每周一书 | 世界读书日风能人荐书《重塑能源》
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RECOMMENDED BOOK
《重塑能源：新能源世纪的商业解决方案》
Reinventing Fire
湖南科学技术出版社
作者：卢安武 物理学家，美国著名能源问题专家，落基山研究所联合创始人
译：秦海岩 鉴衡认证中心
由落基山研究所、卢安武撰写的《重塑能源——新能源世纪的商业解决方案》一书，经湖南科学技术出版社出版，已在中国新能源领域产生了重大影响力。该书凝聚了落基山研究所（RMI）数十位科学家、工程师、建筑师、经济学家、商业专家和其他从业人员历经数年的工作成果，不光对指导美国商界以及行业领袖的工作有所裨益，对中国能源变革，特别是可再生能源的发展具有重要指导意义。
/ 本期荐书人 /
吕成之
美国能源问题专家卢安武的《重塑能源》，值得向读者重磅推荐。作者在这本书中探讨了美国企业如何能在2050年传统能源枯竭之前，实现向新能源时代的全面转型。在电力转型方面，作者描绘了保持、调整、革新、革命这四个电力转型的情景。其中，卢安武在“革命”的情景中指出，分布式能源将成为重要的能源供应。
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何为分布式能源
分布式电源的隐性价值
电网运行更加分散化
向点状电网转变
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分享理由：卢安武在这部分阐述了他对于分布式的理性思考，描绘了“革命”情景的特点，然后比较辩证地分析了分布式能源的隐形价值。
何为分布式能源？
说到“分布式”时，我们实际上是指电源几个不同的特性，每个特征对于实现不同目的都很重要。“分布式”通常意味着电源在地理上分散布置，并且与配电系统而不是输电系统相联。因此，电源更接近客户成本更低，损失更小，电网故障更少。但“分布式”电源常常是模块化的——由小型的、相似的、可以连接在一起的组块构成。
模块化技术体系源自大规模生产和快速学习。它依赖的不是单位规模，而是通过由许多小单位组成的、不太可能同时发生故障的多样组合替代脆弱的大机组的方式，提高可靠性。最后，在某些情况下与燃煤电厂或核电站的数百或数千兆瓦电力相比，“分布式”电源规模要小的多，通常在千瓦到几兆瓦范围。较小的规模可以节省资金，更好的匹配最迫切的需求。在1990 年代，四分之三的美国家庭用电负荷不超过1. 5千瓦，四分之三的商业用电负荷没有超过12千瓦。
如表所示，可再生能源发电平准成本最初高于非可再生能源发电。但随其资本成本的下降，可再生能源一定时间后最终胜出。表中所示可再生能源发电成本不包括税收抵免及类似补贴，而非再生资源能源发电的燃料和融资成本隐含包括许多复杂的补贴。这是对可再牛能源发电竞争力的保守计算，并不是计算其不变价值、分布式发电资源避免输送成本、损失以及其他“分布式效益”。
图片：分布式电源
来源：SGCIO
分布式电源在某种或完全程度上可以包括一系列广泛的技术，包括终端使用效率、需求侧响应和已定义过的供给侧资源。相关分布式电力资源包括：
储能——包括分布式电池（例如在成千上万的插电式电动汽车上的电池提高数据中心用电可靠性的电池，甚至笔记本电脑或手机上的电池）以及更奇异的设备如超级电容和超导环。
分布式发电——传统形式包括以天然气或余热为动力的热电联产，此处集中在可再生能源上，包括屋项太阳能光伏，小型高性能风力发电机，小水电以及由垃圾填埋气、沼气、废物或太阳能热为动力的热电联产，或许还有更多我们想不到的方式。
微电网——电网的“子集”，在大电网故障时，有足够的发电、储能能力和智能技术进行独立运作，但在正常情况下可与大电网协同运行。
分布式电源的隐性价值
虽然可再生能源分布式发电技术，如分布式太阳能光伏和小型风电，历来都比集中式发电的成本要高，但是由集中式可再生能源的规模生产带来的经济性和成本降低，会减少分布式电源的成本，最终其成本将降低到只略高于集中式电源。
首先，分布式发电可以避免输电过程中的电能损耗。全美总的电网损耗平均为6%~7%，但在炎热的下午用电高峰期可以飙升至14%。控制配电成本更为重要，因为配电设备占用电力公司的资金最多。
第二，就地发电不用像大型发电厂那样，在大电网中与高压批发电力竞争；它们竞争的是价格更高的位于电表低压侧的零售消费者。微型热电联产发电机组或燃料电池（或附加到光伏发电设备上的热捕捉特性）等本地热发电机组也可以经常重新利用附近的余热，取代燃料和设备。
图片来源：TEDOM
第三，分布式发电建设周期短、装置规模小，两者结合可降低电力公司财务风险。通过建立更紧密适应客户用电变化的能力，分布式发电可在新需求信息出现时，轻松地增加或降低投资。相反，煤电和核电建设需要许多年，没有办法方便地根据需求调整投资规模，只能努力看透数十年间的迷雾，通过预测来不断调整。小而快的装置的财务风险低，可以实现数倍的价值增长。
图片来源：香港消费者委员会
第四，分布式电源可以通过整个配电系统进行战略部署，精确地指出阻塞、高成本区域，延缓配电投资。随着电力系统发展，这些资源甚至可被重新安置，从而确保价值最大。
第五，可再生能源电力和需求侧电源提供了一个应对天然气价格波动的自由壁垒。
第六也是最后一条，一些分布式电源可以提供辅助服务，如旋转储备（发电机一直以正常运行的速度转动，但不处于带负荷状态，时刻准备连接电网以满足电能的不虞之需）。
当然，这些电源也可能增加成本。例如，高比例的分布式电源可能会增加更多的配电成本，比其能避免和延缓的成本还要多。除了可避免的传输成本，由于分布式电源成本受其位置和技术影响大，所以并未将这些成本和收益体现在我们的分析中。总地来说，我们认为应适当地重视这些效益，使用传统的金融经济学和电气工程手段，可能大大改善“革命”情景的成本和风险状况。
【相关阅读】以分布式能源占主导的“革命情景”：微电网
全世界现在至少有20个重要的微型智能电网实验项目，包括美国的几个，已取得令人鼓舞的成果。转向一个更分散的未来，对电网来说，与发电技术的发展是同步的。应用广泛的波动性可再生能源电源将创造更多的灵活性需求以匹配波动不定的供需关系。
分享理由：这部分作者阐述了在以分布式能源占主导的“革命情景”的特点，并强调分布式更加模块化的发电资源会适合各种消费者需求，而且可以快速适应和灵活应对变化。
以分布式为主导的能源“革命情景”▼
图示的屋顶太阳能、热电联产、燃料电池以及小规模风电有什么共同点呢？他们的共同之处是，反映了从自上而下的集中式方法向一个包含分布式发电、需求侧智能装置和数字化基础设施构成的本地化方法的巨大转变。这一转变的基础是分布式发电，其增加发电容量市场份额急剧上升。
从美国的投资税减免，到德国的固定上网电价，再到巴西更便宜的竞标价格，由于这些政策的刺激，全球分布式发电市场仅在2010年就增长了93%，达到600亿美元。在过去的10年里，微型发电―热电联产加上除大水电外的可再生能源发电已经在全球发电量占比上超过了核电。而在2008年，微型发电占当年约90％的全球新增发电容量，并且其潜在市场十分巨大。事实上，仅在美国适用的屋顶安装光伏系统所生产的电力，便足以满足美国年度电力需求总量的三分之一。此外，成本的持续下降将不仅可以扩大集中式发电市场，也可以推动分布式发电发展。
用户的行为能让电力部门适合供应的转变。建筑和工业的最终电力使用效益增幅可减小传统发电需求。被广泛采用的热电联产也可以减小这一需求。电动汽车使用更多的电力，但不多于其他地方节约的电力。整体使用量下降25％。保守起见，一体化设计的节电量井未在图中体现。
电网运行更加分散化
转向一个更分散的未来，对电网来说，与发电技术的发展是同步的。应用广泛的波动性可再生能源电源将创造更多的灵活性需求以匹配波动不定的供需关系。反过来，在建筑、工厂、家庭自动响应系统需要时，智能电网和先进的控制系统将承担起更多的平衡任务。
电网目前由“调度员”操作运营。他们是专业人员，坐在满是仪表盘和开关的房间里，负责将大型发电厂送来的电力配送给数百万用户。而采用智能电网技术、分布式柔性技术可以提供过去常常需要自上而下控制才能实现的系统级别的操作。这代表了从中央计划系统到以市场为基础的系统的一次转变。后者可以通过数据交流中数百万计的智能芯片实现对其系统自身的管理和稳定，就像生态系统在没有管理者的情况下管理其错综复杂的营养流、能量流和信号流，或者像许多消费产品价格一样，不是由某一市场垄断者来定，而是由日常的供需变化决定的。
想象在一个制定有电力消费预算的办公大楼里，设备被打开后，就与一个电脑管理系统进行通信。这一系统将比较新用电需求与大楼内其他负荷的优先级，还需要考虑空调的温度和设定值。然后， 该系统确定如何调节负荷，如何控制现场发电机和储能设备，以满足新的需要并将电费支出控制在预算之内。若用电需求还无法完全满足，该系统就会请求公共电网额外供电。这一复杂的决策都是在幕后无缝进行的，有远见的企业家己经着手创建和部署此类系统。
“革命情景”的现值成本（2010年）略高于保持情景。尽管其资金成本具有较高不确定性(取决于待续的技术成本降低)，并且部分超出成本可被“革命情景”较低的燃料成本所避免的不确定性抵消掉。但是，金融经济学知识正在改变这一状况。
向点状电网转变
分布式智能技术为实现粒度更小的电网铺平了道路。分布式发电由于位于负荷当地，所以不必依赖大电网实现基本电力服务。据估计，大约98%~ 99％的停电事故源自输电、配电线路（主要是配电线路），因此分布式发电在提高可靠性上体现出独特的潜力。为实现这个目的，分布式发电机应被允许“孤岛”运行，既可联网运行，也可脱网运行。这样的孤岛运行能力应该被接受为默认选择，从而增加电网弹性。正在完善中的国际电气与电子工程师协会标准IEEE 1547，明确允许分布式发电机组的计划性孤岛运行。
随着越来越多的分布式发电和需求侧资源被使用，智能通信应用不断扩大，下一步要考虑如何将这些资源集聚起来，发挥技术多样性的作用。这可能成为下一步合乎逻辑的做法。单独的分布式可再生能源发电系统可能出现供应波动，但集为一体就可能避免这样的波动。一个潜在的模型是微型智能电网——大电网中的一个小型子电网，在独立于大电网时，有足够的发电、储能能力和智能技术保障运行。想象一个有数所办公楼的学校或一个居民社区，里面的每栋建筑不仅直接连接到电网，同时也互相连接在一起。就像可以用多种股票实现投资组合多样化一样。通过连接到附近几个消费者，可以实现负荷的多样化（和实现不同种类负荷的就地供应）。
每个微型智能电网都连接着各种各样的需求侧和供应侧的发电资源。它通常与主电网互联，但在必要时也可独立运行。分布式社区储电设施可能比家庭储电更有价值。一些电力存储设备看起来像一个装在屋外的小区变压器箱；其他的像车载储电易于通过移动来实现最大价值。
在很多方而，微型智能电网正是它字而表述的那样，也就是一个大型电网的缩小版本。虽然微型智能电网本身失去了一些大电网具有的规模性和多样性的优势，但它在其他几个地方提高了可靠性。由于微型智能电网可以脱离大电网系统，只要本地资源可用，即便发生区域电网故障，关键性电力负荷将继续为本地客户运行。由于小型的微电网可以嵌套在更大的微电网中，系统可以在不同层面处于孤岛运行时，发挥其大规模多样性的优势。
由于其规模的原因，微型智能电网本身通常是不太可靠的——其10％的时间处于不可用状态。但当与大电网联合在一起，其停电时间降低至平均每年30 分钟。这意味着，由并网导致的输电线路故障不会再引发大范围停电事故。虽然断电两个小时对于家庭用户可能无关紧要，然而对商业用户来说，就非常严重了，断电一个小时他们可能损失数百万美元。
图片：智能微电网管理
来源：国电南自
全世界现在至少有20个重要的微型智能电网实验项目，包括美国的几个， 已取得令人鼓舞的成果。例如，加州大学圣迭戈分校的智能微网项目。现在很多高校仍然依靠旧式燃煤发电，而加州大学圣迭戈分校82％的校园用电采用由燃气混合制冷、供热和发电设备进行（燃气冷热电联产）的就地发电，能覆盖全校95％的制冷和供热需求，五年便可收回投资，产生收益。该系统还有超过1兆瓦的光伏发电，其发电量由可监测周围65平方公里天空云图的最先进的天空监测系统来预测。
此外，一个3兆瓦的废气燃料电池装置正在建设当中。校园的42 兆瓦智能微电网还配备了一个14380立方米的水箱，用于储存冷水。因此，燃气冷热电联产装置可以连续运行（最高效率的总平均值是66%)，而不必为满足用户需求而增减出力。系统的电能质量和可靠性都得了提高，当野外大火迫使当地电力公司最大出力机组退出运行时，校园可以在半小时内实现状态变换——从电力公司受电4MW转到向电力公司送电2MW。使用由Power Analytics和Vitidily Energy这样的智能电网公司开发的发电与需求综合管理系统，加州大学圣迭戈分校可以控制需求和供给，既减少了成本，又增加了可靠性。
／End.
以上书摘解读，转载自：能源人吕成之
自1995年起，每年的4月23日被定为“世界读书日”，全世界都在共同享受着阅读带来的幸福与快乐。作为爱书者的节日，这一天的意义非同寻常，除了联合国教科文组织正式赋予的节日身份外，它还是塞万提斯和莎士比亚的辞世纪念日，博纳科夫、德鲁昂、拉克斯内斯等作家的生日。
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