全球風(fēng)光資源分布極不均勻，未來電力系統(tǒng)的“零碳排放”如果要高度依賴這兩種資源，哪種配置更加穩(wěn)定、可靠?

近日，清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系助理教授同丹等人發(fā)表在《自然—通訊》的一項研究發(fā)現(xiàn)，要想回答這一問題，儲能系統(tǒng)十分關(guān)鍵。在配備和不配備儲能系統(tǒng)的情景中，風(fēng)光能在更可靠的新能源電力系統(tǒng)中占比多少會發(fā)生顯著變化。

研究人員利用39年全球逐小時再分析氣象數(shù)據(jù)集，對全球42個主要國家的風(fēng)光資源滿足逐小時電力需求的能力進行了評估，認(rèn)為風(fēng)光能最優(yōu)組合模式國家尺度存在顯著差別，并提出了提升風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)可靠性的區(qū)域資源共享方案。

國土面積大 風(fēng)光能可靠性更高

在各國減排“路線圖”中，首先都是發(fā)展清潔能源，降低化石能源發(fā)電供應(yīng)。據(jù)國際能源署(IEA)統(tǒng)計，2020年可再生能源電力占比快速提升至近30%，其中風(fēng)光資源作為重要電力來源之一，占比已達到10%。

我國可再生能源發(fā)展水平與國際并駕齊驅(qū)。據(jù)國家能源局統(tǒng)計，去年，我國可再生能源發(fā)電量達到2.2萬億千瓦時，占全社會用電量的29.5%，其中風(fēng)光發(fā)電量占全社會用電量的比重約為10%。

“我國已明確提出大幅提升風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)模，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，同時提高電網(wǎng)系統(tǒng)靈活性，提升電網(wǎng)消納可再生能源的能力。”中國工程院院士、清華大學(xué)碳中和研究院院長賀克斌在接受《中國科學(xué)報》采訪時說，“因此，未來應(yīng)當(dāng)優(yōu)化新型電力系統(tǒng)建設(shè)，加強間歇性可再生能源發(fā)電入網(wǎng)，助推零碳能源體系構(gòu)建。”

隨著可再生能源的規(guī)模化發(fā)展以及電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的推進，深入理解自然資源稟賦對全球風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)可靠性的制約具有重要科學(xué)指導(dǎo)意義，有助于對未來電力系統(tǒng)進行優(yōu)化配置，提升穩(wěn)定性和靈活性。然而，現(xiàn)有研究對區(qū)域尺度風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的可靠性及大規(guī)模儲能部署尚缺乏系統(tǒng)評估。

在此背景下，研究人員通過數(shù)值模擬方法評估了100%風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)完全滿足逐時電力需求的能力，定量分析了不同裝機發(fā)展規(guī)模、風(fēng)光混合比例、儲能系統(tǒng)容量、區(qū)域共享方案等，對風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)完全滿足全球逐時電力需求的影響。

他們發(fā)現(xiàn)，風(fēng)光能組合最優(yōu)模式與風(fēng)光能裝機發(fā)展規(guī)模、儲能系統(tǒng)容量、國土面積和中心經(jīng)緯度等均有一定關(guān)系，并且國家尺度最優(yōu)模式存在顯著差別。從滿足逐時發(fā)電需求能力來看，中國、俄羅斯、加拿大、美國等國土面積較大的國家具有較好的表現(xiàn)，發(fā)電系統(tǒng)的可靠性可達到90%左右。

風(fēng)光能組合優(yōu)化 儲能設(shè)施很關(guān)鍵

研究人員利用1980年至2018年近40年的全球逐小時再分析數(shù)據(jù)集，基于對可再生能源發(fā)展規(guī)模、不同比例風(fēng)光混合系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)容量的大量數(shù)值模擬，評估了全球42個主要國家的風(fēng)光資源滿足逐小時電力需求的能力。他們發(fā)現(xiàn)，這些國家的風(fēng)光能資源現(xiàn)狀(研究聚焦100%風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng))滿足電力需求供應(yīng)的能力可達70%以上。

在無儲能條件下，可靠性高的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)更依賴風(fēng)電，其比例為65%~85%。42個主要國家發(fā)電系統(tǒng)可靠性(即發(fā)電系統(tǒng)完全滿足逐時電力需求的能力)為72%~91%。

擴大太陽能和風(fēng)能裝機規(guī)模或配備儲能系統(tǒng)，均可有效提升發(fā)電系統(tǒng)可靠性。例如，配備12小時長時儲能系統(tǒng)可將發(fā)電系統(tǒng)的可靠性提升至83%~94%。不過，這時高可靠性組合發(fā)電系統(tǒng)的“主角”發(fā)生了反轉(zhuǎn)：更多依賴太陽能發(fā)電，且比例可達70%。

研究同時發(fā)現(xiàn)，擴大10%的風(fēng)光能裝機規(guī)模與增加3.9小時儲能系統(tǒng)容量，對發(fā)電系統(tǒng)可靠性的提升能力相當(dāng)。

那么，中國的情況又如何呢?“與國際上類似。”論文第一兼通訊作者同丹在接受《中國科學(xué)報》采訪時說，中國可靠性高的無儲能風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)也更依賴風(fēng)電，最優(yōu)配置的風(fēng)電比例為80%;而配備12小時儲能系統(tǒng)時，可將發(fā)電系統(tǒng)的可靠性提升5%。同樣，高可靠性發(fā)電系統(tǒng)可更多依賴太陽能發(fā)電，比例為55%。

“也就是說，最優(yōu)的風(fēng)光結(jié)構(gòu)或是組合需要根據(jù)我國對于儲能系統(tǒng)的配置和風(fēng)電光電發(fā)展規(guī)模的規(guī)劃科學(xué)確定，實際建設(shè)中會考慮更多因素，如占地性質(zhì)等。”她補充道。

同丹表示，由于成本高、技術(shù)仍不成熟，目前長時儲能系統(tǒng)在全球風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用很少，多以短時儲能(小于5小時)為主，甚至在某些區(qū)域的風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)還未配置儲能設(shè)備。而無儲能最大的問題是棄風(fēng)棄光，當(dāng)前雖有改善但仍不同程度地存在，成為制約可再生能源發(fā)展的最大障礙，這些都期待長時儲能技術(shù)的突破。

她還指出，新能源供給最大的挑戰(zhàn)是遇到極端天氣事件。即使在可靠性超過90%的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中，每年仍可能有數(shù)百小時的電力需求不能得到完全滿足，出現(xiàn)連續(xù)長時間(>24小時)電力供應(yīng)缺口。

區(qū)域資源平衡 有待大尺度合作

“我們的研究提供了進一步的證據(jù)，表明儲能本質(zhì)是平抑電力供需矛盾，它將成為國家電網(wǎng)提升平衡調(diào)節(jié)能力的重要手段。”同丹對記者說，“區(qū)域儲能平衡對于實現(xiàn)電力供應(yīng)可靠性影響巨大。資源可利用性與電力需求在時空上的不匹配可能威脅整個電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。”

研究指出，12小時長時儲能系統(tǒng)可有效彌合中國、美國等國土面積較大國家的電力缺口，提升發(fā)電系統(tǒng)可靠性。相比之下，國土面積相對較小的國家構(gòu)建100%風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)將面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

同丹表示，以英國、韓國等國家為例，即使配備12小時儲能容量的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，仍會有約2000小時的電力需求不能得到完全滿足，表明儲能系統(tǒng)有效消納更多波動性風(fēng)光電力的能力十分有限。

不過，跨區(qū)域的大尺度合作則有助于解決這一問題。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，區(qū)域資源共享方案可有效消納各國不均勻的太陽能和風(fēng)能資源，如整合調(diào)度棄掉的部分風(fēng)電光電，國家尺度風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)可靠性可從最低的57%提升至近90%。

“這是一項對所在領(lǐng)域有深刻貢獻的有趣研究。”審稿人Jesse D. Jenkins寫道，研究揭示了基于自然資源稟賦約束的全球不同時空尺度的風(fēng)能和太陽能變異性，“這本身就很有見地”。

賀克斌表示，資源組合、發(fā)電需求和儲能系統(tǒng)等對保障電力供應(yīng)可靠性、靈活性和經(jīng)濟性均至關(guān)重要。隨著有越來越多可再生能源發(fā)電并網(wǎng)、尖峰負(fù)荷不斷增長以及氣候變化導(dǎo)致的極端天氣的增多，電力系統(tǒng)可靠性面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。不過，就其關(guān)鍵性和迫切性而言，靈活性電力調(diào)配系統(tǒng)和儲能設(shè)備，對于發(fā)展高比例可再生能源發(fā)電系統(tǒng)更加重要。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26355-z

來源：中國科學(xué)報