نکات برجسته
- •منابع هزینه سوخت صفر می توانند هزینه های فرصتی داشته باشند که بر شکل گیری قیمت تأثیر می گذارد.
- •کربن زدایی می تواند کفایت منابع و چالش های کفایت درآمد را افزایش دهد.
- •مکانیسم های مختلف بازار ممکن است برای اطمینان از انعطاف پذیری سیستم در نظر گرفته شود.
- •ذخیره انرژی و پاسخ به تقاضا نقش بیشتری در شکل‌گیری قیمت خواهد داشت.
- •بسیاری از سوالات و فرصت های تحقیقاتی حل نشده بازار کربن صفر باقی مانده است.
چکیده
سیستم‌های برق آینده تحت سلطه منابع تولید کربن صفر ممکن است نیاز به بازنگری قابل توجهی در طرح‌های بازار برق داشته باشند تا از کفایت ظرفیت و کارایی بازار اطمینان حاصل شود. در این مقاله، ابتدا به صورت مفهومی اصول کلیدی اساسی طراحی بازار برق و شکل‌گیری قیمت در بازارهای برق ایالات متحده را بیان می‌کنیم. سپس مجموعه‌ای از چالش‌های بالقوه طراحی بازار مربوط به شکل‌گیری قیمت را در شبکه‌ای تحت سلطه منابع کربن صفر با پروفایل‌های هزینه نهایی که در مقایسه با منابع حرارتی سنتی متفاوت است، مورد بحث قرار می‌دهیم. در مرحله بعد، راه‌حل‌های طراحی بازار برق را که در ادبیات برای اطمینان از کارایی بازار در سیستم‌های کربن صفر، و پیامدهای مرتبط با شکل‌گیری قیمت پیشنهاد شده‌اند، مرور می‌کنیم. ما با جمع‌بندی مشاهدات کلیدی و ایجاد مجموعه‌ای از سؤالات تحقیقاتی که باید برای بهبود درک ما از طراحی بازار، شکل‌گیری قیمت و کارایی بازار در سیستم‌های قدرت کربن صفر مورد بررسی قرار گیرند، نتیجه‌گیری می‌کنیم.
مقدمه
با کاهش شدید هزینه‌های فناوری‌های تولید تجدیدپذیر و نگرانی‌های مربوط به انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از تولید سوخت‌های فسیلی، نصب ظرفیت تولید برق با کربن صفر به سرعت در سراسر جهان در دهه گذشته افزایش یافته است [1]. یکی از ویژگی های مهم بسیاری از منابع تولید کربن صفر این است که هزینه سوخت مستقیم ندارند و در برخی موارد اساساً هزینه نهایی تولید آنها صفر است. این ویژگی آنها را از فناوری های متداول تولید سوخت فسیلی متمایز می کند که سوخت هایی با هزینه غیر صفر برای تولید برق مصرف می کنند.
در حالی که بسیاری از فناوری‌های کربن صفر اساساً هزینه تولید نهایی صفر دارند (مثلاً بادی و خورشیدی)، این مورد برای همه این فناوری‌ها صادق نیست. به عنوان مثال، اپراتورهای تاسیسات برق آبی که شامل مخازن می‌شوند ممکن است مستقیماً برای آبی که به عنوان منبع سوخت استفاده می‌کنند پرداخت نکنند، اما از آنجایی که تامین آب محدود است و آب می‌تواند ذخیره شود، اپراتورهای تاسیسات برق آبی هنگام رهاسازی آب از طریق توربین‌های خود برای تولید برق با هزینه‌های فرصت مواجه می‌شوند: اگر ذخیره شود آب ممکن است برای تولید در زمان بعدی ارزشمندتر باشد. منطق مشابهی در مورد دارایی های ذخیره انرژی مانند باتری ها اعمال می شود. سایر منابع کم کربن مستقیماً سوخت را با هزینه غیر صفر مصرف می کنند، یا یک سوخت کربن خنثی مانند زیست توده یا هیدروژن سبز یا یک سوخت کربن فشرده همراه با جذب و جداسازی کربن (CCS). علاوه بر این، منابع هسته‌ای متحمل هزینه‌های سوخت می‌شوند، اما این هزینه‌ها عموماً یک عنصر هزینه ثابت هستند، زیرا سوخت‌گیری مجدد معمولاً بدون توجه به اعزام نیروگاه در یک بازه زمانی ثابت انجام می‌شود [2]. علاوه بر این، مدیریت سمت تقاضا، که شامل مکانیسم‌های پاسخ تقاضای متعدد (DR) است، به یک منبع کربن صفر مهم برای متعادل کردن عرضه و تقاضا تبدیل خواهد شد، که با تغییر به سمت سیستم‌های تحت سلطه منابع انرژی تجدیدپذیر متغیر (VRE) چالش‌برانگیزتر می‌شود. به طور خاص، چنین مکانیزم‌های سمت تقاضا می‌توانند بارهای پیک را کاهش دهند و به جابجایی بار در شرایط کمیابی، بدون انتشار هیچ گونه انتشار کمک کنند. هزینه نهایی مرتبط بسته به مکانیسم های DR خاص که استفاده می شود متفاوت است. به عنوان مثال، جابجایی بار ممکن است هزینه فرصت مرتبطی داشته باشد که به ترجیحات مصرف کننده و همچنین شرایط سیستم گسترده تر، مشابه سایر منابع محدود انرژی مانند ذخیره انرژی بستگی دارد. در مقابل، کاهش بار هزینه مستقیمی را برای مصرف کنندگان به همراه دارد زیرا مصرف برق خود را کاهش می دهند. از منظر سیستم، این هزینه کاهش بار می تواند متغیر یا ثابت باشد، بسته به اینکه مصرف کنندگان به عنوان تابعی از مقدار کاهش بار در یک زمان معین جبران می کنند یا با یک جبران خسارت ثابت در یک دوره زمانی طولانی تر. جدول 1 این دسته بندی سوخت و هزینه های نهایی برای منابع برق بدون کربن، از جمله تولید، ذخیره انرژی و پاسخ به تقاضا را نشان می دهد.
در این مقاله، ما بر روی این موضوع تمرکز می‌کنیم که چگونه گسترش مقیاس بزرگ منابعی که دارای هزینه نهایی صفر (ZMC) یا هزینه سوخت صفر (ZFC) هستند (یعنی هم ستون سمت چپ و هم ردیف پایین در جدول 1) ممکن است بر شکل‌گیری قیمت در بازارهای برق تأثیر بگذارد. ما این مجموعه خاص از منابع را در نظر می گیریم زیرا حضور فزاینده آنها در مجموع نشان دهنده یک تغییر بالقوه در شکل گیری قیمت و نتایج بازار در مقایسه با سیستم های سنتی تحت سلطه منابع با هزینه های سوخت متغیر است. علاوه بر این، بسیار محتمل است که منابع ZMC و ZFC بر اساس سطح کنونی استقرار، بلوغ فناوری و مسیرهای هزینه پیش‌بینی‌شده، نقش غالبی در آینده‌ای با کربن صفر داشته باشند. برای سادگی، ما از عبارت کلی «کربن صفر» در سراسر این مقاله استفاده خواهیم کرد، با این درک ضمنی که ما به طور خاص به مسائل بازار اشاره می کنیم که ممکن است ناشی از مشارکت نسبتاً زیاد – اما نه لزوماً منحصر به فرد – از منابع ZMC و ZFC باشد.
سیستم‌هایی با منابع قابل توجه کربن صفر ممکن است نیاز به تغییرات اساسی در نحوه عملکرد بازارهای برق داشته باشند. اولاً، در یک بازار کربن صفر، روش سنتی ارسال اقتصادی مبتنی بر سفارش شایستگی می‌تواند منجر به قیمت‌های پایین یا صفر برای دوره‌های طولانی شود [3]، زیرا این منابع با هزینه‌های نهایی صفر احتمالاً منابع سیستم حاشیه‌ای هستند. علاوه بر این، اگر هزینه‌های پیشنهادی برای اکثر تولیدکنندگان برق یکسان باشد، ترکیب منابع کربن صفر می‌تواند چالش‌هایی را در تعیین برنامه‌های اعزام ایجاد کند. علاوه بر این، قیمت‌های حاصل ممکن است چالش‌های کفایت درآمد را تشدید کند و انگیزه ایجاد تغییرات در طراحی بازار برای کمک به اطمینان از کفایت درآمد بلندمدت و کفایت منابع سیستم باشد [4،5،6،7،8،9،10،11].
ثانیاً، سیستمی با منابع تولید کربن صفر قابل توجهی می‌تواند کمبود عرضه مکرر و کمبود سیستم مربوطه را تجربه کند، مگر اینکه منابع دیگری برای پاسخگویی به تقاضا در دسترس باشد. دلیل آن این است که بسیاری از فناوری‌های تولید کربن صفر وابسته به آب و هوا هستند و بنابراین در دسترس بودن منابع آنها متغیر و نامشخص است. منابع محدود انرژی (به عنوان مثال، باتری ها، انرژی آبی با مخازن، پاسخ به تقاضا) در یک سیستم قدرت کربن زدایی شده اهمیت بیشتری پیدا می کنند زیرا می توانند تعادل تولید تجدیدپذیر متغیر و تقاضای برق را در طول زمان (یعنی در شرایط عادی و کمیابی) تسهیل کنند. هنگام برنامه‌ریزی این منابع محدود انرژی، اپراتورهای سیستم باید در نظر بگیرند که آیا ارسال فوری را انجام دهند یا به تاخیر انداختن ارسال تا هزینه‌های کلی سیستم را با استفاده از قابلیت‌های ذخیره‌سازی کاهش دهند. به طور مشابه، خود منابع باید استراتژی‌های مشارکت در بازار را برای مدیریت وضعیت شارژ خود و بهینه‌سازی درآمدهای مورد انتظار خود توسعه دهند. این توانایی برای به تاخیر انداختن تخلیه یا شارژ ذخیره سازی، هزینه فرصتی را معرفی می کند که باید در هنگام بهره برداری از سیستم قدرت در نظر گرفته شود [12]. به طور خاص، اگرچه منابع ذخیره سازی هزینه سوخت مستقیم ندارند، اما هزینه فرصت آنها را می توان هزینه نهایی غیر صفر در نظر گرفت. هنگامی که منابع ذخیره سازی تولید کننده نهایی در سیستم هستند، هزینه و قیمت نهایی سیستم برابر با هزینه فرصت ذخیره سازی است که اغلب غیر صفر است، حتی در سیستم هایی که تحت سلطه منابع کربن صفر هستند. از این رو، اصول برنامه‌ریزی بهینه و ارسال ذخیره‌سازی انرژی احتمالاً برای درک شکل‌گیری قیمت انرژی در سیستم‌های کربن صفر مهم‌تر خواهد شد.
ثالثاً، یک سیستم با مقدار قابل توجهی VRE به انعطاف پذیری بیشتری برای سازگاری با نوسانات ناشی از آب و هوا در خروجی VRE و مطابقت مداوم عرضه و تقاضای برق در زمان واقعی نیاز دارد. طیف وسیعی از راه حل ها در حال حاضر در حال توسعه، آزمایش و استفاده برای رفع نیازهای انعطاف پذیری در عملیات کوتاه مدت و برنامه ریزی بلند مدت هستند. به عنوان مثال، برای عملیات کوتاه مدت، اپراتورهای بازار در دو بازار ایالات متحده (CAISO و MISO) الزامات ذخیره جدیدی را برای به دست آوردن ظرفیت رمپینگ انعطاف پذیر اعمال کرده اند [13،14]. علاوه بر این، قوانینی برای تعیین الزامات سیستم برای انواع موجود و جدید خدمات جانبی در حال به روز رسانی هستند تا نیازهای قابلیت اطمینان سیستم را بهتر درک کنند. در برنامه ریزی بلندمدت ظرفیت، انعطاف پذیری سیستم به عنوان یک مشخصه جدید مورد نیاز ظرفیت تولید در برخی سیستم ها معرفی شده است [15] که مقدار (یا درصد) از ظرفیت کل منابع را که باید الزامات انعطاف پذیر خاصی را برآورده کند، تعریف می کند، به طوری که سیستم در آینده از انعطاف کافی برخوردار باشد. توسعه، استفاده و پرداخت منابع منعطف بدون کربن، مانند انرژی آبی مخزن و ذخیره پمپ، باتری ها، هیدروژن سبز یا زیست توده، به طراحی بازار برق و نحوه جبران انعطاف پذیری در سیستم های آینده توسط بازارها بستگی دارد.
این بحث بر چالش‌هایی تأکید می‌کند که با تجربه تغییرات عمیق در ترکیب منابع در طول انتقال به یک شبکه برق صفر کربن، سیستم‌های قدرت با آن مواجه خواهند شد. تسلط احتمالی منابع با هزینه های نهایی یا سوخت صفر، نیاز به بازبینی منطق توزیع، شکل گیری قیمت و مشوق های مربوطه را برای فعالان بازار برق ایجاد می کند. در حال حاضر بحث‌های گسترده‌ای پیرامون عناصر کلیدی طراحی بازار برق وجود دارد که برای اطمینان از کارایی بازار، قابلیت اطمینان سیستم و کفایت منابع با تکامل ترکیب‌های منابع مورد نیاز است. در Ref. [16]، گرین طرح های بازار در ایالات متحده و اروپا را بررسی و مقایسه می کند و پیشنهاد می کند که طرح های بازار در ایالات متحده باید با افزایش تولید کربن کم کارآمدتر شوند. Botterud و Auer [17] همچنین طراحی های بازار ایالات متحده و اروپا را با توجه به انتقال انرژی در حال انجام، با تمرکز بر کفایت منابع مقایسه می کنند. هوگان چالش‌های مرتبط با استقرار تولید انرژی‌های تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ در بازارهای برق و اهمیت سیگنال‌ها و مشوق‌های قیمت مناسب در بازارهای عمده‌فروشی را مورد بحث قرار می‌دهد [4]. در Ref. [18]، هوگان چندین عنصر کلیدی طراحی بازار کارآمد را در سیستمی با نفوذ فزاینده تولید تجدیدپذیر بررسی می‌کند و اهمیت بهبود قیمت‌گذاری کمبود، مشارکت تقاضا و قیمت‌گذاری کربن را برجسته می‌کند. در Ref. [19]، Conejo و Sioshansi اصول کلی مهمی را برای طرح‌های آینده بازار عمده‌فروشی برق مورد بحث قرار می‌دهند. در Ref. [20]، هاوگن و همکاران. مدل‌های شبیه‌سازی بازار را بررسی کنید و ویژگی‌ها و پیشرفت‌های مدل را برجسته کنید که برای رفع نیازهای بازارهای آینده از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند. در Ref. [21]، هولت چالش‌های طراحی بازار عمده‌فروشی برق را در سیستم‌های قدرت کربن‌زدایی شده، با تمرکز بر نمایش پاسخ تقاضا، ذخیره‌سازی، قیمت‌گذاری کمبود، بازارهای ظرفیت و قراردادهای بلندمدت بررسی می‌کند. در Ref. [22]، Bublitz و همکاران. بررسی مکانیسم‌های پاداش ظرفیت که امنیت عرضه برق را در بازاری با سهم رو به رشد VRE بهبود می‌بخشد. چندین بررسی اضافی در مورد مسائل مشابه در زمینه بازارهای منطقه ای خاص از جمله ایالات متحده [23،24،25]، آمریکای لاتین [26]، اروپا [27،28،29،30،31]، استرالیا [32] و به طور کلی برای کشورهای در حال توسعه [33] بحث می کنند.
این مقاله متون موجود مربوط به بازارهای برق را در سیستم‌های تحت سلطه منابع کربن صفر با ارائه کمک‌های کلیدی زیر تکمیل می‌کند: (1) دسته‌بندی سیستماتیک منابع صفر کربن بر اساس هزینه نهایی و هزینه سوخت. (2) بررسی چالش‌های طراحی بازار برق و شکل‌گیری قیمت، به ویژه با تمرکز بر چالش‌های مربوط به کفایت درآمد، انعطاف‌پذیری و قابلیت اطمینان، و کاهش قدرت بازار؛ (3) بررسی راه حل های طراحی بازار که به طور خاص برای اطمینان از کارایی و قابلیت اطمینان در سیستم های کربن صفر در آینده پیشنهاد شده است. (4) بحث در مورد ویژگی های خاص منابع کربن صفر که با نزدیک شدن به کربن زدایی کامل اهمیت فزاینده ای خواهد داشت. و (5) مجموعه ای از سوالات حل نشده و فرصت های تحقیقاتی که از بررسی پدید می آیند. به طور خاص، در بخش 2، مفاهیم کلی طراحی بازار برق را به طور مختصر معرفی می کنیم و چالش های یک سیستم کربن صفر را توضیح می دهیم. در بخش 3، ما پیشنهادات مختلف از ادبیات را برای طراحی بازارهای برق به منظور عملکرد کارآمد با ترکیب منابع کربن صفر مورد بحث قرار می دهیم. بخش 4 مروری بر این چالش ها، به ویژه از منظر منابع ارائه انعطاف پذیری و ذخیره سازی برای سیستم ارائه می دهد. بخش 5 نتیجه گیری و توصیه های ما را برای تحقیقات آتی ارائه می کند.
قطعات بخش
چالش‌های طراحی بازار برق و شکل‌گیری قیمت در یک سیستم قدرت کربن صفر
بازارهای برق ایالات متحده از زمان شروع تجدید ساختار صنعت در دهه 1990 تکامل یافته است. اگرچه بین بازارهای منطقه ای تفاوت هایی وجود دارد، اما آنها عمدتاً از اصول یکسانی برای برنامه ریزی، اعزام و تسویه بازار پیروی می کنند. همانطور که در بخش 1 بحث شد، بازار برق بدون کربن با تغییرات اساسی جدید روبرو خواهد شد. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، از آنجایی که منابع هزینه حاشیه ای کم یا صفر بر ترکیب منابع تسلط دارند، اولین بخش منحنی عرضه شامل منابع ZMC خواهد بود.
طرح‌های بازار بالقوه برای سیستم‌های کربن صفر
چندین طرح مختلف بازار برق برای کمک به اطمینان از کفایت منابع، امنیت عرضه، قابلیت اطمینان و سیگنال‌های قیمت دقیق برای سرمایه‌گذاری بلندمدت و عملیات کوتاه‌مدت پیشنهاد شده است، زیرا سیستم‌ها به استفاده از منابع کربن صفر بیشتری ادامه می‌دهند. اکثر طرح های پیشنهادی الحاق مستقیم طرح های موجود در بازار هستند. سایر پیشنهادها انحرافات رادیکال تری از رویه فعلی را تشکیل می دهند. جدول 2 تعدادی از راه حل های ممکن طراحی بازار مربوط به را خلاصه می کند
ویژگی های کلیدی منابع
چندین ویژگی مهم منابع طرف عرضه و تقاضا وجود دارد که نقش مهمی را در بازارهای کربن صفر ایفا خواهند کرد. این موارد عبارتند از:
- (1)
قابلیت پاسخگویی به قیمت و افزایش قیمت منابعی که قابل ارسال هستند و قادر به تغییر سریع خروجی یا مصرف در مورد منبع تقاضا برای پاسخ به سیگنال‌های قیمت برق هستند، در سیستم‌های کربن صفر، به ویژه آنهایی که تحت سلطه تولید باد و خورشید هستند، ارزش فزاینده‌ای خواهند داشت. ارزش از
نتیجه گیری و سوالات تحقیق باز
ما با خلاصه کردن چند یافته کلیدی که از بررسی و بحث بالا به همراه برخی از جهت‌گیری‌ها برای تحقیقات آتی به‌دست می‌آیند، به طور خلاصه نتیجه‌گیری می‌کنیم.
Leave A Comment