M6米乐清洁能源城市︱贰：从纽约到东京十七座全球城市能源转型的五大模式本文获取了包括纽约、东京、巴黎、斯德哥尔摩等在内的17个国际城市相关数据，构建了涵盖人口、能源脱碳、城市灵活性和用户灵活性等四大类17项指标体系。在此基础上，我们将城市的能源系统划分为链接型、自由市场型、可扩展型、分布型和机会型五大类，对各类城市的清洁能源转型进行了分析。

　　本文的分析中，我们获取了全球 17 个城市数据，选择不同类型来代表城市规模、城市结构、能源生产和消费率以及能源市场结构的组合。这些类型并不完全适合一个城市，但它们是城市了解潜在的解决方案的起点。同样，我们并未涵盖所有可能的类型，但我们涵盖了的类型有助于所有城市了解未来清洁能源系统的可用杠杆范围。

　　对于每个城市，我们测量了与未来能源系统关键指标相关的数据，我们将这些指标分为四大类：(1) 人口统计，(2) 脱碳，(3) 城市灵活性，以及(4) 消费者灵活性。人口趋势衡量城市的总体规模和密度。脱碳衡量国家目前对可再生能源发电能力的投资，以及有多少供暖和交通运输是电气化的。城市灵活性是未来能源系统分散化的衡量标准——整个城市的混合能源分布情况，以及城市中心附近当地发电和储能的潜力。消费者灵活性是衡量未来能源系统数字化程度的指标——从国家的电价改革到数字技能和公众对气候变化风险的认知。

　　图五：约翰内斯堡，可扩展型城市，其太阳能资源比其他类型高52%。bullterriere via Unsplash

　　· 可变可再生能源发电容量：覆盖城市的配电网络中可变可再生能源发电和储能（风能、太阳能、水力发电、生物质能和电池）的容量

　　· 供暖和/或制冷度日：度日为每日平均温度和舒适温度（供暖到18摄氏度，制冷到21摄氏度）之间的差别

　　· 土地混合使用：以Herfindahl-Hirschman市场集中指数衡量，土地使用集中在市中心周围125平方公里的区域

　　· 城市附近当地发电的潜在土地：市中心周围125平方公里范围内可供场外发电的绿地和开放空间数量

　　· 太阳能屋顶发电潜力：由净零排放中心设计的评分系统，将市中心周围125平方公里地区可供发电的总土地和建筑屋顶与城市高辐射的日子相结合

　　· 风力发电潜力：由净零排放中心设计的评分系统，将市中心周围125平方公里地区可用于发电的总土地与城市的大风天数相结合

　　· 电力市场创新：净零排放中心根据在批发市场使用定位市场定价以及在零售市场使用实时或其他峰值定价费率的评分系统

　　· 电网开放数据：净零排放中设计的覆盖大都市地区的输电网络运营商、电力系统运营商和配电网络运营商的开放性的评分系统

　　· 能源需求的历史变化：自1980年以来，该国电力需求的变化到2019年新冠疫情流行前的水平

　　重要的是要确保所有变量都在同一尺度上测量，否则其潜在值范围较大的变量可能会具有不成比例的权重。使用最小最大归一化或范围标准化技术对变量进行标准化，该技术产生0到1范围的输出值。然后，对于每个变量，重新缩放值的范围，将所有城市的平均值设置为零。

　　大量人口集中在城市群中，靠近商业和非商业用途，可变可再生能源和分布式能源的空间有限，电动汽车渗透率高，数字化和二氧化碳目标已经到位并推进。

　　孤立的横向混合城市的人口众多，城市周围有可用的可变可再生能源和空间，电动汽车渗透率低，但在电力市场的数字化和创新方面得分很高

　　人口增长率高的分散型城市，可变可再生能源高，城市周围有大量可用土地，电动汽车普及率和零售创新适中，但批发市场发展先进。

　　周围有大规模的可变再生能源的分散型城市，越来越多地采用电动汽车，但只有中等数字技能，创新的零售价格以最大限度地提高当地可再生能源消费。

　　密集但较小的城市，拥有丰富的资源和土地，与规模相比，商业建筑面积充足，电动汽车渗透率和数字技能一般，零售价格创新最大。

　　在脱碳能源系统中，供暖、制冷和运输都由电力而非化石燃料提供燃料，因此对电网的需求将会增加。这一需求的增加将源于热泵和电动汽车等行业采用低碳技术，其中许多技术是可靠的，政府目前鼓励消费者采用这些技术作为政府追求净零排放的一部分。电力系统运营商和网络运营商感兴趣的是消费者灵活性的潜力，来减轻其中一些额外的需求。

　　净零排放中心过去的研究表明，消费者的确会根据价格信号对他们的需求做出高达60%的改变，这被经济学家称为“价格弹性”。与Cramton Associates 的合作显示实时电价（电池、电动汽车和太阳能电池板）的分布式能源业主在电价昂贵的高峰时间段降低了他们的需求，拥有所有这些资产的业主降低了60%左右，只拥有一辆电动汽车或者一个太阳能充电板的业主降低了40%（参考文献2，请后台留言联系我们下载）。这些实时电价反映了英国的批发市场。这个市场通常从成本最低的风能、太阳能和核能，到成本最高的天然气和煤炭进行电力调度。

　　Octopus Energy和国家电网ESO的CrowdFlex 项目显示，在“Big Dirty Turn Down”活动中，根据记录对于电动汽车家庭在设定的“污点”时间段内减少了大约60%的用电量，非电动汽车家庭减少了40%的用电量。“Turn Up”活动使得拥有电动汽车的家庭在“清洁”时间段增加了大约600%的用电量，非电动汽车家庭增加了大约130%（参考文献3，请后台留言联系我们下载）。那些拥有实时价格的合同能源家庭用电量长期保持着23%的减少。

　　一个令人不舒服的教训是这些人群的负荷转移发生在并不特别需要这些消费行为的地方。净零排放中心以前的研究发现在英国，电动汽车、太阳能充电板和电池拥有者居住在更大的房子中，并且与全国平均水平比，更多居住在的农村和郊区。在这些地方，白天通常不需要这些房屋产生多余的本地发电量。附近的房屋更多的可能是无人居住并且供暖需求很低。而附近的办公楼或者工厂在白天通常很少或者没有需求来使用这些多余的发电量。如果这些地方的城市模式有这些接受者（消费者）以及发电机，我们预测潜在的转变可能更大。

　　净零排放中心的分析表明，如果热能和交通的脱碳化以一个没有限制的方式进行，那么电力峰值需求可以在2030年轻易的增加三倍。我们在两个不同类型的城市中进行了测试，在巴黎和布宜诺斯艾利斯使用了不同的电动汽车和热泵的吸收情况。在巴黎，根据气候的不同，高峰期典型的用电需求大约为每10万居民70-100千瓦；在布宜诺斯艾利斯，每10万居民的用电需求是40-50千瓦。在这两种情况下，和目前水平相比冬季的电力峰值需求将会增加三倍，夏季将会增加两倍。如果按照今天自上而下相同的发电管理方式来处理这个问题， 那么经济发展会因为必要的电网强化工程而被放缓，居民和企业将会通过能源账单或一般税收来承担费用。

　　净零排放中心考虑了横跨财务和动机的指标米乐m6官网，作为衡量数字化、去中心化的未来能源系统中消费者 弹性 的代表。消费者减少高峰时段需求的定价激励，可以通过电力市场的改革来衡量。消费者在高峰和非高峰时段的需求 弹性 的动机可以通过他们的数字技能和对气候变化的感知风险来衡量。

　　第一个指标衡量的是电力批发市场的改革。批发市场中的定位边际定价（LMP）越多，电力零售商就越有动力向消费者提供实时价格（参考文献4，请后台留言联系我们下载）。定价水平越细的城市得分越高。例如，变电站（低压/中压）层面的实时定价比电网供应点或区域节点的实时定价得分更高。当城市没有定位边际定价或者价格因区域而异，批发价格没有任何关键的峰值或实时因素时，城市的得分最低。通常国家规则适用于国内的城市，因此我们分析了国家的市场运作方式来推断城市层面的得分。

　　第二个指标衡量的是电力零售市场的改革（参考文献5，请后台留言联系我们下载）。零售市场的实时定价或调峰定价的采纳率越高，消费者将需求从高峰期转移的价格弹性就越大，特别是那些能够获得当地发电和储能的人。城市在使用跟踪批发市场的实时定价或每日可变峰值定价方面得分较高，而使用季节性关键峰值定价的得分较低。当零售市场对静态使用时间电价或统一电价的接受度最高时，城市的得分最低。

　　为了方便领导、居民和企业的理解，这两个指标被参数化。净零排放中心根据创新零售电价和批发定价模式的采用率为每个城市打分。有了这些分数，就更容易比较那些在批发和零售市场有不同采用程度的城市。

　　在这一类别中，还有其他一些指标可以直接衡量城市能够提供的灵活性的总量。电动汽车在车队中的百分比是对通过提供智能充电而可以使用的电能储能容量的一个直接衡量。

　　那些有动力以更低的碳强度用电，并且拥有使用自动化来利用智能充电或智能供暖的数字技能的消费者，更有可能使用实时定价来摆脱高峰期需求。当更多的人认为气候变化是对他们国家的严重威胁时，意识分数就更高。考虑到全球南部城市地区互联网使用的普遍性，国家人均移动互联网连接越多，数字技能得分越高。初创企业的存在可以被视为城市创新水平的代表。这个分数越高，城市采用更多创新的解决方案的机会就越大，有利于灵活性的实施。

　　城市灵活性是对整个城市能源状况混合程度的衡量，以及在城市中心附近进行当地发电和储能的潜力。我们预计城市灵活性将在未来减少城市用电高峰需求方面发挥主导作用--拥有当地发电和储能的当地接收者的效果将越来越重要。这包括电动汽车电池的 浮动分布式 能源。净零排放中心与Alan Turing研究所的合作表明，渐进式低电压灵活性市场的好处是使负荷转移最大限度地减少对电网网络的要求。

　　第一个指标是衡量一个城市中心周围125平方公里范围内土地使用的集中度，使用市场集中度的Herfindahl-Hirschman（HHI）指数来估计城市一个典型地区的电力需求组合（国内/非国内）。下面，我们可以看到新加坡的一个例子。

　　第二个指标是衡量一个城市的当地可变可再生能源发电和储能的潜力米乐m6官网。我们测量了城市中风和阳光充足的天数，来激励在该城市都市区太阳能电池板和陆上风力的投资。

　　图六、谷歌地图：显示新加坡市中心主要土地用途的地图（住宅（红色）、商业（）、工业（紫色）、学术机构（蓝色）、公园（绿色））

　　借助已建立的指标，我们为每个城市类型制定了预测，以显示如何摆脱需求峰值。通过重新分配能源消耗，能够减少一天中碳密集的时段，创造了零排放，甚至正能量的时段。如前文所述，我们预测到2030年一座不受约束的城市的能源转型将会是什么样子——可能是峰值电力需求的三倍。

　　我们评估了五种类型在高峰时段电力需求的灵活性。首先从每个类型的城市及消费者灵活性标准指标的平均值开始。根据指标之间的差异，对灵活性在城市及消费者灵活性中所占的份额进行分配。我们估计了低、中、高不确定性，以了解灵活性的范围。基于对不同类型的优势分析，我们评估了不同类型场景的灵活性上限，并将其划分为城市灵活性和消费者灵活性。

　　针对不同类型，我们基于城市和消费者的灵活性推导了能源需求从峰值转变的范围，过程中使用了上述灵活性上限和不确定性的值及此前净零排放中心从低碳技术所有权的研究中得出的知识。我们发现，在净零排放中心/Cramton和OE/NGESO Crowdflex项目中，拥有电动汽车的消费者的需求转移最多。其他没有电动汽车但有太阳能电池板和/或家用电池的家庭在高峰时段转移的能量约占拥有电动汽车家庭的一半。从这些结果来看，在我们所有的车型中，供暖和制冷需求的转移将占到电动汽车需求“上限”的一半。这些结果可以在下表中看到:

　　在我们最初的研究中，我们选择了巴黎(衔接型)和布宜诺斯艾利斯(可扩展型)两座城市。在巴黎，这一挑战的规模主要取决于城市供暖和交通的电气化。假设90%的燃气供暖和汽油汽车到2030年被淘汰，这将导致峰值时段电力需求的碳排放增加140-190%，根据季节的不同，高峰时段的电力需求会增加一倍以上，而在冬季则会增加近三倍。在布宜诺斯艾利斯，假设到2030年淘汰掉70%的燃气供暖和汽油汽车，峰值时段的电力需求将增加130-300%。

　　在用电高峰期，消费者只需被动使用发电和储能，就可以将大部分需求从电力系统转移。即建筑物不向电网输出电力，只使用自己产生或储存的能源。在巴黎，我们发现，如果到2030年80%的汽车是电动汽车，且采用小型太阳能电池储能的建筑物占总建筑物的比例达到10%，则20%的供暖和制冷峰值需求可以转移到一天中的其他时间，40%的电动汽车充电需求也可以通过此方式转移。在布宜诺斯艾利斯，电动汽车的使用率要低得多，需求峰值可能会分别移动10%和20%米乐m6官网。

　　若积极使用发电和储能，消费者可以走得更远，因为其他人会使用多余的发电并储存电量。在同样的情况下，到2030年80%的汽车是电动汽车，在巴黎10%的建筑中使用小型太阳能电池，则额外的10%的供暖和制冷峰值需求可以转移到一天内的其他时间，同样的，20%的电动汽车充电需求也可以转移。在有更多的土地可用于发电和储能的城市如布宜诺斯艾利斯，额外15%到30%的峰值需求能够被转移。

　　在我们的两个例子中，25-30%的供热和制冷需求及55-60%的电动汽车充电需求在高峰时段转移到一天中的其他时段，使得巴黎高峰时段的电力增长从140-190%下降到110-140%，布宜诺斯艾利斯高峰时段的电力增长从130-300%下降到114-230%。

　　让我们想象在不久的将来，某个城市街区将为城市领导者、市民和其他利益相关者实现转变。要考虑整个城市的土地使用、进出口电价和可再生能源发电的调度，并使之与居民和企业的生活经验相一致，这可能是一件很困难的事情。

　　对于消费者和企业来说，相对于单独接入电网，协调他们在总体电网上的容量和使用频率是很难的。这就是为什么我们选择展示衔接城市类型中的城市街区如何运作的原因，其中消费者充分参与了灵活的能源转换。

　　200个居民住宅（公寓），平均楼面面积80平方米，加上公共面积20平方公里，共计约20,000平米。

　　25个商业单位（办公室），平均每个办公室有20个员工空间，每个员工需要20平米的办公、会议和公共空间，共计约10,000平米。

　　假设30%的居民住宅拥有电动汽车电池，或可使用额定7千瓦的小型家用电池或额定1千瓦的太阳能电池。

　　假设所有非住宅楼宇都拥有10辆电动汽车，或可使用额定7千瓦的小型家用电池或额定1千瓦的太阳能电池。

　　耗电量包含住宅和非住宅的供暖、照明、制冷和电器等需求。我们发现，从清晨（约耗电75-100千瓦）到下午和晚上（约耗电200-225千瓦），不同时段耗电量几乎翻了三倍。

　　我们测试了两种情况：一种是只有居民在下午和晚上减少用电行为。一种是居民和企业均改变用电行为。

　　城市通常将其当地发电和储能政策仅限于居民部分。其原因包括公共住房的土地所有权、新发展的规划权和加剧贫困。我们按照这种情况测试了该场景，假设这里很多电池都为电动汽车电池。

　　在这种情况下，该街区电网总需求在下午减少了100-125千瓦，但是在晚上反弹到了200千瓦。太阳能发电量在白天的需求下降，但是在晚上，这种模式无法将电力需求降低到200千瓦以下，仍然是非高峰时段的两倍。

　　我们的结论是，只针对居民的政策不会使峰值充分下降，而非居民建筑和电动汽车需要包括在内。在这些假设下的负荷情况如下图所示

　　本场仅在家用和非家用均采用分布式能源的情况下进行测试，假设了一定数量的建筑内、周围街道和停车场内的电动汽车和电池。

　　在这种情况下，街区用电总需求在下午减少到100-150千瓦，晚上保持在100到150千瓦，因为家用与非家庭用的电池都在放电，而这些电池，都在非高峰时段从电网完成了充电，将需求提高至100-150兆瓦。

　　建设清洁能源城市将影响城市的规划与交通政策。我们更早的研究分析表明，城市街区内的居住类建筑与非居住类建筑面积的理想配比约为2：1，这样才能实现当地能源发电与储能可以持续不间断的实现全天候的输出。在电网连接的城市中，为装有智能充电设施的电动汽车预留街道和停车场，可以提供储能空间，同时土地所有者对现场类电池进行投资。需要做更多的工作来衡量电动汽车作为“移动储能”的有效性，即推动更多的家庭在商业街区和停车场充放电，或者更多的商业电动汽车车主在住宅街区充放电。

　　我们为近期（至2025年）和未来（至2040年）提供了一系列影响深远的行动计划，为城市领导者、当地利益相关方、创新者和投资人在城市能源系统脱碳、创建更绿色的城市环境方面提供帮助。

　　领导者们可以根据城市现在和未来的构架，优先考虑当前和未来的行动计划。本节将这些行动计划分为三类：城市灵活性、脱碳、消费者灵活性，并确定应分别在 2025 年和 2040 年采取的干预措施。 城市可以根据已有的资金、能力和合作伙伴关系来实践2025年建议。也可以根据未来相关资源来推动2040行动计划的实现。