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 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。 （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。 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 ’ s gas system was not designed and size todelivery the high gas volumes that will be need on thesepeak - demand days in the future. Infrastructureupgraduations and new market mechanisms will impossiblebe required to position主流天然气运营商提供消费者需要的天然气。 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。 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％。. 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 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。 低排放能源-例如核能，水力发电或使用CCS的燃气发电。 access will need to be updated — especially around densedpopulated areas — to provide the land required for renewables.Solar requires rougly 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。 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。 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)。 There is no doubt that many challenges will need to beresolved to substantially increase renewables supply. Forexample, regulations around land 附件1 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 grid to address multiday variability (Exhibit 2). While variouslong - duration energy storage (LDES) solutions may beeconomic in some geographies to provide electricity duringmultiday period of low renewly generation, nature gasconsistical the 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。 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。 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。 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。 有几种选择可以在脱碳中确保可靠和可调度的电源 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）。 In dealer decarbonization scenes, this will lead to a loweraverage annual gas demand volume, with higher peak - daygas demand. The need for dispatchable power will likely varyby region - 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”）。 In the coming decades, the capacity of the natural gassystem will have to be increased to allow it to delivery onpeak - demand days when renewables cannot generate atfull capacity, even in areas currently not impected byincomplicipal power capacac 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 将需要新的市场机制和天然气基础设施投资来弥合差距 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。 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- 向可再生能源过渡时对天然气的需求：案例研究 为了实现脱碳目标，纽约（NY）和新英格兰（NE）ISO开始用可再生能源替代天然气作为能源。从2021年到2040年，天然气发电量预计将以6%的复合年增长率下降，而可再生能源发电量以1%的复合年增长率增长。尽管天然气在2021年占纽约和东北发电量的一半以上，但到2040年，可再生能源将占大部分-约75％。 尽管天然气向可再生能源的转变以及年天然气发电量的最终下降，但在可再生能源发电量低于满负荷时，高峰日对天然气的需求可能会增加，特别是在没有其他可调度的能源供应的情况下，这些能源供应可以增加以满足电力需求。2021年，NE和NY的高峰日天然气需求达到每天66亿立方英尺（bcfd），高于年平均天然气需求。到2040年，NE和NY的高峰日需求可能是年需求的四倍，相差11.5 bcfd。 因此，天然气对于纽约和东北的电网来说仍然至关重要，就像在美国其他地区一样。这对天然气供应商和消费者构成了挑战— —如何最好地组织和监管天然气应急供应？ 为了确保电网的可靠性，将需要获得天然气。而这反过来将需要开发新的基础设施（例如管道和天然气存储）。提供并支付-这种基础设施需要改变天然气和电力市场当前的运作方式；必须引入新的市场机制以允许完全进入天然气市场。 应对这一挑战需要整个价值链的合作— —天然气生产商、管道运营商、公用事业或电力生产商(PP)、ISO或区域过渡组织(RTO)以及政策制定者— —并认识到解决方案需要平衡脱碳、可负担性和可靠性这三个必要条件。 如果没有市场机制（和监管支持）来证明基础设施投资的合理性（例如，安全的资金和工程，采购和建设[EPC]合同），管道限制的当前挑战可能会因更高的份额而加剧间歇性可再生能源和能源需求电气化。 发电公用事业：燃气发电将在季节性，每日和日内负荷中面临更大的波动性-而可靠性的重要性将增加。例如，在2022年12月的冬季风暴Elliott期间，工厂设备中断占电力供应短缺的很大一部分，其次是确保天然气供应。正如麦肯锡之前的一篇文章“北美天然气的未来”所概述的那样，到2040年，脱碳政策可能会将燃气发电的平均负荷提高到10％至20％。这种增加可能会产生。需要容量市场或其他机制来支付支持可再生能源的可调度燃气(峰值)容量，除非出现更有吸引力的解决方案，用于可调度发电和存储。 管道和存储运营商：尤其是这些运营商将受此影响。平均天然气需求降低和天然气基础设施容量增加的成本共同为向客户提供中游天然气服务的定价带来了独特的挑战。 当前的天然气资产补偿模式(例如为中等容量的可预测需求而建造的储存设施和运输管道)不是针对这种不稳定的需求而设计的。如果这些模式持续存在，最终用户可能会被迫为全年获得天然气供应付费，他们可能每年只需要几次。此外， 管道运营商已经提出了峰值服务来解决其中的一些问题，这些问题需要投资（例如，灵活的存储资产或新的管道连接）。然而，在当前的监管环境中，投资成本通常不允许传递给客户。 上游天然气生产商：在过去十年中，上游天然气生产商通过液化天然气出口为美国客户提供了负担得起的能源，并确保了国内外的能源供应安全。如果天然气仍是发电系统的核心支柱，那么天然气供应可靠性的重要性只会增加。例如，袭击的冬季风暴乌里2021年2月（主要影响德克萨斯州和西南地区30％的全国产量）和2022年12月袭击的冬季风暴Elliott（主要影响阿巴拉契亚地区20％的全国产量）强调了投资，解决方案和机制的必要性，以确保可靠的天然气供应，特别是在极端天气