欧洲能源转型中的负电价问题思考

双向发用电技术对减少负电价的作用

抽水蓄能电站和电池，由于拥有双向发用电和快速响应的特性，逐渐在电力市场中占据优势地位。在一次调频市场上，逐渐替代了传统的燃煤和燃气电厂。

在德国，随着电池技术的进步和投资成本的下降，其在一次调频市场中的市场份额已迅速攀升至60%，如图七所示。考虑到正在建设或已获批准的电池电站，预计电池在不久的将来将完全主导一次调频市场。

图七：电池在调频市场中的应用趋势

目前，德国的许多火电厂都配备了电池用于一次调频，以减少发电机在一次调频时的磨损，增加发电机的寿命。电池也被用于增强火电厂在二次调频时的响应速度。

尽管电池在一次调频市场的表现卓越，但其价格仍然相对较高，导致其独立盈利能力受限，尤其是在没有政府补助的情况下。此外，当前的电池容量还无法满足二次调频的要求，也限制了其在二次调频市场的应用。

总体而言，储能技术，尤其是电池，正在逐渐取代传统电厂的调频方式。但要充分发挥其缓解负电价的效果，还需进一步降低成本、扩大容量，并结合适当的政策支持。

市场平衡机制对减少负电价的作用

市场平衡机制在减少负电价中扮演了核心角色。负电价，从本质上看，是电力系统在供需不平衡时的一种突出的表现。欧洲的经验特别是德国的实践表明，有针对性的系统平衡机制能够刺激平衡服务的发展，利用市场力量，增强电力系统的应对能力，可以降低出现负电价的频率。随着服务提供者和商业模型的增多，价格上的竞争变得激烈，不仅减少了负电价，还降低了系统平衡的费用。

系统平衡机制的另一个重要组成部分是电力市场之间的互联和协同。通过跨区域、跨国的合作，可以更好地对系统需求进行平衡，大大减少了负电价的风险。举个例子，2021年，当爱尔兰加强了与英国的电网连接，并提高了互联线的交换能力时，负电价的出现频次显著减少。当然，其中也有疫情后的经济复苏、用电量增长的原因。

值得深思的是，引入负电价本身就是市场调节机制的体现，目的就是鼓励电力生产者增加系统的灵活性，从而更好地适应市场的变化。这在某种意义上，与数学中引入负数的逻辑是相似的——都是为了拓展系统的应用范围和处理能力。

对负电价未来发展的分析与预估

在经历了能源危机之后，欧洲各国政府纷纷加大了对可再生能源发展的投入。自2014年德国光伏陷入低点以来，近年来德国的光伏发电得以复苏，重新达到了往日的高峰。更引人注意的是，尽管电价仍然明显低于2022年能源危机时的最高水平，但它们在某种程度上已经超过了德国政府对光伏发电招标的平均标价（范围在4~6欧分/千瓦时）。因此，近年投入运营的大多数风电和光伏发电项目不仅能在无需国家补贴的情况下进行再融资，其发电的收益还有可能超过预期。

图八：德国光伏发电发展趋势

然而，负电价问题在德国能源市场中仍然持续存在。尽管德国对传统电厂的灵活性进行了系统化的改造，但按照德国可再生能源协会的预测，到2030年德国仍将面临300多小时的负电价情况，且这种状况有可能直到2050年仍将维持在相同的水平（详见图九），主要原因是能源系统的灵活性仍未能达到要求，尽管预期将有大规模的储能和灵活负荷投入使用。

图九：德国负电价的预测

根据预测，如果所有传统电厂都能成功进行灵活性改造，那么负电价出现的时间可以大大减少，甚至可能降低到现状的三分之一。然而，海上风电可能仍是一个棘手的问题，因为其在负电价时段的电力产量可能会达到整体的18%。

这也意味着，仅仅通过技术途径可能难以完全解决负电价问题，政府还应该继续调整可再生能源政策。因此，增强系统灵活性、促进海上风电和其他可再生能源的有序并网、发展热泵和电转热等技术，以及提高电动汽车和其他电力负荷的普及率，都是未来减少负电价的关键措施。

电转热和热泵对负电价的影响展望

德国可再生能源的装机容量预计到2030年将增长到300吉瓦，而常规负荷仅维持在80吉瓦。其中超出的发电量主要将用于交通和供热转型。供热占德国能源消费的一半以上，所以供热转型非常关键。新增的可再生能源将主要用于电转热、热泵和其它电转气的应用。

德国的模拟计算显示，虽然电转热、热泵和电转气都有转移负荷的潜力，从而缓解负电价现象。但如果负荷灵活性没达预期，负电价问题还是会出现。

考虑到未来能源价格可能会维持在高位，电转热的关键将是高效的热泵，尤其是与光伏设备结合使用时，这样在经济上更有益。与此同时，德国的家庭供热还依赖于天然气，但政府的新规定要求到2024年家庭供热的可再生能源要达到65%。虽然这项政策引起了相当大的争议，但方向应该是对的。电转气只有在年运行小时数达到4000小时才具有经济效益，所以对减少负电价并不能发挥关键作用。

简言之，电转热和热泵有助于缓解德国的负电价问题，但要真正达到效果，还需结合其他技术和政策手段。

能源政策对负电价的影响展望

随着德国计划在2038年完全停用煤炭发电，其电力系统的灵活性有望大幅提高。因此，预计负电价的出现率将不再会继续增长。若天然气价格持续走高，那么德国的高能耗企业可能会在其他地区寻求更具经济效益的生产环境，从而降低非灵活电力的需求，进一步削减负电价的发生。但是，这种迁移可能引发一定的去工业化现象。

根据特定的模型预测，负电价补贴规则的修改会影响到可再生能源运营商的收益。这会促使运营商密切关注市场电力需求，而与此相应的可再生能源投资政策也将随之调整。但根据德国可再生能源协会的数据，即使在能源转型完成后，负电价小时数仍可能维持在较高水平（见图八）。预计欧洲各国对负电价小时数的上限的限制可能还会更加严格，甚至可能完全取消此上限，实行实时修正可再生能源的市场补贴。

虽然德国已经停用核电，但核能对负电价的影响依旧不能被忽视。从德国的实践经验来看，虽然西班牙的核电现在还没有导致负电价，但随着可再生能源比例的提高，深度调峰时负电价的风险仍然存在。

事实上，受到能源危机的冲击，法国已对核能政策做出了重大调整。新政策取消了之前的核电占比目标，并解除了63吉瓦的发电上限。为了增强核电的灵活性以补充水电的不足，法国正在研发兆瓦级模块化反应堆。这些反应堆旨在实现模块化、批量生产以降低成本，且其尺寸紧凑，与传统的吉瓦级大型反应堆形成对比。

目前，核电技术正向小型化方向发展。设备将具有简洁设计的特点，能迅速适应电力市场的变动，还会集成热电联产。尽管在核心技术上与传统的大型核电站相近，但它们更强调模块化和标准化的生产方法。这样的策略预计将减少现场施工的难度，因为大部分部件可以在工厂预先制造后再运往工地。随着小型核电站生产的规模化，核能导致的负电价问题有望得到更为有效的管控。

电池调频对负电价的影响展望

在传统电厂中，最低的运行门槛出力一般在20-40%之间，这使得负电价的现象仍难以完全消除。调频备用电厂已逐渐地成为降低负电价的重要瓶颈。在德国，二次调频的成本逐渐开始接近一次调频，而且电池电站的建设成本与抽水蓄能电站意见相差无几。只要在容量上满足要求，且经济性不依赖政策补贴，电池未来很可能被广泛应用于二次调频。如果铁空气电池技术的规模化难题能够得到妥善解决，电池在二次调频中的应用将对降低负电价产生重要影响。

总体而言，从宏观层面看，要解决负电价问题，需采纳多种策略。首要任务是增强整体能源系统的灵活性，包括提升电厂运行的灵活性及推动电热转换技术的进步。同时，引入创新的政策和法规，及调整能源结构。在能源转型的过程中，政府政策起到了决定性的作用，尤其是通过调整可再生能源的补贴机制，有助于推动能源市场向更健康的方向发展。完善市场平衡机制是进一步提高能源系统的灵活性、实现需求平衡并减少负电价出现频率的关键。值得强调的是，虽然上述策略取得了一定的成效，但负电价问题并未彻底消除，我们还需持续努力。终极目标在于将能源的生产、输配、消费和储存整合，形成一个灵活、有机和高度互联的统一综合能源系统。

欧洲负电价对中国的启示和可能的借鉴

从中国的电力结构来看，煤电仍然占据主导地位，可再生能源增长势头强劲，已超过了美国与法国。在水电领域中，抽水蓄能电站的比例约占6%。这意味着有70%的电源需要进行灵活性改造，而且主要集中在煤电与水电上。这使得控制负电价成为一项艰巨的任务。

图十：中德美法4国电力结构的比较（2021年）

从图九中可以来看，中国与德国的电力结构有更多的相似之处，主要都是可再生能源与煤电占比较高。而美国主要依赖天然气发电，法国则以核电为主。因此，德国的实践经验对于中国可能会具有更高的参考价值。

在提高火电灵活性方面，以下的德国经验对中国具有一定积极的意义：

首先，火力发电厂的灵活性表现优越于预期。尽管燃煤机组的灵活性普遍低于燃气机组，但经过技术改造，煤电同样也具有强大的调节能力，能够迅速适应可再生能源与电力需求的波动。

其次，改造煤电的灵活性，可以采纳多种技术手段，不会降低工作效率，但可能会缩短设备寿命。另外，技术改造可以增强发电厂的响应速度，缩短启动时间，但可能提高运营成本。尽管如此，从整体上看，通过大量发展可再生能源，节省下的燃料成本还是远超过增加的运营与维护开支。

第三，提升燃煤电厂的灵活性可以增加风电和光伏发电的比例，但仍可能带来更多的二氧化碳排放，因此，减排放设定合适的碳价格至关重要。

第四，联合调度火电厂的运营可以缓解其高昂的启停成本，例如，一些火电厂暂停运营，而其他火电厂全负荷运作。这种联合调度手段就是所谓的虚拟电厂技术，不仅涵盖了分布式电源，还包含大型火电厂，其中火电厂是最核心的部分。

为了最大限度地发挥火电厂的灵活性，调整现货市场机制，提供恰当的价格信号至关重要。目前，中国已经有部分地区出现了负电价。这表明电力供需平衡已成为显著问题，有可能出现系统安全问题。因此，引入现货市场的平衡机制势在必行。

德国的经验表明，分布式发电在消纳可再生能源方面发挥了关键的作用。鉴于中国的电力需求仍然在持续上升，增量部分采用分布式发电技术，将进一步增强电力系统的适应性。这样不仅能更高效地消纳可再生能源，还可避免负电价的频繁出现。

德国的实践经验还表明，在可再生能源的占比未达到50%之前，大规模地建设储能系统没有建立平衡机制有效，而且可能会增加能源转型的成本。在中国，与电池技术相比，抽水蓄能电站不仅成本更为优化，建设速度也快。因此，发展抽水蓄能是提高电力系统灵活性的理想选择。

在德国，为电厂进行灵活性改造的资金部分来源于系统的平衡费用，部分来源于现货市场的出清价格，即按照边际成本进行排序的最终价格。在新能源初期发展阶段，天然气发电曾受到可再生能源的排挤，导致出清价格下降，致使传统电厂经常处于亏损状态。但在可再生能源进入中期发展时，由于弃核退煤政策，出清价格开始由燃气发电的边际成本来决定，火电盈利状况会随之好转。否则，在没有补贴的情况下，火电很难承受灵活性改造的成本。另外，适时调整新能源的补贴政策，能使新能源的发展更好地适应电力需求的平衡。

最后需要指出的是，尽管德国的经验具有一定的参考价值，但鉴于中国的国情、经济布局和地理特点与德国仍然存在显著差异，直接复制德国的做法或不完全符合中国的实际情况。