随着美国燃煤发电量稳步下降，哪种能源将最终替代煤炭来满足美国电力需求的问题仍然没有答案。因过去十年开采技术不断进步而价格低廉的天然气是一个潜在候选。而技术的突破性进展和创新商业模式的出现使无论大规模还是分布式风电和太阳能电力项目的长期价格屡创新低，他们也成为了天然气发电的强劲竞争对手。
这些趋势可能并不是互相排斥的。事实上，许多电力行业参与者认为天然气和可再生能源可以携手共同发展。多年来，美国电力公司和系统运营商一直主张通过修建天然气发电装机能够有效平衡波动的可再生能源并满足峰值负荷，还指出了电网内可再生能源发电比例也许存在“上限”。此外，风能和太阳能资源丰富时会降低能源价格，这种“优先顺序效应”会降低可再生能源项目开发的投资回报率，并有可能进一步限制它们在整个发电系统中所占的比例。
但是，这一分析仅描述了供应侧的情况而忽视了需求侧的弹性。落基山研究所在最新报告《需求弹性：实现低成本低碳电网的关键》中展示了需求弹性可以成为比燃气电厂成本更低、污染更少的替代品来平衡电网中的可再生能源。我们通过模拟在大范围地理区域内调度需求弹性，将一天之中用电需求高但可再生能源供应不足时段的电力消费转移到可再生能源供应充足的时段。研究发现，与依赖于燃气发电相比，这种策略能够显著地降低用户成本，减少可再生能源弃风弃光现象，降低峰值需求和碳排放。
为什么提高可再生能源发电装机比例会限制其自身经济效益
由于运营成本低廉，新增可再生能源装机常常会替代电网中成本更高的发电装机，从而降低整体批发电力价格。系统中波动性可再生能源装机量的升高也会造成能源需求和供应之间的不匹配，因燃煤电厂和核电厂等缺乏弹性的发电装机无法在可再生能源丰富时段降低出力，迫使可再生能源降低出力，增加可再生能源弃风弃光的风险。
可再生能源供应和随时段变化的电力需求之间的不匹配，再加上缺乏弹性的火力发电装机，会极大地降低可再生能源项目的收益，阻碍它们市场份额的增长。例如，在加利福尼亚州和美国中西部地区，可再生能源应用比例的提高、电网拥堵和其他发电设施缺乏弹性等原因正在造成可再生能源发电收益的下降。
将可再生能源与需求而不是供应相结合
落基山研究所的最新报告展示了如何通过利用控制和通信技术来管理能源消费，从而解决需求与供应不匹配，以及可再生能源“价值缩水”的问题。一般而言，需求响应技术仅注重于在高负荷时段削减负荷，而我们的研究分析了需求弹性在转移一天中电力消费时段方面起到的作用，同时保持一天中电力消费总量不变。
我们在《重塑能源》研究中重塑情景的基础上，对未来德克萨斯州高比例可再生能源电力系统每小时的电力供需情况进行模拟。分析结果显示，在8种家用和商用终端电力负荷中使用需求弹性技术，将电力需求转移到可再生能源丰富的时段能够平缓净负荷曲线并降低峰值负荷，极大地降低下午时段对发电量爬升的需求。与缺乏弹性需求的系统相比，需求弹性能够通过减少弃风弃光使可再生能源的价值提高30%以上，大幅提高开发新建可再生能源项目的吸引力。
图1：日常需求弹性净负荷与变化
需求弹性不仅可以使需求更好地匹配波动性的能源供应，还能够以比仅依靠燃气电厂综合成本更低、碳排放更少的系统来平衡可再生能源并满足峰值负荷需求。总体来看，在模拟系统中利用需求弹性能够每年避免大约20亿美元的发电成本，并减少1/5的二氧化碳排放。这一量级的弹性需求还能够减少40%的可再生能源弃风弃光，降低24%的净负荷峰值(总负荷减去可再生发电)，并减少56%的数小时负荷爬升(“鸭子曲线”)平均幅度。
表1：模型分析结果汇总
将需求弹性纳入系统规划
要完全实现这些效益，必须将需求弹性作为一种核心资源纳入电网和资产规划的各个阶段。如果在采购决策中没有充分考虑需求弹性，可能会造成燃气电厂或新建基础设施的过度投资，当需求弹性随着机器学习和数据分析技术的进步而变得更具经济可行性且应用更广泛时，这些投资可能会成为搁浅资产。在设定电网中可再生能源供应份额目标时，需求弹性能够通过大幅提高新建可再生能源装机的价值而进一步提高之前确定的可再生能源应用上限。将需求弹性与可再生能源项目结合还能够降低项目开发商和承购商面临不确定回报时的部分价格风险。
激励电力公司和电力用户投资需求弹性
一个多世纪以来，电力公司收入由服务成本决定这一监管原则都在鼓励电力公司优先考虑监管部门列出的能够纳入电费计算的资本投资，因为在传统商业模式下这样能够带来更高的收益。然而，新的监管条例开始出现，允许电力公司通过投资或采购低成本和/或第三方持有的需求弹性并将其作为电网资源来维持传统投资回报。这些对传统电力公司商业模式的调整将为扩大需求弹性在系统规划决策中的应用起到关键作用。
能源用户在购买新的弹性技术的决策过程中也将需要足够的激励。其中，价格补贴能够降低投资成本，而旨在奖励电网友好消费方式的分时电费能够改善用户投资回报。此外，非物质性激励措施，比如增加自动化和控制技术的应用来提高用户体验，能进一步鼓励用户参与电力公司的需求弹性项目。
气候和用户的双赢机遇
美国电网已经来到了十字路口。落基山研究所预计可能有大约半数的现存燃煤、燃气和核电厂将在今后的15年内退役，造成大量的发电装机缺口需要填补。与此同时，可再生能源价格正在以比预计更快的速度下降，造成了可再生能源应用率的加速上升。投资新建燃气电厂来替代退役电厂以及平衡波动的新建可再生能源设施会在今后的数十年中锁定大量成本和碳排放。但我们通过最新研究证明了需求弹性可以成为更清洁、更经济的替代方式，为可再生能源、电力公司和能源用户等带来新的价值。
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