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【編者按】世界各國都將能源轉型作為后疫情經濟復蘇和可持續發展的重要途徑。為與廣大讀者分享國外能源轉型最新研究進展，開辟“海外研究”話題。本文介紹近日發表在國際期刊Biomass and Bioenergy上發表研究論文The roles of biomass and CSP in a 100%renewable electricity supply in Australia的主要內容，介紹了澳大利亞在100％可再生能源供電方面的最新研究進展。感謝澳大利亞悉尼大學可持續分析中心的李夢宇博士供稿。更多細節請點擊文末“閱讀原文”瀏覽或下載論文原文。

【論文導讀】在全球(qiu)低碳發(fa)展的背(bei)景下，可(ke)再生能源發(fa)電(dian)比(bi)例(li)逐(zhu)年(nian)提高，但是風能和太(tai)陽(yang)能的隨(sui)機性和波(bo)動(dong)性為高比(bi)例(li)甚(shen)至100％可(ke)再生能源供電(dian)場景帶(dai)來挑戰，生物質能和太(tai)陽(yang)能光熱發(fa)電(dian)這樣的可(ke)調度可(ke)再生能源對于解(jie)決這一問題具(ju)有(you)巨大潛(qian)力(li)。

生物質能(neng)和太陽能(neng)光熱發電在(zai)澳大(da)利(li)亞100％可(ke)再生能(neng)源供電中的作用

李夢宇a*，Manfred Lenzena，Moslem Yousefzadeha,Fabiano A.Ximenesb

（a.Integrated Sustainability Analysis(ISA),School of Physics,The University of Sydney,NSW 2006,Australia

b.Forest Science Unit,Department of Primary Industries,NSW 2150,Australia）

摘要

由(you)于(yu)風能(neng)(neng)和太陽能(neng)(neng)資源(yuan)的可變(bian)性，電(dian)(dian)(dian)力(li)系統中(zhong)高比例的風能(neng)(neng)和太陽能(neng)(neng)可能(neng)(neng)會導(dao)致在資源(yuan)匱乏時期出現(xian)供(gong)電(dian)(dian)(dian)缺口。可調度(du)可再(zai)生(sheng)能(neng)(neng)源(yuan)如生(sheng)物質(zhi)能(neng)(neng)、太陽能(neng)(neng)光熱發電(dian)(dian)(dian)（concentrating solar power，CSP）和水電(dian)(dian)(dian)，能(neng)(neng)夠在短時間(jian)內滿足(zu)負(fu)荷要求，可以幫助解決此(ci)(ci)問題。本研(yan)(yan)究(jiu)分析了在不同(tong)生(sheng)物質(zhi)和CSP的發電(dian)(dian)(dian)比例下，澳大利亞成(cheng)本最低(di)的100％可再(zai)生(sheng)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)時空配(pei)置。為此(ci)(ci)，進行了基(ji)于(yu)高分辨率地理信息系統（GIS）的逐小時電(dian)(dian)(dian)力(li)供(gong)需匹配(pei)模擬(ni)。研(yan)(yan)究(jiu)發現(xian)，基(ji)于(yu)澳大利亞現(xian)有生(sheng)物質(zhi)裝機容(rong)(rong)量(liang)(liang)（1.7GW），100％的全國(guo)可再(zai)生(sheng)能(neng)(neng)源(yuan)供(gong)電(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)夠實現(xian)，該情況下系統總裝機容(rong)(rong)量(liang)(liang)約146~148 GW，平準化度(du)電(dian)(dian)(dian)成(cheng)本（LCOE）約為9~10美(mei)分/kWh（置信度(du)95％）。在生(sheng)物質(zhi)發電(dian)(dian)(dian)量(liang)(liang)增長5~15倍(bei)的情況下，LCOE可降至6~8美(mei)分/kWh，且系統總裝機容(rong)(rong)量(liang)(liang)將(jiang)減(jian)少(shao)至70~110 GW。生(sheng)物質(zhi)會受到(dao)(dao)土(tu)地使用的限制，而CSP可將(jiang)系統裝機容(rong)(rong)量(liang)(liang)減(jian)少(shao)到(dao)(dao)近(jin)120 GW。

研究目標

調查(cha)在不同生(sheng)物質(zhi)資源利(li)用水平(ping)和CSP容量(liang)擴展下，澳(ao)大利(li)亞100％可(ke)再生(sheng)能源電網高時空分辨(bian)率配(pei)置(zhi)。具體研究目(mu)標如(ru)下：

1 開發高(gao)分辨(bian)率(lv)GIS（0.09°，390×479個網(wang)格）的電(dian)力(li)調度模(mo)型，對(dui)全年中每小時的電(dian)力(li)時空調度進行模(mo)擬，并構建新的輸電(dian)網(wang)絡(luo)以估算(suan)系統的LCOE；

2 開(kai)發CSP調度(du)模(mo)型，根據(ju)實時(shi)天氣(qi)和(he)運行(xing)狀(zhuang)況(kuang)以及(ji)單位(wei)時(shi)間調度(du)結果(guo)對其熱存儲狀(zhuang)態(tai)進(jin)行(xing)每小時(shi)追蹤(zong)，以研究其在(zai)100％可再生能源電網中平衡負荷的(de)潛力(li)；

3 測試(shi)不同生(sheng)物(wu)質以及CSP成本下100％可(ke)再生(sheng)能源電網的(de)配置；展示如(ru)何通過逐步增加生(sheng)物(wu)質燃料和CSP電廠的(de)裝(zhuang)機容量來減少(shao)可(ke)再生(sheng)能源的(de)波動。

模型介紹

開發(fa)了一種(zhong)啟(qi)發(fa)式電(dian)力(li)供需模(mo)(mo)型，通過時序調(diao)度(du)模(mo)(mo)型找到滿(man)足約束(shu)條件的(de)(de)澳(ao)大(da)利(li)(li)亞(ya)(ya)電(dian)網(wang)配置。電(dian)力(li)供需模(mo)(mo)型由3個(ge)基于GIS的(de)(de)子(zi)(zi)模(mo)(mo)型組成，這些子(zi)(zi)模(mo)(mo)型在澳(ao)大(da)利(li)(li)亞(ya)(ya)390×479網(wang)格(ge)上運行：1）發(fa)電(dian)技(ji)術模(mo)(mo)型（圖1左），估算每(mei)個(ge)網(wang)格(ge)單元每(mei)小(xiao)(xiao)時不同發(fa)電(dian)技(ji)術的(de)(de)發(fa)電(dian)潛力(li)和投標價(jia)格(ge)；2）負(fu)荷(he)模(mo)(mo)型：澳(ao)大(da)利(li)(li)亞(ya)(ya)電(dian)力(li)負(fu)荷(he)的(de)(de)時空分(fen)布（圖1右）；3）供需調(diao)度(du)模(mo)(mo)型（圖1中(zhong)），模(mo)(mo)擬澳(ao)大(da)利(li)(li)亞(ya)(ya)電(dian)網(wang)的(de)(de)每(mei)小(xiao)(xiao)時電(dian)力(li)調(diao)度(du)，其(qi)中(zhong)負(fu)荷(he)（從負(fu)荷(he)模(mo)(mo)型中(zhong)）根據資源(yuan)可用性和成本（發(fa)電(dian)技(ji)術模(mo)(mo)型）選擇發(fa)電(dian)機。

該模型通過在(zai)3個(ge)子模型之間交替，以(yi)縮小發電機位置搜索空間來(lai)模擬每小時投標(biao)過程(cheng)，繼而輸出滿足搜索條件的(de)時空電源(yuan)配(pei)置。

?圖1澳(ao)大利亞(ya)電力供需模型

情景設置

模擬包括6種燃(ran)料(liao)類型：水(shui)力、生(sheng)物(wu)質(zhi)、風能、光(guang)伏(fu)電站(zhan)、屋(wu)頂(ding)光(guang)伏(fu)、CSP。對(dui)生(sheng)物(wu)質(zhi)和CSP的成本以及(ji)容量(liang)倍數進行(xing)以下假設：

1 生物量(liang)(liang)容量(liang)(liang)倍數β：{1、5、10、15}，該(gai)參數用于模擬生物量(liang)(liang)容量(liang)(liang)的擴(kuo)展。

2 生(sheng)物(wu)質(zhi)和(he)CSP成本乘數φ：{0.8，0.9，1，1.1，1.2，1.5，2，2.5，3，3.5，4}和(he)ψ：{0.8，0.9，1，1.1，1.2}，這些(xie)系(xi)數用(yong)來表示不同情景下與(yu)現有成本相比生(sheng)物(wu)質(zhi)和(he)CSP的成本變化。

模擬結果

上(shang)述參數隨機組合產生220個(ge)模(mo)擬(ni)(ni)方案，以(yi)下為(wei)模(mo)擬(ni)(ni)結果。

01 生物質和CSP發電比例對裝機容量的影響

圖2展示了生物質和(he)CSP發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)(dian)比例對(dui)裝(zhuang)(zhuang)機容(rong)(rong)量(liang)(liang)的(de)(de)影響，其中黑色(se)實心點表示β，φ和(he)ψ為(wei)1的(de)(de)情形，即基于現(xian)有(you)技(ji)術成本下(xia)的(de)(de)100％可(ke)再(zai)(zai)生能源電(dian)(dian)(dian)網其裝(zhuang)(zhuang)機容(rong)(rong)量(liang)(liang)為(wei)140~150 GW。通過220個(ge)模擬情形，進一(yi)步將澳大(da)(da)利(li)亞100％可(ke)再(zai)(zai)生能源從孤立(li)場景擴展到(dao)整個(ge)決策(ce)范(fan)圍。一(yi)般來說，低生物質和(he)低CSP的(de)(de)發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)(dian)比例會(hui)使(shi)電(dian)(dian)(dian)網具有(you)高裝(zhuang)(zhuang)機容(rong)(rong)量(liang)(liang)（對(dui)應圖2的(de)(de)紅色(se)頂部）。隨著兩者(zhe)中任何(he)一(yi)種的(de)(de)發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)(dian)比例增加，系(xi)統(tong)裝(zhuang)(zhuang)機容(rong)(rong)量(liang)(liang)會(hui)降(jiang)(jiang)低（圖2中左下(xia)方區域(yu)變藍）。對(dui)于生物質比例小(xiao)于10％的(de)(de)配置中，隨著CSP發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)(dian)比例從5％增加到(dao)75％，系(xi)統(tong)裝(zhuang)(zhuang)機容(rong)(rong)量(liang)(liang)從約200 GW下(xia)降(jiang)(jiang)到(dao)120 GW。同樣(yang)，當CSP不(bu)是(shi)主要(yao)的(de)(de)發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)(dian)技(ji)術且其比例不(bu)足10％時(shi)，生物質顯示出出色(se)的(de)(de)平衡間歇(xie)性資源的(de)(de)能力：當其年發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)(dian)比例為(wei)30％~40％時(shi)，能夠使(shi)得(de)總系(xi)統(tong)裝(zhuang)(zhuang)機容(rong)(rong)量(liang)(liang)降(jiang)(jiang)到(dao)70~110 GW。這表明生物質和(he)CSP在澳大(da)(da)利(li)亞100％的(de)(de)可(ke)再(zai)(zai)生能源電(dian)(dian)(dian)力供應中可(ke)能發(fa)(fa)(fa)揮潛在的(de)(de)重要(yao)作用。

?圖2生物質和CSP發(fa)電比例(li)對系統裝機容量(liang)的影響(xiang)

02 生物質能和CSP發電比例對LCOE的影響

LCOE與系(xi)統(tong)裝(zhuang)機(ji)容量顯示(shi)出(chu)強烈(lie)的(de)負相(xiang)關性，即高容量配置對(dui)應于低LCOE（圖3）。在基于現(xian)有的(de)成本和生(sheng)物(wu)質裝(zhuang)機(ji)容量下，100%可再(zai)生(sheng)能源電網(wang)可實現(xian)約9~10美(mei)分(fen)(fen)/kWh的(de)LCOE（圖3中(zhong)的(de)實心(xin)黑點）。當采用更多的(de)CSP時，該(gai)值將略微降(jiang)(jiang)低至(zhi)8美(mei)分(fen)(fen)/kWh，隨著生(sheng)物(wu)質比例的(de)逐(zhu)漸(jian)增加，該(gai)值將降(jiang)(jiang)至(zhi)近6美(mei)分(fen)(fen)/kWh。

?圖3生物質能和CSP發(fa)電比例(li)對LCOE的影響

03 典型夏季和冬季的周發電曲線

從220個場景中提(ti)取了(le)典型的(de)(de)(de)(de)夏季(ji)(ji)（圖(tu)(tu)(tu)4a和圖(tu)(tu)(tu)4c）和冬(dong)(dong)季(ji)(ji)（圖(tu)(tu)(tu)4b和圖(tu)(tu)(tu)4d）周發(fa)電(dian)(dian)(dian)曲線（編者注：澳大利亞季(ji)(ji)節與北半(ban)球相反(fan)，1月是夏季(ji)(ji)，6月是冬(dong)(dong)季(ji)(ji)）。根(gen)據生(sheng)物質(zhi)(zhi)(zhi)成本的(de)(de)(de)(de)假設（φ），生(sheng)物質(zhi)(zhi)(zhi)既可(ke)在(zai)冬(dong)(dong)季(ji)(ji)當(dang)其余資源都枯竭時(shi)(shi)用(yong)(yong)作(zuo)調(diao)度（圖(tu)(tu)(tu)4a和4b），也可(ke)在(zai)全年(nian)發(fa)電(dian)(dian)(dian)量中提(ti)供較小比例的(de)(de)(de)(de)基礎(chu)負荷（圖(tu)(tu)(tu)4c和4d）。對于前者，在(zai)太陽(yang)能資源豐(feng)富(fu)的(de)(de)(de)(de)夏季(ji)(ji)，電(dian)(dian)(dian)網(wang)只需采用(yong)(yong)CSP來填(tian)(tian)補夜間的(de)(de)(de)(de)缺口(kou)(kou)（圖(tu)(tu)(tu)4a）。而在(zai)典型冬(dong)(dong)季(ji)(ji)，當(dang)太陽(yang)能光伏(fu)發(fa)電(dian)(dian)(dian)量有限時(shi)(shi)，則需更多的(de)(de)(de)(de)CSP（874 MWh發(fa)電(dian)(dian)(dian)量而不增加CSP容量，圖(tu)(tu)(tu)4b）和生(sheng)物質(zhi)(zhi)(zhi)（758 MWh發(fa)電(dian)(dian)(dian)量，25 GW容量，圖(tu)(tu)(tu)4b）來填(tian)(tian)補風(feng)電(dian)(dian)(dian)和光伏(fu)的(de)(de)(de)(de)缺口(kou)(kou)。在(zai)白天大量使(shi)用(yong)(yong)CSP時(shi)(shi)，可(ke)以通過生(sheng)物質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)使(shi)用(yong)(yong)為(wei)CSP在(zai)較低的(de)(de)(de)(de)熱儲存(cun)狀態下存(cun)儲更多熱量提(ti)供了(le)靈活性，從而減少了(le)潛在(zai)的(de)(de)(de)(de)負荷損(sun)失（圖(tu)(tu)(tu)4b）。根(gen)據生(sheng)物質(zhi)(zhi)(zhi)成本的(de)(de)(de)(de)設定，生(sheng)物質(zhi)(zhi)(zhi)還(huan)可(ke)以為(wei)全年(nian)的(de)(de)(de)(de)基礎(chu)負荷用(yong)(yong)電(dian)(dian)(dian)做出貢(gong)獻（2.5 GW容量，圖(tu)(tu)(tu)4c），并在(zai)太陽(yang)能和風(feng)能資源不足的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)期(qi)填(tian)(tian)補高(gao)達25 GW的(de)(de)(de)(de)缺口(kou)(kou)（圖(tu)(tu)(tu)4d）。

?圖4典型(xing)的(de)夏季（1月(yue)1日至8月(yue)1日）和冬(dong)季（6月(yue)1日至6月(yue)8日）的(de)每小時用電情況(kuang)

主要結論

在不考慮成(cheng)本變化和生物質(zhi)裝機容量(liang)(liang)變化情況下（僅(jin)基(ji)于現有1.7 GW的生物質(zhi)裝機容量(liang)(liang)），生物質(zhi)發(fa)電比(bi)例(li)約為5％，CSP發(fa)電可以(yi)達到30％的比(bi)例(li)；澳大利亞100％可再生能源電力供應系統的總(zong)裝機容量(liang)(liang)約為145.9~148.3 GW，其LCOE為9.8~10美分(fen)/kWh（置(zhi)信度95％）。

在(zai)生(sheng)物(wu)質(zhi)(zhi)未(wei)大(da)規(gui)模擴(kuo)展時，CSP可能(neng)在(zai)降低系(xi)統容量(liang)和LCOE中(zhong)(zhong)起(qi)重要作用。對于生(sheng)物(wu)質(zhi)(zhi)比例(li)小于10％的(de)電網配置(zhi)中(zhong)(zhong)，隨(sui)著CSP發電比例(li)增加到接近(jin)75％，系(xi)統容量(liang)可下降到120 GW。生(sheng)物(wu)質(zhi)(zhi)能(neng)可為(wei)CSP提供靈(ling)活(huo)性，以在(zai)其(qi)低熱儲量(liang)期間存儲更多(duo)熱量(liang)，從(cong)而減(jian)少潛在(zai)的(de)系(xi)統負載(zai)損失。考慮到生(sheng)物(wu)質(zhi)(zhi)容量(liang)擴(kuo)展的(de)潛力(li)，若(ruo)其(qi)容量(liang)擴(kuo)展至5~15倍，系(xi)統裝(zhuang)機(ji)容量(liang)可降至70~110 GW，同(tong)時，LCOE也將降至6~8美分/kWh。

本文證明了生(sheng)物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)能與CSP在實現澳(ao)大利亞(ya)的(de)100％的(de)可(ke)再生(sheng)能源供(gong)應方面發揮著重要作用(yong)。大量的(de)未充分(fen)使用(yong)的(de)生(sheng)物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)有(you)機殘留(liu)物(wu)使得(de)生(sheng)物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)發電(dian)量的(de)增加成為(wei)可(ke)能。鑒于(yu)豐(feng)富的(de)生(sheng)物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)和太(tai)陽能資源，混合太(tai)陽能-生(sheng)物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)系(xi)統在澳(ao)大利亞(ya)可(ke)能具有(you)在太(tai)陽能與風能缺口(kou)期(qi)供(gong)電(dian)的(de)巨大潛(qian)力。

澳大利亞電力系統簡介：

澳(ao)(ao)大(da)(da)(da)利亞(ya)(ya)的(de)(de)(de)(de)國土面(mian)積約(yue)為770萬平方千米，南(nan)北約(yue)3,860千米，東西向約(yue)4,000千米，幾乎相(xiang)當于(yu)沒(mei)有阿拉斯加(jia)的(de)(de)(de)(de)美國本土的(de)(de)(de)(de)面(mian)積。約(yue)2300萬（2016年(nian)）的(de)(de)(de)(de)人(ren)口(kou)主要分布在(zai)東部和(he)(he)西南(nan)海岸(an)線(xian)，且(qie)集中(zhong)在(zai)五個最大(da)(da)(da)的(de)(de)(de)(de)城市。由于(yu)其規(gui)模和(he)(he)人(ren)口(kou)分布，澳(ao)(ao)大(da)(da)(da)利亞(ya)(ya)沒(mei)有連(lian)(lian)接整個大(da)(da)(da)陸的(de)(de)(de)(de)電力傳(chuan)輸(shu)網絡。東部和(he)(he)南(nan)部通過(guo)全國電力市場(chang)（NEM）連(lian)(lian)接，該市場(chang)占澳(ao)(ao)大(da)(da)(da)利亞(ya)(ya)市場(chang)總(zong)量(liang)的(de)(de)(de)(de)絕大(da)(da)(da)部分（總(zong)需求的(de)(de)(de)(de)92％）。西南(nan)互連(lian)(lian)系統（SWIS）連(lian)(lian)接西澳(ao)(ao)大(da)(da)(da)利亞(ya)(ya)的(de)(de)(de)(de)部分地區；其余區域(yu)通過(guo)離(li)網/微(wei)網解決方案(an)提(ti)供。澳(ao)(ao)大(da)(da)(da)利亞(ya)(ya)電力年(nian)需求約(yue)220 TWh，具有66 GW的(de)(de)(de)(de)裝機容量(liang)，目前(qian)由76％的(de)(de)(de)(de)黑/褐煤，12％的(de)(de)(de)(de)天然氣，7％的(de)(de)(de)(de)水(shui)力和(he)(he)5％的(de)(de)(de)(de)風能提(ti)供。通過(guo)約(yue)59,000 km的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)輸(shu)線(xian)和(he)(he)電纜連(lian)(lian)接了約(yue)50 GW的(de)(de)(de)(de)已安裝發電容量(liang)。該網絡沒(mei)有與(yu)其他國家/地區互連(lian)(lian)，但是有一條將(jiang)塔斯馬尼亞(ya)(ya)島與(yu)NEM連(lian)(lian)接的(de)(de)(de)(de)海纜。

澳(ao)(ao)大利(li)(li)亞聯(lian)邦(bang)政府提(ti)出了到2020年(nian)將可(ke)再生能(neng)源23.5％的(de)目標，并且有望進一步提(ti)高。澳(ao)(ao)大利(li)(li)亞首(shou)都特區（ACT）和南澳(ao)(ao)分別已承諾在2025和2020年(nian)新能(neng)源達到50％（發(fa)電量）和100％（消耗電量）的(de)目標。昆士(shi)蘭州提(ti)出了到2030年(nian)可(ke)再生能(neng)源占50％的(de)目標。

作者簡介

李夢宇

■李夢宇博士(shi)，于2020年2月從悉尼大(da)學(xue)可持續分析(xi)中心(xin)(ISA)獲得博士(shi)學(xue)位，師從Prof Manfred Lenzen，現為該(gai)中心(xin)博士(shi)后研究(jiu)員。主要通過大(da)數據建模(mo)，來量化(hua)區域(yu)、國家和全球范圍(wei)內(nei)的可持續發(fa)展影響，具體包括(kuo)：1)多能源(yuan)耦合系統建模(mo)及協同優化(hua)運行策略(lve)；2)使用投(tou)入產(chan)出(chu)經濟模(mo)型(xing)進行災難影響評估。在The Lancet Planetary Health,IEEE Trans.on Smart Grid,Applied Energy,Environmental Science&Technology Letters,Energy等期刊發(fa)表SCI論文13篇。相關研究(jiu)結果得到Guardian,the Conversation,Science Daily,Mirage News,Lab Down Under等澳大(da)利亞(ya)媒體報道。