文献阅读 | 气候变化引起的美国居民用电需求年际变化

题目

Quantification of climate-induced interannual variability in residential US electricity demand

作者

Hadi Eshraghia, Anderson Rodrigo de  Queirozba, A.Sankarasubramaniana, Joseph F. DeCarolisa

期刊

Energy

时间

2021年12月

一作

单位

Department of Civil, Construction and Environmental Eng., North Carolina State University, Raleigh, NC, 27695, USA

链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544221015218?via%3Dihub

研究背景

        自1990年以来，美国电力需求每年增长1.6%，且增长率高于居民部门使用的所有其他主要能源。而居民部门的部门电力需求受季节影响很大。2018年，美国总电力需求的37%来源于居民部门，其中46%用于满足室内空调。对季节和气候的依赖给电力部门带来了挑战，并对需求和供应方面的规划都有重要影响。根据月度和季节预测的电力需求可以帮助制定紧急情况、应急管理等长期规划。对于1万兆瓦的电力公司来说，预测误差减少1%可以节省150多万美元。包括天然气在内的其他燃料的高昂价格让电力作为供暖的能源比例不断上升。此外，作为碳中和目标的一部分，美国能源系统的深度脱碳也需要大规模电气化。

        电力需求的季节性，以及需求与气象变化的关系已被广泛研究。比如使用月度天气和电力负荷数据，研究了居民和商业部门的电力负荷对特定气候变化情景的敏感性；使用人口、能源价格、日照时间和温度作为变量研究了能源消耗对温度的响应函数；使用月天气数据，比如露点温度、平均风速、降水量，和每月用电量和社会经济参数观察到了居民部门更具有时空异质性；对意大利的回归模型分析则发现由于地中海气候温和，温度只占该国日常电力需求的很小一部分。

        虽然大多数研究考虑了各种统计方法，但没有一项研究对美国大陆的州级别夏季和冬季居民用电需求的分析。在本研究中，作者量化了夏季和冬季住宅电力需求的主要季节变化因素。作者使用线性回归，系统地分解每个驱动程序的解释方差以解释美国各地的季节性需求驱动的作用

图1： 概念性框架

研究发现

        作者研究了在冬季(12月、1月和2月，合称DJF)和夏季(6月、7月和8月，合称JJA)的美国大陆的居民用电需求。图 1概括了四个选择的变量——人口、气候、天然气替代效应和前一个月的需求——的概念框架。作者在本次研究中只考虑了夏季和冬季，因为与其他两个季节相比，电力系统在夏季和冬季面临更多的压力和变化。为了量化不同预测因素对季节性电力需求的影响，作者按照图 1的顺序进行回归。

        研究结果显示前一个月的需求这一变量对解释总电力需求变化的贡献微不足道，因此，作者在结果部分只给出了分夏、冬两季有关人口、气候和天然气替代效应的的结果。

图2：夏季居民用电需求变化

（a人口，b气候）

        图 2展示的是美国各个州在夏季由人口和气候所解释的电力需求变化量。大部分州（46/48）的夏季电力需求的总可解释变异性超过50%，42个州的总解释变异性超过70%，且可解释变异性相对较低的两个州的夏季气候相对也比较温和。气候（图2b）表现出比人口（图2a）更强的解释能力，作者认为可以得出家庭夏季电力需求变化的最大部分是由年际气候变化所解释的。近年的用电需求和人口之间的差异可以用2005年以来的家庭用电强度趋势（图 3）来解释。电力消费强度的下降意味着美国人口的增长并没有转化为额外电力需求。2005年以前的用电强度的增加主要是由于家庭面积的扩大和家庭能源服务的电气化程度扩大。这也说明了在经济发展到一定程度后电力需求的边际增长会放缓。图 4是制冷天数和夏季电力需求变化的关系，并显示出微小的制冷天数也会导致电力需求的变化。

图3：美国家庭用电强度

图4：制冷天数对电力需求变化的影响

        冬季时美国各州人口和气候对电力需求的影响如图 5。与夏季类似，人口对冬季电力需求的年际变化只有一小部分。模型解释了42个州超过冬季电力需求的总变异性的50%。在控制了人口变化后，图  5b的结果表明气候信息可以部分解释即将到来的冬季用电需求。与夏季类似，作者也绘制了供暖天数与冬季电力需求变化的关系（图 6）。夏季时，较大的气候变化通常转化为较大的电力月度需求。然而，气候引起的冬季电力需求变化似乎不是供暖天数变化的功能。虽然图 5中同一气候区域内各州之间存在一些相似之处，但即使是邻近州，对气候的负荷敏感性仍存在很大差异。相关性的缺乏可能是由于人均收入、取暖燃料的选择、住房类型、电器效率等等的差异。在这些因素中，作者认为使用电力供暖的比例可能有很大差异，虽然数据并不完全匹配（使用的是人口普查数据而非州级别）但是作者针对这个猜想做了检验，并发现确实有助于更好地解释各州的季节气候负荷敏感性变化。

图5：夏季居民用电需求变化

（a人口，b气候）

图6：供暖天数对电力需求变化的影响

        最后，替代效应解决了剩下的变异性，结果见图 7。根据美国的能源信息管理局（EIA）来看，在美国，电力比天然气有更高的市场份额，且作为取暖来源的天然气已经逐渐转变为电力。这种变化的部分原因是人口进一步向电力份额较高的南部和西部迁移。然而在美国较冷的地区，尤其是在中西部地区，天然气仍然是主要的取暖燃料，主要是因为在非常寒冷的气候条件下，电热泵的应用比天然气的取暖设备更昂贵。然而，即使在中西部地区，由于电力热泵的改进，电力份额继续增加。在美国东北部，以液体燃料为代价的电力和天然气供暖份额都在增加。因为住宅制冷需求完全由电力满足，而供暖需求的燃料来源则更广泛。总而言之，由于供暖设备使用的燃料类型不同，解释寒冷地区各州冬季电力需求变化的能力也更困难。

图7：天然气替代性

编辑&排版：周子乔

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