文献阅读 | 电网尺度评估由可再生能源替代带来的减排和电力调入调出的地区性差异

题目

Regional disparities in emissions reduction and net trade from renewables

作者

Harrison Fell, Jeremiah X. Johnson

期刊

Nature Sustainability

时间

2020年12月

一作

单位

Agricultural and Resource Economics, North Carolina State University, Raleigh, NC, USA

链接

https://www.nature.com/articles/s41893-020-00652-9

研究背景

利用太阳能、光伏和风能等可再生能源往往是为了减少排放和相关的不利环境影响。由于可再生资源可获得性固有的季节和日变化规律以及区域差异，太阳能和风能发电差异很大。同时，电网需要实时平衡，而传输方面的限制限制了电力的自由流动。因此，可再生能源项目在电网中的位置以及太阳能或风能资源的特性将极大地影响减排幅度。复杂的电力系统运行使得通过可再生能源替代而实现的减排很难精确量化，特别是考虑到电力系统运行中普遍存在的不经济调度和拥堵限制。

研究方法

已有的试图量化可再生能源减排效果的研究主要依靠两种方法:1.使用实证数据进行统计分析；2.构建模拟电力系统运行的优化模型。

就第一类方法而言，一些研究利用日水平的历史数据或利用资源数据(例如风速和太阳辐射)估计多个地区潜在的可再生能源发电量；很大一部分研究做了一系列工作来量化网格上的边际排放因子——这些因子与平均排放因子差别很大，具有很高的时空变异性。这些排放因子已经被用来量化太阳能和风能发电、电动汽车充电、能源效率以及电网的其他变化所带来的环境和健康效益。总而言之，这些研究在评估网格变化时，对位置和时间的重要性提供了有价值的见解。但由于数据的限制或者专注于孤立电网的优势，这些研究往往集中在一个电力系统上，并且依赖于模拟数据或狭窄的空间边界。至于第二类方法，许多研究使用优化模型，反映了电力系统机组组合和发电厂的经济调度，以量化太阳能和风能对整个系统的排放影响。这类方法允许将电网基础设施尚未实现的变化纳入考虑，包括可变可再生能源的高普及率、综合电力系统和对人类健康的影响、能源存储的广泛使用以及可再生能源政策的改进等。总的来说，这些研究为可再生能源的未来提供了有价值的见解，但受到必要的模型简化的限制，并且无法反映在实际电力系统中经常发生的不经济决策。本研究在充分考虑区域间电力贸易的作用的同时，根据各地区的可再生能源发电的实证数据，量化了太阳能和风能发电的减排。为此，我们根据2018年7月至2020年3月的历史可再生能源发电量数据，进行了标准的普通最小二乘估计，以捕捉区域和区域内输电约束的影响。为了更好地理解异质性对电力系统、可再生资源配置、净出口和可再生能源渗透率的影响，本研究充分考察了不同区域的基本情况。本研究确定了每个地区二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)排放量的减少，此外还量化了替代发电的燃料类型以及风能和太阳能发电导致的净出口。

研究结果

图1展示了该地区由于太阳能和风能发电而减少的CO2、SO2和NOx排放。在该地区，因为太阳能发电导致的二氧化碳排放量减少范围从加利福尼亚州(CAL)的0.28±0.05吨二氧化碳/兆瓦时(MWh)到东南部(SE)的0.62±0.17吨二氧化碳/兆瓦时(报告的结果使用95%置信区间)。减少排放的幅度如此之大，是由于不同地区电网的混合情况不同，以及出口到其他地区的太阳能所占份额不同。风能带来的二氧化碳减排带来了更广泛的结果。在纽约(NY)， 1兆瓦时的风力可抵消该地区0.17±0.04 tCO2，而中西部(MIDW)的风力可抵消0.65±0.04 tCO2 /MWh。

图 1  1兆瓦时的太阳能发电和风力发电

对该区域内CO2、SO2和NOx排放的影响

煤炭和天然气发电量的变化是太阳能和风能的环境效益的关键决定因素。在图2中，我们展示了太阳能和风能替代时，煤炭、天然气和水力发电的相应减少，并显示了与减排相一致的趋势。结果显示，在部分地区太阳能的替代减少了较高的煤炭发电量，比如NW地区 (0.38±0.13千瓦时煤/兆瓦太阳能)和德州 (0.36±0.16千瓦时煤/兆瓦太阳能)；而在MIDW地区，风力发电替代了的煤炭（ 0.44 ± 0.04千瓦时煤/兆瓦风力)、CENT地区（0.42 ± 0.03千瓦时煤/兆瓦风力)太阳能或风能抵消煤炭发电比例最高的地区，也是这些可再生能源减排幅度最大的地区之一。在其他地区，我们观察到天然气产量的大幅下降，佛罗里达州(FLA)的太阳能发电几乎可以抵消天然气发电

图 2  太阳能发电和风能发电

对该地区煤炭、天然气和水力发电的影响

需要注意的是，虽然区域内的减排很大，但可再生能源也会影响区域间的贸易。由于缺乏所有区域内可再生能源和贸易的数据，这一现象在以往的实证研究中尚未得到充分研究。由于风能和太阳能的边际成本接近于零，当将这些资源引入一个地区时，能源成本的降低可能导致净出口的增加(要么增加出口，要么减少进口)。如图3所示，我们观察到与太阳能和风能发电相关的净出口的变化，从中性(无明显影响)到净出口的显著增长。在加州，平均而言，太阳能每兆瓦时增加0.2兆瓦时净出口(每兆瓦时太阳能净出口0.20±0.07兆瓦时)，而风能每兆瓦时增加近一倍的净出口(每兆瓦时风能净出口0.35±0.08兆瓦时)。我们还观察到，西北（NW）风能(每兆瓦时净出口0.46±0.06兆瓦时)和西南(SW)太阳能和风能(每兆瓦时太阳能净出口0.65±0.34兆瓦时和每兆瓦时风能净出口0.95±0.33兆瓦时)的净出口也大幅增加。

图 3  太阳能发电和风能发电对区域净出口的影响

研究结论

通过使用非模拟的可再生发电数据计算排放削减和净出口增长，我们确保我们的结果反映了所有电力系统运行约束的影响，包括那些可能被电力系统优化模型或使用边际排放因素估计影响的统计方法所忽略的影响。我们的研究表明，风能和太阳能发电在所有地区都减少了二氧化碳排放，而许多(但不是所有)地区的SO2和NOx排放都有所减少。通过研究跨越美国周边的多个地区，我们对不同地区和不同可再生技术在减排方面的差异有了新的认识，产生了重要的政策意义。当以减少环境危害为目标来激励可再生能源时，在CENT、FLA、MIDA或MIDW地区发展可再生能源往往会比在CAL或NY发展可再生能源产生更大的减排效果。

编辑：吴凯

排版：吴凯 江琴

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