大規模推廣清潔電力對於全世界實現淨零排放目標至關重要。然而,全球太陽能和風能資源分佈極不均勻,時空互補性差異較大,區域電力需求週期波動特徵差別顯著。如果未來電力系統實現淨零排放依賴高比例太陽能和風能資源,資源可利用性與電力需求的時空不匹配將有可能威脅整個電力系統運行的穩定性和可靠性。儘管大規模儲能系統被視為解决新能源發電波動性和間歇性的重要手段,但現時對於區域尺度“風光儲”電力系統的可靠性尚缺乏系統評估。
針對這一迫切需求,清華大學地球系統科學系(以下簡稱“地學系”)同丹課題組首先利用39年(1980年-2018年)全球逐小時再分析氣象數据集綜合評價了全球各個國家太陽能和風能資源在季節和日尺度上的波動性以及資源互補的時空變異性。研究進一步利用宏觀能源模型(Macro Energy Model)對100%風光互補發電系統完全滿足逐時電力需求的能力(定義為“發電系統可靠性”)進行了數值模擬,系統評估了全球42個主要國家不同裝機發展規模、風光混合比例和儲能系統容量對發電系統可靠性的影響,並在此基礎上提出了提升風光互補發電系統可靠性的區域資源共亯方案。
全球主要國家風光(儲)電力系統可靠性、長時間連續供應缺口與國土面積
研究發現,在無儲能條件下,高風電比例(65%-85%)的風光互補發電系統可靠性更高,可滿足42個主要國家絕大部分電力需求,可靠性為72%-91%。擴大太陽能和風能裝機規模或者配備儲能系統均可有效提升發電系統可靠性,例如,配備12h長時儲能系統可將發電系統的可靠性提升至83%-94%,風光能最優組合模式發生顯著變化,太陽能發電占比可達70%。研究同時發現,擴大10%的太陽能和風能裝機規模與新增3.9小時儲能系統容量對發電系統可靠性的提升能力相當。然而,即使在可靠性超過90%的風光互補發電系統中,每年仍可能有數百小時的電力需求不能得到完全滿足,並出現連續長時間(>24h)電力供應缺口,這也成為構建100%風光互補發電系統的最大挑戰之一(通常電力系統可靠性要求≥99.9%)。
長時儲能系統可有效彌合美國、中國等國土面積較大國家的電力缺口。相比之下,國土面積相對較小的國家構建100%風光互補發電系統將面臨更為嚴峻的挑戰。以英國、韓國等國家為例,配備12h長時儲能容量的風光互補發電系統仍會有約2000小時的電力供應缺口,由此表明儲能系統有效消納更多波動性風光電力的能力十分有限。研究進一步揭示,區域資源共亯方案可有效消納各國不均勻的太陽能和風能資源,如綜合調度部分弃風弃光,國家尺度風光互補發電系統可靠性可從最低57%提升至近90%。
隨著可再生能源的規模化發展以及電力系統低碳轉型的推進,深入理解自然資源稟賦對全球風光互補發電系統可靠性的制約對於優化配置未來電力系統、提升電力系統可靠性和靈活性具有重要意義。在碳達峰、碳中和重大戰略目標背景下,我國提出將大幅提升風光發電規模,構建以新能源為主體的新型電力系統,同時提高電網系統靈活性,提升電網消納可再生能源的能力。囙此,未來應當加强間歇性可再生能源發電入網和長時儲能技術創新,優化新型電力系統部署,助力零碳能源體系構建。
10月22日,地學系同丹課題組在《自然·通訊》(Nature Communications)上線上發表題為“自然資源稟賦對全球風光互補發電系統可靠性的制約”(Geophysical constraints on the reliability of solar and wind power worldwide)的論文,在評估全球主要國家近四十年可開發利用太陽能和風能資源的基礎上,定量了不同裝機發展規模、風光混合比例、儲能系統容量、區域共亯方案對於風光互補發電系統完全滿足全球逐時電力需求的影響,揭示了區域尺度上太陽能和風能資源稟賦的時空不均勻性對於構建100%風光互補發電系統的制約。
清華大學地學系同丹助理教授為論文第一作者兼通訊作者,論文合作者包括斯坦福大學卡內基科學研究所大衛·法納姆(David J.Farnham)博士、段磊(LeiDuan)博士和肯·卡爾代拉(KenCaldeira)研究員、清華大學地學系張强教授、美國加州理工學院南森·路易斯(Nathan S. Lewis)教授和美國加州大學歐文分校史蒂夫·戴維斯(Steven J. Davis)教授。研究得到國家自然科學基金委創新研究群體項目的支持。
論文連結:
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26355-z