清華新聞網(wǎng)10月26日電 大規(guī)模推廣清潔電力對(duì)于全世界實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)至關(guān)重要。然而，全球太陽(yáng)能和風(fēng)能資源分布極不均勻，時(shí)空互補(bǔ)性差異較大，區(qū)域電力需求周期波動(dòng)特征差別顯著。如果未來(lái)電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)凈零排放依賴(lài)高比例太陽(yáng)能和風(fēng)能資源，資源可利用性與電力需求的時(shí)空不匹配將有可能威脅整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。盡管大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)被視為解決新能源發(fā)電波動(dòng)性和間歇性的重要手段，但目前對(duì)于區(qū)域尺度“風(fēng)光儲(chǔ)”電力系統(tǒng)的可靠性尚缺乏系統(tǒng)評(píng)估。
針對(duì)這一迫切需求，清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“地學(xué)系”）同丹課題組首先利用39年（1980年-2018年）全球逐小時(shí)再分析氣象數(shù)據(jù)集綜合評(píng)價(jià)了全球各個(gè)國(guó)家太陽(yáng)能和風(fēng)能資源在季節(jié)和日尺度上的波動(dòng)性以及資源互補(bǔ)的時(shí)空變異性。研究進(jìn)一步利用宏觀(guān)能源模型（Macro Energy Model）對(duì)100%風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)完全滿(mǎn)足逐時(shí)電力需求的能力（定義為“發(fā)電系統(tǒng)可靠性”）進(jìn)行了數(shù)值模擬，系統(tǒng)評(píng)估了全球42個(gè)主要國(guó)家不同裝機(jī)發(fā)展規(guī)模、風(fēng)光混合比例和儲(chǔ)能系統(tǒng)容量對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了提升風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的區(qū)域資源共享方案。
全球主要國(guó)家風(fēng)光（儲(chǔ)）電力系統(tǒng)可靠性、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)供應(yīng)缺口與國(guó)土面積
研究發(fā)現(xiàn)，在無(wú)儲(chǔ)能條件下，高風(fēng)電比例（65%-85%）的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可靠性更高，可滿(mǎn)足42個(gè)主要國(guó)家絕大部分電力需求，可靠性為72%-91%。擴(kuò)大太陽(yáng)能和風(fēng)能裝機(jī)規(guī)?；蛘吲鋫鋬?chǔ)能系統(tǒng)均可有效提升發(fā)電系統(tǒng)可靠性，例如，配備12h長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)可將發(fā)電系統(tǒng)的可靠性提升至83%-94%，風(fēng)光能最優(yōu)組合模式發(fā)生顯著變化，太陽(yáng)能發(fā)電占比可達(dá)70%。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)大10%的太陽(yáng)能和風(fēng)能裝機(jī)規(guī)模與增加3.9小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的提升能力相當(dāng)。然而，即使在可靠性超過(guò)90%的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，每年仍可能有數(shù)百小時(shí)的電力需求不能得到完全滿(mǎn)足，并出現(xiàn)連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間（＞24h）電力供應(yīng)缺口，這也成為構(gòu)建100%風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的最大挑戰(zhàn)之一（通常電力系統(tǒng)可靠性要求≥99.9％）。
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)可有效彌合美國(guó)、中國(guó)等國(guó)土面積較大國(guó)家的電力缺口。相比之下，國(guó)土面積相對(duì)較小的國(guó)家構(gòu)建100%風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)將面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。以英國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家為例，配備12h長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能容量的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)仍會(huì)有約2000小時(shí)的電力供應(yīng)缺口，由此表明儲(chǔ)能系統(tǒng)有效消納更多波動(dòng)性風(fēng)光電力的能力十分有限。研究進(jìn)一步揭示，區(qū)域資源共享方案可有效消納各國(guó)不均勻的太陽(yáng)能和風(fēng)能資源，如整合調(diào)度部分棄風(fēng)棄光，國(guó)家尺度風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可靠性可從最低57%提升至近90%。
隨著可再生能源的規(guī)模化發(fā)展以及電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的推進(jìn)，深入理解自然資源稟賦對(duì)全球風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的制約對(duì)于優(yōu)化配置未來(lái)電力系統(tǒng)、提升電力系統(tǒng)可靠性和靈活性具有重要意義。在碳達(dá)峰、碳中和重大戰(zhàn)略目標(biāo)背景下，我國(guó)提出將大幅提升風(fēng)光發(fā)電規(guī)模，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，同時(shí)提高電網(wǎng)系統(tǒng)靈活性，提升電網(wǎng)消納可再生能源的能力。因此，未來(lái)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)間歇性可再生能源發(fā)電入網(wǎng)和長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新，優(yōu)化新型電力系統(tǒng)部署，助力零碳能源體系構(gòu)建。
10月22日，地學(xué)系同丹課題組在《自然·通訊》（Nature Communications）上在線(xiàn)發(fā)表題為“自然資源稟賦對(duì)全球風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可靠性的制約”（Geophysical constraints on the reliability of solar and wind power worldwide）的論文，在評(píng)估全球主要國(guó)家近四十年可開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能和風(fēng)能資源的基礎(chǔ)上，定量了不同裝機(jī)發(fā)展規(guī)模、風(fēng)光混合比例、儲(chǔ)能系統(tǒng)容量、區(qū)域共享方案對(duì)于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)完全滿(mǎn)足全球逐時(shí)電力需求的影響，揭示了區(qū)域尺度上太陽(yáng)能和風(fēng)能資源稟賦的時(shí)空不均勻性對(duì)于構(gòu)建100%風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的制約。
清華大學(xué)地學(xué)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(xué)卡內(nèi)基科學(xué)研究所大衛(wèi)·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(xué)地學(xué)系張強(qiáng)教授、美國(guó)加州理工學(xué)院南森·路易斯（Nathan S. Lewis）教授和美國(guó)加州大學(xué)歐文分校史蒂夫·戴維斯（Steven J. Davis）教授。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26355-z
供稿：地學(xué)系
標(biāo)題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：陳曉艷
審核：呂婷
