加州的电网极客们:让“鸭子曲线”变平

这独家六部分系列采取深入观察加州过渡到超过50%的可再生电力。面对特朗普总统对全球变暖的明显漠不关心，加州已经成为气候活动人士的希望灯塔。整个系列将会出现在这里。读我一部分,第二部分在这里和第三部分在这里。

如何才能可靠地运行一个非常大且非常绿色的电网?11月，我在总部位于萨克拉门托的能源效率和可再生技术中心(CEERT)的会议上开始回答这些问题。

当静修活动结束时，我仍然有几个未解的问题，关于可再生能源如何才能真正保持24/7的照明。一个绿色投资组合如何能既提供最大份额的能源，又能提供所谓的可靠服务，而这些服务对于保持电网的正常运行至关重要?在CEERT所指出的那些不可靠的细节上，似乎有很多问题有待解决。

所以，在休假结束后，我驱车前往海边，向戴夫·奥尔森(Dave Olsen)表达我的担忧，他刚刚被再次任命，开始第二个三年任期CAISO”美国的理事会。我们在文图拉的一家小餐馆共进早餐。文图拉是一个老旧的海滩社区，位于洛杉矶以北60英里。如今，它最为人所知的可能是传奇登山者Yvon Chouinard创立的生态户外服装公司Patagonia。

奥尔森毕业于加州大学伯克利分校(UC Berkeley)，在20世纪80年代和90年代初的大部分时间里，他致力于推动加州新的风能和地热项目进入市场。1996年，在工作期间，他被巴塔哥尼亚公司招聘为新任总裁(“Yvon带我去参加面试攀岩”)，至今仍住在附近。在奥尔森的任期内，巴塔哥尼亚成为第一家与当地签订风力发电合同的美国企业;它也开始追踪和减少碳排放。

1999年离开巴塔哥尼亚后，奥尔森加大了推进该州可再生能源行业的努力，帮助规划各种新的传输设施，将内陆风能和太阳能发电厂与沿海市场连接起来。他继续在CEERT工作(他第一次加入董事会是在1991年)，并担任了十年的董事总经理西方网格组该联盟由前能源官员组成，旨在让邻近的电网更容易共享电力- - - - - -在许多方面，它是多州ISO的先驱。

“我们现在正处于一个未知的领域，”他告诉我。“我无法想象，在我的有生之年，我们会使用50%的可再生能源来发电，就像我们现在在加州看到的那样。”(我追踪的CAISO新闻发布在我们的会议之后，认为可再生能源在5月份的某些时候满足了电网56%的能源需求;每月的平均比例接近30%。)

所有这些都使ISO成为“一个关键角色”- - - - - -也出乎意料，”他说，然后停顿了一下。“事情并不总是这样的。”

我问他是什么意思。“转折点可能已经在2011年到来了，”他说。当时加州公用事业委员会(PUC)的负责人迈克·皮维(Mike Peevey)等一些州能源官员和政策人士参加了一次西班牙信息之旅。

“正如一个研究小组告诉我的，”奥尔森说，“小组在Red Electra(西班牙电网经理)的控制室里。当他们站在那里的时候，有人向他们展示，这个系统50%的电力来自可再生能源，可能大部分是风能。有人告诉我，皮维很吃惊。据报道，他说:“曼苏尔(雅库特·曼苏尔，当时的CAISO首席执行官)告诉我们，20%是我们能做到的最好水平。”“但这里的电网运行了50%。

“我认为，这可能已经开始改变局面，因为团队看到，你可以管理更多的东西。”

不到一年，曼苏尔就退休了。环保人士长期以来一直声称，他在为可再生能源的发展设置不合理的障碍。奥尔森告诉我，这一点最终得到了ISO理事会和州长办公室的认可，后者致力于提高可再生能源的公用事业授权。(2011年，加州将必须由零售电力供应商提供的可再生能源的比例从2013年的20%提高到2020年的33%。)

接替曼苏尔的是史蒂夫•柏柏瑞奇(Steve Berberich)，他是一位直言不讳的密苏里本地人，拥有金融背景，此前曾在CAISO担任过几个高级职位，并在一家大型公用事业公司工作。柏柏瑞希在能源行业功成名就，但显然对可再生能源持有不同的态度。他想让事情发生。作为该州的高级“电网主管”，他很快开始将加州吹捧为世界其他地方的可再生能源展示台。对于Berberich来说，这为ISO提供了“一个展示它如何工作的很酷的机会”。

你不能仅仅依靠光伏和太阳能光伏来运行一个系统——而这正是加州人现在喜欢的。

“史蒂夫真的扭转了局面，”奥尔森说。“这是一项艰巨的工作……你必须明白，我们对ISO提供的资源组合，以及全州的发电人员并没有太多的控制权。这在很大程度上是PUC的工作。屋顶太阳能，业主- - - - - -其中有多少被发送到电网也不在我们的控制范围之内。”

奥尔森没有拐弯抹角地说:“我们有责任让灯一直亮着。但事实是我们没有得到我们需要的资源。你不能仅仅依靠光伏和太阳能光伏来运行一个系统- - - - - -和这正是加州人现在所喜爱的。”

与我从CEERT听到的警告相呼应，Olsen说，对于ISO来说，这个问题已经达到了一个临界水平。自2010年以来，该州新增了大约50万个太阳能屋顶(超过4000兆瓦的光伏发电)，公用事业规模的装机容量增加了8000兆瓦，相当于新建了大约30座燃气发电厂或12座核电站。

这意味着，在阳光明媚的日子里，到上午10点左右，在几个小时内，ISO必须为另外8000到10000兆瓦的主要以pv为基础的发电找到空间——这足以满足ISO从数百万家庭和企业获得的总需求的大约三分之一。

要做到这一点，它必须命令大量的燃气发电机(加上一些水力和地热发电厂)停止生产;否则，一些光伏能源将使电网超载。这种多余的能量被称为“过度生成”，必须被拒绝，或者用网格的话来说，“减少”。这有经济上的后果，因为发电机得不到报酬。这也破坏了国家的温室气体减排目标。

同样地，当太阳在下午晚些时候落下时，国际标准化组织可能需要增加11000到12000兆瓦的非pv发电机。当太阳能光伏能源突然减少，整体电力需求急剧上升(远高于上午的峰值需求)，数百万的加州人回到家中，打开灯，做晚饭，为他们最喜欢的电子设备供电时，这对弥补赤字至关重要。

这些巨大的能源波动和增加发电量的相关需求给电网带来了压力。许多发电机(风力发电机、小型水电设备和热电联产厂)无法在短时间内实际上移下移。此外，至少有六座多用途的燃气发电厂，坐落在加州海岸，由于使用海水降温的环境法规更加严格，将很快退役。

这些对加州的能源专家来说都不是新闻。CAISO至少从2012年奥尔森第一次加入董事会时就开始关注这个问题。为了将这个问题公布于众，由Karen Edson领导的ISO的公共事务小组制作了一张现在著名的信息图。在24小时内，波动的电网净能源需求(即总需求减去PV发电量)的线图看起来惊人地像一只漂浮的鸭子的轮廓。

早晨，当太阳能涌入电网时，这条线向下弯曲(描画鸭子的凹腹);然后，在下午晚些时候，随着太阳能的减少和净需求的增加，这条线急剧上升(反映了鸭子的脖子)，只有在晚些时候再次下降(追踪头部和嘴)。瞧，“鸭子曲线”诞生了。

在接下来的几年里，ISO、公用事业委员会、国家能源委员会和私人利益集团(公用事业、节能倡导者、电力存储集团和屋顶太阳能供应商)都在权衡这个问题。顾问们还花了一整天的时间来解释如何“让鸭子节食”或“教鸭子飞”，以使净需求曲线变平。

这个问题的严重性也受到了质疑。然而，今年10月，一名独立专家的数据分析显示，由于公用事业规模的太阳能发电厂的快速建成，这只鸭子的叫声实际上比预期的还要大。国际标准化组织2016年的能源增量比预期提前了4年，超过了此前对2020年的预期。

那么应该做些什么呢?在奥尔森看来，和CEERT一样，没有单一的固定方案——例如，大量的储存，或者更多的风能和地热能来平衡太阳能。关键是让网格更“灵活”。这可以通过多种方式实现。

消费者可以将更多的能源需求转移到非高峰时段。现场储存可能有助于这一点，例如，吸收白天多余的太阳能发电，并在傍晚使用。对所有非住宅用户实行分时计费的计划也可能有所帮助，这将抑制高峰时段的更多消费。但电网规模的投资可能是最重要的。

消费者可以将更多的能源需求转移到非高峰时段。现场储存可能有助于这一点，例如，吸收白天多余的太阳能发电，并在傍晚使用。

奥尔森建议，最重要的是要齐心协力，确保加州的下一批可再生能源发电不仅“成本最低”，而且“最适合”未来电网，这样ISO就能可靠地在2030年使用至少一半的可再生能源。“这是现在的法律某人350年奥尔森说，“但我们仍在等待结果。”

后来在我的旅行中，当我询问中央公用事业委员会的一位高级官员的回答时，我被告知该州过去在实现绿色能源目标方面的成功给了该机构一些回旋余地。

委员会主席的办公室主任Nicholas Chaset说:“我们的公用事业公司没有购买更多可再生能源的迫切需要。”“他们有一个巨大的准备金比率和购买所需的所有可再生能源满足要求超过2020,圣地亚哥天然气电力公司,也许2030…如果公用事业不购买,一个新的计划不会改变,所以我们有更多的时间来工作过程和得到正确的模型。”

然而，Chaset承认，委员会和ISO在需要多少“灵活资源”的问题上“可能存在一些根本分歧”。

“他们实际上很好地应对了鸭子曲线，”他说。“我们听到很多团体说，他们有自己的首选资源，比如抽水蓄能、地热或热能太阳能……但这些只是整个计划的工具，它还必须满足消费者的利益。”

尽管如此，夏切特对公共委员会的新目标还是很清楚的:“我们将制定积极的碳排放目标，”他说。然后，我们将“可能让负荷服务实体，即公用事业公司，决定如何满足它们，以及在哪里获得可靠性服务。”

Chaset还承认，将二氧化碳减排作为一项全面的指导方针，代表着中央民委的一个重大转变。“我们习惯于以不同的方式处理所有这些问题，包括需求响应、效率、可再生能源采购、存储、分布式资源等等。因此，一个主要的挑战是如何评估不同的政策和采购方案在碳减排方面的价值，进行“苹果对苹果”的比较。巴切特说，公共大学“需要就实现这一目标的方法达成一致”。

我们正在“扭转一艘非常大的船……试图让不同的工作人员、不同的主持官员和不同的主持委员协调许多程序……这很难。”