風光能組合最優模式與儲能系統容量等均有一定關系。論文作者供圖

全球風光資源分布極不均勻，未來電力系統的“零碳排放”如果要高度依賴這兩種資源，哪種配置更加穩定、可靠?

近日，清華大學地球系統科學系助理教授同丹等人發表在《自然—通訊》的一項研究發現，要想回答這一問題，儲能系統十分關鍵。在配備和不配備儲能系統的情景中，風光能在更可靠的新能源電力系統中占比多少會發生顯著變化。

研究人員利用39年全球逐小時再分析氣象數據集，對全球42個主要國家的風光資源滿足逐小時電力需求的能力進行了評估，認為風光能最優組合模式國家尺度存在顯著差別，并提出了提升風光互補發電系統可靠性的區域資源共享方案。

國土面積大 風光能可靠性更高

在各國減排“路線圖”中，首先都是發展清潔能源，降低化石能源發電供應。據國際能源署(IEA)統計，2020年可再生能源電力占比快速提升至近30%，其中風光資源作為重要電力來源之一，占比已達到10%。

我國可再生能源發展水平與國際并駕齊驅。據國家能源局統計，去年，我國可再生能源發電量達到2.2萬億千瓦時，占全社會用電量的29.5%，其中風光發電量占全社會用電量的比重約為10%。

“我國已明確提出大幅提升風電、光伏發電規模，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。”中國工程院院士、清華大學碳中和研究院院長賀克斌在接受《中國科學報》采訪時說，“因此，未來應當優化新型電力系統建設，加強間歇性可再生能源發電入網，助推零碳能源體系構建。”

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具有重要科學指導意義，有助于對未來電力系統進行優化配置，提升穩定性和靈活性。然而，現有研究對區域尺度風光互補發電系統的可靠性及大規模儲能部署尚缺乏系統評估。

在此背景下，研究人員通過數值模擬方法評估了100%風光互補發電系統完全滿足逐時電力需求的能力，定量分析了不同裝機發展規模、風光混合比例、儲能系統容量、區域共享方案等，對風光互補發電系統完全滿足全球逐時電力需求的影響。

他們發現，風光能組合最優模式與風光能裝機發展規模、儲能系統容量、國土面積和中心經緯度等均有一定關系，并且國家尺度最優模式存在顯著差別。從滿足逐時發電需求能力來看，中國、俄羅斯、加拿大、美國等國土面積較大的國家具有較好的表現，發電系統的可靠性可達到90%左右。

風光能組合優化 儲能設施很關鍵

研究人員利用1980年至2018年近40年的全球逐小時再分析數據集，基于對可再生能源發展規模、不同比例風光混合系統和儲能系統容量的大量數值模擬，評估了全球42個主要國家的風光資源滿足逐小時電力需求的能力。他們發現，這些國家的風光能資源現狀(研究聚焦100%風光互補發電系統)滿足電力需求供應的能力可達70%以上。

在無儲能條件下，可靠性高的風光互補發電系統更依賴風電，其比例為65%~85%。42個主要國家發電系統可靠性(即發電系統完全滿足逐時電力需求的能力)為72%~91%。

擴大太陽能和風能裝機規模或配備儲能系統，均可有效提升發電系統可靠性。例如，配備12小時長時儲能系統可將發電系統的可靠性提升至83%~94%。不過，這時高可靠性組合發電系統的“主角”發生了反轉：更多依賴太陽能發電，且比例可達70%。

研究同時發現，擴大10%的風光能裝機規模與增加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。

那么，中國的情況又如何呢?“與國際上類似。”論文第一兼通訊作者同丹在接受《中國科學報》采訪時說，中國可靠性高的無儲能風光互補發電系統也更依賴風電，最優配置的風電比例為80%;而配備12小時儲能系統時，可將發電系統的可靠性提升5%。同樣，高可靠性發電系統可更多依賴太陽能發電，比例為55%。

“也就是說，最優的風光結構或是組合需要根據我國對于儲能系統的配置和風電光電發展規模的規劃科學確定，實際建設中會考慮更多因素，如占地性質等。”她補充道。

同丹表示，由于成本高、技術仍不成熟，目前長時儲能系統在全球風光發電系統中應用很少，多以短時儲能(小于5小時)為主，甚至在某些區域的風光發電系統還未配置儲能設備。而無儲能最大的問題是棄風棄光，當前雖有改善但仍不同程度地存在，成為制約可再生能源發展的最大障礙，這些都期待長時儲能技術的突破。

她還指出，新能源供給最大的挑戰是遇到極端天氣事件。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，出現連續長時間(>24小時)電力供應缺口。

區域資源平衡 有待大尺度合作

“我們的研究提供了進一步的證據，表明儲能本質是平抑電力供需矛盾，它將成為國家電網提升平衡調節能力的重要手段。”同丹對記者說，“區域儲能平衡對于實現電力供應可靠性影響巨大。資源可利用性與電力需求在時空上的不匹配可能威脅整個電力系統運行的穩定性和可靠性。”

研究指出，12小時長時儲能系統可有效彌合中國、美國等國土面積較大國家的電力缺口，提升發電系統可靠性。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。

同丹表示，以英國、韓國等國家為例，即使配備12小時儲能容量的風光互補發電系統，仍會有約2000小時的電力需求不能得到完全滿足，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。

不過，跨區域的大尺度合作則有助于解決這一問題。數據分析發現，區域資源共享方案可有效消納各國不均勻的太陽能和風能資源，如整合調度棄掉的部分風電光電，國家尺度風光互補發電系統可靠性可從最低的57%提升至近90%。

“這是一項對所在領域有深刻貢獻的有趣研究。”審稿人Jesse D. Jenkins寫道，研究揭示了基于自然資源稟賦約束的全球不同時空尺度的風能和太陽能變異性，“這本身就很有見地”。

賀克斌表示，資源組合、發電需求和儲能系統等對保障電力供應可靠性、靈活性和經濟性均至關重要。隨著有越來越多可再生能源發電并網、尖峰負荷不斷增長以及氣候變化導致的極端天氣的增多，電力系統可靠性面臨著前所未有的挑戰。不過，就其關鍵性和迫切性而言，靈活性電力調配系統和儲能設備，對于發展高比例可再生能源發電系統更加重要。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26355-z

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