在新年到来之际，我们听到了很多关于“黑暗低谷”或“无风少光”的讨论，原因是因为欧洲在11月和12月经历了相当多的风力发电和光伏发电低谷。这通常会引来大众对于可再生能源的批评，这是正确的，因为这是一个需要解决的问题。实际上这里存在一些微妙的问题；既要保证短期内的供需匹配（发电容量和负荷的平衡），又要应对长期内真正的黑暗时刻（如何保证能量平衡）。
下图试图说明2024年的情况——例如，如果我们只安装风电和光伏，能够满足我们的年度总需求，那么在2024年，将有20个连续三天发电量无法满足需求的独立情况。如果我们将发电量提高到130%，那么这种情况就会发生12次。在2024年如果发电量超过130%，那么就不会出现持续10天以上的每日发电量无法满足每日需求的事件。
图表假设2024年的每日风电和光伏输出量能够满足年度需求的既定百分比（即超额建设）
1.持续时间较短的灵活性
我们认为有必要区分短期供需匹配和持续数天甚至更长时间的低风期。然而如何区分这两者，目前尚不清楚。当然可以理解日内匹配可以通过电池储能和需求响应的灵活性来处理。然而从长远来看，随着电池变得越来越便宜和无处不在，以及电动汽车智能充电和V2X的混合开始出现，可以预见此类灵活性资源持续时间将会增加。下图显示了私家车电动汽车车队几乎零资本成本的可用容量（一旦我们拥有车载双向功能，这种功能已经开始出现）。私家车用户已经开始使用电动汽车多日价格驱动的智能充电—我通常每周进行一次长途旅行，需要充满电。私家车用户可以在一周内利用灵活电价的价格波动进行充电—算法总是确保用户有至少100英里的续航里程，然后在本周剩余的时间里完全灵活地以尽可能低的成本为下一次旅行充满电。也许最终我们会看到，电池和电动汽车能够比其他技术更经济地应对几天可再生能源的变化。这种短期灵活性与长期需求之间的相互作用，将在后面再讨论。
可用能量存储和最大功率的比较，以当前英国平均电力需求的百分比表示。（对于电动汽车，假设平均70kWh电池可用50kWh，剩余30kWh/100英里续航和2kW输出限制。
2.真正的黑暗时段事件
从多年的气象数据分析中，我们知道无风期可能会持续超过三天，在最坏的情况下甚至可能超过两周。电力系统面临的挑战是，如何为投资者提供足够有力的价格信号，以提供所需的容量并确保系统在这些事件期间的充足性？
我们看到提供这种天气适应性的方案多种多样，包括通过广泛互联来维持燃气备用，以避免相关天气事件（例如规划中的跨大西洋的Xlink互联），以及使用生物甲烷和氢气作为燃料。在这里我们特意在这里不提核能，因为核能本身并不能避免对这种适应气候变化的技术的需求，它只是降低了所需规模。如何确保天气适应性发电容量是未来最具不确定性的领域之一，因此我们需要考虑如何为让市场和创新找到成本最低的解决方案，这个议题是有价值的。然而如果市场不能提供足够长的时间、不能频繁响应调度的发电能力，这可能带来很高的社会风险，因为没有人愿意看到停电。
从许多方面来看，这与十多年前提出的“资金短缺”论调如出一辙，并催生了容量市场，但值得注意的是，其他市场（例如澳大利亚）在没有容量市场的情况下也能很好地运作。2000 年代初，通过基于市场的上限合同提供了解决方案，供应商（在澳大利亚更合理地称为零售商）可以从调峰电厂购买合同，以保护自己免受高价影响——通常这些合同将一定数量的批发电力成本 ，这些合同将允许建设非经常运行的调峰电厂——事实上，当时南澳大利亚超过30%的装机容量运行时间不到6%，原因是夏季空调负荷导致调峰。也许这听起来与我们正在讨论的问题很相似！然而，有一个关键的区别，那就是确保你有足够的能量储备；那时化石燃料可以随时随地的流动；当我们接近零碳系统时，情况就会发生变化。
3.系统充足性证书（SAC）
这里有一个想法，可以通过监管和市场的结合来解决这个与能源相关的问题......
如果我们还记得可再生能源义务和可再生能源证书，那么这就是这个讨论的出发点。任何特定市场的系统运营商都应该很好地掌握管理停电事件所需的能源量。假设这是每年总能源需求的5%，当然这个数字会随着时间推移而变化。
我们将“Dunkelflaute”电厂定义为满足可再生能源低峰期需求所需的资产组合（“燃料”能量源、储能、发电以及任何必要的专用传输基础设施，再加上任何可用的永久性（近似）削减。监管机构可能会向能够满足电能存储或避免需求（即需要考虑发电效率或往返效率）的dunkelflaute工厂颁发系统充足性证书（SAC）。请注意，这是一张基于能源的证书，而不是基于功率的证书，可能需要以某种方式与容量市场互动，以确保满足峰值需求。
这里有一个关于短期灵活性的问题，以及它最终如何与长时储能相结合，但原则上，我们认为短期灵活性是为了最大限度地减少Dunkelflaute所需的峰值装机容量，可能需要以额外的GWh储能为代价；即电池的充放电以满足日内需求的变化，并在最大限度地减少峰值装机容量的同时，保持Dunkelflaute电厂的最佳效率输出。
与可再生能源一样，供应商必须持有备用容量，以满足其在每个规定时期内预计供应的总能源的相应百分比（如上文建议的5%）。这一比例可在十年或二十年内逐步提高，以满足实际需求，从而在出现新的解决方案时，用源源不断的天然气填补缺口。可能需要多种周期类型来反映不同的补仓时间线——即每月、每季度、每年，甚至更长的时间，这取决于提出的解决方案组合（我想到的是中提出的在多年风能枯竭的情况下使用氢能发电的挑战）。每当供应商调用Dunkelflaute电厂时，相关的存储能源证书就会被取消，供应商必须在下一个周期开始前弥补短缺；这应该可以防止在存在成本更低的短期灵活产品的情况下使用SAC。与RO一样，对于未能达到目标的供应商，也会有一个收购价格。该价格可以基于每年预先确定的碳价格，即未减少天然气工厂运营碳成本以弥补短缺的溢价。从回购中获得的资金可以返还给达到目标的供应商（根据RO），以便在稀缺时提高证书的价值，或者在市场解决方案无法实现时用于采购战略储备。
证书和资金流示意图
各国政府可以限制通过跨境互联电网采购的SAC数量，这有助于降低当前紧张状态的一些敏感度，并有助于实现弹性目标。
随着时间的推移，人们期待出现一系列标准产品，以及新的“SAC聚合商”（播客的主题集体力电厂表现形式之一），他们将所需组件（例如生物甲烷的生产、储能和发电）整合在一起，从多个来源构建SAC产品。SAC可以与澳大利亚式的上限合同捆绑在一起，以固定这些紧张时期内供电的成本，从而帮助降低消费者成本。
4.这会催生出哪些解决方案？
从理论上讲这种方法应该能够带来成本最低的解决方案，避免赢家通吃。在大多数情况下，这些解决方案可能会从容量市场和SAC中获得收入，确保有足够的容量和能源，尽管需要更好地理解它们之间的相互作用。虽然我不应该先入为主，但我可以看到除了经常被吹捧的氢动力之外，还有一系列解决方案，这些方案必须在SAC定价方面进行竞争；其他解决方案可能包括：
- 燃料灵活工业需求和热网：
例如，一家拥有现有热电联产工厂的食品工厂可能会将其低温工艺转换为热泵，它可以保留其热电联产工厂，并通过SAC聚合器采购生物甲烷和相关盐穴存储容量，以便在需要时切换回热电联产；SAC可以反映热电联产发电和热泵关闭时能源的减少。在这种情况下，SAC收入可以帮助为热泵转换提供资金。 - 长时电池储能：
电池开发商可以通过持有备用电池容量来分散风险，以换取SAC。虽然这本身不太可能经济（至少目前是这样），但它可以提供一些长期稳定的收入，以支持融资方案。 - 生物甲烷发电：
现有的或新的生物甲烷发电可以作为Dunkelflaute发电厂，与SACs（+容量市场）一起为融资提供支持，或者，对于现有的发电厂，可以通过将沼气添加到生物甲烷升级和天然气管网连接中，以促进运输到存储，从而从基本负荷发电转换为Dunkelflaute发电厂。这既可以增加生物甲烷发电厂的发电量，也可以将生物甲烷作为另一项SAC产品的一部分出售（例如出售给我们的燃料灵活热电联产）。 - 核能：
考虑到核能游说团体对可再生能源系统的真实平准化成本提出了合理质疑，如果允许核能获得SAC（即私人融资而非通过CfDs/RABs），那么核能就可以与供应商捆绑能源供应，而向可再生能源发电厂采购的供应商则需要单独采购SAC，这无疑将有助于核能在更公平的竞争环境中参与竞争。 - 负荷需求规避：
如果负荷需求可以真正规避（而不是短期转移），那么原则上也应该获得SAC。这可能是完全的需求规避；例如，在停电期间，一个办公大楼完全关闭，所有员工在家工作（我们现在知道这是可行的，尽管需要仔细考虑居民需求的增加），或者工厂可以选择在停电期间保持2周的库存，并在黑暗时期停产；后一种方案可能不会减少年度能源消耗，但需求转移的时间足够长，可以发挥重要作用，而且可以说与氢动力在系统影响方面没有太大区别（除了具有更高的等效往返效率）。我认为，与目前一些短期需求灵活性相比，这种方法不太容易受到游戏规则的影响。
5.结论
这就是利用市场和监管机制的组合来确保所需Dunkelflaute容量的可能方法的概述。显然，所有这些想法都比我们想的要复杂得多，而且会出现一些意想不到的结果，但这是一个值得进一步考虑的概念吗？素材作者Rachel Lee博士也在征求大家的意见。
下一期的播客，我们将继续展开讨论 新能源相关的Firm Capacity、System Adequacy等有意思的话题。
