清洁能源替代火电是一个必然的过程，就好像人最终都是要死的一样，但是这个从化石能源逐渐转换到新能源的过程中，有许多难题需要解决。
所有新能源目前上网遇到的最大问题就是发电不稳定。
我们知道电网的输入和输出是必须要平衡的，发电不稳定就意味着需要有额外的“能源池”去在清洁能源发电过多的时候削减自己的发电量、发电过少的时候增加自己的发电量。
鸭子曲线 (duck curve)
California Independent System Operator (CAISO) 在2013年画了一张很有意思的图，显示电网中太阳能以外其他发电源（称为净负荷，net load）在一天24小时内的变化情况。因为形状像鸭子，就成为了著名的duck curve（鸭子曲线）。
越接近中午，光伏发电量越多，但是总的电量需求是差不多的，于是净负荷减少，也就是图中鸭子的腹部；光伏在整个电网的占比(penetration)越多，中午的时候整个电网的净负荷就越少，鸭子的腹部就越往下，一直下到净负荷减不下去了，这时候就有过量发电(overgeneration)的可能。图中我们可以看到，大部分时候净负荷，也就是其他能源的发电，在20GW左右，而图中灰色的点是2016年5月15日下午2点光伏发电达到的峰值，如果要达到电网平衡，那么电网中的净负荷必须从早上的20GW降到下午12GW以下。
可能有人会想说，让其他的发电机半负载运转或者关掉一些就是了。
但我们知道发电机启动、关闭都需要时间，如何在早上8点到下午2点一路根据光伏的情况削减发电量？更麻烦的是，下午2点电网净负荷到达最低点，然而过没几个小时下午5点大家又各自回家开始做饭洗澡看电视，用电量攀升，同时太阳又落山——于是所有本来太阳能负责的负载，加上高峰时期的用电需求，统统都压到其他能源的身上，这就是鸭子曲线的头部。图中绿色对话框标注的是2016年2月1日下午的情况，电网净负荷3小时内升了11GW，几乎翻了一倍。如何从下午2点的波谷迅速调整到晚上8点的波峰？这就非常考验电网的灵活性（grid flexibility）了。
那么为什么叫太阳能、风电垃圾电？
垃圾就是要被丢掉的东西，在能源的术语中称为削减(curtailment)。削减的意思是在中午太阳非常大的时候断开一些太阳能板的发电，减少光伏发电量（风电同理，关闭电机）。虽然这样看起来浪费了电，但是这让净负荷保持在一个较为平稳的状态，让鸭子的腹部更加平坦，减小了波谷波峰的差距，给了电网调整的余地。
好不容易花了这么多钱装了这么多太阳能板，结果发电量最高的时候你还要把人家关掉，这可不就是垃圾吗？
新能源并网 = 成本 + 电网灵活性 + 储能
那么有什么办法能不要弃光呢？
美国国家新能源实验室(NREL, National Renewable Energy Laboratory)于2016年发布的报告讨论了光伏占到整个电网发电量50%情况。50%光伏是一个非常远大的理想，所以随之也提了比较完整的发展思路，主要分为光伏成本、电网灵活性、储能三大块。做好其中任何一项，其他两项的进步压力就会相应减轻。
一、太阳能成本
降低成本可能是大家会想到的第一件事。如果太阳能成本足够低，低到不要钱，当然是好事。中午发电过量？关了就关了，不心疼。事实上近年由于中国生产商的参与，太阳能造价已经一路狂跌，简直造福全人类。德国光伏研究机构Fraunhofer ISE（目前全世界效率最高的太阳能电池板就是他们研发的，效率达到46%，令人发指）的报告显示了从1980年到2015年35年间，太阳能成本一路下跌（但是注意这是log图）。业界目前的共识是，太阳能成本已经跌了很多，并且在相当的时间内还会保持这种下跌的势头。
然而单单降低成本、不做其他改变，这样是不够的。这里又引入了一个新概念，叫容量价值(capacity value，或容量可信度capacity credit)，指的是帮助发电厂减轻负载的能力。
用图来解释：下图的上半部分表明的是电网净负荷的波峰随着光伏占比增高的移动，下半部分是对应的光伏发电量。由上半部分可见，从0%PV增长到6%光伏，对于电网净负荷波峰高度的减小还是非常显著的——由于光伏的补充，电网净负荷的波峰从62GW降到了59GW左右，波峰出现的时间也从下午2点移动到了晚上6点。但是然后呢？高峰时间已经移到了6点，装再多光伏，太阳下山了这么多太阳能板也发不了电，对6点的高峰并不能起什么作用，电网净负荷还是需要由发电厂来承载。 由此可见，光伏的容量价值一开始是比较高的，但是一旦达到晚上6点这个截点以后，往后的容量价值直线下降。降低太阳能成本的意义就在于增加装机量，但是装机量增加到一定比例，往后就没有太多价值。
二、电网灵活性
如果电网的净负荷发电量能根据太阳能发电的特点自由调整，那当然是最好了。这个大目标又分成几个小目标（比如先挣它一个亿）： 提升发电灵活性；建立电网进口、出口电力的机制；提升需求响应、负载转移能力；提升电动车份额。
1. 提升发电灵活性
提升发电灵活性是提升电网灵活性最主要的一块。下图为20%光伏的情况下，加州48小时电网内电力调度(dispatch)情况。图中黑色粗线为电网净负载，也就是除却光伏、风电的发电量；斜线部分为可以灵活调度的水电+热电厂提供的电力，可以看到鸭子曲线的大起大落。最底下几层是不可调度（non-dispatchable），也就是固定的发电量。火电不是说停就停的，需要至少几个小时个响应时间。如果我们把不可调度的电力换成可调度，即可以调节输出的电力，鸭子的腹部就还能再往下一些，也就是说整个电网可以容纳更多新能源产生的变量。
怎么做才能提升发电的灵活度呢？这篇报告提出了以下几点：修订和热电厂的长期合约，慢慢减少传统热电厂的发电量，同时使用响应时间更短的新型发电机取代被淘汰的旧发电机；从目前每天的热电响应的周期中收集数据，汲取经验；提升对光电、风电的预测能力。在种种手段用尽的情况下，NREL的这篇报告预测加州目前15GW不可调度的电源还能再往下砍一半。 然而即便是非常低的光伏成本、非常灵活的发电源的情况下，光伏在整个电网中的占比仍然难以突破35%，因此要需要用上其他手段。
中国目前新能源并网的问题比美国严重得多，主要来源于能源结构。我国70%左右的电力都来源于煤，而加州44%的电力来自于天然气。煤电的响应时间比天然气慢得多。另外也和新能源的类型有关。风电由于风时有时无，即时范围不稳定性大，预估难度大；光电波动来自于日照强度的变化，波动是周期性的、可预估的，但是波动范围大。从调节难度来说，光电的波动相对而言是比较好适应的，因为可以预估。但是东亚地区是全球光照最弱的地区，光伏的发展有着天生不足，加上雾霾多，遮盖太阳能板表面，影响发电效率，因此光伏虽然好估计，但是没有发电优势。我国风电的发展，又相当考验对于风力的预判能力。我从NREL的一位专家那里了解到，目前NREL对于风电2小时内的预估已经相当准确，但是48小时的预估还比较困难。不了解中国风电并网的情况，但是从当前的弃风量来看……嗯……
2. 建立电网进口、出口电力的机制
加州是美国第一大州，是能源消耗大户，所以历来只有从电网中进口的份，从来没有出口过。加州光伏装机量如果持续提升，可能就要在大中午破天荒地往隔壁州（比如阴雨绵绵的华盛顿州）出口电力了。下图是随着光伏占比增加，在不同应对措施下的光伏削减度。在电网高灵活性(7.5GW Min Gen)的情况下，如果还能允许10GW的电力出口，在光伏占比30%的情况下，削减量能从40%降到20%；中度灵活性(10GW Min Gen)、30%光伏的情况下，5GW的电力出口也能让削减量从60%减到50%。
3. 提升需求响应(demand response)、负载转移(load shift)能力
需求响应指的是在电网对于发电波动感到压力的时候，通过降低/提升电价来改变用户的用电习惯，采取的方式有分时电价（time-of-use）（比如国内夜间电价便宜）、实时电价(real-time)等手段，将高峰时期的需求挪到闲时，本质上也就是负载转移。一个可能的想法是利用智能家居，在产电高峰时自动开始为之后的高峰做准备，比如提前加热热水器中的热水，诸如此类零碎的事件。但是能够被转移的需求(demand shift)毕竟有限，再加上美国人用电大手大脚的坏习惯，目前平均来看只有大概2%的波峰需求是可以被转移到闲时的。
4. 提升电动车（EV）份额
电动车在中午产电高峰时充电，在电网中可以起到类似于电池的储能效果（甚至可以在用电高峰时向电网放电，不过这一点从目前的电池容量看来不太可能）。然而电动车对电网的影响又与于用户的充电习惯有关。用户的充电习惯主要分为三种：
· 回家充电(at home charging)：电动车只有晚上下班回家才充电。
· 机会充电(opportunity charging)：电动车到达目的地就开始充电，但是需要到处都有充电桩。
· 优化充电(optimized charging)：假设电动车的充电能完全贴合电网负荷，在光伏发电最高峰的时候充电，消纳本来要被弃掉的光电。
下图讨论了10%的电动车占比时，不同使用习惯下能够对电网负荷起到的影响。
然而从事实角度来看，大部分人的电动车充电习惯都是下班回家充电，这样就正好赶上用电高峰。这种使用习惯下，电动车反而对电网是有伤害的。下图是随着光伏占比的提升、不同电动车充电习惯下，电动车对光伏削减产生的影响。
为了让电动车更好地调节电网负荷，可以通过分时电价、增加充电设施来改变大家的充电习惯。
我个人觉得呢，虽然报告的理论是对的，但是对电动车这一块的讨论有些理想化，至少短期无法实现。文章的想法是让电动车在整个轿车的占比达到10%，甚至25%。这个数字看起来没什么感觉，那么对比一下目前1%都不到的电动车占比，你就知道这个差距有多大了。即便是加州有ZEV (Zero-Emission Vehicle)政策硬性规定新能源车要达到设定的占比目标，目前电池性能这么烂，电动车真是扶也扶不起，毕竟不是所有人都有钱买得起特斯拉——除了特斯拉、BYD这样有优秀电池背景的车企以外，普通电动车续航都在150公里以内，充电时间至少两三个小时。下一代电池已经可以明确预见将是全固态电池。什么时候固态电池能突破到够商业化了，电动车在续航方面就迎来大跃进了。（只不过充电速度仍然是问题，而且是被电池本身性质所限制的。）
我个人觉得中国的电动车发展前景应该会比美国好。美国能源成本低，地广人稀（相对于中国），美国人都习惯了大手大脚地用油用车，每天上班来回开个30公里路那是平均水平，还动不动就来个road trip，要改变消费观念并不容易。中国人口稠密，一次开车里程相对较短，又有比亚迪这样接地气的电动车企，而且因为人口稠密所以电动桩之类的公共设施成本可以被平摊。当然了，这是抛开政策因素和实施效率情况下的考量。
三、储能
如果电网本身消纳不了新能源带来的能源波动，这些波动就需要由储能设备来消纳。下图显示了加州20%光伏的情况下，储能对于波峰、波谷的调和能力。
加州目前有4.4GW的储能容量，而整个电网用电大概在20GW。如果能够达到低光伏成本(net LCOE ￠7/kWh)、高电网灵活性(不可调度7.5GW)，可以不用增加储能。如果要达到40%的光伏占比，同时还有一个合理的弃光量（削减度20%），需要至少15GW的储能容量。
——当然了，这些数字对于中国没什么指导意义，毕竟20%的光伏都不太可能实现。
加州的储能是有先天不足的。目前电网规模(grid scale)储能95%都是抽水蓄电(pumped hydro)承担的，也就是电网闲时启动发电机抽水到高处，用电高峰时打开水闸防水，把水的势能转换回电能。然而加州严重缺水，能建水电站的地方肯定都建了，抽水蓄电储能方面没有什么提升空间，再想提升储能容量就只能用成本高、寿命短的电池了。而我国水力资源相对丰富，可以通过抽水蓄电应对一定量由新能源导致的电网负荷波动。
新能源并网范例：德国
在新能源上网困难重重的情况下，有没有国家真的做到了大力发展新能源呢？让我们看看新能源灯塔国——德国的情况。
“如果在全世界树立一个可再生能源发展的标杆，可以说非德国莫属。截至2015年，可再生能源电力在总消费电量中的比例上升到32%。甚至在去年5月的某一天，德国创造了一个新的纪录：可再生能源发电量可满足全国95%的需求。”
这样的语气在各种能源媒体中非常常见。但是他们没有告诉你的是，德国的电价从2006年到2017年涨了50%，目前是美国电价的3倍，日本的1.5倍。光电德国和风电丹麦简直在欧洲电价的顶端惺惺相惜。
想法是好的，做事还是要务实。步子迈得太大，容易扯着蛋。
