把握时代脉搏:“可再生能源+电池”的“低碳排放”之路探讨

把握时代脉搏:“可再生能源+电池”的“低碳排放”之路探讨引言:近些年,可再生能源和储能行业迅猛发展,直接影响到了传统电力行业的生存。部分决策者和企业家们将“电力革命”的赌注完全押注在“可再生能源+电池”这一策略之上。相信在不久的将来,中国注定是这条道路的重要贡献者之一,这得益于中国的太阳能/风能和电池产业在世界上的重大影响力。在全球环境保护和低碳排放的影响下,谁能把握住这一时代的脉搏,谁无疑在不久的将来将成为能源行业的佼佼者!未来很美好,道路亦多歧。群雄逐鹿,坐看风起云涌!
【前言】
据预计,电力部门将是实现温室气体零排放的关键部门,为了实现这一愿景,当前的电力部门面临着双重挑战:到本世纪中叶将排放量减少到接近零(甚至净负排放);并且在未来实现完全的脱碳通电。鉴于这一事实,近期的一系列研究已经概括并探索了电力部门“深度脱碳”的途径,即从当前水平减少80%-100%的二氧化碳(CO2)排放。因此,哈佛肯尼迪学院和哈佛大学环境中心Jesse D. Jenkins教授联合美国国家经济研究协会Max Luke博士,能源创新工程首席高级研究员Samuel Thernstrom教授一起在国际能源顶级期刊《Joule》上发表文章,对美国政府气候变化委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change)对2014-2018年筛选出的40个研究成果进行回顾与评估。
尽管研究该问题的方法和范围各有不同,但这些文献中仍有普遍一致的见解,这些研究共同勾勒和评价了两条电力脱碳的基本途径:
1、一条是主要(甚至完全)依赖于由储能支持的可再生能源(主要是风能和太阳能),进而从电力需求中获得更大的灵活性以及电网大规模扩展;
2、另一条道路依赖于更广泛的低碳资源,如核能、地热、生物质和碳捕获和储存化石燃料(CCS)等。无论采取哪种途径,想要达到绝对零排放比相对适度的排放量减少(例如二氧化碳减少50%-70%)更具挑战性,实现绝对零排放需要不同的低碳资源协同运行。
鉴于电力部门资本设备的长期性质和研发工作需要长期孕育,研究当今深度脱碳所固有的独特挑战至关重要;因此作者在本文中概述了潜在可行的脱碳方案,同时阐明了必须克服的几个挑战,鉴于这些挑战,以及我们今天面临的相当大的技术不确定性,作者得出结论,改进和扩大现有低碳资源组合而不是限制其战略发展,才能让深度脱碳的实现具有更大的可能性。
【电力部门脱碳对全球气候的影响】
对温室气体减排的科学研究一贯认为,电力部门需要比其它部门更进一步、更快地减少排放,在2050年实现接近零(或净负)排放,由于电力部门在技术和成本上比其它部门更容易脱碳,因此全球范围的研究侧重点都放在扩大无碳电力的发电量,以满足对供暖、工业和运输的能源需求。在18个模型组预估的全球脱碳情境中,到2050年电力需求将增加20%-120%(中值估计为52%),2100年增加到120%-440%;到本世纪中叶,电力供应占总能源需求的25%-45%,到2100年,电力供应占总能源需求的70%。简言之,学者们一致认为,电力部门不仅要脱碳,而且要在本世纪中叶及以后增加其市场份额,因此电力部门深度脱碳的失败将会导致全球对气候变暖的缓解功亏一篑。同时,大量提高电价,使脱碳成本变得高昂,将使得低碳电力在运输、采暖和工业方面对石油、天然气和煤炭的吸引力降低,因此,寻找可行和廉价的途径使电力部门脱碳,在缓解气候变暖中具有极其重要的意义。
【可再生能源脱碳的挑战不断增加】
多项研究表明,主要甚至完全利用可再生能源(VRE)以实现深度脱碳在技术路线上是可行的,尽管研究背景和分析方法多种多样,但这些研究在VRE电力系统的关键特征方面保持高度一致,这些特点大多来自需要管理风能和太阳能的可变性质,因为风能和太阳能是主要的可再生能源,在大多数研究中,它们提供了最丰富的资源潜力。更重要的是,随着来自这些能源的份额增加,风能和太阳能可变性相关的挑战也非线性地增加,因此,随着VRE接近100%的产量,在更温和的条件下可管理的问题很快会成为重大阻碍。
大规模输电方面:首先,为了使更广区域的可再生能源平滑变化,VRE方案通常需要大规模长距离容量传输,例如为了达到美国80%的可再生电力(只有50%来自风能和太阳能),美国国家可再生能源实验室的一项研究提出了长距离容量传输增加56%-105%。其他研究预计,美国所有地区将连接数万英里新型高压直流输电系统,而欧盟的可再生能源研究显示,到2050年,欧盟国家之间的互联能力将扩大4至9倍。
灵活的弹性需求:在世界上大多数人口稠密的地区,风能和太阳能的可利用性不仅在每天的周期上不同,而且在每周、每月和季节性周期上也大不相同,因此,大多数高度依赖风能和太阳能的场景都是基于假定电力消耗源在未来将变得更加灵活的基础上,但是在不同程度上,这些情景设想只是重塑需求以匹配可变的供应,而不是形成供应以匹配可变的需求。如上所述,交通、供热和工业的电气化将增加对电力的需求,但是这些新的需求源也可能成为帮助管理电力系统的灵活资源,智能控制可以调节充电速率以帮助平衡供应和需求,同时降低车主用车的成本。
低效利用以节约产能:把握时代脉搏:“可再生能源+电池”的“低碳排放”之路探讨
Figure 1. 可再生能源方案的总发电量和存储容量对比。
由于其内在的高度可变性,依靠风能或太阳能份额来实现深度脱碳将会造成总装机容量(相对于峰值需求)的过度建设,因此,在一年中风能或太阳能充裕的时期,可用电力产量超过总需求,此时必须存储多余的能量以供以后使用。虽然目前可以管理过度发电,但随着VRE供应达到高水平,挑战将显著增加。例如,其中一项研究发现,如果可再生能源的份额保持在60%或更低,那么削减是可以忽略不计的,但其会非线性增加(图2),对于100%的可再生能源,削减能源浪费足以满足目前美国每年至少40%的电力需求,即便是在假定大规模的输电扩张与广泛部署之后。
把握时代脉搏:“可再生能源+电池”的“低碳排放”之路探讨
Figure 2. 随着可再生能源份额的增加,电力系统总成本呈非线性增加,风能和太阳能逐渐减少。
建设高容量和扩展再生能源,将导致风能和太阳能利用率降低,因此,随着可再生能源份额增加到100%,系统总成本也非线性增加,为了抵消总成本的上升,并使VRE占主导地位,使电力脱碳路线成本降低,因此需要风能和太阳能的资本成本必须比其它低碳资源市场的情况下降得更多。
【扩大和改善低碳电力组合】
鉴于目前低碳资源所面临的挑战,社会意识强的决策者和企业正在努力研究,并将赌注完全押注在当今显而易见的赢家:太阳能光伏(PV)、风能和电池储能上,而这将可能是一个错误。正如本文所指出的,无论风能和太阳能是否能够提供绝大部分电力,还是我们追求多种多样的资源组合,都必须克服若干障碍,才能低成本高效益地实现脱碳。我们不能假设公众的反对和跨越大陆新传输网络的挑战能够被克服;灵活的需求将在足够的规模上实现;风能和太阳能光伏将持续大幅降低成本;更便宜的“季节性”存储技术变得具有更广泛的扩展性,这些事情中的任何一件都有可能发生,但同时实现所有这些的可能性非常小。
鉴于风险很高,扩大和改善一系列清洁能源资源将是明智的,每种清洁能源都可能填补空白的关键技术,如果其他技术动摇,低碳电力将是关键。例如,核电、CCS、生物能源和地热能源都具有在低成本、低碳投资组合中充当重要角色的能力。总而言之,通往零碳电力的道路上都仍然存在许多阻碍,真正的成功概率是未知的。因此,决策者在关键的蚀刻必须确定并推行审慎的战略,以提高可行和成本效益高的脱碳可能性。
Jesse D. Jenkins, Max Luke, and Samuel Thernstrom, Getting to Zero Carbon Emissions in the Electric Power Sector, Joule, 2018, DOI:10.1016/j.joule.2018.11.013

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参考文献:Joule