天然气在向更清洁、更可靠的电力转移中的作用

石油和天然气实践 天然气在向更清洁、更可靠的电力转移中的作用 天然气可以通过为可再生能源提供备用能源供应，在美国电力供应脱碳中发挥关键作用-但需要基础设施投资和市场机制。 作者：JamieBrick,DumitruDediu和JesseNoffsinger ©GettyImages 2023年9月 在美国各地，可再生能源正在影响天然气发电。电网中可再生能源的增长，再加上能源需求电气化的增加，将使电网面临间歇性的风险 可再生能源供应，以满足不断增长的电力需求。 结果，在未来几十年中，将需要完全“可调度”的备用能源供应，以确保电网在多日波动中的可靠性。在没有突破的情况下 在长期能源储存中，天然气-可以大规模实施-可能是最便宜和碳含量最低的候选物。 预计未来天然气需求将更加不稳定-平均较低，但在间歇性可再生能源发电水平较低的高峰需求日可能会更高。However,today’sgassystemwasnotdesignedandsizetodeliverythehighgasvolumesthatwillbeneedonthese peak-demanddaysinthefuture.Infrastructureupgraduationsandnewmarketmechanismswillimpossibleberequiredtoposition 主流天然气运营商提供消费者需要的天然气。 过去十年天然气在电力部门脱碳方面的记录 自2005年以来，美国已将与能源相关的二氧化碳排放量减少了约18％。从煤炭转向天然气占了这一减少的很大一部分。根据美国能源信息署（EIA）的数据，2005年至2022年间，电力部门的天然气使用量增长了100％以上，而煤炭使用量下降了约55％。. 从煤炭到天然气发电的这种转变导致同期二氧化碳排放量估计减少了5.32亿吨。 （GHG）排放量。这是约2.48亿吨CO2e（二氧化碳当量）的缓解量的两倍以上，这可以归因于可再生能源发电量的增加。 展望未来，美国有机会通过继续进行煤制气转换，通过天然气以及其他电力供应来增加脱碳影响，在现有和未来的燃气发电装置上实施碳捕集和封存（CCS）解决方案 ，支持蓝色氢气生产，并加快间歇性可再生能源的推出，使其在2021年超过发电量的13％。此外，自然。 美国的天然气出口可以支持海外的能源供应安全和脱碳努力-例如，在欧洲，通过煤炭到天然气的转换，并使可再生能源和新能源（例如氢经济）的加速推出。 能源需求的电气化和可再生能源的增长 能源转型的一个主要趋势是能源需求的电气化。最终用途 能源需求的电气化程度越高，能源供应可靠性对满足不断增长的电力需求的重要性就越高。 为了说明,基于道路的运输的电气化目前通过用电动车辆(EV)代替内燃机(ICE)车辆而发生,家用供暖的电气化通过热泵的采用而发生,并且工业过程的电气化通过低温热的电气化而发生。 为了满足美国的脱碳目标，这种更高的电力需求必须通过清洁的电力供应来满足。电力供应脱碳可以通过电网中更高份额的可再生能源(例如，太阳能和风能)以及其他 1美国能源相关二氧化碳排放量，2021年，美国能源信息管理局，2022年12月。 2“电力数据浏览器”，美国能源信息管理局，2023年6月6日。 3“电力部门的二氧化碳排放量随着发电组合从煤炭转向天然气而下降”，能源信息管理局，2021年6月9日；公吨：1公吨=2,205磅。 4《2021年全球能源评论》，美国能源信息管理局，2021年4月。 5“电力数据浏览器表1.1。按能源划分的净发电量：2013-2023年3月的总计（所有部门）”，美国能源信息管理局，2023年。 6“气候行动如何帮助实现欧盟的能源安全，”麦肯锡，2022年8月12日。 低排放能源-例如核能，水力发电或使用CCS的燃气发电。 在几乎每个脱碳方案和每个独立的系统运营商（ISO）在美国，可再生能源发电的份额预计将增加和煤炭发电 预计将减少。可再生能源增长得到联邦政策和州一级的支持 脱碳目标。在联邦一级，2022年的《通货膨胀减少法案 》大致指示 4,000亿美元的联邦资金用于可再生能源，还通过为运营商提供脱碳激励措施来降低碳排放 与此并行的是，美国各个州都设定了雄心勃勃的目标实现实质性脱碳，22个州（约占美国人口的45％）已经实现了到2040年或2050年80％至100％的深度脱碳目标。 Thereisnodoubtthatmanychallengeswillneedtoberesolvedtosubstantiallyincreaserenewablessupply.Forexample,regulationsaroundland accesswillneedtobeupdated—especiallyarounddensedpopulatedareas—toprovidethelandrequiredforrenewables. Solarrequiresrougly 陆地比天然气多10到20倍，陆上风力高达200倍，以产生相同的电量。 总体而言，必须在电网中进行更大的投资，以支持可再生能源的推出。这可能相当于投资增加了5到10倍的历史水平。 导致可再生能源项目成本增加和延误。 根据可再生能源行业设法应对这些挑战的程度，可再生能源在发电中的份额可能从非常低的(到2040年，在“当前轨迹”情景中，太阳能和风能占15%)到非常高的(在“实现承诺”情景中，到2040年太阳能和风能占70%)(图表1)。 附件1 可再生能源在电网中的份额直接关系到美国的脱碳目标。 美国发电组合，千太瓦小时气 体 风能和太阳能水电和核能其他 0.9 4.3 1.0 0.61.7 0.4 4.3 0.2 5.8 2.9 2040 1.9 0.8 0.2 6.9 4.3 4.6 0.4 1.1 1.0 0.6 1.2 1.8 1.7 2.2 3.8 0.8 0.9 4.3 0.9 1.0 0.6 0.1 5.1 0.2 7.5 0.6 5.8 0.9 1.7 1.6 2.2 1.1 1.6 2030 1.2 1.1 2022202220302040202220302040 Scenario当前轨迹（CT）进一步加速(FA)已实现的承诺(AC) Description•可再生能源成本的下降仍在继续， 现有的颁布目标得以实现，但没有新的政策被纳入法律 更慢 •受承诺增加的驱动，尽管金融和技术限制仍然存在 能源转型的速度 •前提是满足大多数雄心勃勃的公开讨论的野心 •在美国，这包括到2035年实现零净 电力，到2050年实现零净经济。 •很大程度上忽略了供应链问题和其他约束 更快 1包括煤炭和可调度可再生能源，如氢气和生物能源。 “降低通货膨胀法案：这是其中的内容”，麦肯锡，2022年10月24日。麦肯锡基于行业数据的分析 HannahRitchie，“不同电力来源的土地使用情况如何比较？”我们的数据世界，2022年6月16日。联合国欧洲经济委员会， 2021年。 然而，在所有情况下，燃气发电都将发挥重要作用 ：在“可再生能源少”的情况下，随着可再生能源的扩大，燃气发电将需要满足更高的电力需求；在“可再生能源更多”的情况下 在这种情况下，燃气发电可以提供负担得起和可调度的电力供应，以平衡可再生能源的间歇性。 使用大量可再生能源对电网进行脱碳带来了可靠性挑战 通过太阳能和风能发电使美国的电力供应脱碳带来了间歇性供应的挑战，这种间歇性供应无法可靠地匹配电力需求，尤其是这种需求的多日变化。脱碳意味着电气化能源需求的更高份额将使电网的可靠性变得更加重要，因为住宅供暖和关键工业过程将需要电力。 有几种选择可以在脱碳中确保可靠和可调度的电源 gridtoaddressmultidayvariability(Exhibit2).Whilevariouslong-durationenergystorage(LDES)solutionsmaybeeconomicinsomegeographiestoprovideelectricityduringmultidayperiodoflowrenewlygeneration,naturegasconsisticalthe 天然气发电被称为“可调度”能源，这意味着天然气发电设施可以根据需要打开或关闭-证明其作为电网安全供应的适用性。 天然气系统需要建成，以便在可再生能源无法满负荷发电的高峰需求日交付。 为了确保可调度燃气发电可用于补充可再生能源，发电厂的天然气供应必须足够强劲，以满足高峰日的需求-当太阳能和风力发电连续多天处于低位时发生。 附件2 气体产生比氢气涡轮机或其他长期储能解决方案更便宜，以解决多日供电的可变性。 2030年电费$/兆瓦时 76 直接空气捕获 (DAC) 长期储能(LDES) 2 156 125 256 175–300 131 25 131 38 35 联合循环带CCUS的燃气轮机 征收碳税的新天然气峰值 带DAC偏移的新型气体峰值器 天然气平准化电力成本(LCOE) 碳捕获、利用和储存(CCUS) COs排放的隐含成本 氢气 LDES 新Hs峰值（Hs 交付于 $2-$3/kg) 254–330 注：公吨：1公吨=2,205磅。 1关键假设：天然气CCGTw/CCUS-LCOE$35/MWh；CCUS成本$85/吨；排放量0.45tCOse/MWh；90％COs捕获；85％利用率；新的天然气峰值-LCOE$131/MWh；天然气价格$3/mmbt，利用率10％pa，排放量0.5tCOse/MWh；根据当前的美国联邦指南，碳的社会成本为51美元/吨；DAC成本为250美元/吨；100％的排放抵消；LDES在多种技术中的近似成本，包括：铁空气/流量，锂离子，模块化CAES和重力假设24小时放电；每年90个循环；新Hspeaer，利用率10％pa；氢成本输送到peaer。来源：EIA “迈向更有序的美国能源转型：六个关键行动领域”，麦肯锡，2023年1月12日。 Indealerdecarbonizationscenes,thiswillleadtoaloweraverageannualgasdemandvolume,withhigherpeak-daygasdemand.Theneedfordispatchablepowerwilllikelyvarybyregion-with 与其他地区相比，一些地区更多地依赖燃气发电，这取决于太阳能和风能等有吸引力的可再生能源发电的可用性 （图表3）（参见侧栏，“向可再生能源过渡的天然气需求：案例研究”）。 将需要新的市场机制和天然气基础设施投资来弥合差距 北美的天然气基础设施-管道和储存设施-已经发展了几十年，主要基于长期的天然气运输- 管道运营商和客户（通常是天然气营销人员或大型买家，如公用事业或工业公司）之间的定期合同，为容量支付预订费（或关税）。 Inthecomingdecades,thecapacityofthenaturalgassystemwillhavetobeincreasedtoallowittodeliveryonpeak-demanddayswhenrenewablescannotgenerateatfullcapacity,eveninareascurrentlynotimpectedbyincomplicipalpowercapacac 天然气基础设施的能力和维持现有的天然气基础设施将需要新的 投资，尽管产能将以更低的速度使用。支持此类投资的监管和市场机制是这方面的关键解锁。 附件3 对电力的天然气需求平均会减少，而在高峰时段会增加。 燃气发电，平均和峰值，每天燃气发电的太瓦时 平均峰值中大陆独立 加州独立系统运营商德克萨斯州电气可靠性委员会系统操作员