源增长过于迅速,导致电力市场在部分时段供过于求。
来自微软能源战略部的资深项目经理徐熠兴(EthanXu),也补充了另外两点负电价的原因。
Chapter1.2鸭子曲线
徐熠兴(EthanXu)
微软能源战略部资深项目经理
电力系统中,技术调节的能力有限的情况下,也是会出现负电价的,所以在供需不平等情况下,由于调节的能力有限,难以快速地改变供需关系,因此产生负的电价。
还有一个原因就是电网的阻塞,就比如说很多局部地区,它其实有很多便宜的电,某些地方如果出现了电网的阻塞,这些便宜的电它出不去,其他(地区)的电价仍然很高,但是在局部地区会出现负的电价。
在2022年,加州总共浪费了240万兆瓦时的电量,其中95%是太阳能。到了正午阳光充足时,光伏发电量就会大幅提升,这个时候人们的用电需求几乎全靠太阳能发电就能满足,公共电网中的负荷被迫降到低点,而太阳落山后,公共电网的需求再次激增。
在这种状态下,电网的净负荷,即电力需求减去可再生能源,将呈“U”形,这也被称为“鸭子曲线”(duckcurve),因为此时的曲线看上去就像鸭子的肚子。
但如果在光伏发电的高峰时段,超出的电能不能被顺利消纳,将会对电网造成损伤,甚至带来安全隐患。
电力系统它是一个非常有意思的系统,就是它时时刻刻都需要保证,用电量和发电量一个平衡的关系,才能让这个物理系统正常地运行。
如果光伏的发电量多太多的话,可能会造成电网稳定性的问题,风电和光伏,它都有间歇性和不可预测性,还有它会带来电压的波动,影响电能的质量。
所以电厂为了促进消耗,才出现了负电价的情况。可能你接着想问:既然电力过剩这么多,为什么不直接暂停发电呢?电力公司也不是没拿个小算盘算过这笔账。
如果停掉发电机,那损失将会更大。传统的火力、核能发电厂,发电机的启停成本非常大,重启发电机甚至比一直开着所消耗的成本更高,频繁关停会影响设备寿命和性能,还可能错过后续的高电价时段。
煤电的启动和停止往往是需要几个小时,同时还伴随着比较大的成本,需要消耗额外的燃煤来点火和升温,以达到正常运行所需的温度和压力。
而核电几乎需要一直保持稳定的发电,所以就很难进行调节,所以为了避免调节发电量带来的巨大的经济损失,煤电和核电他可能会选择继续发电,哪怕是负电价,他宁愿承担小一点的负电价带来的损失,他也不愿意去调节自己的发电带来更大的损失,所以这属于两害相权取其轻。
所以电力公司打完算盘后,宁愿花钱刺激用电,也不能让发电设备白白损耗。
如果实在消耗不掉,为了保护电网,最后的决定,将是舍弃这些清洁能源。
除了电力以外,美国德克萨斯州、加利福尼亚州和亚利桑那州在今年5月也出现了天然气价格变成负数的情况。
原因是这些地区用于输送天然气的管道进入了维护期,过多的天然气输送不走,而迫于环保压力,也不能被白白燃烧掉,因此带来巨大的储存成本。由于美国天然气发电量占比最高,达到了近40%,也在当时进一步导致了电价下跌。
但我们在做研究的时候发现,矛盾的一点是:按理说,负电价的出现应该让居民或者公司用电更便宜了对吧,因为我用电你给我钱嘛,但事实是,部分地区的居民用电成本反而在提高,大家并没有占到负电价的便宜,这又是怎么回事呢?
02新能源的另一面:公用事业死亡螺旋
这个问题稍微有点复杂,在回答之前,我们先简单介绍下电力市场的运作模式。
发电站会生产电力,然后传输到电力公司,也可以称之为公共电网,此时发电方就会获得来自电力公司的报酬,这个价格称为“上网电价”(Netprice),公共电网再将这些电卖给企业或个人。
电力交易也存在批发市场和零售市场。批发市场只进行大宗电力交易,通常以兆瓦时(MWh)为单位,所谓的“现货市场”,也属于批发市场中。
而零售市场,则由电力公司来面向终端用户,比如普通居民、小型企业、商业机构等,用电量相对更少。
当然,全球各地区电网的运作模式都不同,比如有些地区发电站和电网都属于同一企业,或者大型企业直接向发电站进行购电,其中的环节就会有所变化。
电力是个非常复杂的系统,无法一概而论,我们举例的模式只是便于大家理解后面的内容。
徐熠兴(EthanXu)就告诉我们,在目前电力市场的运作模式下,普通用户交的电费并不是直接跟负电价有相关性。有的地区可能受益,有的地方可能你还要倒贴钱。
负电价的话,基本上是只存在于电力批发市场上的。普通的用电用户,他主要是在零售市场上,跟当地的电力公司去买电,所以普通用户其实很少受到负电价的影响,而电力公司,它可能会根据整年的购电的平均的成本,向居民收取电费,他相当于,帮普通的用户,平滑了电价的波动,所以普通用户实际上是接触不到负电价的。
在这种模式下,虽然居民没接触到负电价,也能享受到更低的用电成本。但有些地区的模式反而会给居民带来额外负担。比如部分欧洲地区。
在欧洲那边,确实是有上网电价这样的东西,是政府制定了用来保证,清洁能源的发电者,能够有一个兜底的电价,所以当电力市场中它的批发电价低于上网电价的时候,政府会进行补贴,也就是说当出现负电价的时候,政府也会进行补贴,甚至补贴的比正电价还要更多,而这些确实是会转嫁到消费者身上的。
因为要鼓励清洁能源发展,要对他进行补贴的话,那政府就需要,找到这个钱去补贴清洁能源的发电者,而这个差价,政府就把这个成本就转嫁到了消费者的头上。
德国就有报告指出,当电网卖给企业的批发价格,低于付给发电站的上网电价时,其中的差额就会在加在零售市场的售价中,来弥补电网的运营成本,几乎所有零售市场消费者,都需要在支付电费时缴纳这项税款。
批发市场电价更高,零售市场的附加费就会越低,反之,当批发价降到零以下,成为负价格的时候,零售市场用户承担的税款就会增加。
而到了加州地区又不一样了,由于政策支持,加州居民开始大量使用小型光伏发电设备,也就是屋顶的太阳能板,但这,反而可能让公共电网的用电成本变得更高。
因为当更多家庭使用屋顶太阳能,他们从公共电网中购买电力将减少,电网发电与维护是有固定成本的,如果电网用户减少,那每个人分摊的固定成本将变得更高,然后导致更多的用户离开公共电网转而拥抱光伏发电,并进一步提高公共电网的价格,这种情况被称为“Utilitydeathspiral”,公用事业死亡螺旋。
虽然新能源发电量,特别是太阳能在近年来出现飙升,也带来了以上我们说的种种问题,同时也会引发环保人士对太阳能发电板的污染和能耗担忧,但随着碳中和成为全球各国和各大公司的目标,清洁能源的增长脚步依然不会停止。
国际能源署预测,到2025年时,可再生能源将超越煤炭发电,成为全球电力的主要来源。
美国银行美国能源报告也显示,预计到2030年,风能和太阳能分别将增加100GW和240GW的发电容量。
同时有分析预计,由于美国政府计划到2050年实现net-zero“净零排放”,将会带动北美的太阳能产业市场规模从250亿美元增长到1207亿美元。
那么接下来我们再来回答一个问题:正如我们之前《AI电力争夺战》那期里提到的担忧,随着AI科技的爆发,美国将迎来新一轮电力需求的增长,那么大力发展清洁能源,是否能成为解决方案呢?
03电能失衡与未来电力缺口
在回答这个问题之前,我们得先了解,为何美国一边出现清洁能源过剩,另一边却频繁爆出电力不足的新闻。
有些地方会有很多的清洁能源,但是它需要足够多的电力传输线,把清洁能源从供电和太阳能资源比较丰富的地方,传输到用电中心。
但是美国的电力系统有这么一个问题,它不是一个连接得很好的电力系统,就美国西部、美国东部和德克萨斯州,它是三个相对独立的电力系统。
同时在每一个独立电力系统当中,各个地区的电力系统,它又是有一点各自为政的状态,虽然它们之间是有一些电力传输的,但这个电力传输的能力并不够大,所以这些电力并不能够有效地,有效地传输到它真正需要被需要的地方。
其实这个问题的解决思路很简单,那就是多建设清洁能源设施和电力传输线,美国政府也的确在推进相关政策,但在执行起来却遇到了种种困难。
其中涉及到很多原因,比如说政治、政策、民意等等,就比如说用民意来举例,其实美国人他希望你建设更多的电力传输线,但是他又不希望你在他家门口建立电力传输线。这就是普遍的一个想法,这个想法在美国有一个词叫NIMBY,就notinmybackyard(别建在我家附近),就是你可以做对公共好的事情,但是不要在我家门口做。
有一个例子就是大概一两年前,在美国的东北部地区,当时是想建一条145英里长的电力传输线,然后这个项目被因为法律的原因,被整整拖了两年的时间。当地的一些环保主义者,和其他的一些组织提出来要反对建设这个电力传输线的,就他们的理由就是,建设电力传输线可能会需要砍树,可能会影响到当地的生态等等。
根据徐熠兴(EthanXu)对我们分享的数据,美国的电力传输线的建设大概每年以低于1%的速度在建设,而微软能源战略部的研究发现,如果美国真的要实现大规模的清洁电力,至少需要每年以大约2.5%左右的速度,去增长和扩建它自己的传输线和网络,但现在的速度,是远远跟不上需要的速度的。
除了电力发展不均衡,随着科技发展,未来不少行业将出现巨大的电力需求缺口。美国银行发表的美国能源报告中,将美国用电增长主要归纳为三个原因:
第一个原因来自于AI发展。
我们之前的视频讲过,这两年因为生成式AI的爆发,卷起了一股热潮,不少科技巨头纷纷斥巨资建设AI数据中心,带来了庞大的用电需求。
徐熠兴(EthanXu)
微软能源战略部资深项目经理
数据中心这个行业大概会以每年15%左右的速度进行增长,像今天的话,数据中心只占到了美国整个用电量的2.5%左右,然后预计到2030年左右,数据中心占美国整个用电量的比重,会占到7.5%左右,所以这是一个比较大的飞跃。
而美国虽然电力发展早,但由于去工业化的理念,十多年来,整体用电并没有较大增长,加上美国的基建能力较弱,导致电网建设速度跟不上AI的发展需求。
第二个原因是多个行业的电气化。比如新能源汽车,虽然近期有所遇冷,但美国银行认为,不论增长如何放缓,电车的整体数量依然会提升,那么充电需求还是会继续增加。
数据表明,美国光是在2023年,小型电动车的电力需求就达到了1.6GW。大家可以看到,这个增长曲线还是非常陡峭的。
除了民用电动车外,不少中型和大型工业车辆,也正转向电动化,这些车辆经常需要长途作业,工作时间和行驶里程相比民用车会更长。因此美国银行估计,到2030年,电动汽车的发展将给美国带来10GW的电力负担。
还有楼宇的电气化,比如说用电去代替室内的供暖,同时还有制造业的电气化,就比如说很多传统的制造业,它可能是用石油等等来提供能源的,现在也在想办法,用电来的方式来替代某些的工业的生产流程。
第三个原因则是来自于工厂的建设与发展,也就是制造业的回流。
既然电动汽车是趋势,那生产肯定不能少。比如说,美国银行的数据就预计到2027年,美国境内电池工厂的电力需求将达到3.5GW。
同时,美国为了将外流的芯片制造产业迁回国内,推出了《芯片法案》,预计新的芯片增长和生产将继续带来2GW的需求。
综合计算其他各大领域的增长需求,考虑到新增的清洁能源与即将退役的火力发电厂后,美国银行认为,到2030年,电力需求将增加70GW,电网的稳定性会承受区域性的挑战,火力发电可能无法满足这些需求。
我们之前的视频也提到过,急剧增长的用电需求,也对碳中和的目标提出了挑战,那既然火力发电不够了,发展清洁能源能否解决这些问题呢?
04清洁能源如何撑起下一轮用电浪潮
我们目前面临的现实是:一边是清洁能源太多,导致电能溢出;而一边电能缺口巨大,引发科技巨头纷纷抢电。
在可控核聚变实现之前,目前的清洁能源行业能否支撑起下一轮电力需求增长呢?
我是认为大力发展清洁,是能够非常有效地,填补电力的巨大需求的,但是我们要知道,电力系统它是一个需要实时平衡的系统。所以在大力发展清洁能源同时,也需要大力发展储能,就保证清洁能源,能够比较有效地利用起来。
储能,将会是平衡清洁能源供需关系重要的一环。
电能存储方式主要分为电池、抽水蓄能和制氢。抽水蓄能对地形要求高,建设成本大,而制氢成本也不低,目前的转化效率大概只有40%,所以现在光伏电厂普遍采用电池方案,发电量过大时给电池充电,夜晚再让电池放电,起到“削峰填谷”的作用。
虽然储能技术、设备成本以及效率一直是个挑战,但目前太阳能公司们,都在全力发展和优化储能方案。
过去的十年左右,像光伏设备大概它的成本下降了有90%,而今天看起来,储能设备很有可能会经历跟光伏设备类似的,一个成本下降的过程。其实过去十年,储能设备的成本已经下降了80%左右,所以我比较乐观地认为,储能设备的这个成本,之后几年还会继续下降,能够更大规模地应用到电网当中。
除了储能问题外,决定光伏发电能否支撑起这轮电力需求的另一个因素,就是单位面积的转换效率,换句话说,光伏发电能否在占地尽量小的情况下,发出足够的电能。
业内人士给我们举了个很形象的例子,如果要支撑起全美国的用电,只需要铺设一万平方英里的太阳能板就行,如果把美国所有的高速公路都铺上太阳能板,那发出来的电全美就用不完了。
但对于新能源发电来说,不论是光伏还是风能,都是要靠天吃饭的,在环境条件不理想的时候,还得靠传统能源去补充。
所以清洁能源目前较大的瓶颈,就在于如何灵活调度。
其实在电力的这个发展过程中,我们是有一个所谓的不可能三角,一个就是可靠性,一个是清洁,还有一个是成本低廉。
对于清洁能源来说,它是满足了这三个指标当中的清洁、成本低,但是因为清洁能源的发电需要靠天吃饭,它的可靠性是不太高的。
传统的能源它也只是占到了这个不可能三角当中的两个,一个是它可靠性比较高,因为你是随时可以控制发电量,同时它的成本也不算特别高,但是传统的发电它就是不够清洁。
所以我们需要合理的搭配不同的发电技术,能够实现这个不可能三角当中的每一项。
在未来的二三十年当中,这个清洁能源和传统能源是会共存的,这样才能保证电力系统中,能够既可靠又有足够多的清洁能源,同时成本还不是那么高。
为了解决灵活性的问题,不少公司开始使用AI打造的虚拟电厂来调控供电。
这样的虚拟电厂没有现实中的实体,它的主要功能在于调度电力,让电能实现效率与经济的最大化。
有了AI的加持,系统就能更准确的预测未来的情况。
比如接下来的天气如何、未来的哪个时间、哪个地点的用电需求将如何变化、电价是提高还是降低等等,这样就能控制储能系统合理的充放电,或者将同一个电网内,电能过剩的发电设施,调度传输到需求更大的地区。
值得一提的是,虚拟电网技术,不光是可以用来调控清洁能源,还能平衡传统能源的负载,让清洁能源与传统能源互相配合,达到最大化的利用。
虽然目前清洁能源的占比还不算高,全美可再生能源的发电比例仅占了21.4%,但根据路透社的消息,到2030年,清洁能源的发电占比将达到全球电力的三分之一以上。
我们也希望清洁能源能加速铺开,在各种的技术面上,无论是效率、储能还是虚拟电网,都能尽快继续优化,也同时解决好太阳能面板面临的一些争议问题,让全球减排目标进一步尽早实现。
特别是目前全球面临新的一轮AI电力战,人类对能源的需求,只会越来越大。
但科技发展的初衷,应该是创造更加美好的生活环境,如果文明进步是以牺牲环境为代价,这又何尝不是舍本逐末呢?