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？