如何管理可再生能源的季节性和年际波动

国际能源署日前发布报告，题目是：Managing Seasonal and Interannual Variability of Renewables（管理可再生能源的季节性和年际波动）。报告执行摘要如下：

(资料图)

可再生能源正在迅速改变全球电力系统

随着各国寻求改善能源安全、实现减排目标和利用更低成本的电力来源，预计到2027年，全球将新增2400吉瓦的可再生能源装机容量，相当于过去20年的可再生能源增量（大致相当于中国目前的总装机容量）。到2025年，可再生能源将超过煤炭，成为全球最大的发电来源；从现在到2027年，可再生能源装机将占全球电力容量增量的90%以上。预计可再生能源在未来5年在全球年发电量中的份额将增加10个百分点，到2027年将达到38%。未来5年，风能和太阳能光伏发电的电力将翻一番多，到2027年占全球发电量将达到近20%。这些可变可再生能源（VRE）将占未来五年全球可再生能源发电量增长的80%，改变电力系统的运行方式。

可再生能源的安全和成本效益整合是清洁能源转型的基石

国际能源署制定了一个安全且具有成本效益的风能和太阳能光伏集成框架，要求大幅提高各种形式的灵活性，包括更强大的电网和互连、需求侧措施、可负担的储能和可调度的电力供应。由于灵活资源的成功使用，许多国家已经能够安全有效地管理VRE在年发电量中占两位数的份额。截至2021年底丹麦VRE超过50%，这也得益于与其他国家电力互联互通，另外四个国家（德国、爱尔兰、西班牙和英国）则整合了25%以上的可变可再生能源，这意味着在一年的某些时间段，可变可再生能源几乎供应了所有发电量。在未来几年，越来越多的国家预计将达到更高的VRE份额，这种变化最终将超越每小时或每天的波动，扩展到每月和季节性的时间尺度。

需要多种灵活性资源来管理各种时间尺度上的可变性

国际能源署的研究证实了使用全方位灵活性资源的重要性，探索了VRE在年发电量70%以上的情形。在给定的成本和性能假设下，最大限度地降低整体系统成本，同时考虑到既有的基础设施，在四个不同的气候区域进行了700多次模型运行和技术敏感性分析：温带（炎热的夏季）、热带、干旱（寒冷）和大陆（温暖的夏季）。模型计算表明，需要不同的灵活性资源组合来管理跨时间尺度和气候区域的可变性。在本研究中模拟的未来高VRE比例的电力系统中，短期灵活性资源在平衡可再生能源的小时和日变化方面发挥着关键作用。例如，在以高水平太阳辐射为特征的热带和干旱系统中，储能电池可提供约40%的年度短期灵活性需求，在平衡太阳能光伏电力供应的日常变化方面发挥着关键作用。在温带和大陆系统中，需求侧措施（电动汽车的智能充电和工业需求响应）提供了30%-35%的短期灵活性需求。

具有非常高水平可变可再生能源的系统需要季节性灵活性服务

随着风能和太阳能的普及，系统级盈余和低发电量的周期变得更长，最终达到季节性甚至年际性的时间尺度。解决季节性变化意味着全年将在不同程度上（包括每周、每月）需要其他电力或灵活性资源。电力需求管理、水电可用性以及风能和太阳能资源的互补性，为在季节性时间尺度上整合高水平的可变可再生能源奠定基本条件。例如，在大陆（温暖的夏季）系统中，季节变化相对更容易管理，因为太阳能光伏和风能在季节尺度上表现出良好的互补性，冬季风力达到峰值，夏季太阳能达到峰值；风能和光伏发电的月综合发电量不低于峰值的85%。干旱（寒冷）系统的季节性电力需求相对平稳，每月的太阳能光伏发电潜力也非常稳定，但在年初的短时间降雨期间，每月的风力发电量会大幅下降，降至峰值的57%。温带系统（夏季炎热）的季节变化更为复杂，其特征是夏季电力需求峰值由制冷需求驱动，冬季电力需求峰值由供暖需求驱动。冬季的平均风力较高，有助于满足需求峰值，而夏季的太阳能发电量通常较高，水电供应充足。热带系统的季节性电力需求也相对平稳，但在强烈的季节性风模式下，导致旱季出现大量盈余，雨季出现发电量较低的时期，而水电只能部分弥补。

现有的火电机组有助于管理季节性变化需求

在未来高VRE系统中，传统火电厂仅提供年总电力需求的5%-15%，但它们是季节性灵活性的主要来源。根据系统的不同，在一年中的关键时期，火电厂提供了一半至三分之二的季节性灵活性需求。现有的传统热容量存量足以满足建模的高VRE系统的季节灵活性要求。然而，这些资产的使用与今天大不相同，因为根据气候的不同，火电厂每年的平均使用时间仅在500至2000小时之间，大大低于今天全球平均使用时间的4000小时。需要成功管理从大规模发电到灵活供电的过渡，以确保有序过渡到安全、清洁和负担得起的电力系统。水电是季节性灵活性的主要提供者，但面临着年际变化。水电是仅次于火力发电厂的第二重要季节性灵活性资源，提供了总季节性灵活性需求的三分之一至一半。许多水电站需要进行改造和升级，以提供更多的平衡和集成服务。然而，由于降水量和融雪量逐年波动，水电站面临着显著的年际变化，包括连续几年发电量高于或低于平均水平的可能性。这就需要系统中有足够的传统化石能源、核能和生物质发电能力来维持能源的安全供应。高比例VRE系统的年电网排放量范围为15 gCO₂/kWh（大陆）至50 gCO₂/kWh（热带），将比目前全球460克二氧化碳的平均电网排放量减少90-97%。随着能源系统向净零排放过渡，来自装有碳捕集设施的化石燃料发电厂的服务最终必须被不排放二氧化碳的其他形式的灵活性所取代，使用氢和氨等低排放燃料可以提供脱碳的长期灵活性资源。然而，目前低排放氢和氨作为燃料的高成本仍然是其更广泛使用的关键障碍。由于规模效益、技术学习和共享基础设施，对氢和氢衍生燃料的需求不断增加，可以降低成本。

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