【編者按】世界各國都將能源轉(zhuǎn)型作為后疫情經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。為與廣大讀者分享國外能源轉(zhuǎn)型最新研究進(jìn)展，開辟“海外研究”話題。本文介紹近日發(fā)表在國際期刊Biomass and Bioenergy上發(fā)表研究論文The roles of biomass and CSP in a 100%renewable electricity supply in Australia的主要內(nèi)容，介紹了澳大利亞在100％可再生能源供電方面的最新研究進(jìn)展。感謝澳大利亞悉尼大學(xué)可持續(xù)分析中心的李夢宇博士供稿。更多細(xì)節(jié)請點(diǎn)擊文末“閱讀原文”瀏覽或下載論文原文。

【論文導(dǎo)讀】在全球低碳發(fā)展的背景下，可再生能源發(fā)電比例逐年提高，但是風(fēng)能和太陽能的隨機(jī)性和波動(dòng)性為高比例甚至100％可再生能源供電場景帶來挑戰(zhàn)，生物質(zhì)能和太陽能光熱發(fā)電這樣的可調(diào)度可再生能源對于解決這一問題具有巨大潛力。

生物質(zhì)能和太陽能光熱發(fā)電在澳大利亞100％可再生能源供電中的作用

李夢宇a*，Manfred Lenzena，Moslem Yousefzadeha,Fabiano A.Ximenesb

（a.Integrated Sustainability Analysis(ISA),School of Physics,The University of Sydney,NSW 2006,Australia

b.Forest Science Unit,Department of Primary Industries,NSW 2150,Australia）

摘要

由于風(fēng)能和太陽能資源的可變性，電力系統(tǒng)中高比例的風(fēng)能和太陽能可能會(huì)導(dǎo)致在資源匱乏時(shí)期出現(xiàn)供電缺口。可調(diào)度可再生能源如生物質(zhì)能、太陽能光熱發(fā)電（concentrating solar power，CSP）和水電，能夠在短時(shí)間內(nèi)滿足負(fù)荷要求，可以幫助解決此問題。本研究分析了在不同生物質(zhì)和CSP的發(fā)電比例下，澳大利亞成本最低的100％可再生電源時(shí)空配置。為此，進(jìn)行了基于高分辨率地理信息系統(tǒng)（GIS）的逐小時(shí)電力供需匹配模擬。研究發(fā)現(xiàn)，基于澳大利亞現(xiàn)有生物質(zhì)裝機(jī)容量（1.7GW），100％的全國可再生能源供電能夠?qū)崿F(xiàn)，該情況下系統(tǒng)總裝機(jī)容量約146~148 GW，平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）約為9~10美分/kWh（置信度95％）。在生物質(zhì)發(fā)電量增長5~15倍的情況下，LCOE可降至6~8美分/kWh，且系統(tǒng)總裝機(jī)容量將減少至70~110 GW。生物質(zhì)會(huì)受到土地使用的限制，而CSP可將系統(tǒng)裝機(jī)容量減少到近120 GW。

研究目標(biāo)

調(diào)查在不同生物質(zhì)資源利用水平和CSP容量擴(kuò)展下，澳大利亞100％可再生能源電網(wǎng)高時(shí)空分辨率配置。具體研究目標(biāo)如下：

1 開發(fā)高分辨率GIS（0.09°，390×479個(gè)網(wǎng)格）的電力調(diào)度模型，對全年中每小時(shí)的電力時(shí)空調(diào)度進(jìn)行模擬，并構(gòu)建新的輸電網(wǎng)絡(luò)以估算系統(tǒng)的LCOE；

2 開發(fā)CSP調(diào)度模型，根據(jù)實(shí)時(shí)天氣和運(yùn)行狀況以及單位時(shí)間調(diào)度結(jié)果對其熱存儲(chǔ)狀態(tài)進(jìn)行每小時(shí)追蹤，以研究其在100％可再生能源電網(wǎng)中平衡負(fù)荷的潛力；

3 測試不同生物質(zhì)以及CSP成本下100％可再生能源電網(wǎng)的配置；展示如何通過逐步增加生物質(zhì)燃料和CSP電廠的裝機(jī)容量來減少可再生能源的波動(dòng)。

模型介紹

開發(fā)了一種啟發(fā)式電力供需模型，通過時(shí)序調(diào)度模型找到滿足約束條件的澳大利亞電網(wǎng)配置。電力供需模型由3個(gè)基于GIS的子模型組成，這些子模型在澳大利亞390×479網(wǎng)格上運(yùn)行：1）發(fā)電技術(shù)模型（圖1左），估算每個(gè)網(wǎng)格單元每小時(shí)不同發(fā)電技術(shù)的發(fā)電潛力和投標(biāo)價(jià)格；2）負(fù)荷模型：澳大利亞電力負(fù)荷的時(shí)空分布（圖1右）；3）供需調(diào)度模型（圖1中），模擬澳大利亞電網(wǎng)的每小時(shí)電力調(diào)度，其中負(fù)荷（從負(fù)荷模型中）根據(jù)資源可用性和成本（發(fā)電技術(shù)模型）選擇發(fā)電機(jī)。

該模型通過在3個(gè)子模型之間交替，以縮小發(fā)電機(jī)位置搜索空間來模擬每小時(shí)投標(biāo)過程，繼而輸出滿足搜索條件的時(shí)空電源配置。

?圖1澳大利亞電力供需模型

情景設(shè)置

模擬包括6種燃料類型：水力、生物質(zhì)、風(fēng)能、光伏電站、屋頂光伏、CSP。對生物質(zhì)和CSP的成本以及容量倍數(shù)進(jìn)行以下假設(shè)：

1 生物量容量倍數(shù)β：{1、5、10、15}，該參數(shù)用于模擬生物量容量的擴(kuò)展。

2 生物質(zhì)和CSP成本乘數(shù)φ：{0.8，0.9，1，1.1，1.2，1.5，2，2.5，3，3.5，4}和ψ：{0.8，0.9，1，1.1，1.2}，這些系數(shù)用來表示不同情景下與現(xiàn)有成本相比生物質(zhì)和CSP的成本變化。

模擬結(jié)果

上述參數(shù)隨機(jī)組合產(chǎn)生220個(gè)模擬方案，以下為模擬結(jié)果。

01 生物質(zhì)和CSP發(fā)電比例對裝機(jī)容量的影響

圖2展示了生物質(zhì)和CSP發(fā)電比例對裝機(jī)容量的影響，其中黑色實(shí)心點(diǎn)表示β，φ和ψ為1的情形，即基于現(xiàn)有技術(shù)成本下的100％可再生能源電網(wǎng)其裝機(jī)容量為140~150 GW。通過220個(gè)模擬情形，進(jìn)一步將澳大利亞100％可再生能源從孤立場景擴(kuò)展到整個(gè)決策范圍。一般來說，低生物質(zhì)和低CSP的發(fā)電比例會(huì)使電網(wǎng)具有高裝機(jī)容量（對應(yīng)圖2的紅色頂部）。隨著兩者中任何一種的發(fā)電比例增加，系統(tǒng)裝機(jī)容量會(huì)降低（圖2中左下方區(qū)域變藍(lán)）。對于生物質(zhì)比例小于10％的配置中，隨著CSP發(fā)電比例從5％增加到75％，系統(tǒng)裝機(jī)容量從約200 GW下降到120 GW。同樣，當(dāng)CSP不是主要的發(fā)電技術(shù)且其比例不足10％時(shí)，生物質(zhì)顯示出出色的平衡間歇性資源的能力：當(dāng)其年發(fā)電比例為30％~40％時(shí)，能夠使得總系統(tǒng)裝機(jī)容量降到70~110 GW。這表明生物質(zhì)和CSP在澳大利亞100％的可再生能源電力供應(yīng)中可能發(fā)揮潛在的重要作用。

?圖2生物質(zhì)和CSP發(fā)電比例對系統(tǒng)裝機(jī)容量的影響

02 生物質(zhì)能和CSP發(fā)電比例對LCOE的影響

LCOE與系統(tǒng)裝機(jī)容量顯示出強(qiáng)烈的負(fù)相關(guān)性，即高容量配置對應(yīng)于低LCOE（圖3）。在基于現(xiàn)有的成本和生物質(zhì)裝機(jī)容量下，100%可再生能源電網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)約9~10美分/kWh的LCOE（圖3中的實(shí)心黑點(diǎn)）。當(dāng)采用更多的CSP時(shí)，該值將略微降低至8美分/kWh，隨著生物質(zhì)比例的逐漸增加，該值將降至近6美分/kWh。

?圖3生物質(zhì)能和CSP發(fā)電比例對LCOE的影響

03 典型夏季和冬季的周發(fā)電曲線

從220個(gè)場景中提取了典型的夏季（圖4a和圖4c）和冬季（圖4b和圖4d）周發(fā)電曲線（編者注：澳大利亞季節(jié)與北半球相反，1月是夏季，6月是冬季）。根據(jù)生物質(zhì)成本的假設(shè)（φ），生物質(zhì)既可在冬季當(dāng)其余資源都枯竭時(shí)用作調(diào)度（圖4a和4b），也可在全年發(fā)電量中提供較小比例的基礎(chǔ)負(fù)荷（圖4c和4d）。對于前者，在太陽能資源豐富的夏季，電網(wǎng)只需采用CSP來填補(bǔ)夜間的缺口（圖4a）。而在典型冬季，當(dāng)太陽能光伏發(fā)電量有限時(shí)，則需更多的CSP（874 MWh發(fā)電量而不增加CSP容量，圖4b）和生物質(zhì)（758 MWh發(fā)電量，25 GW容量，圖4b）來填補(bǔ)風(fēng)電和光伏的缺口。在白天大量使用CSP時(shí)，可以通過生物質(zhì)的使用為CSP在較低的熱儲(chǔ)存狀態(tài)下存儲(chǔ)更多熱量提供了靈活性，從而減少了潛在的負(fù)荷損失（圖4b）。根據(jù)生物質(zhì)成本的設(shè)定，生物質(zhì)還可以為全年的基礎(chǔ)負(fù)荷用電做出貢獻(xiàn)（2.5 GW容量，圖4c），并在太陽能和風(fēng)能資源不足的時(shí)期填補(bǔ)高達(dá)25 GW的缺口（圖4d）。

?圖4典型的夏季（1月1日至8月1日）和冬季（6月1日至6月8日）的每小時(shí)用電情況

主要結(jié)論

在不考慮成本變化和生物質(zhì)裝機(jī)容量變化情況下（僅基于現(xiàn)有1.7 GW的生物質(zhì)裝機(jī)容量），生物質(zhì)發(fā)電比例約為5％，CSP發(fā)電可以達(dá)到30％的比例；澳大利亞100％可再生能源電力供應(yīng)系統(tǒng)的總裝機(jī)容量約為145.9~148.3 GW，其LCOE為9.8~10美分/kWh（置信度95％）。

在生物質(zhì)未大規(guī)模擴(kuò)展時(shí)，CSP可能在降低系統(tǒng)容量和LCOE中起重要作用。對于生物質(zhì)比例小于10％的電網(wǎng)配置中，隨著CSP發(fā)電比例增加到接近75％，系統(tǒng)容量可下降到120 GW。生物質(zhì)能可為CSP提供靈活性，以在其低熱儲(chǔ)量期間存儲(chǔ)更多熱量，從而減少潛在的系統(tǒng)負(fù)載損失?？紤]到生物質(zhì)容量擴(kuò)展的潛力，若其容量擴(kuò)展至5~15倍，系統(tǒng)裝機(jī)容量可降至70~110 GW，同時(shí)，LCOE也將降至6~8美分/kWh。

本文證明了生物質(zhì)能與CSP在實(shí)現(xiàn)澳大利亞的100％的可再生能源供應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用。大量的未充分使用的生物質(zhì)有機(jī)殘留物使得生物質(zhì)發(fā)電量的增加成為可能。鑒于豐富的生物質(zhì)和太陽能資源，混合太陽能-生物質(zhì)系統(tǒng)在澳大利亞可能具有在太陽能與風(fēng)能缺口期供電的巨大潛力。

澳大利亞電力系統(tǒng)簡介：

澳大利亞的國土面積約為770萬平方千米，南北約3,860千米，東西向約4,000千米，幾乎相當(dāng)于沒有阿拉斯加的美國本土的面積。約2300萬（2016年）的人口主要分布在東部和西南海岸線，且集中在五個(gè)最大的城市。由于其規(guī)模和人口分布，澳大利亞沒有連接整個(gè)大陸的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)。東部和南部通過全國電力市場（NEM）連接，該市場占澳大利亞市場總量的絕大部分（總需求的92％）。西南互連系統(tǒng)（SWIS）連接西澳大利亞的部分地區(qū)；其余區(qū)域通過離網(wǎng)/微網(wǎng)解決方案提供。澳大利亞電力年需求約220 TWh，具有66 GW的裝機(jī)容量，目前由76％的黑/褐煤，12％的天然氣，7％的水力和5％的風(fēng)能提供。通過約59,000 km的傳輸線和電纜連接了約50 GW的已安裝發(fā)電容量。該網(wǎng)絡(luò)沒有與其他國家/地區(qū)互連，但是有一條將塔斯馬尼亞島與NEM連接的海纜。

澳大利亞聯(lián)邦政府提出了到2020年將可再生能源23.5％的目標(biāo)，并且有望進(jìn)一步提高。澳大利亞首都特區(qū)（ACT）和南澳分別已承諾在2025和2020年新能源達(dá)到50％（發(fā)電量）和100％（消耗電量）的目標(biāo)。昆士蘭州提出了到2030年可再生能源占50％的目標(biāo)。

作者簡介

李夢宇

■李夢宇博士，于2020年2月從悉尼大學(xué)可持續(xù)分析中心(ISA)獲得博士學(xué)位，師從Prof Manfred Lenzen，現(xiàn)為該中心博士后研究員。主要通過大數(shù)據(jù)建模，來量化區(qū)域、國家和全球范圍內(nèi)的可持續(xù)發(fā)展影響，具體包括：1)多能源耦合系統(tǒng)建模及協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行策略；2)使用投入產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)模型進(jìn)行災(zāi)難影響評估。在The Lancet Planetary Health,IEEE Trans.on Smart Grid,Applied Energy,Environmental Science&Technology Letters,Energy等期刊發(fā)表SCI論文13篇。相關(guān)研究結(jié)果得到Guardian,the Conversation,Science Daily,Mirage News,Lab Down Under等澳大利亞媒體報(bào)道。