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能源需求管理

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能源需求管理（英语：Energy demand management），也称为需求面管理（英语：demand-side management，简称DSM) ，或需求面响应 （英语：demand-side response，简称DSR），[1]是透过财政诱因[2]和加强教育宣导等方式，来影响消费者使用能源的习惯，达到调整需求的目的。

通常需求面管理的目标是鼓励消费者在高峰时段减少使用电力，或将使用时间改至夜间和周末等非高峰时段。[3]执行需求管理不一定会降低总能源消耗，但有望将原为配合尖峰需求而对输送能源网络和/或发电厂的投资减少。其中一例是建立储能设施，在非高峰时段将多余的电力储存，之后在高峰时段再释放回输电网络供消费者使用。[4]

DSM的一个新应用是帮助电网营运商将风能和太阳能发电所具有的间歇性予以平衡，特别是当能源需求的时间及需求量与前述再生能源发电量无法匹配的时候。设计在需求尖峰期间上线的尖峰负载发电机组通常使用的是化石燃料，而执行DSM能够最大限度减少这类机组使用，因此能减少二氧化碳和其他污染物的排放。[5][6]

DSM这个名称是在1973年第一次石油危机和1979年第二次石油危机发生之后所创。[7]许多国家政府为此开始强制执行各式管理计划。一早期的案例是美国于1978年制定的《国家节约能源政策法案（英语：National Energy Conservation Policy Act）》，在此之前，加利福尼亚州和威斯康辛州也采取类似的行动。需求面管理由美国独立非营利机构电力科学研究所（英语：Electric Power Research Institute）（EPRI）于1980年代中公开提出。[8]如今随着资讯及通讯技术与电力系统日益紧密结合，DSM技术变得越来越可行。新兴名词如整合需求面管理（integrated demand-side management，简称IDSM）或智慧电网也随之出现。[9][10]

需求面管理在1990年代经历过显著的转变，主要是受到全球一系列变化的影响 - 包括技术进步、通讯突破以及制造过程的改善，导致更高品质的产品以更低的成本生产。因此，需求面管理的重点也从住宅负载管理转移到商业和工业需求管理。[11]

运作

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美国电力产业曾经历过严重依赖进口能源的时期 - 包括电力及用于发电的化石燃料。美国联邦政府在1970年代石油危机期间通过《公用事业监管政策法案（英语：Public Utility Regulatory Policies Act）》（PURPA），希望减少对进口石油的依赖，并提高能源效率和利用替代能源。PURPA要求公用事业公司从独立电力生产商获得尽可能便宜的电力，而这反过来又促进再生能源得以发展，并促使公用事业公司减少使用的电力，从而推动能源效率和需求管理进展。[12]

根据目前的天气模式，短期和中期用电量均可能会发生巨大变动。一般来说，批发电力系统会透过调度额外或更少的发电量来适应不断的需求变化。在用电尖峰期进行额外的发电通常由效率较低的"尖峰负载"电源提供。此外，由于各种因素的限制（例如用电习惯的固化、缺乏即时资讯等），电力消费者调整需求的弹性较低。许多市场仍以历史成本为基础制定电价，这使得消费者对电价变动的敏感度降低，不利于鼓励节约用电。[13]

能源需求管理活动试图让电力需求和供应更接近感知到的最佳水平，并帮助电力终端用户从减少需求中受益。在现代管理体系中，整合需求面管理（IDSM）变得越来越普遍。 IDSM会自动向最终使用系统发送讯号，根据系统状况减轻负载。这样就可非常精确地调整需求，以确保能时时与供应相匹配，而减少公用事业公司因需扩大承载而增加资本支出。当系统负荷达到尖峰时，IDSM系统会自动向用电设备发送信号，降低其用电量，避免电网过载。而在间歇性再生能源出力较高时，IDSM系统则会适时增加负载，以吸收多余的电力，防止频率偏离。[13]

一般而言，需求调整可透过多种方式达成：透过对价格讯号的回应，例如晚上和白天的永久差别费率或偶尔的高价使用日，透过家庭局域网络（英语：Home network）实施即时用电量监控达成行为改变，自动化控制（例如远端控制）空调，或使用节能设备进行永久负载调节。[13]

逻辑基础

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对任何商品的需求都可透过市场参与者和政府的行动（监管和税收）来改变。能源需求管理是种影响能源需求的方法。 DSM最初应用于电力领域，但如今也广泛应用于水和天然气等公用事业领域。[14]

20世纪以来，人类社会经历前所未有的工业化和城市化进程。这些发展带来巨大的能源需求，主要来自以下几个方面：

  • 工业生产： 工厂的运转、机器设备的动力、产品的制造等，都需要大量能源。
  • 交通运输： 汽车、飞机、火车等交通工具的普及，使得能源消耗大幅增加。
  • 民生用电： 空调、冰箱、电脑等家电产品的普及，提高家庭用电量。

为满足不断增长的能源需求，人类大量依赖化石燃料（如煤碳、石油、天然气）作为能源来源。然而，这种过度依赖也带来一系列严重的环境问题：

  • 空气污染： 燃烧化石燃料产生大量的二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等有害气体，导致空气质量恶化，并加剧全球暖化。
  • 水污染： 燃烧化石燃料产生的废弃物会污染水源，对生态环境造成严重危害。
  • 资源枯竭： 化石燃料是不可再生资源，长期过度开采将导致资源枯竭。

全球正致力于逐步淘汰化石燃料，以缓解及调适气候变化的影响。但目前各国对于化石燃料的价格补贴（能源补贴（英语：Energy subsidy））仍是个严重的问题。虽然二十大工业国已承诺将此补贴逐步淘汰，[15]但截至2023年，由于选票考虑[16][17]或能源安全的考虑，补贴仍然存在。[18]估计全球于2022年的化石燃料消费补贴达到一兆（万亿）美元，[19]数字会因每年油价而有所波动，但仍持续维持在数千亿美元的水平。[20]

面对日益严峻的能源和环境问题，能源需求管理 (EDM) 作为一种积极的应对策略应运而生。EDM的核心思想是：通过改变能源消费模式，减少对化石燃料的依赖，提高能源利用效率，从而实现可持续发展。

管理类型

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  • 能源效率：是提供产品和服务过程中减少使用能源的做法。目前有许多技术和方法较以往更为节能。例如对建筑物进行隔热（绝缘）可让其使用更少的供暖和冷却能源，而仍能让人舒适处于其中。另一做法是取消有促进高能源消耗和低效率能源利用的能源补贴。[21]提高建筑物、工业流程和交通运输的能源效率可在2050年将世界能源需求降低三分之一。[22]
  • 需量反应：任何减少、平缓或转移需求的反应性或预防性方法。从历史上看，需量反应计划的重点是减少尖峰用电，以推迟增建发电容量所需的高昂成本。然这种反应计划现正设法将间歇性再生能源整合，以改变净负载状态。[23]需量反应包括对最终用户电力消费模式进行有意修改，目的在改变瞬时需求的时间、水平或总电力消耗。[24]需量反应是指电表客户端针对电力系统内的特定情况（例如用电尖峰期电网的负载或高电价）可采的一系列行动，包括前面提到的IDSM。[25]
  • 动态需求（英语：Dynamic demand (electric power)）：将设备操作周期提前或延迟几秒钟，以增加负载机组的多样性因素。其概念是透过监控电网的功率多样性系数（英语：diversity factor）及其自身的控制参数，单一间歇性负载将在最佳时刻开动或是关闭，以平衡整个系统负载与发电，减少关键的功率失配。[26]由于这种切换只让设备操作周期提前或延迟几秒钟，最终用户将不会感觉到。美国电力系统工程师Fred Schweppe于1982年将此想法取得专利（现已失效）。[27]空调设备经常会用到此类型的控制。美国加州的SmartAC计划即为使用此管理法的一例。[28]
  • 分散式发电：分散式发电，也称为分散式能源、现场发电（OSG）或区域/分散能源，是由各种小型并网设备进行的发电和储存（简称DER）。[29]传统发电厂，如燃煤、燃气和核电厂，以及水力发电厂和大型太阳能发电厂都是集中式的，往往需要长距离将电力输送出去。而分散式发电是小型、散布各处、模组化和更灵活的技术，虽然发电容量可能仅为10百万瓦 (MW) 或更小，但其位置靠近它们所服务的用电客户。这些系统包含多个发电和储存组件，因此被称为混合动力系统。[30]分散式发电系统通常使用再生能源，包括小型水力、生物质能、生物燃气、太阳能、风能和地热能，已在配电系统中日益发挥重要作用。用于储存电力的并网设备也可归类为DER系统，通常被称为分散式能源储存系统（DESS）。[31]分散式能源系统也可透过界面，在智慧电网内进行管理和协调。分散式发电和储存可从多种来源取得电力，因而降低环境影响并提高供应安全性。

规模

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广义上的能源需求面管理可分为四大类：全国层级、公用事业层级、社区层级、个人家庭层级。

全国层级

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能源效率提升是最重要的需求面管理目的之一。可透过于住房、建筑、电器、运输、机器等方面的立法和设定标准在全国实施。

公用事业层级

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公用事业公司在尖峰需求期间能够控制大面积的储水式热水器、泳池水泵和空调器，以降低需求，（例如澳大利亚和瑞士所施行的）。一种常见的技术是涟波控制：在正常的电力（50或60赫兹）上叠加高频信号（例如1，000赫兹），来控制特定的电力设备。.[32]在更多以服务为主的经济体中（例如澳大利亚）电网尖峰需求通常发生在下午晚些到傍晚早些时候（下午4点到晚上8点），最大的电力需求源自住宅和商业需求。[33]因此公用事业公司（电网分销商）管理住宅储水式热水器、泳池水泵和空调器就能达成某种程度的降低需求作用。

社区层级

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在寒冷冬季的地区，社区型集中供暖系统已有几十年的历史。同样的，在夏季酷热地区，其尖峰需求需要进行管理，例如美国的德克萨斯州和佛罗里达州、澳大利亚的昆士兰州和新南威尔士州。可在社区实施需求方管理，以减少供暖或制冷的尖峰需求。[34][35]另一方面是兴建净零能耗建筑或社区。[36]

在社区层级管理能源、尖峰需求和账单会更为可行，原因是具有集体购买力、议价能力、更多能源效率或储能选项、[37]更大的灵活性和多样性，可在不同时段发电和用电，例如使用太阳能光电系统来补充日间用电或用于储能。

家庭层级

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在澳大利亚地区，超过30%的家庭装置有屋顶太阳能光电系统（2016年）。对住户而言，使用免费的太阳能，而能减少从电网输入能源。此外，当考虑到电力系统整体运作时，需求管理可运用系统化方法，整合各种能源技术和措施（太阳能光电、空调器、电池储能、蓄水式热水器、建筑物性能和能源效率措施），以达到更为优化的效果。[38]

举例

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澳洲昆士兰州

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澳洲昆士兰州的公用事业公司在某些家用电器（如空调机）或家用仪表上安装装置，以控制储水热水器、泳池水泵等的用电。这些装置将让能源公司能在高峰时段远端控制设备的使用周期。公用事业公司还提高各种消耗能源设备的效率，并给予消费者在非高峰时段使用电力的财务奖励，因为能源公司的生产成本在非高峰时段会较低。.[39]

另一例是昆士兰州东南部的家庭可透过需求面管理，改用用屋顶光电系统生产的电力作加热水的用途。[40]

加拿大多伦多

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加拿大安大略省能源独占分销商多伦多水电公司(Toronto Hydro)于2008年有超过4万人注册，同意在家中空调器上安装远端设备，让能源公司用来降低需求尖峰。该公司发言人Tanya Bruckmueller表示，这个计划在紧急情况下可将需求减少40百万瓦。[41]

美国印第安纳州

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美国铝业公司沃里克郡工厂作为独立系统营运商和区域传输组织 - 中大陆独立系统营运商公司（英语：Midcontinent Independent System Operator）（MISO）的合格需量反应资源 - 提供能源、备转容量及调频服务，以协助平衡系统负载，确保电网稳定运转。[42][43]

巴西

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需求面管理可适用于以火力发电厂为主的电力系统，也可适用于以水力等再生能源发电为主，并以火力发电为辅的系统。

以巴西为例，该国水力发电量占总发电量的80%以上，但为实现发电系统的平衡，水力发电厂产生的电力会低于尖峰的需求。尖峰承载发电由化石燃料发电厂提供。 2008年，巴西因面临超出预期的电力需求，被迫启用未规划的辅助火力发电，导致消费者额外支出逾10亿美元的电费。[44]

在巴西，即使发电厂闲置，消费者也要支付所有提供能源的投资。对于大多数化石燃料火力发电厂而言，消费者仅在这些发电厂发电时时才支付燃料和其他营运成本。以单位发电量计算，火力发电厂的能源费用高于水力发电厂的。巴西只有少数火力电厂使用天然气，这类电厂造成的污染比水力发电厂严重得多。为满足尖峰需求而生产的电力成本较高（包括投资和营运成本），这类电厂排放的污染也会造成巨大的环境成本，产生财务和社会责任。因此，目前系统如果能善用能源需求管理，或许就没必要大力扩充辅助火力发电系统及输电网络，而能减少前述的不利影响。

问题

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有些人认为需求面管理效率低下，因为它常常导致公用事业成本上升，利润减少。[45]

需求方管理的主要目标之一是能够根据当时公用设施的真实价格向消费者收费。如果消费者在非高峰时段使用电力的费用较低，而在高峰时段的费用较高，那么理论上，供需关系将鼓励消费者在高峰时段减少用电，从而达成需求方管理的主要目标。[46]

参见

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参考文献

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引述资料

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引述著作

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外部链接

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供电
电学概念
能量来源
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发电厂及设备
发电理论
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故障
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经济与政策
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