CRSus：多模型综合分析揭示洛杉矶实现100%可再生电力供应的可行途径 | Cell Press论文速递
可持续发展
Sustainability
为了应对气候变化，数百个社区和企业已经制定了100%无碳或可再生能源供应的目标。然而迄今为止，尚没有任何美国公用事业公司或电力供应商对实现100%可再生能源系统的可能途径进行全面分析。基于此，来自美国国家可再生能源实验室的高级能源分析师Jaquelin Cochran及其合作者近日在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Sustainability上发表了一篇题为“Integrated multimodel analysis reveals achievable pathways toward reliable, 100% renewable electricity for Los Angeles”的论文。文中使用洛杉矶电网为详细模型，首次全面分析了一个完全可再生电力系统，该系统可以在大城市范围内保持运行可靠性和资源充足性。本研究提出的方法可作为范例供全球其他区域参考。
▲长按图片识别二维码阅读原文
能源系统向100%可再生（或100%清洁或零碳）资源的快速过渡对人类社会至关重要。本文通过在前所未有的地理和时间尺度上整合十多个模型，发现一个可靠的、100%可再生能源系统是可以通过多种途径实现的。这种跨场景的比较为技术选择、转型速度和部门目标都提供了定量见解。虽然，采用一套严格定义的合格技术来实现快速转型会增加电力部门的成本，但也会带来更早、更大的健康效应和气收效益。本研究旨在让人们更好地了解可行性、成本和收益，从而制定长期的政策目标。
本文以洛杉矶100%可再生能源研究（LA100）为蓝本，制定了三个电力需求预测——适度需求、高需求和压力需求——它们各自在运输、建筑和工业部门的最终用途需求的电气化率、能源效率以及需求响应部署比率中有所不同。图1显示了多个场景下的年能耗和年峰值负荷的演变。作为参考，该数字还包括洛杉矶水电局（LADWP）在其2017年综合资源计划中的预测。
图1：按行业划分的峰值用电量及年度客户需求预测。
分布式太阳能和储能系统被认为是满足可再生能源需求的关键部分。利用高空间分辨率数据，基于最低成本分析，确定了经济上可行的太阳能(以及太阳能+储能)地点。根据负荷预测和分布式能源方案的数次反馈，作者在与LADWP和当地社区代表的广泛协商过程中制定了四种方案，并采用了成本最低的优化方法，结合了一套可靠评估策略，最终确定了每种情况下可再生资源的部署组合，以满足负载要求、发电概况和严格的可靠性条件。图2显示了针对两种需求预测的每种情况下容量组合随时间的演变结果。
图2：随时间变化的产能组合。
风能和太阳能资源提供了满足负荷所需的大部分能源：到2045年占总发电量的69%-87%（图3）。日存储资源通过将正午剩余能源转移到其他时段，提高了风能和太阳能资产的利用率。
图3：2045年所有高需求预测的年发电组合与2020年的比较。
图4显示了企业产能和经营储备的来源。与之前的工作一致，LA100研究表明，为要应对季节性可再生能源供应的变化，并且突破输电网络的限制，需要可靠的容量资源。如果到2045年，大多数西方国家实现了接近80%-100%可再生能源的利用，或将加剧可再生资源的竞争，为要获取相关资源，可能导致成本增加，以及资源位置、相关传输权、升级和建设的变化。鉴于输电网的限制，可再生燃料燃烧涡轮机（RE-CTs）是保持资源充足性的关键。
图4：企业产能（上）和运营储量（下）的来源显示了包括可再生燃料燃烧涡轮机在内的流域资源的重大贡献。
与2020年相比，2035年模拟情景发电厂运行产生的温室气体（GHG）排放量将减少76%-100%。图5显示了不同情景下温室气体的排放轨迹，以2012年增长速率为基线，比较了2045年估算的氮氧化物和颗粒物（PM2.5）排放量。与温室气体一样，改善空气质量的一个关键因素是建筑和交通的电气化。与2012年相比，所有社区的细颗粒物暴露总体减少了6%-8%。而由于由这种污染物引起的死亡、心血管疾病和其他疾病减少仅在2045年，就可在医疗保健方面节省15亿美元。
图5：减排量:按行业划分的年度温室气体（上）和氮氧化物/PM（下）
根据情景和负荷预测，扩大和运营电力系统的累积成本估计在570亿美元至870亿美元（2019年美元）之间。由于直接或通过购电协议（PPAs）采购容量和发电成本的积累、负荷的增加以及可再生能源目标的日益严格，所有情况下的成本都会随着时间的推移而增加（图6）。
图6：按场景、负载水平和成本类型划分的2021-2045年的系统年化累积成本。
至关重要的是，这些每兆瓦时的年度成本是衡量平均发电成本演变的指标，但它们并不代表实现100%可再生系统的增量成本。相反，它们明确表示（每发电单位）所需的收入，以支付与资本投资、电力购买协议义务、运营和维护成本累积偿债有关的年化成本。实现100%目标的成本在很大程度上取决于哪些技术被认为有资格成为可再生能源，此外，还受RECs等财务合规机制的可用性、实现目标的速度和负荷的演变等其他因素的影响（图7）。
图7：随时间变化的年度和平均年度发电成本
所有情景都证明了大规模部署新的风能、太阳能、储能、输电和需求侧措施(包括能源效率)以及激励负载灵活性的价值。这些成本高度依赖于技术选择，而不同技术的成熟度不同，这就迫切要求研发部门持续改进，以解决可再生能源供需受季节性影响而变化的技术难题。通过整合十多个模型，本文前所未有地在地理和时间尺度上研究了到2045年，能源布局向100%可再生能源供应的过渡。图8显示了模型集成和数据流。
图8：模型集成，包括负荷模型（左），电力系统建模，以及对环境、经济和就业影响的补充分析。
总结
综上，本文首次全面分析了一个可以在大城市范围内保持运行可靠性和资源充足性的完全可再生电力系统。评估了三种需求预测中的四种供应方案，以研究哪种类型的基础设施和运营变化可以在LADWP和当地社区同意的情况下，以最低的成本实现可靠的电力供应。通过对十多个模型进行整合，本文发现一个可靠的、100%可再生能源系统是可以通过多种途径实现的。虽然与2017年的IRP相比，电力系统成本有所增加，但系统设计节省了数十亿美元的医疗支出，并产生不可估量的气候协同效益。总之，本研究提出了一种可复制的方法，可供其他地区参考，并为将宏伟目标落地转化为程序性的技术策略和实施计划提供了严谨的科学见解。
相关文章信息
研究成果发表于在Cell Press
旗下期刊Cell Reports Sustainability上
点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
▌论文标题：
Integrated multimodel analysis reveals achievable pathways toward reliable, 100% renewable electricity for Los Angeles
▌论文网址：
https://www.cell.com/cell-reports-sustainability/fulltext/S2949-7906(24)00106-X
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.crsus.2024.100078
▲长按图片识别二维码阅读原文
经过50年的不懈努力，Cell Press细胞出版社的编辑与全球的作者、审稿人一起，创办了一系列优秀出版物，未来我们也将不断深耕科研创新和科学信息的传播交流，启迪更多科学新发现。
CellPress细胞出版社
推荐阅读
▲长按识别二维码关注细胞科学