管理可再生能源的季节性和年际变化

管理可再生能源的季度和年度变化 国际能源署 国际能源署考察了包括石油、天然气和煤炭供求、可再生能源技术、电力市场、能源效率、能源接入、需求侧管理和更多在内全部能源议题。通过其工作，IEA倡导旨在加强其31个成员国和11个合作伙伴国以及更广阔范围内能源可靠性、可负担性和可持续性政策。 IEA成员国家： 澳大利亚奥地利比利时加拿大捷克共和国丹麦爱沙尼亚芬兰法国德国希腊匈牙利爱尔兰意大利日本韩国立陶宛卢森堡墨西哥荷兰新西兰挪威波兰葡萄牙斯洛伐克共和国西班牙瑞典瑞士土耳其共和国英国美国 IEA协会国家： 阿根廷巴西中国埃及印度印度尼西亚摩洛哥新加坡南非泰国乌克兰 本出版物及其中包含任何地图，均不损害任何领土或主权状况，不涉及国际边界和边界划定，也不涉及任何领土、城市或地区名称 。 欧洲委员会也参与国际能源署（IEA）工作。 来源：IEA国际能源署网站 ：wwwieaorg IEACCBY40 摘要 可再生能源在全球电力系统中快速增长，各国寻求提高能源安全、实现减排目标并利用更便宜电力来源。得益于灵活性资源成功应用从更强大电网和互联到需求侧措施、经济型储能和可调度电源供应许多国家已在其电力生产中安全、高效地整合了大量可变可再生能源（VRE）。 随着风能和太阳能占发电比例持续增长，系统级盈余和低发电时段将最终超越每小时或每日变化，扩展到季节性时间尺度。解决可再生能源季节性变化问题意味着，全年甚至每周或每月都需要不同程度灵活性资源。 本研究是在支持日本担任G7主席国期间产生，探讨了未来电力系统中超过70年发电份额VRE（可再生能源）集成，聚焦于四个不同气候区域：夏季炎热温带、热带、寒冷干旱和夏季温暖温带大陆。研究证实，需要混合弹性资源来管理所有时间尺度和季节变异性。特别是，具有非常高水平VRE系统需要季节性弹性服务，这些服务可以从现有热能发电能力和水电站提供。最终，随着能源系统向净零排放转型，所有弹性服务都需要完全脱碳。 致谢，贡献者及版权信息 本报告由可再生能源部门（RED）编制，与可再生能源整合与安全电力单元（RISE）以及国际能源署（IEA）电力部门单元（PSU）合作完成。该研究由可再生能源部门负责人PaoloFrankl设计和指导。报告分析和生产由IlkkaHannula领导并协调。 该研究得益于能源市场和安全总监KeisukeSadamori战略指导。报告主要作者是IlkkaHannula、AnaAlcaldeBscones和KeithEverhart。BrentWanner和JulieDallard参与了报告设计和灵活性分析。模型开发和模拟结果由芬兰VTT技术研究中心外部顾问TomiJLindroos、JuhaKiviluoma和JussiIkheimo提供。 其他为这项工作做出贡献国际能源署同事包括（按字母顺序排列）：SaraBudinis、CarlosFernndezlvarez、CraigHart、ZoeHungerford、RenaKuwahata、BrianMotherway、YuNagatomi、AmaliaPizarro、IsaacPortugal、UweRemme 本出版物是在日本经济产业省（METI）支持下制作。 IEA还感谢以下审阅该报告专家： JeanPhilippeBernierJenniferChenMichaelDrtilPeterFraserAtleHarbyAntoineHerzogHanneleHolttinenTakashiHongoThierryLepercqPitLosch IEACCBY40 LauraMartinElinaMkiWatanabeMasashi 加拿大自然资源部WRI日立能源独立顾问SINTEFEDFRecognis三井HyDeal卢森堡能源和空间规划部加拿大自然资源部IEA生物能源TCP日本经济产业省 XavierMoreauEnriquedelasMorenasMoneoCarloNapoliMaraTeresaNonayCdricPhilibertMohamedSdiri ManussaweeSukuntaGuillaumeTarelAkiraYabumotoHyunJinJulieYu AlterGridsEnelEnelEnagsIFRI工业和矿产能源部，突尼斯共和国USEIAHydroQubecJPowerCEA IEACCBY40 也感谢国际能源署通信与数字办公室（CDO）在出版物制作中提供帮助，尤其是感谢AstridDumond、ThereseWalsh和ClaraVallois。我们还感谢NicolaClark对稿件内容和校对工作所作贡献。 IEACCBY40 目录 摘要7 第一章引言11 能源需求上升背后因素11为满足需求， 可再生能源投资增加12由于可再 生能源份额提高，灵活性需求将发生变化13季节时间尺度上变化性 14 第二章技术综述18 化石燃料发电厂脱碳选项19长期储能 28 第3章季节性变异性33 气候可以根据区域进行分类33建模 方法34结果 35敏感性分析 43 第四章年际变化48 年际变率在示例系统中48热资产在管理年际变 率中作用53走向低排放灵活性 55 第五章结论57 附件60 模方法与假设60 缩略词与首字母缩写68术语 表68 执行摘要 可再生能源正在迅速改变全球电力系统。 预计到2027年将安装额外2400吉瓦可再生能源发电能力，相当于过去20年可再生能源增长量或中国当前总装机容量总和。随着各国寻求提高能源安全、实现减排目标并利用更便宜电力资源，可再生能源将在现在至2027年之间全球电力能力增长中占据超过90份额。 可再生能源将在2025年成为全球发电最大来源，超越煤炭。预计全球年度发电量占比将增加10个百分点，到2027年达到38。在2030年这段时间内，可再生能源增长速度将超过整体电力需求增长，并在更长远未来成为全球电力供应主导力量。 风能和太阳能光伏发电量在未来五年内将翻一番以上，到2027年几乎提供全球发电量20。这些可变可再生能源（VRE）将在未来五年全球可再生能源发电量增长中占据80，改变电力系统运行方式。 安全且经济可再生能源集成是清洁能源转型基础石。 国际能源署在电力系统方面拥有丰富经验，并已开发出一个框架，用于确保风能和太阳能光伏可靠且成本效益集成，这要求所有形式灵活性显著增加，从更强大电网和互联到需求侧措施、经济型储能和可调度电源供应。 今天，得益于灵活资源成功应用，许多国家已经能够安全高效地超过年度电力生产中可变可再生能源两位数份额。截至2021年底，丹麦已超过50这也得益于良好互联互通另外四个国家德国、爱尔兰、西班牙和英国已整合超过25可再生能源，这意味着在一年中某些时期，可变可再生能源几乎提供了全部发电量。 在接下来几年里，预计将有越来越多国家达到更高可再生能源（VRE）份额 IEACCBY40 ，从而经历更多带有以下内容周数： 电力过剩，以及较长时期内相对较低风能和太阳能条件，在此期间其他能源仍将持续需求。此类变化最终将超出每小时或每日波动，扩展到月度和季节性时间尺度。 需要混合使用灵活资源来管理所有时间尺度上变化性。 本研究证实了使用全面灵活性资源重要性，该研究探索了超过年度发电量70份额虚拟可再生能源（VRE）整合。该研究是通过参数分析进行，使用了一个模型，该模型优化了对风能、太阳能光伏和灵活性资源投资，以在给定成本和性能假设下最小化整体系统成本，并考虑了遗留基础设施。在四个不同气候区域（温带（热夏）、热带、干旱（冷）和大陆性（热夏））进行了700多次模型运行和技 在未来本研究中模拟高比例可再生能源电力系统中，短期灵活性资源在平衡可再生能源每小时和每日变化中发挥着关键作用。例如，在热带和干旱系统中 这些系统以高水平太阳辐射为特征电池提供了大约40总年度短期灵活性需求，在平衡太阳能光伏电力供应每日变化中发挥着关键作用。在温带和大陆性系统中，需求侧措施智能充电电动汽车和工业需求响应提供了这些短期灵活性需求3035。 系统需要季节性灵活性服务，以应对极高比例可变可再生能源。 随着风能和太阳能普及率提高，系统级过剩和发电量降低周期变得更长，最终达到季节性和甚至跨年度时间尺度。应对季节性变化意味着全年都需要不同程度其他电力或灵活性资源，甚至在周与周或月与月基础上也是如此。 IEACCBY40 电力需求、水力可用性以及风能和太阳能资源数量及互补性之间相互作用为在季节尺度上整合大量可变可再生能源设定了基本条件。有一些条件可以简化可变可再生能源整合，包括电需求模式季节性限制、适度至低峰需求、可调度可再生能源（包括水电）高可用性以及太阳能光伏、风能和水电可用性模式之间高度互补性。 IEACCBY40 例如，在大陆（温暖夏季）系统中，季节性变化相对较容易管理，因为太阳能光伏和风能在季节尺度上表现出良好互补性，其中风力在冬季达到峰值，而太阳能则在夏季达到峰值。风能和光伏月度联合发电量从未低于其峰值85。 一个干燥（寒冷）系统具有相对平稳季节性电力需求，最低月度水平仅为峰值88。全年每月太阳能光伏潜力也非常平稳，但在年初短期降雨期间，风能发电经历显著下降，降至峰值仅57。 季节性变化在温带系统（夏季炎热）中更为复杂，该系统以夏季高峰电力需求为特征，由冷却需求驱动，冬季则因取暖需求而出现较小高峰。冬季平均风速较高，有助于应对需求高峰，而夏季通常太阳能水平较高，辅以充足hydroelectricpower。 热带系统也有相对平稳季节性电力需求，但易受强烈季节性风场影响，这导致在干旱季节产生大量剩余电力，而在雨季期间发电量降低，这种状况只有部分可由水力发电来补偿。 现有火力发电容量有助于管理季节性波动需求。 在未来分析高VRE系统中，传统热电厂仅提供515年度总电力，但它们是季节灵活性主要来源。根据系统不同，在一年中关键时期，半数至三分之二季节灵活性需求由热电厂提供。 当前遗留热力发电能力库存足以满足模拟高可再生能源（VRE）系统季节性灵活性需求。然而，这些资产使用与今天大不相同，因为热电厂平均使用时间只在每年500至2000小时之间，取决于气候，远低于今天全球平均4000小时利用率。成功管理从大规模电力发电到灵活性供应过渡，对于确保有序过渡到安全、清洁且经济实惠电力系统至关重要。 水力发电是季节性灵活性关键提供者，但易受跨年度变化影响。 水力发电是继热电厂之后第二重要季节性灵活性资源，提供占总季节性灵活性需求13至12。许多水电站可以经过改造和升级以提供更多平衡和集成服务 。然而，由于年际间降水量和融雪量波动，水力发电容易受到显著年际变化 影响，包括连续几年发电量高于或低于平均水平情况。如果未能妥善解决水力发电变异性问题作为能源基础设施规划一部分，水力发电可用性可能多年不足将无法完全通过水库抽水来弥补，从而导致电力发电短缺。 在该模型系统中，有足够遗产化石、核能和生物质发电能力，以维持稳定能源供应。然而，热能资产使用可能会在年度间显著变化：在一些年份中，需要大量热能发电能力来保障电力供应和应对高峰需求，而在其他年份中，一些发电厂可能保持闲置状态。 迈向零排放季节性灵活性服务 模型中高VRE系统每年电网排放量范围从15克千瓦时（大陆）至50克千瓦时（热带）。实现这些水平将代表从当前全球平均电网排放量460克千瓦时减少9097。然而，随着能源系统向净零排放转变 ，未受控制化石燃料发电厂服务必须最终由不排放CO其他形式灵活性服务所取代。 低排放燃料，如氢和氨使用能够提供脱碳化长期灵活性资源，同时维持现有船队所有服务。然而，低排放氢和氨作为燃料高成本仍然是它们更广泛使用 关键障碍。虽然各国开始建设相关基础设施，但在燃料运输、储存和供应资产方面投资也需要显著加速。 与此同时，与其他部门协同机会存在，例如在共享基础设施成本方面。低排放燃料具有多种潜在应用，在工业和航运领域碳减