为什么风能和太阳能需要天然气：一种现实的变化方法

核心观点与关键数据

• 可再生能源挑战：风力发电和太阳能发电等可变可再生能源（VRE）的快速发展正导致电力供应的波动性增加，季节性变化和年度波动无法通过现有电池或其他存储解决方案解决。
• 三个阶段框架：
  • 第一阶段（VRE占比少于40%）：现有电网灵活性可通过增加短期存储和逐步替代煤炭来应对。
  • 第二阶段（VRE占比40-80%）：天然气将从基荷电源转变为应急角色，通过现有的联合循环燃气轮机（CCGT）和峰值电厂提供保险，同时发展更完善的长距离输电。
  • 第三阶段（VRE占比80-100%）：需要超长时期能源存储（VLDES）技术或碳捕集技术来解决年度和季节性可再生能源缺口。
• 技术评估：
  • 抽水蓄能（PHS）：成熟且成本低，但面临环境影响和许可挑战，难以大规模扩张。
  • 氢储存：规模生产且无地理限制，但往返效率低（约40%），成本高昂，依赖廉价电力输入。
  • 压缩空气储能（CAES）：环境影响小，但效率低（约40-54%），成本未经验证，依赖廉价电力输入。
• 天然气角色：在未来几十年内，天然气将在第二阶段发挥核心作用，通过CCGT和峰值电厂提供保险，与电池协同工作以应对可再生能源短缺。
• 关键数据：
  • 美国EIA预测，到2050年，VRE将占美国发电量的54%，天然气仍占35%。
  • NREL 95%脱碳情景：VRE占63%，天然气占16%。
  • 英国RS研究：100%可再生能源电网中，年度短缺可达总需求的45%，需要额外123 TWh存储。
  • 美国：每年约建设负8座水坝，现有PHS容量增长缓慢。

研究结论

• VRE波动性：随着VRE占比增加，季节性差异和不可预测事件（如风力干旱）将导致长期供应短缺。
• 缓解措施：需求管理、电网互联、虚拟电厂（VPPs）和过度建设可再生能源等措施可缓解部分问题，但无法完全解决长期波动性。
• 天然气重要性：天然气将在第二阶段发挥关键作用，但最终需要VLDES技术或碳捕集技术来解决“最后20%问题”。
• 经济性：VLDES的经济效益与能源生产不同，需通过保险机制或市场价格来支付成本。
• 政策建议：
  • 政府应关注长期解决方案，将资源从部署不切实际的存储技术转移到早期研发阶段。
  • 建立针对VRE可变性的独立项目，专注于VLDES技术研发和碳捕集工作。
  • 开发适用于不同阶段的模型，收集长期且地理细粒度的气象数据。
  • 监控国际发展情况，推动技术创新和商业模式发展。
  • 确保监管机构以适当速率增加与可再生能源相关的应急支付，推动新保险市场发展。