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(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),要想回答這一問題,儲(chǔ)能系統(tǒng)十分關(guān)鍵。在配備和不配備儲(chǔ)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(huì)發(fā)生顯著變化。
研究人員利用39年全球逐小時(shí)再分析氣象數(shù)據(jù)集,對(duì)全球42個(gè)主要國家的風(fēng)光資源滿足逐小時(shí)電力需求的能力進(jìn)行了評(píng)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(bǔ)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(jì),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(dá)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(jì),去年,我國可再生能源發(fā)電量達(dá)到2.2萬億千瓦時(shí),占全社會(huì)用電量的29.5%,其中風(fēng)光發(fā)電量占全社會(huì)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(shí)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(bào)》采訪時(shí)說,“因此,未來應(yīng)當(dāng)優(yōu)化新型電力系統(tǒng)建設(shè),加強(qiáng)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)?;l(fā)展以及電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的推進(jìn),深入理解自然資源稟賦對(duì)全球風(fēng)光互補(bǔ)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(duì)未來電力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置,提升穩(wěn)定性和靈活性。然而,現(xiàn)有研究對(duì)區(qū)域尺度風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性及大規(guī)模儲(chǔ)能部署尚缺乏系統(tǒng)評(píng)估。
在此背景下,研究人員通過數(shù)值模擬方法評(píng)估了100%風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)完全滿足逐時(shí)電力需求的能力,定量分析了不同裝機(jī)發(fā)展規(guī)模、風(fēng)光混合比例、儲(chǔ)能系統(tǒng)容量、區(qū)域共享方案等,對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)完全滿足全球逐時(shí)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(jī)發(fā)展規(guī)模、儲(chǔ)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(shí)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(dá)到90%左右。
風(fēng)光能組合優(yōu)化 儲(chǔ)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(shí)再分析數(shù)據(jù)集,基于對(duì)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(chǔ)能系統(tǒng)容量的大量數(shù)值模擬,評(píng)估了全球42個(gè)主要國家的風(fēng)光資源滿足逐小時(shí)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(bǔ)發(fā)電系統(tǒng))滿足電力需求供應(yīng)的能力可達(dá)70%以上。
在無儲(chǔ)能條件下,可靠性高的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)更依賴風(fēng)電,其比例為65%~85%。42個(gè)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(shí)電力需求的能力)為72%~91%。
擴(kuò)大太陽能和風(fēng)能裝機(jī)規(guī)?;蚺鋫鋬?chǔ)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(shí)長時(shí)儲(chǔ)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(shí)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(dá)70%。
研究同時(shí)發(fā)現(xiàn),擴(kuò)大10%的風(fēng)光能裝機(jī)規(guī)模與增加3.9小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量,對(duì)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(bào)》采訪時(shí)說,中國可靠性高的無儲(chǔ)能風(fēng)光互補(bǔ)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(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí),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(duì)于儲(chǔ)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(shí)際建設(shè)中會(huì)考慮更多因素,如占地性質(zhì)等。”她補(bǔ)充道。
同丹表示,由于成本高、技術(shù)仍不成熟,目前長時(shí)儲(chǔ)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(shí)儲(chǔ)能(小于5小時(shí))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(chǔ)能設(shè)備。而無儲(chǔ)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(shí)儲(chǔ)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(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中,每年仍可能有數(shù)百小時(shí)的電力需求不能得到完全滿足,出現(xiàn)連續(xù)長時(shí)間(>24小時(shí))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(jìn)一步的證據(jù),表明儲(chǔ)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(duì)記者說,“區(qū)域儲(chǔ)能平衡對(duì)于實(shí)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(shí)空上的不匹配可能威脅整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。”
研究指出,12小時(shí)長時(shí)儲(chǔ)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(duì)較小的國家構(gòu)建100%風(fēng)光互補(bǔ)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(shí)儲(chǔ)能容量的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng),仍會(huì)有約2000小時(shí)的電力需求不能得到完全滿足,表明儲(chǔ)能系統(tǒng)有效消納更多波動(dòng)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(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可靠性可從最低的57%提升至近90%。
“這是一項(xiàng)對(duì)所在領(lǐng)域有深刻貢獻(xiàn)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(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)等對(duì)保障電力供應(yīng)可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)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(chǔ)能設(shè)備,對(duì)于發(fā)展高比例可再生能源發(fā)電系統(tǒng)更加重要。
原標(biāo)題:儲(chǔ)能設(shè)施升級(jí)讓風(fēng)光發(fā)電“更可靠”