隨著美國燃煤發電量穩步下降，哪種能源將最終替代煤炭來滿足美國電力需求的問題仍然沒有答案。因過去十年開采技術不斷進步而價格低廉的天然氣是一個潛在候選。而技術的突破性進展和創新商業模式的出現使無論大規模還是分布式風電和太陽能發電項目的長期價格屢創新低，他們也成為了天然氣發電的強勁競爭對手。
這些趨勢可能并不是互相排斥的。事實上，許多電力行業參與者認為天然氣和可再生能源可以攜手共同發展。多年來，美國電力公司和系統運營商一直主張通過修建天然氣發電裝機能夠有效平衡波動的可再生能源并滿足峰值負荷，還指出了電網內可再生能源發電比例也許存在“上限”。此外，風能和太陽能資源豐富時會降低能源價格，這種“優先順序效應”會降低可再生能源項目開發的投資回報率，并有可能進一步限制它們在整個發電系統中所占的比例。
但是，這一分析僅描述了供應側的情況而忽視了需求側的彈性。落基山研究所在最新報告《需求彈性：實現低成本低碳電網的關鍵》中展示了需求彈性可以成為比燃氣電廠成本更低、污染更少的替代品來平衡電網中的可再生能源。我們通過模擬在大范圍地理區域內調度需求彈性，將一天之中用電需求高但可再生能源供應不足時段的電力消費轉移到可再生能源供應充足的時段。研究發現，與依賴于燃氣發電相比，這種策略能夠顯著地降低用戶成本，減少可再生能源棄風棄光現象，降低峰值需求和碳排放。
為什么提高可再生能源發電裝機比例會限制其自身經濟效益
由于運營成本低廉，新增可再生能源裝機常常會替代電網中成本更高的發電裝機，從而降低整體批發電力價格。系統中波動性可再生能源裝機量的升高也會造成能源需求和供應之間的不匹配，因燃煤電廠和核電廠等缺乏彈性的發電裝機無法在可再生能源豐富時段降低出力，迫使可再生能源降低出力，增加可再生能源棄風棄光的風險。
可再生能源供應和隨時段變化的電力需求之間的不匹配，再加上缺乏彈性的火力發電裝機，會極大地降低可再生能源項目的收益，阻礙它們市場份額的增長。例如，在加利福尼亞州和美國中西部地區，可再生能源應用比例的提高、電網擁堵和其他發電設施缺乏彈性等原因正在造成可再生能源發電收益的下降。
將可再生能源與需求而不是供應相結合
落基山研究所的最新報告展示了如何通過利用控制和通信技術來管理能源消費，從而解決需求與供應不匹配，以及可再生能源“價值縮水”的問題。一般而言，需求響應技術僅注重于在高負荷時段削減負荷，而我們的研究分析了需求彈性在轉移一天中電力消費時段方面起到的作用，同時保持一天中電力消費總量不變。
我們在《重塑能源》研究中重塑情景的基礎上，對未來德克薩斯州高比例可再生能源電力系統每小時的電力供需情況進行模擬。分析結果顯示，在8種家用和商用終端電力負荷中使用需求彈性技術，將電力需求轉移到可再生能源豐富的時段能夠平緩凈負荷曲線并降低峰值負荷，極大地降低下午時段對發電量爬升的需求。與缺乏彈性需求的系統相比，需求彈性能夠通過減少棄風棄光使可再生能源的價值提高30%以上，大幅提高開發新建可再生能源項目的吸引力。
圖1：日常需求彈性凈負荷與變化
需求彈性不僅可以使需求更好地匹配波動性的能源供應，還能夠以比僅依靠燃氣電廠綜合成本更低、碳排放更少的系統來平衡可再生能源并滿足峰值負荷需求。總體來看，在模擬系統中利用需求彈性能夠每年避免大約20億美元的發電成本，并減少1/5的二氧化碳排放。這一量級的彈性需求還能夠減少40%的可再生能源棄風棄光，降低24%的凈負荷峰值(總負荷減去可再生發電)，并減少56%的數小時負荷爬升(“鴨子曲線”)平均幅度。
表1：模型分析結果匯總
將需求彈性納入系統規劃
要完全實現這些效益，必須將需求彈性作為一種核心資源納入電網和資產規劃的各個階段。如果在采購決策中沒有充分考慮需求彈性，可能會造成燃氣電廠或新建基礎設施的過度投資，當需求彈性隨著機器學習和數據分析技術的進步而變得更具經濟可行性且應用更廣泛時，這些投資可能會成為擱淺資產。在設定電網中可再生能源供應份額目標時，需求彈性能夠通過大幅提高新建可再生能源裝機的價值而進一步提高之前確定的可再生能源應用上限。將需求彈性與可再生能源項目結合還能夠降低項目開發商和承購商面臨不確定回報時的部分價格風險。
激勵電力公司和電力用戶投資需求彈性
一個多世紀以來，電力公司收入由服務成本決定這一監管原則都在鼓勵電力公司優先考慮監管部門列出的能夠納入電費計算的資本投資，因為在傳統商業模式下這樣能夠帶來更高的收益。然而，新的監管條例開始出現，允許電力公司通過投資或采購低成本和/或第三方持有的需求彈性并將其作為電網資源來維持傳統投資回報。這些對傳統電力公司商業模式的調整將為擴大需求彈性在系統規劃決策中的應用起到關鍵作用。
能源用戶在購買新的彈性技術的決策過程中也將需要足夠的激勵。其中，價格補貼能夠降低投資成本，而旨在獎勵電網友好消費方式的分時電費能夠改善用戶投資回報。此外，非物質性激勵措施，比如增加自動化和控制技術的應用來提高用戶體驗，能進一步鼓勵用戶參與電力公司的需求彈性項目。
氣候和用戶的雙贏機遇
美國電網已經來到了十字路口。落基山研究所預計可能有大約半數的現存燃煤、燃氣和核電廠將在今后的15年內退役，造成大量的發電裝機缺口需要填補。與此同時，可再生能源價格正在以比預計更快的速度下降，造成了可再生能源應用率的加速上升。投資新建燃氣電廠來替代退役電廠以及平衡波動的新建可再生能源設施會在今后的數十年中鎖定大量成本和碳排放。但我們通過最新研究證明了需求彈性可以成為更清潔、更經濟的替代方式，為可再生能源、電力公司和能源用戶等帶來新的價值。
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