文献阅读 | 设计多元化的可再生能源系统以平衡多部门表现

题目

Designing diversified renewableenergy systems to balance multisector performance

作者

Jose M. Gonzalez, James E. Tomlinson, Eduardo A.Martínez Ceseña, Mohammed Basheer, Emmanuel Obuobie, Philip T. Padi, SalifuAddo, Rasheed Baisie, Mikiyas Etichia, Anthony Hurford, AndreaBottacin-Busolin, John Matthews, James Dalton, D. Mark Smith, Justin Sheffield,Mathaios Panteli & Julien J. Harou

期刊

Nature Sustainability

时间

2023年1月

一作

单位

Department of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering, The University of Manchester, Manchester, UK

链接

https://www.nature.com/articles/s41893-022-01033-0

研究导读

尽管可再生能源的发展可以缓解气候变化，但像风光能源等不可调度的可再生能源的间歇性会危及电网安全。为了可靠地供应电力，水电在许多地区被使用，但其运行可能会损害水域生态系统，且加剧不同部门之间的水资源使用冲突。在此，本文作者构建了一个将流域与电力系统模拟器以及多目标智能优化算法结合一起的决策框架。通过该框架，以加纳为例，作者发现战略性的水电运行以及在间歇性可再生能源、生物质能和输电线路上进行多样化投资，不仅可以减少每日逐小时流量的变化，增强农业绩效，并可同时实现能源目标以及减少碳排放。

研究背景

根据2022年联合国可持续发展目标（SDG）报告，世界仍有7亿人口无法获得电力供应，其中超过7成分布在撒哈拉以南非洲。虽然可再生能源对于满足电力需求至关重要，但在近期的全球危机，如新冠疫情和燃料价格暴涨之际，可再生能源的发展减缓了不少。为了在2030年实现气候和能源目标，加快可再生能源的采用刻不容缓。水电作为可调度的可再生能源，目前占全球可再生装机容量的最大份额（40%），但近年可再生能源的增加主要来自于不可调度的太阳能和风能。2021年就有88%的增加来自于风光能源。它们的间歇性与波动性危及电网安全，而水电可以为它们短、中、长期的变化性作为补充。然而，水电所带来的灵活性伴随着水峰的产生，从而改变了下游水流，破坏了水域生态系统和沿河居民的生计。在中长期内，水电放水与灌溉和供水的季节性需求不匹配也加剧了不同部门之间的水资源利用冲突。在复杂的水-能源-粮食-生态系统（WEFE）关联中进行权衡对于可再生能源技术的可持续扩展尤其关键。本文旨在通过提出一个决策框架来评估可调度和不可调度可再生能源的战略性部署，同时实现生态、社会和经济目标，以支持决策制定。

研究方法

决策框架由两个部分组成：第一部分将水文模型与电力系统模型相结合，涵盖了水资源供给、灌溉需求和水域生态系统。水文模型以周为时间步长，提供了每周平均的水电发电量给电力系统模型作为约束，后者以小时为时间步长在同一周运行。这一过程重复执行，直到模拟完2030年至2040年的整个时间段。模拟结束后计算绩效指标，并将其反馈到框架的第二个组成部分，即Borg多目标进化算法。该算法评估绩效的权衡和协同作用，并引导搜索过程寻求最优的水-能源决策方案。

该框架被应用于加纳作为一个全国范围的案例研究（见图1）。加纳目前的电力供给来自水电、天然气和石油资源，比例分别为47%，30%和23%。水电装机容量为1,580 MW，其中阿科松博大坝占最大份额，达到1,020 MW。该水坝调节世界上最大的人工水库——沃尔特湖。加纳旨在通过大规模的可再生能源开发来实现在2030年将温室气体排放量减少45%这一目标，如何实现仍然是一个未解的难题。

图1  沃尔特跨境流域和加纳国家电力系统

研究考虑了三种能源部署策略。第一种策略通过改变水电运行来容纳高比例的间歇性可再生能源，但该发展受限于现有输电网络。第二种策略在第一种策略的基础上允许扩展输电网络。第三种策略增加了生物质能，提供了额外的系统灵活性，并代表了一个完全多元化的电力系统发展策略。三种策略由七个绩效指标评估：（1）水库下游的亚日水文变化；（2）电力负荷削减；（3）发电的二氧化碳排放量；（4）灌溉农业产量和收入；（5）洪水衰退型农业 (flood recession agriculture)效益；（6）电力系统资本支出；以及（7）电力系统运行成本。

研究结果

图2a中的每条线各代表一个能源设施扩建和水电运行的帕累托最优组合（蓝、黄和红分别对应策略一、二和三）。例如，在第一种策略中（图2b），通过水电调峰可将间歇性可再生能源扩大6.3 GW。此策略的代价却是增加亚日水文变化（0.22）、7%的电力负荷削减量、每年14Mt CO₂e发电排放量、以及每年5%的农业产量和1.69亿美元的农业收益损失。采用第二种策略扩大输电线路有助于容纳可再生能源发电，取代天然气和石油发电，将电力负荷削减量降至2%，排放量降至每年13Mt CO₂e，水文变化降至0.16。策略三中的多元化能源系统，利用新的输电线路以及可调度的生物质能技术，进一步提高了绩效（图2c），将水文变化降至基线水平（0.01），排放量降至每年12Mt CO₂e，同时不影响农业表现以及负荷削减量。

图2d展示了策略三其中一个方案（图2c中的黑线）的基础设施扩建的区域差异。基础设施扩建，包括1 GW的输电线路（系统总量的43%）和0.8 GW的生物质能（系统总量的76%），集中在加纳北部。这是因为北部地区目前缺乏发电厂且电力需求不断增加。这个方案集成高比例的间歇性可再生能源和生物质能技术的空间分布式利用，降低了昂贵的跨区域输电线路的需求（系统总量的24%），从而在低运行成本下提高了系统效益。

图2  最有效的国家级河流流域-电力系统设计的权衡关系

在本文中，作者探索了以生物质能发电为主的方案，因为这在加纳仅靠废弃农作物就具有巨大的潜力，是主要的可调度和分布式技术。随着电池、储氢系统和需求侧管理等其他措施在未来变得经济可行，它们更可以在不影响水资源的情况下支撑电力系统消纳大规模的间歇性可再生能源。

对于许多国家来说，气候目标代表着一个新的政策领域；如果没有一个多部门规划框架，那么在追求低碳能源系统实现碳减排目标时，更广泛的影响可能会被忽视。本研究提出的WEFE决策框架可以帮助决策者评估和完善政策和投资策略，能够有效支持可持续发展并实现零碳目标。

编辑：黄佳怡

排版：肖逸龙

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