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地学系同丹课题组揭示自然资源禀赋对全球风光互补发电系统可靠性的制约

清华新闻网10月26日电 大规模推广清洁电力对于全世界实现净零排放目标至关重要。然而,全球太阳能和风能资源分布极不均匀,时空互补性差异较大,区域电力需求周期波动特征差别显著。如果未来电力系统实现净零排放依赖高比例太阳能和风能资源,资源可利用性与电力需求的时空不匹配将有可能威胁整个电力系统运行的稳定性和可靠性。尽管大规模储能系统被视为解决新能源发电波动性和间歇性的重要手段,但目前对于区域尺度“风光储”电力系统的可靠性尚缺乏系统评估。

针对这一迫切需求,ManBetX体育注册首页地球系统科学系(以下简称“地学系”)同丹课题组首先利用39年(1980年-2018年)全球逐小时再分析气象数据集综合评价了全球各个国家太阳能和风能资源在季节和日尺度上的波动性以及资源互补的时空变异性。研究进一步利用宏观能源模型(Macro Energy Model)对100%风光互补发电系统完全满足逐时电力需求的能力(定义为“发电系统可靠性”)进行了数值模拟,系统评估了全球42个主要国家不同装机发展规模、风光混合比例和储能系统容量对发电系统可靠性的影响,并在此基础上提出了提升风光互补发电系统可靠性的区域资源共享方案。

全球主要国家风光(储)电力系统可靠性、长时间连续供应缺口与国土面积

研究发现,在无储能条件下,高风电比例(65%-85%)的风光互补发电系统可靠性更高,可满足42个主要国家绝大部分电力需求,可靠性为72%-91%。扩大太阳能和风能装机规模或者配备储能系统均可有效提升发电系统可靠性,例如,配备12h长时储能系统可将发电系统的可靠性提升至83%-94%,风光能最优组合模式发生显著变化,太阳能发电占比可达70%。研究同时发现,扩大10%的太阳能和风能装机规模与增加3.9小时储能系统容量对发电系统可靠性的提升能力相当。然而,即使在可靠性超过90%的风光互补发电系统中,每年仍可能有数百小时的电力需求不能得到完全满足,并出现连续长时间(>24h)电力供应缺口,这也成为构建100%风光互补发电系统的最大挑战之一(通常电力系统可靠性要求≥99.9%)。

长时储能系统可有效弥合美国、中国等国土面积较大国家的电力缺口。相比之下,国土面积相对较小的国家构建100%风光互补发电系统将面临更为严峻的挑战。以英国、韩国等国家为例,配备12h长时储能容量的风光互补发电系统仍会有约2000小时的电力供应缺口,由此表明储能系统有效消纳更多波动性风光电力的能力十分有限。研究进一步揭示,区域资源共享方案可有效消纳各国不均匀的太阳能和风能资源,如整合调度部分弃风弃光,国家尺度风光互补发电系统可靠性可从最低57%提升至近90%。

随着可再生能源的规模化发展以及电力系统低碳转型的推进,深入理解自然资源禀赋对全球风光互补发电系统可靠性的制约对于优化配置未来电力系统、提升电力系统可靠性和灵活性具有重要意义。在碳达峰、碳中和重大战略目标背景下,我国提出将大幅提升风光发电规模,构建以新能源为主体的新型电力系统,同时提高电网系统灵活性,提升电网消纳可再生能源的能力。因此,未来应当加强间歇性可再生能源发电入网和长时储能技术创新,优化新型电力系统部署,助力零碳能源体系构建。

10月22日,地学系同丹课题组在《自然·通讯》(Nature Communications)上在线发表题为“自然资源禀赋对全球风光互补发电系统可靠性的制约”(Geophysical constraints on the reliability of solar and wind power worldwide)的论文,在评估全球主要国家近四十年可开发利用太阳能和风能资源的基础上,定量了不同装机发展规模、风光混合比例、储能系统容量、区域共享方案对于风光互补发电系统完全满足全球逐时电力需求的影响,揭示了区域尺度上太阳能和风能资源禀赋的时空不均匀性对于构建100%风光互补发电系统的制约。

ManBetX体育注册首页地学系同丹助理教授为论文第一作者兼通讯作者,论文合作者包括斯坦福大学卡内基科学研究所大卫·法纳姆(David J.Farnham)博士、段磊(LeiDuan)博士和肯·卡尔代拉(KenCaldeira)研究员、ManBetX体育注册首页地学系张强教授、美国加州理工学院南森·路易斯(Nathan S. Lewis)教授和美国加州大学欧文分校史蒂夫·戴维斯(Steven J. Davis)教授。研究得到国家自然科学基金委创新研究群体项目的支持。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-26355-z

供稿:地学系

标题图设计:梁晨

编辑:陈晓艳

审核:吕婷

2021年10月26日 09:00:32

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