在实现净零排放的路径中驾驭前所未有的电力需求增长

工作室报告W 在迈向碳中和的道路上管理前所未有的电力需求增长。 2024年四月 项目团队 埃内斯特J莫尼茨 CEO和总裁 亚历克斯基泽 高级副总裁兼首席运营官 马德琳戈特利布索姆堡 研究总监 迈克尔唐尼 副首席执行官 TatianaBrucedaSilva 项目经理及高级分析师贡献者 BethDowdy 研究助理 GraceMcInerney 研究实习生 额外贡献者约瑟夫S海兹尔 执行副总裁，财务主管 梅勒妮A肯德尔丁 执行副总裁，公司秘书 通讯团队大卫埃利斯 高级政策策略与拓展副总裁 艾丽西亚莫尔顿 通讯副总监 本坎宁安 平面设计师，MG策略及设计 复制编辑丹尼尔纳西斯 MHarrisCo 简赫特 MHarrisCo 研讨会参与者 亚利桑那公用事业公司（ArizonaPublicService，简称APS）阿诺德与波尔特 清洁空气行动组（CATF）杜克能源 能源与环境经济学（E3）EFI基金会 恩捷瑞（Entergy） 电力研究协会（ElectricPowerResearchInstitute，简称EPRI通用电气（GE）Vernova 电网策略微软 国家监管公用事业委员会（NARUC） 诺维策略 纽约立系统运营商（NYISO） PJM互联 西南电力池（SPP）美国堆叠栈公司 威尔金森巴克尔努尔联合律师事务所 报告赞助商 EFI基金会愿感谢亚利桑那公共服务公司（APS）、杜克能源公司和GEVernova对本项工作的赞助。本报告中的所有内容均立于其赞助。 建议引用：EFI基金会。“迈向零排放之路上的管理前所未有的电力需求增长。”2024年4月。 2024EFIFoundation 本出版物可在EFI基金会网站上以PDF格式获取，受CreativeCommons许可协议保护，允许复制和分发该出版物，但仅限其完整版，前提是需注明EFI基金会名称，并用于非商业性教育或公共政策目的。 wwwefifoundationorg EFI基金会通过基于证据的分析、思想领导和联盟建设，推进基于技术的气候变化解决方案。在第十三任美国能源部长ErnestJMoniz的领导下，EFI基金会进行严格的研究，通过技术创新、政策和企业模式创新，加速向低碳经济的转变。EFI基金会保持其公共和私人赞助商的编辑立性。 封面图片：iStock 2024EFIFoundation 目录表 摘要4 引言5 1近期预测很可能低估了实际负荷增长8 2管理近期负荷增长需要针对特定区域方法10 3利益相关者的协调一致对于应对负荷增长的两大挑战至关重要：管理可靠性和计划深度脱碳 15 4利益相关者寻求灵活性以管理负荷增长的未知性16 结论与下一步行动19 参考文献21 图表目录 图1北美电力可靠性公司的10年负荷增长预测趋势。6图2区域增长驱动因素 8图3PJM预计的负荷增长 10图4美国按来源分年度电力发电量 12图5电网区域数据中心增长估算13 摘要 作为美国努力应对气候危机之际，对脱碳的紧急推动与管理和近term电负荷增长的直接挑战形成鲜明对比。近期在《通胀削减法案》（IRA）、《基础设施投资与就业法案》 （IIJA）和《芯片与科学法案》等立法中提出的重新本土化清洁能源供应链的激励措施 ，引发了一些新的负荷需求，其中许多需要247的稳定电力。数据中心激增也是近term负荷增长的主要驱动因素，人工智能的快速扩张加剧了它们的负荷需求。在中到长期内 ，终端使用（如汽车、热泵和一些工业流程）的电气化增加进一步加剧了这一问题。为了利用这些经济发展机会，各州和地区正在寻求创造性的解决方案来应对负荷增长，例如建设电网基础设施和投资于加速清洁能源创新的项目。 现有基础设施的负荷增长困境正在加剧压力，解决这个问题需要创新解决方案和战略远见。许多公用事业公司大幅提高了预期的电力负荷增长，并提议通过增加现有和或新建热电厂的使用来在短期内解决这个问题。在经济发展与其相关的增加电力负荷和2030年宣布的公用事业脱碳目标之间的紧张关系，激发了重要讨论。 2024年2月12日，EFI基金会邀请来自公用事业、系统运营商、行业以及非政府组织近3 0位高级专家，包括前政策制定者和监管者、消费者以及设备（例如，涡轮机）制造商 ，讨论国家对许多地区近期宣布的创纪录负载增长的公告的影响。123 在研讨会上，识别出了一些将在负荷增长加速时代需要解决的问题。具体如下。 1负荷增长在全国和地区之间并不均匀，地区性影响了解决这一问题的工具。在资源可用性方面的区域差异，包括适合碳储存的适当地质以及水资源获取，以及风能和太阳能等发电资源的可用性，意味着解决负荷增长的战略必须针对区域资源、基础设施需求和限制进行定制，尤其是在短期内。 2负荷增长预计将进一步加速。数据中心目前占据头条新闻，但新的制造业与交通 、空间供暖和工业的电气化将在未来几十年对电网造成更大的压力。 3确保可靠性和弹性至关重要。虽然增强电网的技术和储能解决方案可能减轻近期的负荷增长挑战，但新的燃气发电能力将上线以提供稳定的电力。因此，短期内电力部门的排放可能增加，而 长期提前期内的发电和输电将有助于长期内解决排放问题。 4政策需要协调一致。新提案寻求在最近促进电气化的政策之后限制电力行业的排放。这些提案可能会限制该行业满足不断增加的负荷需求的能力。如果美国继续鼓励电气化，将需要补充政策来加快电网现代化。 5非常大、意外的负载，如吉瓦级数据中心园区，可能要求公用事业公司重新思考他们的五年计划。从长远来看，电网管理人员可能还需要制定相关框架和监管结构，以实现更积极主动的基础设施建设。 6尽管诉讼威胁长期以来一直被视为建设新基础设施的严重障碍，但其普遍性却在增加，现在似乎渗透了整个政治光谱。 引言 全球经济向碳中和的转型将严重依赖于电力行业的成功脱碳。多年来，相对平稳的电力需求为电网运营商提供了对实现零碳排放所需的清洁能源资源规模的清晰和确定性的看法。现在，部分受到国内制造业重大激励措施、交通运输、建筑和工业电气化趋势、整个经济体的清洁能源目标，以及数据中心和人工智能领域的新投资推动，电力负荷增长速度可能在今后五年内翻一番甚至三番（图1）。4a这些负荷增长趋势对电力行业具有潜在的范式转变意义，将对短期内系统可靠性产生影响，并改变中期深度脱碳的进程。 一个电力负荷是指满足电网中所有客户需求的电量。例如，一个新的数据中心可能需要750兆瓦（MW）的电力容量。一旦它接入电网，数据中心将增加750兆瓦的负荷。电网管理者现在面临着为意外增长的新负荷提供服务的新挑战。 图1北美电力可靠性公司的10年负荷增长预测趋势 在过去十年中，北美电力可靠性公司报道称电网规划师仅预测了05的年电力负荷增长。然而，2023年，这一预测变为09，如图中蓝色方框所示。地区公用事业概况文件显示，电力负荷的增长可能会超过这一预测。资料来源：北美电力可靠性公司，《长期可靠性评估》，2022年12月，第20页，补充表F，httpswwwnerccompaRAPAraReliability20Assessments20DLNERCLTRA2022pdf 在查塔姆豪斯规则下举行b私人EFI基金会负荷增长研讨会旨在引发利益相关者对这些最新趋势的机会和挑战的讨论，解决以下问题： 什么因素导致近中期负荷增长预测可能发生范式转变？ 在未来一至五年内，满足电力需求的紧迫需求是什么，以及利益相关者如何确保到本世纪中叶实现行业的脱碳？ 如何通过长期规划和协调有效促进到本世纪中叶实现一个可靠、无碳的电力电网的转型？ 研讨会讨论明确指出，利益相关者正在努力应对新的现实。之前未曾预见的负荷增长给继续退役燃煤电厂、整合可再生能源以及维护可靠性带来了挑战。然而，在迈向长期气候目标的道路上，公用事业公司、系统运营商和政策制定者也有责任 b报告中的未署名引言均源自研讨会讨论。 主动合作并规划支持清洁、可靠、经济的技术的未来的一个机会。 四个主要主题在对话中浮现： 1近期预测可能低估了实际负载增长。 参与者们一致认为，预测电力负荷增长速度将在五年内翻倍可能是低估了，因为更多的公用事业公司正在更新他们的负荷增长预测。5这强化了这样一个观点：对于短期和中期而言，需求平稳的时代已经真正结束。 2管理短期负荷增长需要采取区域特定的方法。美国各地区的负荷增长速度不同，对于其管理也拥有不同的选择。显而易见的是，可靠且价格合理的电力在城市、州和地区努力实现气候目标时不能妥协。然而，现有的技术中很少有能提供更清洁、可靠且价格合理的电力的。为了满足近期的需求，低碳强度的天然气发电符合包括通货膨胀减少法案（IRA）中的甲烷排放费在内的各项联邦政策。增强电网的技术、需求侧管理、传输和分配系统投资以及储能也能有所帮助。同时，持续投资于研究、开发和示范项目对于实现和部署像碳捕集与封存（CCS）、清洁氢、小型模块化反应堆和长期储能等先进清洁能源技术至关重要。 3利益相关者的一致性对于应对负荷增长的双重挑战至关重要：管理可靠性和规划深度脱碳。虽然确定性的问题在多个维度上进行了讨论，但明确的是，集体管理重大新负荷的关键利益相关者必须协调一致，以进行必要的投资，包括发电、输电和配电 以及其他有助于管理系统的资源。例如，政策制定者和监管机构如何为项目释放大量私人资本？需要在大规模负荷与电网规划者和运营商的紧密协调下开发新的负荷。 股东们寻求灵活性以管理负荷增长的不确定性。 投资者、电网管理人员和终端用户都在寻求确定性：新的需求是否会实现，以证明对发电和输电基础设施的投资是合理的，并且是否会在预期的时程内实现？如果电价上涨（一些利益相关者预期如此），这将反过来减少未来的负荷增长吗？提高透明度和合作可以减少不确定性。持久性的政策对于投资者有信心部署大量资本到项目中也是至关重要的。 鉴于许多主题的跨学科性质，一些主题在本工作坊报告中反复出现，正如在对话中一样 。这些跨学科主题表明，决策者必须将这些议题以及许多其他议题整体考虑。 1 近期预测可能低估了实际负载增长。 五年前，我们工业领域的增长相对平稳。当然，数据中心是在增长的，但并不是现在这种突然的速度，所以我认为这只是一个向新时代转变的挑战。 10年前，每个人都认为25兆瓦（MW）的负载很大。而现在的负载则巨大725兆瓦（MW）。c 近期以来，电力部门的需求相对稳定。然而，近年来，对大型新负荷来源制造业设施和数据中心的投资已达到6300亿美元。6这部分快速增长部分是由于近期立法推动的：基础设施投资与就业法案（IIJA）、通胀减免法案（IRA）以及芯片与科学法案（图2）。7尽管来自公用事业、区域传输组织（RTO）、分析师和其他人的最新预测正在向上修订，以考虑到这些投资，但研讨会参与者一致认为，这些预测落后于经济发展指标。 图2区域增长动力 在近年来，电网规划者的负荷预测指向了经济增长、人口增长、温度模式， 并且，电气化作为推动电力需求的因素。然而，在上述八个负荷预测中，数据中心 （包括加密货币和人工智能）以及工业设施（主要为电池和汽车，但也包括其他领域） 氢工厂（hydrogenplants）是这种突然增长的负荷增长预期的主要驱动因素。改写自：约翰D威尔逊（JohnDWilson）并且ZachZimmerman，电网策略：《平缓电力需求时代已结束》，2023年12月， httpsgridstrategiesllccomwpcontentuploads202312NationalLoadGrowthReport2023pdf c如前所述，由于研讨会是在切特豪斯规则下举行的，因此参与者的话语未经署名。 在迈向碳中和的道路上，经济实惠且可靠的电力是不容谈判的。一位参与者总结了对讨论组的评论说：“我们首要的责任是可靠性确保光明不灭。”随着快速电气化、制造业以及需要更多能源的广泛数据中心对电力的需求增长，发电和输电容量必须充足以满足需求。这种容量还必须能够整合清洁能源，否则本行业的脱碳目标将受到破坏。