为什么风能和太阳能需要天然气：一种现实的变化方法（英）

为什么风能和太阳能需要天然气：应对波动性的现实方法 罗宾加斯特2024年9月 风力发电和太阳能发电将取代从化石燃料中获取的持续可调度电力，转而使用可变和更不可预测的清洁能源。季节性变化和年度波动无法通过电池或其他拟议的存储解决方案如氢气来处理 。天然气将不得不在许多十年内填补这一空缺。 关键要点 太阳能和风能正在快速发展，并迅速取代电网中的煤炭。但它们本质上是更易变性的能源来源；随着电网越来越依赖它们，其可靠性可能会降低。 季节性储能技术，如氢能、抽水蓄能和压缩空气，并不是现实的替代方案。更多的核能可能减少规模但无法解决问题。只有天然气才能在绿色转型期间保证可靠性。 监管机构必须协助将天然气从始终在线的基荷电力转变为通常关停的容量保险。现有的联合循环电厂和单循环峰值电厂如果得到相应的运营（和资金）支持，可以实现这一转变。 能源部必须帮助开发未来电网的季节性储能技术。由于这些技术将在几十年后才能部署 ，能源部有足够的时间来处理这些技术的整个创新周期，并且现在应该专注于早期研发阶段。 联邦和州一级的监管机构以及大型公司和其他利益相关者应帮助开发所需的先进模拟技术 ，同时扩展数据收集包括大量扩展的气象数据。 能源部需要成立一个新的能源可变性办公室，以提供长期战略和实施的机构中心，并现在实施新的资金重点，关注早期技术，以及在接下来的几十年中实施示范和规模化项目。 itiforg 内容 关键要点1引言 2可变可再生能源的挑战 4规模和持续时间：可变性挑战的规模 9缓解可变性问题1 2气体和能源转型第二阶段14第二阶段之后： 长期储能技术18水泵水力储能 19氢储能 22压缩空气储能24市场 和收入26谁来支付以及如何支 付？27能源部与电力储能 29研究结论 30政策建议 34脚注 38 引言 美国通过风能和太阳能（即“可变可再生能源”来源，或VRE）产生的电力份额正在非常迅速地增长。尽管可能固体的清洁能源来源（如核能、地热能或聚变能）将会大幅扩张，但除非有重要的技术突破，这似乎不太可能。VRE正在迅速扩张，并在未来几十年内可能会成为主导。 因此，电力供应的波动性正成为一个难以克服的挑战。一些波动是短期的比如太阳在夜间不发光。一些是季节性的冬季太阳能发电量显著减少。还有一些是长期不可预测的：比如有些周、月或年风明显较少。这些问题目前还不严重，但根据可再生能源（VRE）的采用水平和速度，它们将很快变得严重。1 目前，行业和政府关注的焦点是短时储能，这有助于在一天之内转移能源，也有助于解决电网的若干技术挑战。但仅靠短时储能技术无法满足更长期限的需求。 为了使可再生能源（VRE）电网具有可行性，它们必须以合理的成本在247不间断地供电，如果要让其在低收入国家普及，成本不得超过化石燃料发电。随着其在电网中占据主导地位，大规模的可再生能源能源缺口将会出现，并且必须得到解决。 这些即将到来的赤字及其解决方案可以分为三个阶段。我们尚不清楚这些阶段之间的边界将确切地在哪里，而且这些边界在不同地区可能会有所不同。然而，这仍然是一个思考虚拟现实能源（VRE）和变异性不可或缺的框架： 第一阶段电网仍不是以可再生能源发电（VRE）为主导（VRE占比少于约40），因此季节性和年度短缺的影响有限，并且可以通过现有的可调度资源（例如，使用天然气的尖峰电厂）来处理。 第二阶段。VRE将在电网中占据主导地位（大约占4080的VRE比例）。天然气逐渐从基荷电源（全天候运作）转变为应急角色，在VRE无法处理负载时使用。更好的传输能力也可以通过将从供应过剩的地方运送电力到供应短缺的地方来帮助解决问题）。 第三阶段。在电网实现脱碳的最后20（约80100的可再生能源）需要继续使用燃气发电加碳捕集，或者部署能够处理年度和年度可再生能源缺口的超长时期能源存储（VLDES）（或两者同时进行）。目前没有任何现有技术能够在经济可承受的成本下满足这一挑战 。当然，如果核聚变、核能、地热或其他零排放技术能足够改善以主导电网，那么可变性问题将得以消除。但这似乎不太可能，而且本文不是关于这些情景的。 这些阶段的界限位于未来，因此它们应被视为有用的概念。它们标志着逐渐过渡的点，而不是明确的转折点。它们在不同地理区域也将以不同的时间发生。尽管如此，它们帮助我们理解政府政策应在其间运作的基本框架。 在第一阶段，政策应侧重于将可再生能源（VRE）整合到仍以化石能源为主的电网中。这意味着需要增加短期存储以满足有效管理间歇式可再生能源（VRE）生产的日峰谷需求，并逐渐过渡到不再依赖天然气。在可能的范围内（例如，美国），天然气将取代燃煤发电，因为天然气既便宜又清洁。在此期间，实现使用氢能或压缩空气能量存储（CAES）的VLDES将会是一个昂贵的错误，因为这些技术距离与现有天然气发电机作为可调度资源竞争还相去甚远。然而，为基本和应用研究提供长期储能的额外资源是恰当的。 在第二阶段，政府将不得不帮助管理从以化石能源为主的电网向以可再生能源为主电网的复杂过渡，在此过渡中，化石能源继续发挥关键作用，作为可调度的能源以满足可预测和不可预测的可再生能源不足。这个过渡将需要很长时间（可能是几十年），从天然气仍然是主要的基荷资源开始，到我们开始用其他解决方案来应对变化时结束。在这一阶段，政府应加大研究技术驱动的解决方案以应对变化，这可能包括VLDES和碳捕集。随着这些技术变得具有竞争力，政府可以帮助加快它们的部署和扩大规模。 在第三阶段，最终从化石燃料过渡需要引入技术先进的长期储能或碳捕集。假定这些技术 沿着从示范项目到以合理可负担的成本扩大规模的路径前进。 它可能有些讽刺，即最快和最有效的向可再生能源（VRE）的过渡（以及相关的排放减少）可能需要在未来相当长一段时间内大规模增加天然气使用。其功能将从中期和峰值调度发电转变为保险和可再生能源供应的备用。天然气非常适合应对可再生能源引入的波动性增加，因为它可以在几分钟内从零启动并调整至全容量，同样也可以迅速关闭。这就是为什么即使来自国家可再生能源实验室（NREL）的非常高的脱碳情景仍然需要大量的天然气产能来生产电力。 箱1：价格性能平衡：“P3” 气候变化是全球性的，因此解决方案也必须是全球性的。特别是，它们必须满足低收入国家对于能源需求的快速增长，以及在这些国家中支付绿色溢价的能力和意愿普遍较低甚至不存在。 没有证据表明，通过规范、补贴或劝导强制改变将会奏效。低收入国家不会以牺牲增长为代价采用清洁能源。富裕国家亦然。 市场是唯一足够强大的杠杆，能够推动所需的规模转型而且只有当清洁能源技术能够在没有补贴或监管的情况下与污染能源竞争时，这才会有效。它们必须达到价格性能平衡（P3） 。2 可再生能源本质上具有变动性。为了成功，尤其是在低收入国家，可再生能源必须以可靠性和与化石能源大体相似的成本来提供。英国最近宣布，它是第一个将排放量减半的经济合作与发展组织（OECD）国家，这是通过有效地用风能和太阳能取代燃煤发电来实现的。在过去十年中，核能和天然气基本保持稳定，但现在天然气已成为可再生能源的备用能源。 底线：长期实现碳中和的道路要求我们重新思考VLDES的时间表，并在过程中专注于开发更好的技术以及能够使用不同时间表以产生更低成本轮廓的经济模式。例如，用于长期储存的氢气与用于绿色钢的氢气在经济上并不相同，因为氢气的使用基本上是在氢气生产时发生的。我们应该充分利用这些差异。 可再生能源变数性挑战 供需匹配一直是电网的核心功能。供应过多，能源会被浪费（这很昂贵）。供应不足，客户将陷入黑暗。在可再生能源（VRE）成为能源结构中的重要组成部分之前，可靠性相对容易管理 。电力发电机使用化石燃料（以前是煤炭，现在是天然气）以及一些核能和水电（在一些国家和地区的使用量比其他地区多）。这些燃料产生的能源高度可预测且相当灵活，系统可以迅速响应需求或供应的变化，利用化石燃料储备。单循环燃气轮机发电机组（在这个背景下被称为燃气尖峰发电机）可以快速提供额外容量。 植物，或称为“峰值发电厂”，这些设施运营成本高昂，但可以非常快速地投入使用，并且只需几分钟或几小时的使用时间。 这种可预测的供应满足了大部分可预测的需求，因为无论是每日还是季节性都有高峰和低谷，但这些相当可预测。例如，日需求高峰在傍晚，夜间最低。3 图1：2012年3月31日至2020年每日能源需求“鸭形曲线”兆瓦净负荷4 VRE的快速发展正在改变这个稳固和可预测的系统。值得注意的是， 供应能源正变得多变。基于美国能源信息署（EIA）目前的能源预测，可再生能源（VRE）将显著增长，化石燃料的份额将下降。更具雄心的脱碳路径将进一步加速这一转变，如果电网实现95或100的脱碳，最终将严重依赖VRE。但即使是在现有政策的基础上，当前的路径也预测了重大变化（见图2），到2030年，VRE将超过电力总量的40，而目前这一比例还不到20。简单来说，VRE越多，电网的变异性就越大。 有些可再生能源（VRE）的可变性可以完全预测例如，太阳能在夜间不产生电力。同样，也存在众所周知的季节性变动。图3显示了对季节性变动的预期英国太阳能光伏容量因素的中间值在2至20之间变化以及年际变化：最为晴朗的年份在6月的太阳能光伏容量大约有26，而最多云的年份只有10。 图2：美国按燃料分组发电的EIA预测5 第二阶段过渡： VRE约40至约80 第一阶段：VRE40 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 其他化石天然气核能 其他可再生能源 风能和太阳能（可再生能源） 0 2022203020402050 图3：风能和太阳能的季节性变化6 这些跨日和季节的规律性变化将在VRE增长时变得更加显著和具有挑战性；这仅仅是简单的数学 ：VRE越多，生产中的规律性下降就越重要同时，过度生产也变得更加明显，导致来自VRE的“削减”能源（电网无法接受所有VRE生产的时间）越来越多。 这项季节性不匹配在NREL的研究中得到了探讨，该研究分析了100脱碳电网。图4显示了某一中心情景下供需之间的小时预测不匹配。模拟预测了长期短缺期（用红色标记）和长期削减期 （用蓝色标记）。虽然一部分不匹配是由需求变化引起的，在冬季和夏季比春季和秋季更高，但它主要是由能源供应的季节性变化驱动的。 图4：在100脱碳情景下的电网能源供需（总计，全国）7 所有可再生能源并非等同：太阳能和风能具有不同的季节性模式，太阳能产量在冬季急剧下降 ，而风能在夏季（程度较轻）下降。冬季太阳能发电量可能仅占夏季产量的大约10。因此，以太阳能为主的电网必须为冬季的低可再生能源产量做好准备。一个部分解决方案是平衡太阳能与充足的风力，这在夏季可能成本效益不高，但在冬季可能至关重要。丹麦和英国面临相反的问题：以风能为主的电网需要在夏季通过额外的太阳能来平衡较低的风能产量。大部分这种可预测的变化是可以适应的。 但是，一些VRE（可再生能源）的变化是不可预测的。有些年份，太阳能产生的能量更少云层更多，或者沙尘暴使光伏板蒙尘。风在较长时间内甚至更不可预测。英国皇家学会（RS）的一项研究发现，在英国存在显著的干旱风，季度内产量下降50或更多。8在37年的气象数据中，RS发现两年预计缺额超过40太瓦时（TWh）。 图5：37年内预计的英国年度能源盈余和赤字（基于100的可再生能源，单位：太瓦时）9 60 40 20 0 20 40 60 80 04812162024283236 同样，对德克萨斯州的风能和太阳能的分析发现，该州年度风速的变化仅约3，但某些地区的变化超过10，某些季节甚至更多一年春季的风速可能与另一年的风速明显不同，尽管多年的平均风速相对相似。10电网必须在每年的每个地点提供足够的能源，而不仅仅平均意义上的。 这种不可预测的变化令人恐惧：如果我们全力投入虚拟现实（VRE），由于不利的天气模式，我们可能会在几周甚至几个月内面临严重的能源短缺？如果我们已经退役了使用化石燃料