為了獲得高可再生電網(wǎng) 建造更多的太陽(yáng)能和風(fēng)能

著名的發(fā)明家埃德溫·蘭德說(shuō)：“我們不需要新的想法，但我們需要停止舊觀念。” 他似乎在告訴我們，解決方案遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們舊的思維習(xí)慣。

世界各地的城市，州和國(guó)家都致力于清潔能源經(jīng)濟(jì)，這些經(jīng)濟(jì)體的可再生能源水平非常高，甚至100%。僅在紐約州，四個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的法案就在2040年或之前達(dá)到50%至100%的可再生能源。

實(shí)際上，只有兩種可再生能源足夠大，可以滿足美國(guó)太陽(yáng)能(遠(yuǎn)期)和風(fēng)能供應(yīng)方面的這些非常高滲透率的目標(biāo)。

然而，兩者都是可變資源，受天氣以及日常和季節(jié)周期的驅(qū)動(dòng)。因此，他們必須“堅(jiān)定 - 即能夠按需交付電力 - 以替換可根據(jù)需要發(fā)送的化石資源。根據(jù)我們的研究，我們認(rèn)為這種堅(jiān)定的電力轉(zhuǎn)型不僅是可能的，它是也是負(fù)擔(dān)得起的 - 如果我們不再有舊想法。

一個(gè)根深蒂固，非常普遍的想法 - 可能是歷史上高可再生能源價(jià)格的結(jié)果 - 是可再生資源產(chǎn)生的所有電力必須在其產(chǎn)生時(shí)出售。放棄可用的風(fēng)能或太陽(yáng)能輸出的想法是令人厭惡的，當(dāng)這些來(lái)源的生產(chǎn)超過(guò)電網(wǎng)可以接受的時(shí)，強(qiáng)加給電力生產(chǎn)商。

這個(gè)古老的想法忽略了一個(gè)基本命題：超大并主動(dòng)減少風(fēng)能和太陽(yáng)能。然而，我們的同事和我們進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，這些步驟對(duì)于通過(guò)太陽(yáng)能和風(fēng)能主導(dǎo)電網(wǎng)的最便宜之路至關(guān)重要。

稱重能量?jī)?chǔ)存

過(guò)度供應(yīng)太陽(yáng)能和風(fēng)能的原因很簡(jiǎn)單：

當(dāng)太陽(yáng)不發(fā)光或風(fēng)不吹時(shí)，儲(chǔ)能是填補(bǔ)可再生能源變化所需的一種必不可少的成分。這些差距包括日內(nèi)時(shí)段，例如白天和夜晚的高峰需求時(shí)段，更重要的是，持續(xù)的低日照或低風(fēng)條件下的較大的多日和季節(jié)性差距。對(duì)于存儲(chǔ)，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商 - 確保電力供應(yīng)的組織在白天上升和下降時(shí)匹配需求 - 通常依賴于稱為抽水蓄能器的蓄水池，或者在較短時(shí)間內(nèi)蓄電池。

存儲(chǔ)越來(lái)越便宜，但即使假設(shè)最樂(lè)觀的長(zhǎng)期成本預(yù)測(cè)，我們的研究也使我們得出結(jié)論，由于多日和季節(jié)性差距的大小，僅將儲(chǔ)存單獨(dú)應(yīng)用于風(fēng)能或太陽(yáng)能將仍然過(guò)于昂貴。風(fēng)能和太陽(yáng)能也變得便宜得多，特別是太陽(yáng)能，以至于過(guò)度建設(shè)越來(lái)越便宜。即使風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)的輸出基本上被傾倒或“縮減”而沒(méi)有輸入電網(wǎng)，情況也是如此。

超大尺寸減少了生產(chǎn)差距，因?yàn)樵谔?yáng)能和風(fēng)能可用性較低的時(shí)期可獲得更多的能量輸出。過(guò)度建造還降低了存儲(chǔ)要求。

“緊縮”產(chǎn)能過(guò)剩

今天，目前太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電的監(jiān)管實(shí)踐有利于最大限度地提高產(chǎn)量。經(jīng)營(yíng)這些設(shè)施的公司尋求以最高價(jià)格出售所有產(chǎn)品，因此削減產(chǎn)量被視為收入損失。

這種舊的操作理念抑制了依賴太陽(yáng)能和風(fēng)能作為堅(jiān)固的按需源的過(guò)渡，因?yàn)樗鼈兊乃休敵鰞H在可用時(shí)才使用。這種方法也使可再生能源保持在邊際。

具有過(guò)度建造的太陽(yáng)能和風(fēng)能資源的電網(wǎng)如何在實(shí)踐中發(fā)揮作用?假設(shè)一個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)商需要X兆瓦時(shí)/天才能滿足需求。今天，該地區(qū)的太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)只能在最高產(chǎn)量的日子里滿足或超過(guò)這一需求，例如夏季的晴天。在其他日子，存儲(chǔ)滿足了生產(chǎn)差距。

相比之下，當(dāng)太陽(yáng)能資源超大時(shí)，該太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)可以滿足一年中更多天的X MWh /天需求，并且間隙更少 - 因此填充間隙所需的能量存儲(chǔ)的次數(shù)更少。

一旦通過(guò)過(guò)度供應(yīng)和存儲(chǔ)的組合確定，可變的可再生能源變得有效地可調(diào)度 - 能夠在需要時(shí)提供電力并且在功能上等同于傳統(tǒng)發(fā)電廠。通過(guò)這種方式，可再生能源可以替代這些發(fā)電機(jī)，而無(wú)需進(jìn)行大規(guī)模的電網(wǎng)再造。

我們的團(tuán)隊(duì)為明尼蘇達(dá)州特別陽(yáng)光明媚的州建立了一個(gè)高太陽(yáng)能和過(guò)度建造的解決方案。目標(biāo)是確定提供全天候全年能源服務(wù)所需的最低成本的并網(wǎng)太陽(yáng)能，風(fēng)能和存儲(chǔ)組合。

該研究表明，克服太陽(yáng)能和風(fēng)能的自然變化可以通過(guò)過(guò)度建造太陽(yáng)能和風(fēng)能資源以及采用允許約20%至40%的電網(wǎng)運(yùn)行策略，以低于當(dāng)前電網(wǎng)成本(所謂的“電網(wǎng)平價(jià)”)的成本來(lái)實(shí)現(xiàn)。減少多余的能源生產(chǎn)。我們的模型中也使用了能量存儲(chǔ)，但是優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)效益直接來(lái)自于將過(guò)多的可再生能源替換為更昂貴的存儲(chǔ)。

一個(gè)合理的問(wèn)題是全面部署超大型太陽(yáng)能光伏所需的面積。對(duì)于明尼蘇達(dá)州來(lái)說(shuō)，在最極端的100%光伏發(fā)電場(chǎng)景中，假設(shè)超大兩倍或者是滿足當(dāng)前需求所需太陽(yáng)能的兩倍 - 這個(gè)面積將達(dá)到435平方英里，假設(shè)太陽(yáng)能電池板具有最先進(jìn)的技術(shù)水平效率為20%。該地區(qū)占該州耕地作物的不到1%，占高密度和中密度城市化空間的一半。

調(diào)整大型電網(wǎng)的運(yùn)行方式

除了超大，縮減和存儲(chǔ)優(yōu)化之外，現(xiàn)在已經(jīng)完成了一些操作和規(guī)劃實(shí)踐，其中一些已經(jīng)完成，將進(jìn)一步提高高太陽(yáng)能電網(wǎng)的價(jià)值和性能，并以最小的中斷促進(jìn)其實(shí)現(xiàn)。他們包括：

利用太陽(yáng)能和風(fēng)能的互補(bǔ)性能和可變運(yùn)行曲線。在大多數(shù)地區(qū)，風(fēng)能和太陽(yáng)能具有互補(bǔ)的晝夜和季節(jié)性生產(chǎn)特征 - 夜間和冬季風(fēng)力較高，夏季白天PV較高。

利用需求管理 - 減少電力客戶位置的電力使用的做法 - 作為減少供需差距的一種方式。

使電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商能夠?qū)ζ渌诘貐^(qū)內(nèi)的可再生能源選址和生產(chǎn)管理?yè)碛袡?quán)力，以便在限制發(fā)生或應(yīng)用存儲(chǔ)時(shí)做出決策，以區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)，最大限度地減少供需缺口。

當(dāng)可變太陽(yáng)能發(fā)電極其昂貴且堅(jiān)固的解決方案更加昂貴時(shí)，最大化可再生能源生產(chǎn)和避免縮減的態(tài)度是有意義的。然而，最近和預(yù)測(cè)的交鑰匙太陽(yáng)能，電網(wǎng)管理和存儲(chǔ)成本的減少正在改變最佳解決方案集，從過(guò)度建造太陽(yáng)能開(kāi)始。