文｜硅谷101
最近全球各地越來越頻繁出現一個反常識的現象：用電不僅不花錢，反而還能賺錢。
在今年4月，德國電力市場出現了50個小時的負電價，無獨有偶，美國加州的電價也在部分時段跌至負數。到6月份，法國繼續出現負電價的情況，現貨市場日前電價跌到四年來的最低點：-5.76歐元/兆瓦時。
有些地區因為電能過多導致價格為負，但還有些地區卻正面臨著電能短缺，我們之前的一期文章就聊過，隨著人工智能的發展，一些地區出現了“用電荒”的情況。
這篇文章我們就來聊聊，負電價背后的商業玄機，以及新能源市場的未來。
01 負電價與清潔能源
Chapter 1.1 太陽能產品飆升
首先，我們來說說為什么會出現負電價。
負電價其實并不是什么新鮮事，我所在的美國加州早在2017年就出現了負電價，去年的歐洲市場也有不少國家電價接連跌到負數，包括德國、荷蘭、芬蘭，其中德國、荷蘭甚至一度出現了-500歐元/兆瓦時的價格。
根據歐盟能源監管合作機構（ACER）發布的報告《歐盟電力批發市場的主要發展-2024年市場檢測報告》，在2023年，歐洲地區負電價次數急劇增長，總共50個電價競標地區中，有27個地區的負電價次數，打破7年間的最高記錄。
負電價出現的最直接的原因就是：供給大于需求。因為某一個時間段太多的供給，用不掉又存不下來，只能希望需求側快點用掉這些多余的供給量。
造成這種情況的幕后黑手，正是清潔能源發電量過剩了。再具體一點來說就是，太陽能發電板的數量急劇增加。
因為風能的回報周期較長，而建設水力發電的大壩也需要很久，再加上水力發電設施需要在特定地形下建設，所以最快最簡潔的方式就是光伏設備了。
以我們所在的加州硅谷為例，從2014年到2023年這十年間，公共事業的太陽能發電量一度增長了近400%，全年最高發電量達到39320 GW/h。
加州四季陽光充足，且政策友好，確實是很適合光伏發電的地區，根據最新的統計，目前加州的光伏發電量已經達到了47GW，足以為1390萬戶家庭供電。
歐洲國家的情況也差不多，德國聯邦網絡管理局（BNetzA）統計數據顯示，2023年，德國可再生能源新增裝機容量17GW，總裝機容量接近170GW，同比增長12%，可再生能源的增長主要來自光伏，占總增長的83%。
之所以光伏發電發展如此迅速，行業的人告訴我們，有三個原因：
第一，最近20年技術突破了不少，太陽能板的轉化率從10%左右翻倍提升到了22%到24%。
第二，隨著太陽能板產量的增加，生產成本也降低了不少。
第三，電價一直呈上漲趨勢。
這幾個原因疊加后，就讓光伏發電的成本，與傳統化石燃料基本齊平了，達到了Grid Parity(電網平價），進而更多用戶開始擁抱太陽能。
正是因為清潔能源增長過于迅速，導致電力市場在部分時段供過于求。
來自微軟能源戰略部的資深項目經理徐熠興（Ethan Xu），也補充了另外兩點負電價的原因。
Chapter 1.2 鴨子曲線
徐熠興（Ethan Xu）
微軟能源戰略部 資深項目經理
電力系統中，技術調節的能力有限的情況下，也是會出現負電價的，所以在供需不平等情況下，由于調節的能力有限，難以快速地改變供需關系，因此產生負的電價。
還有一個原因就是電網的阻塞，就比如說很多局部地區，它其實有很多便宜的電，某些地方如果出現了電網的阻塞，這些便宜的電它出不去，其他（地區）的電價仍然很高，但是在局部地區會出現負的電價。
在2022年，加州總共浪費了240萬兆瓦時的電量，其中95%是太陽能。到了正午陽光充足時，光伏發電量就會大幅提升，這個時候人們的用電需求幾乎全靠太陽能發電就能滿足，公共電網中的負荷被迫降到低點，而太陽落山后，公共電網的需求再次激增。
在這種狀態下，電網的凈負荷，即電力需求減去可再生能源，將呈“U”形，這也被稱為“鴨子曲線”（duck curve），因為此時的曲線看上去就像鴨子的肚子。
但如果在光伏發電的高峰時段，超出的電能不能被順利消納，將會對電網造成損傷，甚至帶來安全隱患。
電力系統它是一個非常有意思的系統，就是它時時刻刻都需要保證，用電量和發電量一個平衡的關系，才能讓這個物理系統正常地運行。
如果光伏的發電量多太多的話，可能會造成電網穩定性的問題，風電和光伏，它都有間歇性和不可預測性，還有它會帶來電壓的波動，影響電能的質量。
所以電廠為了促進消耗，才出現了負電價的情況。可能你接著想問：既然電力過剩這么多，為什么不直接暫停發電呢？電力公司也不是沒拿個小算盤算過這筆賬。
如果停掉發電機，那損失將會更大。傳統的火力、核能發電廠，發電機的啟停成本非常大，重啟發電機甚至比一直開著所消耗的成本更高，頻繁關停會影響設備壽命和性能，還可能錯過后續的高電價時段。
煤電的啟動和停止往往是需要幾個小時，同時還伴隨著比較大的成本，需要消耗額外的燃煤來點火和升溫，以達到正常運行所需的溫度和壓力。
而核電幾乎需要一直保持穩定的發電，所以就很難進行調節，所以為了避免調節發電量帶來的巨大的經濟損失，煤電和核電他可能會選擇繼續發電，哪怕是負電價，他寧愿承擔小一點的負電價帶來的損失，他也不愿意去調節自己的發電帶來更大的損失，所以這屬于兩害相權取其輕。
所以電力公司打完算盤后，寧愿花錢刺激用電，也不能讓發電設備白白損耗。
如果實在消耗不掉，為了保護電網，最后的決定，將是舍棄這些清潔能源。
除了電力以外，美國德克薩斯州、加利福尼亞州和亞利桑那州在今年5月也出現了天然氣價格變成負數的情況。
原因是這些地區用于輸送天然氣的管道進入了維護期，過多的天然氣輸送不走，而迫于環保壓力，也不能被白白燃燒掉，因此帶來巨大的儲存成本。由于美國天然氣發電量占比最高，達到了近40%，也在當時進一步導致了電價下跌。
但我們在做研究的時候發現，矛盾的一點是：按理說，負電價的出現應該讓居民或者公司用電更便宜了對吧，因為我用電你給我錢嘛，但事實是，部分地區的居民用電成本反而在提高，大家并沒有占到負電價的便宜，這又是怎么回事呢？
02 新能源的另一面：公用事業死亡螺旋
這個問題稍微有點復雜，在回答之前，我們先簡單介紹下電力市場的運作模式。
發電站會生產電力，然后傳輸到電力公司，也可以稱之為公共電網，此時發電方就會獲得來自電力公司的報酬，這個價格稱為“上網電價”（Net price），公共電網再將這些電賣給企業或個人。
電力交易也存在批發市場和零售市場。批發市場只進行大宗電力交易，通常以兆瓦時（MWh）為單位，所謂的“現貨市場”，也屬于批發市場中。
而零售市場，則由電力公司來面向終端用戶，比如普通居民、小型企業、商業機構等，用電量相對更少。
當然，全球各地區電網的運作模式都不同，比如有些地區發電站和電網都屬于同一企業，或者大型企業直接向發電站進行購電，其中的環節就會有所變化。
電力是個非常復雜的系統，無法一概而論，我們舉例的模式只是便于大家理解后面的內容。
徐熠興（Ethan Xu）就告訴我們，在目前電力市場的運作模式下，普通用戶交的電費并不是直接跟負電價有相關性。有的地區可能受益，有的地方可能你還要倒貼錢。
負電價的話，基本上是只存在于電力批發市場上的。普通的用電用戶，他主要是在零售市場上，跟當地的電力公司去買電，所以普通用戶其實很少受到負電價的影響，而電力公司，它可能會根據整年的購電的平均的成本，向居民收取電費，他相當于，幫普通的用戶，平滑了電價的波動，所以普通用戶實際上是接觸不到負電價的。
在這種模式下，雖然居民沒接觸到負電價，也能享受到更低的用電成本。但有些地區的模式反而會給居民帶來額外負擔。比如部分歐洲地區。
在歐洲那邊，確實是有上網電價這樣的東西，是政府制定了用來保證，清潔能源的發電者，能夠有一個兜底的電價，所以當電力市場中它的批發電價低于上網電價的時候，政府會進行補貼，也就是說當出現負電價的時候，政府也會進行補貼，甚至補貼的比正電價還要更多，而這些確實是會轉嫁到消費者身上的。
因為要鼓勵清潔能源發展，要對他進行補貼的話，那政府就需要，找到這個錢去補貼清潔能源的發電者，而這個差價，政府就把這個成本就轉嫁到了消費者的頭上。
德國就有報告指出，當電網賣給企業的批發價格，低于付給發電站的上網電價時，其中的差額就會在加在零售市場的售價中，來彌補電網的運營成本，幾乎所有零售市場消費者，都需要在支付電費時繳納這項稅款。
批發市場電價更高，零售市場的附加費就會越低，反之，當批發價降到零以下，成為負價格的時候，零售市場用戶承擔的稅款就會增加。
而到了加州地區又不一樣了，由于政策支持，加州居民開始大量使用小型光伏發電設備，也就是屋頂的太陽能板，但這，反而可能讓公共電網的用電成本變得更高。
因為當更多家庭使用屋頂太陽能，他們從公共電網中購買電力將減少，電網發電與維護是有固定成本的，如果電網用戶減少，那每個人分攤的固定成本將變得更高，然后導致更多的用戶離開公共電網轉而擁抱光伏發電，并進一步提高公共電網的價格，這種情況被稱為“Utility death spiral”，公用事業死亡螺旋。
雖然新能源發電量，特別是太陽能在近年來出現飆升，也帶來了以上我們說的種種問題，同時也會引發環保人士對太陽能發電板的污染和能耗擔憂，但隨著碳中和成為全球各國和各大公司的目標，清潔能源的增長腳步依然不會停止。
國際能源署預測，到2025年時，可再生能源將超越煤炭發電，成為全球電力的主要來源。
美國銀行美國能源報告也顯示，預計到2030年，風能和太陽能分別將增加100GW和240GW的發電容量。
同時有分析預計，由于美國政府計劃到2050年實現net-zero“凈零排放”，將會帶動北美的太陽能產業市場規模從250億美元增長到1207億美元。
那么接下來我們再來回答一個問題：正如我們之前《AI電力爭奪戰》那期里提到的擔憂，隨著AI科技的爆發，美國將迎來新一輪電力需求的增長，那么大力發展清潔能源，是否能成為解決方案呢？
03 電能失衡與未來電力缺口
在回答這個問題之前，我們得先了解，為何美國一邊出現清潔能源過剩，另一邊卻頻繁爆出電力不足的新聞。
有些地方會有很多的清潔能源，但是它需要足夠多的電力傳輸線，把清潔能源從供電和太陽能資源比較豐富的地方，傳輸到用電中心。
但是美國的電力系統有這么一個問題，它不是一個連接得很好的電力系統，就美國西部、美國東部和德克薩斯州，它是三個相對獨立的電力系統。
同時在每一個獨立電力系統當中，各個地區的電力系統，它又是有一點各自為政的狀態，雖然它們之間是有一些電力傳輸的，但這個電力傳輸的能力并不夠大，所以這些電力并不能夠有效地，有效地傳輸到它真正需要被需要的地方。
其實這個問題的解決思路很簡單，那就是多建設清潔能源設施和電力傳輸線，美國政府也的確在推進相關政策，但在執行起來卻遇到了種種困難。
其中涉及到很多原因，比如說政治、政策、民意等等，就比如說用民意來舉例，其實美國人他希望你建設更多的電力傳輸線，但是他又不希望你在他家門口建立電力傳輸線。這就是普遍的一個想法，這個想法在美國有一個詞叫NIMBY，就 not in my backyard（別建在我家附近），就是你可以做對公共好的事情，但是不要在我家門口做。
有一個例子就是大概一兩年前，在美國的東北部地區，當時是想建一條 145 英里長的電力傳輸線，然后這個項目被因為法律的原因，被整整拖了兩年的時間。當地的一些環保主義者，和其他的一些組織提出來要反對建設這個電力傳輸線的，就他們的理由就是，建設電力傳輸線可能會需要砍樹，可能會影響到當地的生態等等。
根據徐熠興（Ethan Xu）對我們分享的數據，美國的電力傳輸線的建設大概每年以低于1%的速度在建設，而微軟能源戰略部的研究發現，如果美國真的要實現大規模的清潔電力，至少需要每年以大約2.5%左右的速度，去增長和擴建它自己的傳輸線和網絡，但現在的速度，是遠遠跟不上需要的速度的。
除了電力發展不均衡，隨著科技發展，未來不少行業將出現巨大的電力需求缺口。美國銀行發表的美國能源報告中，將美國用電增長主要歸納為三個原因：
第一個原因來自于AI發展。
我們之前的視頻講過，這兩年因為生成式AI的爆發，卷起了一股熱潮，不少科技巨頭紛紛斥巨資建設AI數據中心，帶來了龐大的用電需求。
徐熠興（Ethan Xu）
微軟能源戰略部 資深項目經理
數據中心這個行業大概會以每年15%左右的速度進行增長，像今天的話，數據中心只占到了美國整個用電量的2.5%左右，然后預計到2030年左右，數據中心占美國整個用電量的比重，會占到7.5%左右，所以這是一個比較大的飛躍。
而美國雖然電力發展早，但由于去工業化的理念，十多年來，整體用電并沒有較大增長，加上美國的基建能力較弱，導致電網建設速度跟不上AI的發展需求。
第二個原因是多個行業的電氣化。比如新能源汽車，雖然近期有所遇冷，但美國銀行認為，不論增長如何放緩，電車的整體數量依然會提升，那么充電需求還是會繼續增加。
數據表明，美國光是在2023年，小型電動車的電力需求就達到了1.6GW。大家可以看到，這個增長曲線還是非常陡峭的。
除了民用電動車外，不少中型和大型工業車輛，也正轉向電動化，這些車輛經常需要長途作業，工作時間和行駛里程相比民用車會更長。因此美國銀行估計，到2030年，電動汽車的發展將給美國帶來10GW的電力負擔。
還有樓宇的電氣化，比如說用電去代替室內的供暖，同時還有制造業的電氣化，就比如說很多傳統的制造業，它可能是用石油等等來提供能源的，現在也在想辦法，用電來的方式來替代某些的工業的生產流程。
第三個原因則是來自于工廠的建設與發展，也就是制造業的回流。
既然電動汽車是趨勢，那生產肯定不能少。比如說，美國銀行的數據就預計到2027年，美國境內電池工廠的電力需求將達到3.5GW。
同時，美國為了將外流的芯片制造產業遷回國內，推出了《芯片法案》，預計新的芯片增長和生產將繼續帶來2GW的需求。
綜合計算其他各大領域的增長需求，考慮到新增的清潔能源與即將退役的火力發電廠后，美國銀行認為，到2030年，電力需求將增加70GW，電網的穩定性會承受區域性的挑戰，火力發電可能無法滿足這些需求。
我們之前的視頻也提到過，急劇增長的用電需求，也對碳中和的目標提出了挑戰，那既然火力發電不夠了，發展清潔能源能否解決這些問題呢？
04 清潔能源如何撐起下一輪用電浪潮
我們目前面臨的現實是：一邊是清潔能源太多，導致電能溢出；而一邊電能缺口巨大，引發科技巨頭紛紛搶電。
在可控核聚變實現之前，目前的清潔能源行業能否支撐起下一輪電力需求增長呢？
我是認為大力發展清潔，是能夠非常有效地，填補電力的巨大需求的，但是我們要知道，電力系統它是一個需要實時平衡的系統。所以在大力發展清潔能源同時，也需要大力發展儲能，就保證清潔能源，能夠比較有效地利用起來。
儲能，將會是平衡清潔能源供需關系重要的一環。
電能存儲方式主要分為電池、抽水蓄能和制氫。抽水蓄能對地形要求高，建設成本大，而制氫成本也不低，目前的轉化效率大概只有40%，所以現在光伏電廠普遍采用電池方案，發電量過大時給電池充電，夜晚再讓電池放電，起到“削峰填谷”的作用。
雖然儲能技術、設備成本以及效率一直是個挑戰，但目前太陽能公司們，都在全力發展和優化儲能方案。
過去的十年左右，像光伏設備大概它的成本下降了有90%，而今天看起來，儲能設備很有可能會經歷跟光伏設備類似的，一個成本下降的過程。其實過去十年，儲能設備的成本已經下降了80%左右，所以我比較樂觀地認為，儲能設備的這個成本，之后幾年還會繼續下降，能夠更大規模地應用到電網當中。
除了儲能問題外，決定光伏發電能否支撐起這輪電力需求的另一個因素，就是單位面積的轉換效率，換句話說，光伏發電能否在占地盡量小的情況下，發出足夠的電能。
業內人士給我們舉了個很形象的例子，如果要支撐起全美國的用電，只需要鋪設一萬平方英里的太陽能板就行，如果把美國所有的高速公路都鋪上太陽能板，那發出來的電全美就用不完了。
但對于新能源發電來說，不論是光伏還是風能，都是要靠天吃飯的，在環境條件不理想的時候，還得靠傳統能源去補充。
所以清潔能源目前較大的瓶頸，就在于如何靈活調度。
其實在電力的這個發展過程中，我們是有一個所謂的不可能三角，一個就是可靠性，一個是清潔，還有一個是成本低廉。
對于清潔能源來說，它是滿足了這三個指標當中的清潔、成本低，但是因為清潔能源的發電需要靠天吃飯，它的可靠性是不太高的。
傳統的能源它也只是占到了這個不可能三角當中的兩個，一個是它可靠性比較高，因為你是隨時可以控制發電量，同時它的成本也不算特別高，但是傳統的發電它就是不夠清潔。
所以我們需要合理的搭配不同的發電技術，能夠實現這個不可能三角當中的每一項。
在未來的二三十年當中，這個清潔能源和傳統能源是會共存的，這樣才能保證電力系統中，能夠既可靠又有足夠多的清潔能源，同時成本還不是那么高。
為了解決靈活性的問題，不少公司開始使用AI打造的虛擬電廠來調控供電。
這樣的虛擬電廠沒有現實中的實體，它的主要功能在于調度電力，讓電能實現效率與經濟的最大化。
有了AI的加持，系統就能更準確的預測未來的情況。
比如接下來的天氣如何、未來的哪個時間、哪個地點的用電需求將如何變化、電價是提高還是降低等等，這樣就能控制儲能系統合理的充放電，或者將同一個電網內，電能過剩的發電設施，調度傳輸到需求更大的地區。
值得一提的是，虛擬電網技術，不光是可以用來調控清潔能源，還能平衡傳統能源的負載，讓清潔能源與傳統能源互相配合，達到最大化的利用。
雖然目前清潔能源的占比還不算高，全美可再生能源的發電比例僅占了21.4%，但根據路透社的消息，到2030年，清潔能源的發電占比將達到全球電力的三分之一以上。
我們也希望清潔能源能加速鋪開，在各種的技術面上，無論是效率、儲能還是虛擬電網，都能盡快繼續優化，也同時解決好太陽能面板面臨的一些爭議問題，讓全球減排目標進一步盡早實現。
特別是目前全球面臨新的一輪AI電力戰，人類對能源的需求，只會越來越大。
但科技發展的初衷，應該是創造更加美好的生活環境，如果文明進步是以犧牲環境為代價，這又何嘗不是舍本逐末呢？