清華新聞網(wǎng)6月24日電 構(gòu)建以風(fēng)電和光伏等可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是推動(dòng)全球能源清潔轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》氣候目標(biāo)的核心技術(shù)途徑。氣候變化導(dǎo)致極端天氣氣候事件增多，在電力供給側(cè)改變風(fēng)光出力，在需求側(cè)影響用電負(fù)荷，進(jìn)而加劇未來(lái)高比例風(fēng)光電力系統(tǒng)的供需失衡風(fēng)險(xiǎn)。為應(yīng)對(duì)極端氣象條件下出現(xiàn)的短時(shí)供需缺口，往往需要配置更多火電容量或儲(chǔ)能系統(tǒng)，以保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)成本增加。因此，量化高比例風(fēng)光電力系統(tǒng)的氣候風(fēng)險(xiǎn)，厘清極端事件抬升系統(tǒng)成本的作用機(jī)制并構(gòu)建適應(yīng)策略，對(duì)于建立安全可控、靈活高效的新型電力系統(tǒng)具有重要科學(xué)意義。
針對(duì)這一問(wèn)題，清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“地學(xué)系”）張強(qiáng)課題組與同丹課題組合作建立了氣候變化-極端事件-能源安全耦合分析框架，量化了未來(lái)氣候變化對(duì)全球高比例風(fēng)光電力系統(tǒng)可靠性的影響，闡明了長(zhǎng)時(shí)間無(wú)風(fēng)少光極端事件導(dǎo)致電力系統(tǒng)供需失衡及成本抬升的科學(xué)原理，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了區(qū)域差異化的全球風(fēng)光電力系統(tǒng)氣候適應(yīng)與韌性提升策略。
圖1.未來(lái)關(guān)鍵氣象要素變化及其對(duì)高比例風(fēng)光電力系統(tǒng)供需的影響
圖2.15種氣候適應(yīng)與韌性提升策略降低電力系統(tǒng)成本的成效
研究首先基于第六次國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃（CMIP6）多模式多情景數(shù)據(jù)集，量化了未來(lái)氣候變化（2056–2060年與2016–2020年相比）對(duì)全球178個(gè)國(guó)家風(fēng)光可用資源和電力需求的影響。在SSP1-2.6情景下，在未來(lái)全球地表氣溫增加的同時(shí)，全球平均地表風(fēng)速將下降約0.02m/s，平均地表太陽(yáng)輻射將增加約3.1W/m2。未來(lái)全球氣象要素變化具有明顯的空間異質(zhì)性特征，例如中高緯度地區(qū)風(fēng)速降幅更為顯著，且氣溫增幅高于低緯度地區(qū)（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，未來(lái)關(guān)鍵氣象要素的變化將加劇高比例風(fēng)光電力系統(tǒng)的供需矛盾，全球主要國(guó)家的電力系統(tǒng)將面臨風(fēng)光極低出力事件持續(xù)時(shí)長(zhǎng)更長(zhǎng)、電力負(fù)荷波動(dòng)性增強(qiáng)的風(fēng)險(xiǎn)，而這一風(fēng)險(xiǎn)在地表風(fēng)速降幅更大、氣溫增幅更高的中高緯度國(guó)家尤為突出。
研究進(jìn)一步利用電力調(diào)度優(yōu)化模型模擬了未來(lái)各類(lèi)發(fā)電技術(shù)在小時(shí)尺度的供應(yīng)結(jié)構(gòu)，并基于成本分解算法解析了極端時(shí)段的度電成本變化趨勢(shì)，測(cè)算了保障極端時(shí)段電力供需平衡所需的額外成本投入及技術(shù)構(gòu)成。在SSP1-2.6情景下，風(fēng)光出力低、供需矛盾突出的極端時(shí)段（在本研究中定義為小時(shí)度電成本最高的10%時(shí)段）平均度電成本將顯著增加，全球共有47個(gè)國(guó)家的平均度電成本增幅超過(guò)5%，部分國(guó)家增幅甚至超過(guò)20%。盡管極端時(shí)段僅占總時(shí)長(zhǎng)的10%，但其在全球主要國(guó)家卻貢獻(xiàn)了電力系統(tǒng)總成本的15%~30%，顯示了應(yīng)對(duì)極端時(shí)段供需失衡挑戰(zhàn)對(duì)于提升新型電力系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，為解決極端時(shí)段供需失衡加劇問(wèn)題，全球主要國(guó)家需增加儲(chǔ)能容量，是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本上升的主要因素。
最后，研究基于需求側(cè)響應(yīng)、跨區(qū)域互聯(lián)、儲(chǔ)能效率提升和火電靈活性增強(qiáng)等4項(xiàng)應(yīng)對(duì)措施，面向全球風(fēng)光電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)組合出15種氣候適應(yīng)與韌性提升策略，量化評(píng)估了不同策略對(duì)降低電力系統(tǒng)成本的成效。研究發(fā)現(xiàn)，盡管大部分單項(xiàng)措施可降低系統(tǒng)成本，組合多項(xiàng)措施的策略通?？色@得更佳成效。例如印度在實(shí)施任意單項(xiàng)措施時(shí)極端時(shí)段成本最高降幅為6.3%，而實(shí)施任意2項(xiàng)或3項(xiàng)措施組合時(shí)成本最高降幅可達(dá)到10.8%或12.3%（圖2）。然而，單純依靠增加措施數(shù)量并非推動(dòng)成本下降的最佳策略，需在考慮各國(guó)資源稟賦的基礎(chǔ)上因地制宜、科學(xué)施策，優(yōu)化措施組合以實(shí)現(xiàn)成本效益最大化。
研究揭示了未來(lái)氣候變化對(duì)全球高比例風(fēng)光電力系統(tǒng)的沖擊作用機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了因地制宜、降本增效的全球風(fēng)光電力系統(tǒng)氣候適應(yīng)與韌性提升策略。研究成果可為全球各國(guó)在邁向凈零排放進(jìn)程中構(gòu)建氣候韌性的新型電力系統(tǒng)提供理論參考和科學(xué)依據(jù)。氣候變化除導(dǎo)致電力供需失衡加劇外，還可通過(guò)寒潮、臺(tái)風(fēng)、暴雨等極端事件影響電力系統(tǒng)可靠性和安全性，增加系統(tǒng)成本。未來(lái)可在進(jìn)一步完善分析框架的基礎(chǔ)上，探究各類(lèi)氣候變化風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)高比例風(fēng)光電力系統(tǒng)的潛在沖擊及應(yīng)對(duì)策略。
相關(guān)研究成果以“全球風(fēng)光電力系統(tǒng)的氣候韌性策略”（Strategies for climate-resilient global wind and solar power systems）為題，于6月18日在《自然》（Nature）上以“加速預(yù)覽”（Accelerated Article Preview）的形式在線(xiàn)發(fā)表。
清華大學(xué)地學(xué)系2022級(jí)博士生鄭棟升、嚴(yán)禧哲為論文共同第一作者，地學(xué)系教授張強(qiáng)和副教授同丹為論文共同通訊作者。論文合作者包括清華大學(xué)地學(xué)系教授、興華卓越講席教授陳德亮院士，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授、碳中和研究院院長(zhǎng)賀克斌院士，美國(guó)斯坦福大學(xué)教授史蒂夫·戴維斯（Steven J. Davis），美國(guó)斯坦福大學(xué)卡內(nèi)基科學(xué)研究所教授肯·卡爾代拉（Ken Caldeira），清華大學(xué)地學(xué)系博士后郭亞琴、李靖云，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院博士后劉洋，斯坦福大學(xué)博士后程靜，清華大學(xué)地學(xué)系博士生王鵬、馮時(shí)杰，研究助理林媛媛，訪(fǎng)學(xué)博士生平立映。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委國(guó)際合作研究項(xiàng)目、碳中和與能源智聯(lián)項(xiàng)目以及新基石科學(xué)基金會(huì)科學(xué)探索獎(jiǎng)的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09266-7
供稿：地學(xué)系
編輯：李華山
審核：郭玲
