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目前，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)占美國總發(fā)電量的3%，在部分州這一比例已經(jīng)超過10%。美國能源部的目標(biāo)是在2030年年底前將這一比例提高到20%。對美國聯(lián)邦和各州如何在電網(wǎng)吸納風(fēng)能，從而提高風(fēng)電利用率進(jìn)行探討，對中國和其他國家的風(fēng)電資源利用具有重要的參考價值。
美國風(fēng)電入網(wǎng)難
美國風(fēng)電資源十分豐富，陸上風(fēng)電資源約為11000吉瓦，相當(dāng)于200億桶石油所包含的能量，海上風(fēng)電資源約為4150吉瓦。美國風(fēng)力發(fā)電起步于20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)之后，20世紀(jì)80年代初美國風(fēng)電曾顯赫一時，占全球風(fēng)電裝機(jī)的90%。遺憾的是，80年代中期之后，世界石油價格下跌和政府削減經(jīng)費，美國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)突然停頓。2000年以后，隨著全球清潔可再生能源發(fā)展日益強(qiáng)勁，美國也加快了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐，在聯(lián)邦政府和德克薩斯等州州政府的推動下，美國風(fēng)電新增裝機(jī)容量以每年30%的比例快速增長。從2005年開始，美國新增風(fēng)電裝機(jī)容量超過德國，重新位居世界第一，直到2009年被中國超過。
截至2012年，美國風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)到13124兆瓦，風(fēng)電累計裝機(jī)容量達(dá)到60000兆瓦，每年的發(fā)電量占美國電力消費的3.5%，可以滿足約1500萬美國家庭的正常使用。隨著技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模擴(kuò)大，美國風(fēng)電價格已經(jīng)下降到5?8美分/千瓦時，與火電價格基本齊平。雖仍面臨天然氣發(fā)電的強(qiáng)勢競爭，但已具備相當(dāng)?shù)氖袌龈偁幜Α?/p>
盡管如此，美國風(fēng)電也面臨著入網(wǎng)難的問題。2008年，美國地平線風(fēng)能公司斥資3.2億美元，建成楓樹嶺風(fēng)場，但由于區(qū)域電網(wǎng)過于擁擠，這個裝有200個風(fēng)輪的風(fēng)場最終被勒令關(guān)閉。無獨有偶，明尼蘇達(dá)州近年來在風(fēng)電并網(wǎng)項目上投入較大，但該州的卡普克斯電網(wǎng)工程只能將水牛嶺風(fēng)電站22兆瓦發(fā)電量中的2兆瓦并入電網(wǎng)，入網(wǎng)電量不到發(fā)電量的10%。
“地方割據(jù)”是入網(wǎng)難主因
美國電網(wǎng)“地方割據(jù)”嚴(yán)重。美國的電網(wǎng)系統(tǒng)十分分散，其2/3的輸電系統(tǒng)由地區(qū)輸電組織或獨立系統(tǒng)運營商管理，另外1/3的電網(wǎng)系統(tǒng)則由更小、更分散的電網(wǎng)組成，這些電網(wǎng)系統(tǒng)之間的聯(lián)接非常薄弱。
目前，美國已經(jīng)形成了東部、西部和德克薩斯州電網(wǎng)3個主要的互聯(lián)電網(wǎng)，但是三大互聯(lián)電網(wǎng)之間只有非同步聯(lián)系。在美國，經(jīng)營不同電網(wǎng)的電力公司有3000多個，絕大部分為私人所有。各電力公司對所屬的電網(wǎng)進(jìn)行獨立調(diào)度，或是幾家電力公司對旗下的電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。
電力公司投資者擁有公司80%的所有權(quán)，美國聯(lián)邦能源管制委員會擁有剩余20%的所有權(quán)，并負(fù)責(zé)規(guī)范電力的傳輸和銷售。同時，地方政府的公共事業(yè)委員會也對所屬區(qū)域的電力相關(guān)活動有監(jiān)管權(quán)�；ハ喾指畹碾娋W(wǎng)系統(tǒng)和經(jīng)營單位，以及相互之間的市場競爭，使得電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)合作異常困難。同時，美國電網(wǎng)線路陳舊，傳輸能力，尤其是長途傳輸能力非常不足。
美國風(fēng)電資源的空間分布很不均勻，風(fēng)力資源主要集中在中部高原和西部沿海地區(qū)，而人口集中和能源消費最高的地方則在美國東部。據(jù)統(tǒng)計，28個東海岸州消耗了全國近80%的電力。即使同一個州內(nèi)，風(fēng)力資源也不均勻。以在德克薩斯州為例，風(fēng)力最豐富的地區(qū)主要在西部高地和高原地區(qū)，而大城市如達(dá)拉斯和霍斯頓則在100多公里之外。
風(fēng)力資源的空間錯位對電力資源的長途輸送能力提出了很高的要求。雖然美國聯(lián)邦政府早已知道電網(wǎng)設(shè)施的不足，但卻遲疑不決，原因之一就是不愿越權(quán)。美國各州州政府在輸電線路項目審批方面擁有很大的權(quán)力，而各州因為環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面的利益不同，往往難以就跨州的重大項目決策達(dá)成一致，導(dǎo)致很多輸電項目被迫推遲，甚至擱淺。根據(jù)美國政府公布的數(shù)據(jù)，美國發(fā)電量的增長速度，超出電網(wǎng)傳輸建設(shè)速度4倍。新墨西哥州州長里察德森曾表示，美國的電網(wǎng)發(fā)展屬于第三世界，在沒有政府投資，缺乏政策支持的情況下，美國電網(wǎng)的現(xiàn)代化舉步維艱，尤其對于風(fēng)力發(fā)電來說，這種情況更為嚴(yán)重。
應(yīng)對這一困境，美國聯(lián)邦政府能源部2005年出臺新的能源法案，提出了“國家利益輸電走廊計劃”，以解決跨州的區(qū)域電力傳輸，同時，在2008年之后，美國總統(tǒng)奧巴馬力推智能電網(wǎng)工程，以促進(jìn)電網(wǎng)的統(tǒng)一和智能化，增強(qiáng)電網(wǎng)對于可再生能源電力的調(diào)配和吸納能力。與此同時，德克薩斯和加利福利亞等州也結(jié)合各州特色，在風(fēng)電入網(wǎng)和風(fēng)電存儲方面進(jìn)行了積極有效的探索。
“國家利益輸電走廊計劃”由美國能源部于2005年提出的，目標(biāo)是根據(jù)可再生能源的分布和現(xiàn)有輸電系統(tǒng)中潛在瓶頸的位置，劃定若干“輸電走廊”。如果有在這些輸電走廊上修建新輸電線路的申請，能源部及其授權(quán)機(jī)構(gòu)有權(quán)受理并批準(zhǔn)這些申請，一旦這些項目獲得批準(zhǔn)即可開始工程建設(shè)，這一措施避開了地方政治的干擾。
2007年，美國能源部依據(jù)該能源法案和“國家利益輸電走廊計劃”首次劃定了第一批兩個“國家利益輸電走廊”，包括中大西洋(600558,股吧)地區(qū)輸電走廊和西南地區(qū)輸電走廊。
其中，中大西洋國家輸電走廊經(jīng)過了特拉華州、俄亥俄州、馬里蘭州、新澤西州、賓夕法尼亞州、弗吉尼亞州、西弗吉尼亞州和華盛頓特區(qū)等，主要連接紐約、新澤西和馬里蘭等負(fù)荷較大的州和北部及西部的風(fēng)力發(fā)電富集地區(qū)。西南地區(qū)國家輸電走廊經(jīng)過了南加州的7個縣和西亞利桑那州的3個縣，把西南地區(qū)的太陽能和地?zé)豳Y源廣泛分布的加利福尼亞東部沙漠，以及亞利桑那、內(nèi)華達(dá)等州與這些地區(qū)和美國西南的負(fù)荷中心——南加州的洛杉磯和圣地亞哥地區(qū)聯(lián)系起來。
德州應(yīng)對風(fēng)電入網(wǎng)難題
德克薩斯州是美國風(fēng)力資源最豐富、風(fēng)電發(fā)展最快、裝機(jī)容量最大的州之一。2011年，德州風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘繛?0.377吉瓦，風(fēng)力發(fā)電量為26251千瓦時，占德州總發(fā)電量的6.9%。德州的風(fēng)力資源大多處于該州西部，而主要大城市和負(fù)荷中心，如達(dá)拉斯、圣安東尼奧和休斯敦則位于該州東部。另外，德州西部地區(qū)的風(fēng)力在晚上最為強(qiáng)勁，而消費的高峰期卻在白天。時間和空間的錯位，使得德州電網(wǎng)在風(fēng)電吸納過程中面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
為此，德州立法機(jī)構(gòu)于2005年提出，并在2008年8月批準(zhǔn)了德州公共事業(yè)管理局設(shè)立5個競爭性可再生能源區(qū)的方案。所謂競爭性可再生能源區(qū)，指的是最適合建設(shè)可再生能源發(fā)電設(shè)施（主要是風(fēng)電）的區(qū)域。該方案計劃建設(shè)多條345千伏交流輸電線路，線路總長近3700公里，工程總造價約49.3億美元，占當(dāng)年美國可再生能源輸電建設(shè)總投資的1/4。
競爭性可再生能源區(qū)輸電項目建成后，可將18.5吉瓦風(fēng)電從德州西部的競爭性可再生能源區(qū)輸送到人口密集的東部負(fù)荷中心。同時，部分線路還可用于滿足未來西部地區(qū)的輸電需求。該項目預(yù)計在2013年完成。2011年，德州電力可靠性委員會提出再投資87億美元，在接下來的5年內(nèi)，改善電力傳輸系統(tǒng)。
德州對大規(guī)模的儲能技術(shù)也十分感興趣。大型儲能技術(shù)可以平衡可再生能源的短期波動，保證為消費者提供穩(wěn)定的能源服務(wù)。2012年，奇彌撒能源公司在德州西部地區(qū)開工建設(shè)270兆瓦的壓縮空氣儲能項目。這個項目將非高峰期的風(fēng)電以壓縮空氣的形式儲存在地下洞穴里。在消費高峰期，通過釋放壓縮空氣，推動發(fā)電機(jī)以發(fā)電。該項目就位于競爭性可再生能源區(qū)的線路旁邊，預(yù)計2014年就可運行。
另外，德州也大力推行能源需求管理和智能電網(wǎng)技術(shù)。目前，德州在智能電表的安裝方面走在美國國內(nèi)的前面，在電力委員會管理區(qū)域內(nèi)，已經(jīng)有500萬只智能電表在運行，以協(xié)調(diào)風(fēng)電入網(wǎng)。在能源需求應(yīng)對管理項目方面，德州鼓勵消費者在電網(wǎng)緊張時減少電力消費。目前，電力可靠性委員會已經(jīng)從200多家電力用戶中獲取了2.4吉瓦的管理需求。
加州的風(fēng)電入網(wǎng)探索
加利福尼亞州擁有豐富的可再生能源，特別是風(fēng)能、太陽能和地?zé)豳Y源。2009年，加州已實現(xiàn)11.6%的電力來自于風(fēng)電、太陽能、地?zé)崮�、生物質(zhì)能和小規(guī)模水電站等，另外還有9.2%的電力來自于大規(guī)模水電站。加州的目標(biāo)是，到2020年，將加州可再生能源占其電力機(jī)構(gòu)的比例提升到33%，這一目標(biāo)得到了歷屆州長的大力支持。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，加州在2020年之前要新增20吉瓦的可再生能源，其中包括8吉瓦的大規(guī)模集中利用，以及12吉瓦分散的、本地化的風(fēng)電、太陽能和熱能等可再生能源利用。
風(fēng)能為主的特哈卡皮山區(qū)，位于南北加州電網(wǎng)的結(jié)合部，兩側(cè)有比較近的負(fù)荷中心，主要是南部的洛杉磯盆地和北部的中央谷地地區(qū)；太陽能主要分布在南部加州、內(nèi)華達(dá)州和亞利桑那州交界處；地?zé)豳Y源則集中在北加州靠近俄勒岡州邊界的地區(qū)，以及南加州的英培瑞爾地區(qū)。
加州在州內(nèi)劃分了競爭性可再生能源區(qū)并配備了大型輸電線路建設(shè)。目前，加州在建或已經(jīng)獲得批準(zhǔn)的有三個大型500千伏輸電項目，主要是為了把這些加州內(nèi)部的可再生能源發(fā)電地區(qū)和系統(tǒng)主干網(wǎng)聯(lián)接起來。除了州內(nèi)的可再生能源，加州也在考慮將美國西部其他各州豐富的風(fēng)能、太陽能資源通過輸電系統(tǒng)送入加州。
另外，加州在能源儲存技術(shù)的研究上更為積極，正在推進(jìn)和探索州內(nèi)強(qiáng)制能源存儲法案。跟強(qiáng)制配額制度類似，強(qiáng)制儲能可能會要求電網(wǎng)企業(yè)投入資金，在短期或長期內(nèi)建立能源存儲系統(tǒng)或者配備能源存儲能力，以存儲富余電力，補(bǔ)充和平衡間歇性電力（如風(fēng)電和太陽能等）的波動。
2010年，加州議會要求加州公共事務(wù)委員會探索是否設(shè)定強(qiáng)制性儲能，以及采取什么形式的研究。2012年8月，加州議會通過了一項確認(rèn)有利于電網(wǎng)和消費者的20項電力存儲方式的決議。這一決議被認(rèn)為是向能源儲存強(qiáng)制法案又邁進(jìn)了一步。對于加州而言，能源存儲不僅是可再生能源戰(zhàn)略的一個部分，加州也希望借此將加州打造為節(jié)能技術(shù)的先行者，使其在未來節(jié)能市場占有領(lǐng)導(dǎo)地位。
在促進(jìn)電網(wǎng)對于風(fēng)能等可再生能源的吸納方面，美國聯(lián)邦和州政府等目前的應(yīng)對策略主要集中在三個方面：一是在可再生能源資源豐富的地區(qū)設(shè)定特區(qū)或者競爭性區(qū)域，并輔之以大規(guī)模輸電線路建設(shè)，推動可再生能源電力由資源密集區(qū)向消耗集中區(qū)的輸送；二是大力推進(jìn)智能電網(wǎng)工程，增強(qiáng)電力消費需求管理，優(yōu)化電力調(diào)度、檢測和控制，增強(qiáng)電網(wǎng)對于可再生能源電力的消化和平衡能力；三是積極探索各種能源存儲技術(shù)，以補(bǔ)充和平衡可再生能源電力的間歇性特質(zhì)。
智能電網(wǎng)建設(shè)、儲能技術(shù)和可再生能源技術(shù)相互支撐，共同構(gòu)成美國可再生能源戰(zhàn)略的基石，同時，這也是美國正在塑造的未來美國全球經(jīng)濟(jì)和科技競爭的核心競爭力。
（作者系清華大學(xué)公共管理學(xué)院博士研究生，
美國塔夫茨國際能源和資源研究中心研究員）
