可持续能源︱五步改造现代电网与清洁能源火车(两则)

编辑团队

原文/ Herman K. Trabish、Patrick Mazza   翻译/ Nan

文献/ 于晚     校验/ 众山小

编辑/ 众山小   排版/ 王天实

译者萌像与导读:通过电网升级改造纳入更多的分布式能源和可再生能源,听上去非常美好。但在实际操作过程中,如何选择最优的电网改造路径,是通过供给测改造、消费测管理还是系统升级?如何既保证电网改造使得投资者和用户都收益,同时实现政府的清洁能源消纳目标?本文给出了五个简单的评估步骤。为解决由于电网输送能力不足导致的可再生能源消纳问题,有人脑洞大开,提出利用铁路线路建设输电网络,实现可再生能源从偏远地区输送到城市地区。铁路运输,这种最古老的大规模机械化运输方式是否能够创造一条通向21世纪清洁交通的道路,成为可持续发展的发动机呢?



【则一】

如何最优化电网现代化改造?

五个简单的步骤

原文/ Herman K. Trabish   翻译/ Nan


图一、现代电网改造


在美国,各州公共事业管理部门最关注的几乎都是电网现代化改造。

 

从加利福尼亚和纽约州到夏威夷和罗德岛州,公共服务部门正在开放管理档案,调查如何以最优路径升级电网以提高电网效率并整合更多的清洁能源技术。上周,俄亥俄州公共管理部门启动了电力先锋计划。

 

电网现代化计划以及相关的公共设施建设方案一般会获得各种利益相关者的支持。分布式能源的倡导者以及相关的公共事业公司非常欢迎这类计划。但在很多州,消费者权益保护者对此持反对意见,他们担心急于升级电力系统将带来不必要的开支。

 

在加利福尼亚州,“公共事业改革网络”(TURN)增加了人们对南加州爱迪生公司费率的担忧。这家公共事业公司将花费21亿资金用于电网现代化改造,导致居民花费在2018、2019和2020年分别提高2.7%、4.2%和5.2%。

 

“我们对此非常担心”,发言人Mindy Spatt表示,“考虑到尚有很多人很难负担住房费用,目前的这种增幅是前所未有的,而且如果将三年的费用加起来金额也非常巨大。” “公共设施改革网络”并不兼具安全性或可靠性,她补充说“而仅仅新颖和时尚并不能让电网改革具有较高的成本效益。”

 

对于“镀金电网”的担忧在消费者权益保护者中间非常普遍,电网现代化倡导组织“智能电网联盟”的CEO——Steve Hauser告诉Utility Dive (一家提供能源和公共事业新闻和分析的网络媒体)。在另一个最近的例子中,一位立法委员将密苏里州的电网现代化账单称之为“公共事业税”,质疑其“允许公共事业部门投资,但却不能获得更高的收益”。一个消费者权益保护组织称之为“不为解决问题而生的解决方案”。

 

消费者权益保护者普遍指责电网的现代化改造是将投资用于“新事物,而非正确的事情”,Hauser表示。但随着相关评价指标的开发和完善,很多人开始看到电网现代化改造“在很多案例中收益高于支出”。

 

“一切都取决于谁愿意付钱”,美国中部九个州的部分电网运营商——西南电力联营的首席运营官Carl Monroe表示。“我们可以建设一个更有弹性且环境效益更高的系统,但其成本可能会高于参与者的支付意愿”,他说“评价指标使得参与者可以明确考量,为获得更优系统,他们愿意承担多少费用。”

 

然而,定义电网现代化的评价指标非常困难,来自能源创新公司(一家咨询公司)的电力改革专家Michael O’Boyle说。他最近的一篇文章(共同作者之一)《电网现代化的最优化》也着力阐明这一问题。(参考文献1,请联系我们索取)

 

这篇文章定义了电网现代化的评价指标,利益相关者和管理部门可以利用这些指标定量评估和监管电网现代化投资的效率。文章还提出了如何设计电网现代化改造项目的五步战略,O’Boyle表示,“它定义了利益相关者和用户希望得到的产出,并将投资的风险和收益平均分配给电网改造项目的受益者。”


电网改造的类型


西南联营公司的Monroe观察了电网现代化改造的几种新兴模式,每一种都具有不同的成本和收益权衡方式。其中一种纳入了提高运营者对电网系统的监控和响应能力的工具。他认为:“如果我们能够充分了解电力系统的限制因素,我们就有可能在现有电网系统中增加负荷,从而避免新建装机或输电设施给纳税人带来的额外成本。”他还补充说,“这种改造一般比较划算,因为监测和数据评估的硬件成本显著低于建造新的发电或输电设施的投资。”

 

“实时计量和实时计费是电网现代化改造的另一种形式”,Monroe表示,“这些措施可以为需求侧提供更多的信息:实时计量告诉用户他们所消耗的电量,而实时计费则告诉用户电费是多少。基于对电量和电费的实时监测,用户可以调整其电力消费。越多的用户能够根据实时电量和电费减少电力消费量,电网运营者就能够减少更多由于新建发电和输电设施带来的开支。”

 

他还补充说,智能电表的推广成本显著低于新建发电和输电设施。其他新技术也可以为消费者提供更多的用电信息和调控方法,提高节电潜力。

 

第三种类型的电网现代化涉及到系统升级,使得电网运营者从传统能源发电转向可再生能源和分布式能源发电。Monroe认为“这是一种更昂贵的电网现代化形式,它一般是目标导向的,可能是为了满足环境绩效或实现负荷调整目标(从煤炭/天然气发电转向低成本的风力发电)”。

 

电网现代化的每种形式都有各自的问题,太阳能倡导(Vote Solar,一家从事太阳能倡导和推广的非营利组织)的电网集成项目总监Baak说。

 

例如,对于分布式能源高速发展的地区,可能需要将配电系统中的单向开关更换为双向开关,以配适屋顶光伏的双向电流。“通用的解决方案是替换所有的开关和相关硬件设施,这听起来非常不错,因为它能够建立未来即时接入即使使用的电网系统。”Baak说,“然而对于部分消费端电路,电流的逆向输送永远都不会发生。那么公共事业部门是否应该用纳税人的钱去改造这部分电路呢?”他认为,关键的问题在于“有多少改造是必须的,又有多少是可以避免的?”


评估电网现代化的五个步骤


O’Boyle认为由于电网现代化改造的公共事业预算非常复杂,很难评价其是否是审慎节约的。

 

能源创新公司的这篇文章总结了公共事业管理者必须考虑的“风险和收益分析”,它可以帮助管理者分析对电网现代化的投资预算是否可以用分布式能源替代,以及预算是节俭的还是已经超过了系统的实际需求。

 

“一个糟糕的电网现代化项目也可以满足政策规定的强制清洁能源目标” O’Boyle表示,“只不过成本更高。文章阐明了信息不对称的问题,让管理者和其他利益相关者了解到电网的现代化并不是在给电网系统镀金,而是通过某种方式对电网进行升级改造以实现政策制定者的目标。”

 

文章提供了五个关键评估步骤和三类可衡量的结果。O’Boyle 认为定义这三类结果的指标是“本文的核心”。


一、评估成本和收益

一个成功的电网现代化项目应该从将分布式能源纳入现有电网系统中的所需成本和收益评估开始。这也是纽约州、加利福尼亚州、夏威夷州以及其他几个州目前正在做的工作。O’Boyle认为,”需要一个公开和透明的综合分配规划过程,包括需求侧和供给侧的评估”。

 

文章提到,评估过程可以为管理者和利益相关者设定电网现代化目标提供数据支持。基于数据的目标设定则可以帮助电网管理者选择更优的电网现代化投资路径,使需求侧和供给测资产都能获得最大的收益。


二、定义政策目标

第二步是基于规划过程识别的电网现代化目标明确定义政策目标(参考文献2,请联系我们索取),其中电网现代化目标包括基于现有电网系统可实现的目标和规划新增投资可实现的目标。

 

文章指出,不同电网系统的政策目标可能各不相同,但重要的是不同的利益相关者“对目标达成一致”,“本文聚焦于三个我们认为最重要的目标:电网现代化投资必须是可负担的、具有韧性的和环境友好的。”

 

这些目标可能并不仅仅涉及电力系统本身。O’Boyle表示,“例如,它可能是刺激经济,也可能包括增加能源选择,或提高电网的安全性。”


三、连接评估指标

第三步是最为关键的步骤,将评估指标与政策目标连接起来。O’Boyle说,“到目前为止,这一步仅在可靠性评估中得到实现。”

 

文章指出,尽管电网韧性与可靠性并不完全相同,但使用标准化的评估指标“系统平均停电频率”和“持续时间”仍是一个好的开始。缺点在于可靠性受到天气和其他突发事件的影响。但长期平均值仍是有用的。

 

本文使用“峰值需求降低值”和“系统负荷因子”衡量可负担性。虽然“总体项目成本”和“个体用户账单”是可负担性最直接的评估指标,但公共事业部门很难获得这些数据。

 

“如果电网现代化改造发挥作用,就可以推动用户减少用电量” O’Boyle说,“通过降低峰值用电量和分散系统负荷,电网现代化改造可以减少对新建产能的需求,而后者正是基础设施投资最重要的驱动力。”

 

报告指出(参考文献3,请联系我们索取),环境绩效指标主要说明电网现代化如何接入分布式能源降低系统的排放和污染。分布式能源能够直接地或通过调节峰值用电需求减少其他能源的使用,也能够提高系统的灵活性,增加可再生能源的接入量。

 

报告提到,伊利诺伊州采用一项排放强度指标(磅/千瓦时)来指导其电网现代化的工作。通过测量全年8760个小时的度电碳排放量,可以更好地了解每天哪个时段排放最高以及定量评估电网现代化的环境绩效。

 

还有其他指标可以说明如何部署分布式能源能够提高分布式电网系统的负载能力或电动汽车充电量,报告补充说。


四、确保目标一致性

第四步是根据既定的评估指标,确保电网现代化的目标与成本和收益相符。O’Boyle表示,这一步应该通过透明的多方过程并给公共事业部门一定时间去实现目标,例如5-8年。

 

对公共事业部门,目标应该是“有延展性且合理的”,报告指出,“目标的设定与调整更像一门艺术,而非科学。”这是为什么一些地区基于个体用户利用率设定目标,而其他地区在基准水平的基础上通过独立过程确定目标。


五、绑定收益和绩效

文章认为最后一步是将公共事业部门的收入和绩效绑定。基于绩效确定回报率对美国的公共事业管理部门来说很少见,但能源创新认为“这种方法能够有效刺激公共事业部门纳入更多的可再生能源和减少排放”。

 

一个选项是“基于用户获得净收益或绩效评估来调整电网现代化投资组合的总允许回报率。”通过这种机制,公共事业部门将能够通过提供最优的服务获得最好的回报。

 

第二个选项是设定“预算上限”,即“在一定时期,电网现代化改造的开支不能超过某一个预先设定的金额”,文章补充说。这个选项包括了一个让公共事业相关部门和消费者共同节约资金的机制。这一选项既保障了公共事业部门的收入,同时有利于保护消费者的权益。

 

文章总结数十亿美金将被用于美国电网的现代化改造,“这将是一个巨大的机会”。O’Boyle补充说,“这就是保证资金最优使用的五个步骤。”



【则二】

火车 —— 清洁能源发展的引擎?

原文/ Patrick Mazza   翻译/ Nan


新的方案提出在铁路线路上建设和运行电力高速公路,把太阳能和风能从偏远的装机地区输送到人口聚集的地区。


图二、铁路解决方案


近年来,由于在化石能源运输过程中的重要作用,铁路运输引起了广泛的争议。然而,一项新的方案提出,铁路也可以成为清洁能源增长的驱动力。这个方案希望能够实现铁路运输电气化,使其依靠可再生能源运行,同时利用铁路线路建设电力高速公路将太阳能电力和风电从偏远的装机地区输送到人口聚居中心。

 

这个方案被称为“铁路解决方案”,是“支柱运动”(Backbone Campaign)发起的,由铁路专家、经济学家和公共利益倡导者组成的团队开发的。Bill McKibben在为近期出版的新书《铁路解决方案》所写的序言中提到“从80年代后期至今,我一直在跟踪关于能源、交通和气候变化的争论,因此很难有什么新的想法是我没有遇到过的。然而这本书中所提到的铁路电气化,却是我之前闻所未闻的,一个全新的观点。”

 

近年来,一个被称为“细绿线”的激进运动在美国西北地区发展壮大,抵制煤炭和石油通过地区运输,由化石能源丰富的落基山东部地区输送至不断增长的亚洲市场。“支柱运动”,一个致力于通过创新战略和方法来支持和推动基层民主运动的组织,也参与到了这一运动中。

 

这项运动成功了阻止了多个太平洋沿岸地区化石能源出口设施的建设。但它更多的是被动的防御行动,既抵制化石能源的运输和使用,而非积极主动的解决方案。在2013年,一位铁路工人领袖向Backbone Campaign的执行主任Bill Moyer提出要求,让北部各个州的现代化铁路线路变得更加绿色环保。Moyer接受了挑战,然后就有了“铁路解决方案”。

 

铁路电气化在全球其他地方相当普遍。全球范围内,电力为将近四分之一的铁路里程供能,而在铁路能源消费总量中的贡献超过三分之一。但在美国,铁路电气化率仅有1%。这是由于铁路电气化的前期投资成本较高,其他国家的国有铁路公司则没有这一障碍。此外,美国的铁路公司还需要为电力基础设施支付财产税,其他国家也不需要。

 

很少有其他行业像铁路运输业一样,能在向清洁绿色经济转型的过程中起到引领的作用。与轮船、飞机和半挂车等其他重型长途运输工具不同,铁路更容易使用电力运行,而电力正越来越多地来自于太阳能和风能等清洁能源。目前铁路已经是最高效的地面运输方式,在实现货物和旅客的清洁运输上具有无可比拟的潜力。

 

在“铁路解决方案”中,铁路的电气化将与轨道的现代化相结合,这可以使铁路实现超过80英里/时的快速货运服务和高达120英里/时的客运服务。在欧洲和亚洲,高速客运铁路能以超过180英里/时的速度运行;在加利福尼亚州和美国东北部地区,这种高速铁路正在开发中,但通常需要专用的铁轨。“铁路解决方案”中提到的适当提速对美国大部分铁路线路来说都是经济实用的选择。通过升级现有铁轨,货运和客运列车可以在同一轨道上运行。

 

该方案还包括在铁路线路上建设和运行输电线路。目前在美国,很难获得建立长距离高压输电线路的用地权,这就意味着部分来自大平原地区的可再生能源可能无法输送到需要的地区。由于铁路线路已经用于工业使用,因而很容易建设新的电力基础设施,将可再生能源丰富的农村地区和城市地区连接起来。

 

为解决成本问题,“铁路解决方案”团队提出了州际钢铁开发局的概念,公共机构能够从金融市场筹集到低成本资金,并能够利用联邦交通运输资金。通过州际协议建立州际钢铁开发局,并与铁路公司以公私合作的方式开展工作。铁路电气化仍保持公共资产的属性,由州际钢铁开发局管理,减少财产税的问题。“支柱运动”已经开始在北部铁路线路推动成立州际钢铁开发局,该线路从芝加哥延伸到美国东北部,大部分属于伯灵顿北方圣太菲铁路运输公司(BNSF),它隶属于Warren Buffett的伯克希尔哈撒韦公司;他们希望能够证明铁路电气化在私有铁路线路上的可行性。


在美国,铁路运输并不是气候变化的主要贡献者,其仅占全美交通部门温室气体排放的2%。但它可能是气候变化解决方案的重要组成部分。一个更加清洁和健康的铁路系统可以代替大量的货运卡车,同时也能使城际客运更可靠、与高速公路和飞机相比更有竞争力。这也有助于铁路运输业的发展,使其摆脱对化石能源运输的依赖。“铁路解决方案”仍然需要“细绿线”等抵制运动对化石能源运输说“不”,但也提供了对清洁能源说“是”的方案。这也是为什么这个方案受到了劳工领袖们的支持,因为它能够帮助铁路工人实现从化石能源向清洁能源的“公平的转型”。

 

铁路电气化的巨大的公共收益使得公共资金支出变得合理。由于电气化也能使私营铁路公司受益,因此他们需要提供公共福利作为回报。其中一个就是劳动公平。“铁路解决方案”采纳了铁路工人联合会的公平议程,其中包括良好的工作环境和安全保障。该方案还要求优先考虑当地部落的公平性,对历史遗留的土地使用权争议进行重新谈判。

 

通过“铁路解决方案”,铁路运输这种最古老的大规模机械化运输方式能够创造一条通向21世纪清洁交通的道路,成为可持续发展和实现共同繁荣的发动机。




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 1、《电网现代化的最优化》


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