我們為什麼不僅要知道大家用多少電，更要知道什麼時候用電？（上）

——精準分析電力需求是忽悠嗎？

【封面摘要】什麼時候用電與日常生活息息相關

10秒看全文

1. 相比於用多少電，什麼時候用電更能影響到整個電力系統；

2. 「什麼時候用多少電」比了解一共用多少電更困難更複雜；

3. 「什麼時候用多少電」是決定可再生能源、儲能技術等前沿科技的基石。

4. 經濟實惠、安全可靠、乾淨清潔地供電，需要知道「什麼時候用多少電」。

剛過去的非常愚蠢的「地球一小時」活動讓大家享受了一把節能的「心理滿足感」。不可否認，這個活動對於激發公眾節能意識起到了重要作用。但同樣需要說明的是，這個活動本身節能效果有限不說，更關鍵的是對電網安全帶來巨大威脅。為什麼明明少用電了卻說沒有節能？這和「什麼時候用多少電」有什麼關係？了解「什麼時候用多少電」有什麼複雜的？了解「什麼時候用多少電」有什麼價值？現在就聊聊這幾個問題。

一、為什麼需要了解「什麼時候用多少電」？

有人說，了解一共用多少電不就行了么，為什麼還需要了解「什麼時候用多少電」？最基本的原因有這樣兩個方面：其一，用電量一直在變動。這很好理解，這麼多用電終端，單拎我們最熟悉的家庭用電來說，有的家庭這會開燈了，有的家庭那會又開空調了，等等等等，這就導致了用電無時無刻不在變化（圖1-2，可以看出波動還很大）；其二，電這個產品，與其他產品有一些區別。你產一畝小麥，晒乾了在倉庫里放個把月基本壞不了；造一輛汽車，在4S店擱上幾天照樣賣。電就不一樣了：因為當前儲能的比重很小可以忽略不計，所以基本上隨發隨用。發多了用少了浪費是肯定不用說的了，還可能導致輸電系統過熱受損，損失更大；發少了用（需要）多了就斷電跳閘了。

圖1 美國一天24小時的用電變化（橙線：2016年7月31日；藍線：2016年8月1日）。來源：U.S.Energy Information Administration

[1]

圖2 加州地區一天24小時的用電變化（橙線：2016年7月31日；藍線：2016年8月1日）。 來源：U.S.Energy Information Administration

[1]

上述兩方面意味著，電廠需要通過不斷調整發電量來匹配實時波動的用電需求。但發電端和用電端有很大的不同：燈泡你可以隨時開隨時關，電廠卻不能隨時開隨時關，不能想開多大開多大，換句話說，電廠不能想什麼時候發多少電就發多少電——它存在技術極限。就像一輛汽車，你點著火得熱一下車吧，一腳油門下去時速從0到100km/h怎麼著也得需要那麼個幾秒鐘吧，你最高時速不能跟飛機一樣快吧，等等等等。還有，你在高速上勻速開著車，省油吧；你一會讓它剎車，一會讓它急加速，這油耗就嗖嗖上去了，而且這對車也有很大損耗啊。所以一般電廠都想充當那個一直在高速上跑的汽車，而不想充當這個一會急加速一會急剎車的汽車。

更關鍵的是，電力是一個系統。你可以把它理解成拖拉機（電力供給）拉大貨車（電力需求）。一開始在平地上跑，幾輛大拖拉機（代指大電廠，效率高）一起拉車正好不費勁；突然前邊出現一個大斜坡，這幾輛大拖拉機拉這個車就費了老勁了，累死累活拉不上去；趕緊找來幾個幫手，小拖拉機、小蹦子、甚至雪橇犬（各種小電廠，效率低）全派上陣了，一起連拖帶拽總算把這大貨車拉上坡。還沒在坡上走兩步，哎哎哎，怎麼剛爬上來就要下坡了（電力需求下降），趕緊剎車啊，剎不住就車毀人亡了。

這就是為什麼我們要知道「什麼時候用多少電」！只有知道「什麼時候用多少電」，才能了解哪裡有多大的坡，才能進一步規劃好該準備多少拖拉機，準備多少小蹦子，他們該分別在什麼時候派上用場，他們該有什麼加速剎車性能，等等。十輛拖拉機、五個小蹦子能幹的活，你準備二十輛拖拉機，那就是浪費，用大家流行的說法是產能過剩；但相反只準備了五輛拖拉機，那就等著斷電跳閘吧；但如果準備了十一輛拖拉機，就有得說道了，走平地還嫌浪費，但爬坡又不夠使，只能卸點貨車上的貨（調峰限電），這也是為啥中國又說電廠產能過剩但用電高峰期還給工廠限電停產的部分原因。

要知道，一個火電廠投資動輒數十億，建成後壽命往往超過40年，規劃不好隨便拆拆建建您各位能捨得？而且，電力作為一個重要能源形式，對經濟發展、人民生活改善、社會福利提升，以及環境保護和國家安全都有重要影響。該在什麼時候建什麼樣的電廠乃至電網系統，必須了解「什麼時候用多少電」。

簡要回應一下「地球一小時」為何沒有節能。「地球一小時」是給供電系統挖了一個「坑」啊：你一會急下坡又一會急上坡，電廠和電網哪受得了這些啊。這些拖車要麼選擇先急剎車後急加速，要麼選擇把連接拖車跟掛斗間的掛鉤斷開。現實中往往拖車加減速能力不行而選擇後者：發電廠的機器並沒有停，只是發的電沒有上網。因此，雖然用電量減少了，但是實際發電量並未減少，節能效果有限。

二、研究「什麼時候用多少電」有什麼複雜的？

有人說了，我現在知道了了解「什麼時候用多少電」很重要了，但，這還不簡單，你假設未來各個小時的用電曲線保持現在這個形狀而隨總的用電變化而同比例變化不就行了么，還費這麼大勁研究啥？這，就又有的說道了。

1. 先從宏觀說：

從人均來看，2014年我國一年的人均用電大約4千度，而美國人均用電大約1萬5千度

[2]

，差別大吧！再從結構上看，中國目前的用電結構是以工業為主，家庭和商業用電佔比相對較小

[3]

，這種用電結構與美國、日本、歐洲等發達國家有很大區別。中國目前工業用電佔了五分之四，家庭和商業用電加起來才五分之一（圖3）

[3]

；美國卻是工業、家庭、商業用電「三足鼎立」，各佔三分之一（圖4）。大家看出我國跟一些發達國家的區別了吧：我們國家即使這麼低的人均電力消費，還大部分是被工業用掉的，居民和商業用電之少可想而知。暫且不說工業電耗中有多少是為了其他國家生產產品用掉的，只看我國居民和商業這麼低的用電，就說明我國電氣化水平還遠遠不夠。說到底，這是我國人民口袋裡沒多少錢捨不得用電的原因：「樓上樓下，電燈電話」的生活普及才多少年，十多年前家裡還基本很少見冰箱、洗衣機等電器呢。儘管現在一些地方電器已經很普及了，但一些尤其是農村地區電器還遠沒普及。未來，隨著國家調整產業結構、居民腰包里更有錢，工業用電不見得怎麼漲，但家庭用電、商業用電、交通用電必然會大幅上升（圖5）

[4]

。

圖3 中國的用電結構（藍柱：居民用電；紅柱：商業用電）。來源：中國統計年鑒

[3]

圖4 中國與其他國家的家庭用電佔比的比較。來源：[4]

圖5 中國家庭用電的未來增長。來源：[4]

為什麼說這些宏觀的因素呢，因為它們對「什麼時候用多少電」有很大影響：工業用電相對平穩（工業生產中你不可能讓機器一會開一會停），但家庭用電、商業用電、交通用電波動很大。因此，隨著未來家庭、商業、交通用電的增長，我國未來電力需求肯定不會像現在這麼平穩，而是會出現更大的波動。這是宏觀來看研究「什麼時候用多少電」複雜所在。

2. 再從微觀說：

造成其複雜的原因一個是，不同電器用電方式很不一樣。電燈是晚上開，白天開著不就是浪費么；洗衣機不能跟電燈一個用法啊，沒見過到了晚上就開洗衣機的；電冰箱不能跟洗衣機一樣，想用就用，不想用就拔插銷，冰箱里的食物不就嗖了么；微波爐不能跟電冰箱一樣24小時開著，得到飯點用下；空調不能跟微波爐一樣，大冬天的到了飯點開個空調吹吹冷風估計不是正常人乾的事；等等等等。所以說，不同電器使用時間（開關情況）差別太大了（圖6-8）。

圖6 葡萄牙家庭用電中各個用電終端電耗。來源：[5]

圖71999年夏天加州用電高峰日的各個用電終端電耗。來源：[6]

圖8 墨西哥家庭典型日的各個用電終端電耗。來源：[7]

另一個是，不同電器推廣普及快慢不一樣啊（圖9）。眼前這位王老闆，別看現在有錢了開著特斯拉，當年可不是這樣：二十年前窮的只能點煤油燈；十五年前送快遞一月賺800才給家裡裝上了燈泡；十二年前開計程車賺了點小錢又給家裡置辦了彩電；十年前自己開始創業賺了點錢才又陸陸續續買了手機、電冰箱、洗衣機；以前大熱天還見他出來乘涼，現在大熱天不見他人，都是呆在空調屋裡玩平板電腦呢；據說他又要買那種裝著中央空調的大別墅了，哎呦，想想那麼大的房子里樓上樓下全都冬暖夏涼，羨慕啊。

圖9 中國人均消費支出與電器推廣普及率的關係。來源：[8]

當然，還有地域差異、城鄉差異、節能電器推廣普及、綠色建築推廣、「老破小」節能改造、氣候變化，等等因素需要考慮。以上這些因素共同導致的一個結果是，「什麼時候用多少電」就像一個豆蟲往前軲蛹（guyong）一樣，曲線波動是一直在變化的。只有具體了解各個用電終端的電力消耗及未來消費模式，才可能了解「什麼時候用多少電」。

上半場結束，下半場會有更多「什麼時候用多少電」的猛料跟你爆哦。本文只是作為一個引子，後續將會結合我們的一些研究進展，從中國當前的電力體制、未來改革、大眾參與、科技發展、政策設計等等方面一步步給您揭開能源相關領域的面紗。

我們的研究，關乎您期待已久的球賽是否因突然斷電而只能看重播，關乎您是以白菜價還是黃金價用上電，關乎您是否能脫離霧霾的魔爪。這些內容都會跟您身邊的科技發展、日常生活息息相關哦。

是不是感覺自己學到了很多內容呢？如有任何問題或建議，請與作者直接聯繫。您的支持，是我們研究者的最大動力。感謝各位。

註：本文對電廠與汽車以及電力系統與拖拉機拉貨車的類比，只是為了便於理解，必須說明的是它們之間技術等方面都有極大差異。同樣為了便於理解，文中涉及到經濟、政策、技術、數學、社會科學等方面的內容都進行了通俗化說明，較真起來應該有更複雜的機理以及需要更加嚴謹的表述。

下載鏈接

本文中的參考文獻（網頁版除外），均可通過網站removing barriers in the way of science下載（參考文獻4、7為尚未公開資料）。

參考文獻

[1] U.S. ELECTRICSYSTEM OPERATING DATA. https://www.eia.gov/beta/realtime_grid/#/summary/demand?end=20160801&start=20160725?ions=g.

[2] CIA, 2015. Theworld factbook. Central Intelligence Agency.

[3] 中國統計年鑒.《中國統計年鑒》-中國經濟與社會發展統計資料庫.

[4] Chineseresidential electricity consumption estimation and forecast using micro-data.

[5] Soares, A.,Gomes, á. and Antunes, C.H., 2014. Categorization of residential electricityconsumption as a basis for the assessment of the impacts of demand responseactions. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 30, pp.490-503.

[6] Koomey, J. andBrown, R.E., 2002. The role of building technologies in reducing andcontrolling peak electricity demand. Lawrence Berkeley NationalLaboratory.

[7] Characterizing the uncertaintyon future residential electricity demand in Latin America and the Caribbean:The case of Mexico.

[8] Auffhammer, M.and Wolfram, C.D., 2014. Powering up China: Income distributions andresidential electricity consumption. The American EconomicReview, 104(5), pp.575-580.

作者簡介

李明全，北京大學環境科學系博士（2009-2015）；美國杜克大學尼古拉斯環境學院博士後（2015至今）；研究方向：能源與環境政策;郵箱: limingquan2009@gmail.com，有問題歡迎進一步交流。

本文來自科言者(id: I_keyanzhe)，讓科學發聲

歡迎轉發，謝絕轉載

如有需要請聯繫keyanzhe2017@gmail.com

推薦閱讀：