中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：第6章–高比例可再生能源的儲(chǔ)能系統(tǒng)建模
6.1 簡介
6.1.1 章節(jié)概述
隨著世界各地的政策制定者致力設(shè)計(jì)和實(shí)施政策以實(shí)現(xiàn)電力部門的長期深度脫碳，可變可再生能源 (VRE) 發(fā)電份額（即風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電）預(yù)計(jì)將在未來幾十年大幅增長。與電力系統(tǒng)運(yùn)營商可以上下調(diào)節(jié)以平衡供需的可調(diào)度發(fā)電設(shè)施不同，可變可再生能源 (VRE)發(fā)電只能隨著外部環(huán)境變化增加或減少，例如風(fēng)速和風(fēng)向以及陽光輻射的變化。風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的大規(guī)模整合取決于設(shè)計(jì)靈活的電力系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以平衡風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電量的變化，以持續(xù)滿足電力需求，并符合可靠性標(biāo)準(zhǔn)。如今，可調(diào)度發(fā)電（例如天然氣發(fā)電、核電、燃煤發(fā)電、水電）提供了這種平衡服務(wù)。 但在以可變可再生能源 (VRE)發(fā)電為主的低碳系統(tǒng)中，可調(diào)度資源的可用性將受到嚴(yán)重限制。
在此類系統(tǒng)中，可以通過部署儲(chǔ)能以及對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的其他增強(qiáng)功能來增強(qiáng)電力系統(tǒng)的靈活性：(1)擴(kuò)展輸電網(wǎng)絡(luò)的電力容量以增加平衡區(qū)域的地理足跡，并更好地利用需求的時(shí)空變化和天氣驅(qū)動(dòng)的可變可再生能源 (VRE)資源可用性；(2)加強(qiáng)需求靈活性和需求響應(yīng)；(3)部署或保留一些可調(diào)度的零碳或低碳發(fā)電。在這里，研究團(tuán)隊(duì)使用系統(tǒng)建模方法來檢驗(yàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)深度脫碳方面的價(jià)值，以及在廣泛的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)假設(shè)下對儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展和電力市場設(shè)計(jì)的影響。本章的研究結(jié)果側(cè)重于電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)達(dá)國家中的作用，例如美國具有相對較高的電網(wǎng)可靠性、普遍的電力供應(yīng)、萬變的批發(fā)電力市場或受監(jiān)管的垂直整合公用事業(yè)公司，而目前使用化石燃料的交通、建筑和工業(yè)部門的電氣化進(jìn)程推動(dòng)了電力需求的增加。
具體來說，研究團(tuán)隊(duì)分析了美國三個(gè)地區(qū)（美國東北部、東南部和德克薩斯州）以及國家層面的電力系統(tǒng)的演變，但細(xì)節(jié)較少。在2005年至2018年期間，所有這些地區(qū)以及美國各地都經(jīng)歷了發(fā)電產(chǎn)生的碳排放量顯著減少。這些減少反映了電力需求停滯的綜合影響；大量減少燃煤發(fā)電轉(zhuǎn)而使用天然氣發(fā)電，主要是出于經(jīng)濟(jì)原因；可變可再生能源 (VRE)發(fā)電量顯著增加，主要是（但不完全）由公共政策推動(dòng)。盡管有這些趨勢，化石燃料發(fā)電設(shè)施仍然是美國能源相關(guān)碳排放的主要來源，約占2018年美國能源相關(guān)碳排放總量的31%。
鑒于電氣化在美國長期脫碳工作中的核心作用，本章基于模型的研究結(jié)果主要依賴于美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)為其2018年電氣化期貨開發(fā)的高電氣化情景的電力需求預(yù)測（EFS)研究。在其高電氣化情景中，到2050年，美國的用電量與2018年的4,000TWh相比增加了1.6倍。根據(jù)這些需求假設(shè)，而這些假設(shè)又基于對其他行業(yè)電氣化的政策支持的假設(shè)，分析了不同2050年電力系統(tǒng)脫碳目標(biāo)的電力系統(tǒng)演變，根據(jù)調(diào)度的電力碳排放量來定義2050年美國各地區(qū)的三種不同的電力系統(tǒng)。在研究中主要注四個(gè)排放限制：0gCO2/kWh、5gCO2/kWh、10gCO2/kWh和50gCO2/kWh。研究團(tuán)隊(duì)還考慮了一個(gè)不受限制（“無限制”）的案例，該案例提供了一個(gè)一致的基準(zhǔn)來比較施加不同碳排放限制的影響。此外，還包括一些針對德克薩斯州的具有1gCO2/kWh限制的建模運(yùn)行。由于研究團(tuán)隊(duì)不考慮從大氣中去除碳的技術(shù)（有時(shí)稱為“負(fù)排放技術(shù)”），與實(shí)現(xiàn)凈零電力系統(tǒng)的更常見目標(biāo)相比，0gCO2/kWh的情況代表了更嚴(yán)格的限制，其中凈零系統(tǒng)可以允許部署一種或多種負(fù)排放技術(shù)。
在考慮“凈零”碳能源系統(tǒng)的共同目標(biāo)時(shí)，其中“凈零”一詞被理解為允許包含負(fù)排放技術(shù)，5gCO2/kWh甚至10gCO2/kWh排放限制建模在這里可能比非常嚴(yán)格的0gCO2/kWh限制提供更多信息。而在2018年的電力需求水平上，將美國電網(wǎng)的平均發(fā)電碳強(qiáng)度從2018年的全國平均449gCO2/kWh（表6.1）降低到5gCO2/kWh或10gCO2/kWh（表6.1）。發(fā)電產(chǎn)生的碳排放量分別為2100萬噸(MMT)，與2005年電力部門排放量2,544萬噸(MMT)相比分別減少了99.2%或98.3%。
表6.1 發(fā)電量和電力相關(guān)排放量（研究中模擬的美國總量和三個(gè)地區(qū)）
為了滿足高達(dá)6,700TWh更高的需求水平，如果平均強(qiáng)度保持在2005年水平，這些相同的強(qiáng)度目標(biāo)將分別相對于碳排放量減少98.7%或97.4%。雖然研究團(tuán)隊(duì)的分析側(cè)重于到2050年實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)脫碳，但在2050年之前（例如到2035年）實(shí)現(xiàn)發(fā)電的零碳排放或凈零碳排放（需要更快地改變發(fā)電結(jié)構(gòu)，并年儲(chǔ)能可能擴(kuò)大其作用。它可能涉及比此處建模的成本高得多的成本，因?yàn)檠芯繄F(tuán)隊(duì)的分析包含到2050年可變可再生能源 (VRE)發(fā)電和儲(chǔ)能成本的顯著降低。到2035年，這些成本降低不太可能實(shí)現(xiàn)。因此，如果2035年是凈零排放的目標(biāo)年，那么它可能必須采用比研究團(tuán)隊(duì)在2050年分析中所包含的成本更高的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。
6.1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的作用
人們越來越關(guān)注為電網(wǎng)上的各種應(yīng)用部署儲(chǔ)能系統(tǒng)。例如，美國能源信息署(EIA)根據(jù)在一定程度上重疊的11個(gè)應(yīng)用對電池儲(chǔ)能項(xiàng)目進(jìn)行分類，其中包括頻率調(diào)節(jié)以及其他輔助服務(wù)（例如旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)備、電壓支持、存儲(chǔ)風(fēng)電和太陽能的電力、負(fù)載管理、系統(tǒng)調(diào)峰、輸配電網(wǎng)絡(luò)延遲、備用電源和能源套利（套利可以有效地將電力從一個(gè)時(shí)間段轉(zhuǎn)移到另一個(gè)時(shí)間段）。后者可以實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的時(shí)移，并且在功能上是儲(chǔ)能系統(tǒng)提供的其他電網(wǎng)應(yīng)用的核心。本章介紹的模型結(jié)果側(cè)重于儲(chǔ)能系統(tǒng)在未來電力系統(tǒng)中的套利功能所帶來的價(jià)值。部署儲(chǔ)能系統(tǒng)可以推遲對發(fā)電和輸電的投資，減少可變可再生能源 (VRE)的棄電，減少化石燃料發(fā)電廠的啟動(dòng)，并減少輸電損耗。
雖然這些用例可能對電網(wǎng)發(fā)展產(chǎn)生最大的長期影響，但沒有考慮其他有價(jià)值的儲(chǔ)能用例。其中包括：(1)出于運(yùn)營或投資延期的原因在配電網(wǎng)絡(luò)級(jí)別部署存儲(chǔ)，這可能很有價(jià)值，但通常代表了無法輕易概括的特定環(huán)境機(jī)會(huì)；(2)消費(fèi)者采用儲(chǔ)能系統(tǒng)來減少峰值需求期間的消耗，這可以使大用戶能夠管理可能構(gòu)成其總賬單的重要部分的需求費(fèi)用，并且還可以增加所有人的屋頂光伏(PV)的價(jià)值替代關(guān)稅結(jié)構(gòu)下的客戶類型。這些用例受到可用零售電價(jià)結(jié)構(gòu)以及用于評估屋頂光伏注入回電網(wǎng)的方法的強(qiáng)烈影響；因此，它們不能一概而論。研究團(tuán)隊(duì)沒有考慮的第三個(gè)用例是儲(chǔ)能系統(tǒng)，以提供滿足大容量電力系統(tǒng)級(jí)別可靠性標(biāo)準(zhǔn)所需的各種輔助服務(wù)。這些可靠性需求往往小于電力供應(yīng)的容量需求，因此主要是作為儲(chǔ)能價(jià)值和部署的短期驅(qū)動(dòng)因素。
6.2 系統(tǒng)建模方法
6.2.1 擴(kuò)容建模（GenX）
研究團(tuán)隊(duì)的分析使用了一種名為GenX（麻省理工學(xué)院能源倡議和普林斯頓大學(xué)在2021年創(chuàng)建）的容量擴(kuò)展模型(CEM)。GenX從成本最小化規(guī)劃者的角度來確定滿足電力系統(tǒng)需求的預(yù)定義時(shí)間路徑所需的最佳發(fā)電、儲(chǔ)能和輸電投資，同時(shí)遵守各種電網(wǎng)運(yùn)營限制、資源可用性限制和其他強(qiáng)加的政策/環(huán)境限制。與其他最先進(jìn)的容量擴(kuò)展模型(CEM)類似，GenX結(jié)合了電力部門運(yùn)營的詳細(xì)時(shí)間，基于對任一發(fā)電設(shè)施的建模周期或一年或多年的時(shí)間分辨率，具體取決于型號(hào)配置。正如最近的模型間比較研究所指出的那樣，提高了時(shí)間分辨率在容量擴(kuò)展模型(CEM)中保存年表可以改進(jìn)對需求或負(fù)載的時(shí)間變化、可變可再生能源 (VRE)發(fā)電以及各種發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能技術(shù)的跨時(shí)動(dòng)態(tài)的表征。GenX還可用于對可用的需求和供應(yīng)方資源套件進(jìn)行建模，并能夠表示非電能需求及其對電力部門的影響。
該研究在GenX中激活了幾個(gè)主要的電網(wǎng)運(yùn)行限制。首先是區(qū)域?qū)用婷啃r(shí)的供需平衡，考慮到區(qū)域間的進(jìn)出口以及在每個(gè)區(qū)域以等于50,000美元/MWh的損失負(fù)載(VolL)的值卸載負(fù)載的選項(xiàng)。選擇高損失負(fù)載(VolL)的是為了最大限度地減少非自愿減載的情況，并激勵(lì)投資更多容量以滿足模型中實(shí)施的純能源市場框架內(nèi)的需求。模型中的其他運(yùn)行限制包括線性化機(jī)組投入（啟動(dòng)/關(guān)閉）決策、5個(gè)最短啟動(dòng)/停機(jī)時(shí)間以及熱發(fā)電廠；輸電容量限制和線性線路損耗；控制儲(chǔ)能系統(tǒng)充電狀態(tài)的跨時(shí)限制和每小時(shí)充電/放電和存儲(chǔ)能量的最大容量限制；每小時(shí)的可再生能源可用性限制。為了模擬系統(tǒng)演進(jìn)以滿足前面提到的脫碳目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)包括限制以強(qiáng)制實(shí)施年平均碳排放強(qiáng)度上限，該上限考慮了發(fā)電設(shè)施和儲(chǔ)能系統(tǒng)排放以及儲(chǔ)能損失。GenX和其他先進(jìn)的容量擴(kuò)展模型(CEM)采用的長期系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化方法捕捉到了邊際價(jià)值的下降所有資源，其中包括儲(chǔ)能系統(tǒng)，以及由此產(chǎn)生的最低成本均衡滲透水平。容量擴(kuò)展模型(CEM)對碳排放限制施加的價(jià)格可以被認(rèn)為是碳價(jià)格，當(dāng)碳排放的發(fā)電處于邊際時(shí)，它包含在系統(tǒng)價(jià)格中。這使得該模型適用于評估技術(shù)和系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)因素對儲(chǔ)能系統(tǒng)在未來電力系統(tǒng)中發(fā)揮作用的影響。與大多數(shù)其他容量擴(kuò)展模型(CEM)一樣，GenX僅對大容量電力系統(tǒng)進(jìn)行建模，并在適用的情況下考慮發(fā)電和儲(chǔ)能成本以及輸電網(wǎng)的增加?，F(xiàn)有的化石燃料發(fā)電廠似乎很可能在2050年之前退役，因此這項(xiàng)研究假設(shè)了一些部署條件，但水電設(shè)施（美國東北、東南地區(qū)）和一些現(xiàn)有的核電設(shè)施（東南地區(qū)）除外，如果可用的話。研究團(tuán)隊(duì)不對分銷成本進(jìn)行建?；蛴?jì)算零售價(jià)的估計(jì)值。
與任何容量擴(kuò)展模型(CEM)一樣，GenX輸出包括發(fā)電、存儲(chǔ)和傳輸資產(chǎn)的成本優(yōu)化裝機(jī)容量，以及滿足建模負(fù)載的每小時(shí)利用率。假設(shè)規(guī)模不變——也就是說，假設(shè)設(shè)施的投資成本與其容量成正比。GenX模型的目標(biāo)函數(shù)包括所有資源的年度投資成本和運(yùn)營成本之和，以及非服務(wù)能源的成本。這些輸出可用于計(jì)算稱為系統(tǒng)平均電力成本(SCOE)的指標(biāo)。系統(tǒng)平均電力成本(SCOE)的定義是建模系統(tǒng)的年度總投資和運(yùn)營成本（即GenX模型的目標(biāo)函數(shù)）除以所服務(wù)的年度總電力需求。系統(tǒng)平均電力成本(SCOE)與平準(zhǔn)化能源成本(LCOE)或平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本(LCOS)有所不同，這兩者都是技術(shù)特定的成本指標(biāo)，使用電力系統(tǒng)的靜態(tài)視圖計(jì)算，需要為電力系統(tǒng)指定固定的調(diào)度配置文件。有問題的資源，這通常會(huì)導(dǎo)致誤導(dǎo)性的技術(shù)間成本比較。相比之下，系統(tǒng)平均電力成本(SCOE)被計(jì)算為容量擴(kuò)展模型(CEM)的輸出。因此，不同情景下系統(tǒng)平均電力成本(SCOE)的變化提供了在理想預(yù)測、規(guī)模收益不變、投資和運(yùn)營最優(yōu)的假設(shè)下，各種技術(shù)和政策驅(qū)動(dòng)因素對電力系統(tǒng)的影響。有關(guān)GenX模型的制定和實(shí)施的更多細(xì)節(jié)可以在其他地方找到，其中包括使用GenX的先前出版物和開源模型本身。
此處呈現(xiàn)的建模結(jié)果不應(yīng)被視為預(yù)測。研究團(tuán)隊(duì)將GenX視為執(zhí)行一組內(nèi)部一致實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，這些實(shí)驗(yàn)反過來反映了關(guān)于技術(shù)屬性的替代但現(xiàn)實(shí)的假設(shè)，包括其成本和可用性，以及需求的水平和靈活性以及其他因素。這使研究團(tuán)隊(duì)能夠檢查這些假設(shè)的變化如何影響技術(shù)的最佳組合、它們的成本和隱含的批量系統(tǒng)電價(jià)。重要的是，建模結(jié)果揭示了哪些變化似乎很重要，哪些不重要。
6.2.2 GenX中的儲(chǔ)能建模
在GenX模型中，根據(jù)儲(chǔ)能技術(shù)的設(shè)計(jì)以及假定的成本和性能特征進(jìn)行區(qū)分。在設(shè)計(jì)方面，GenX包含兩種廣泛的儲(chǔ)能技術(shù)。第一類包括充電和放電容量相等的技術(shù)（例如鋰離子電池或液流電池、抽水蓄能）；對于這些技術(shù)，儲(chǔ)能容量和充電/放電裝機(jī)容量是兩個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)變量，并且可以指定儲(chǔ)能容量與裝機(jī)容量的可行范圍。第二類包括充電功率和放電功率的技術(shù)，以及儲(chǔ)能容量，這些都是獨(dú)立的設(shè)計(jì)變量（例如熱儲(chǔ)能或氫氣儲(chǔ)能）。根據(jù)這一分類，儲(chǔ)能技術(shù)的特征在于一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)獨(dú)立的資本和固定運(yùn)營和維護(hù)成本參數(shù)（表6.2）。對于儲(chǔ)能容量是獨(dú)立設(shè)計(jì)變量的儲(chǔ)能技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)將持續(xù)時(shí)間（儲(chǔ)能容量與裝機(jī)容量之比）限制為小于300小時(shí)，但這一限制不會(huì)對此處報(bào)告的結(jié)果具有約束力。此外，由于數(shù)據(jù)限制，對具有固定儲(chǔ)能時(shí)間（12小時(shí)）的抽水蓄能進(jìn)行建模，并假設(shè)總資本成本僅與電力容量成比例。
表6.2 在研究中建模的不同類型儲(chǔ)能技術(shù)設(shè)計(jì)變量
表6.3 儲(chǔ)能成本和運(yùn)營假設(shè)
儲(chǔ)能技術(shù)的跨期運(yùn)行使用表6.3中顯示的幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行建模，包括每小時(shí)自放電率和充電和放電的可變運(yùn)維成本(VOM)。還通過參數(shù)化每種技術(shù)的充電和放電效率來模擬充電和放電期間的能量損失。與其他容量擴(kuò)展模型(CEM)一樣，為了管理計(jì)算的可處理性，研究團(tuán)隊(duì)不會(huì)將儲(chǔ)能容量隨著使用或動(dòng)態(tài)充電或放電效率的退化建模為函數(shù)的充電狀態(tài)。這種方法與其他建模研究中采用的方法類似，可能高估了電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)相對于受這些考慮因素影響較小的其他儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢。在分析中，考慮到此處考慮的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的固定運(yùn)營和維護(hù)(FOM)成本中儲(chǔ)能組件的定期更換，部分減輕了這種建模簡化的影響。這類似于支付固定的年度維護(hù)費(fèi)以保證一定的性能水平。
研究團(tuán)隊(duì)的分析側(cè)重于對大容量電力系統(tǒng)內(nèi)的供需平衡進(jìn)行建模，該系統(tǒng)以每小時(shí)分辨率對所考慮區(qū)域內(nèi)的每個(gè)平衡區(qū)域執(zhí)行。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為供給側(cè)資源（通過放電）和需求側(cè)資源（通過充電）有助于供需平衡。此外，如上所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)有助于電網(wǎng)輔助服務(wù)的采購和供應(yīng)，例如運(yùn)營儲(chǔ)備。然而，由于研究團(tuán)隊(duì)沒有對電力系統(tǒng)運(yùn)行儲(chǔ)備要求進(jìn)行建模，因此對儲(chǔ)能技術(shù)的估值并未反映提供這些服務(wù)的好處。先前使用 GenX 的研究表明，當(dāng)儲(chǔ)能部署在低水平時(shí)，滿足電源儲(chǔ)備要求的能力確實(shí)對儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)值做出了重大貢獻(xiàn)。但是，隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)滲透率的提高，這種優(yōu)勢會(huì)消失。這表明替代儲(chǔ)能技術(shù)的長期估值可能不會(huì)因忽略它們參與運(yùn)營儲(chǔ)備市場而受到太大影響。
6.2.3 區(qū)域建模
（1）模型區(qū)域的選擇
研究團(tuán)隊(duì)在2050年的建模中主要專注于美國的三個(gè)地區(qū)：東北部、東南部和德克薩斯州。他們并不尋求制定這些地區(qū)資源組合演變的詳細(xì)軌跡，因?yàn)檫@種演變將受到一系列因素的影響，包括現(xiàn)有發(fā)電機(jī)組合的營業(yè)額、市場設(shè)計(jì)、各州激勵(lì)措施、許可規(guī)則等。與其相反，研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注可變可再生能源資源質(zhì)量差異的影響，以及壽命長、現(xiàn)有的低碳水電和核能發(fā)電資產(chǎn)以及抽水蓄能資產(chǎn)的可用性，假設(shè)投資和運(yùn)營具有成本效益。三個(gè)選定的地區(qū)在影響實(shí)現(xiàn)各種脫碳目標(biāo)的潛在成本和收益的幾個(gè)關(guān)鍵屬性上存在差異，其中包括：（1）風(fēng)速和陽光輻射、土地可用性以及由此產(chǎn)生的風(fēng)能和太陽能發(fā)電安裝成本；（2）水力發(fā)電和潛在的氫氣（H2）儲(chǔ)存資源；(3)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和監(jiān)管以及對核電發(fā)展的相關(guān)影響。如上所述，還假設(shè)到2050年將淘汰現(xiàn)有的化石燃料發(fā)電設(shè)施，因此其研究基本上考察了為滿足2050年需求而開發(fā)的新建系統(tǒng)，利用現(xiàn)有的輸電資產(chǎn)和其他一些現(xiàn)有的非化石資產(chǎn)，其中一些地區(qū)差異?？梢愿鶕?jù)其成本、最佳系統(tǒng)中的利用率以及電力系統(tǒng)碳限制的嚴(yán)格程度來選擇新的化石燃料發(fā)電能力。
美國東北地區(qū)（新英格蘭地區(qū)和紐約州）的特點(diǎn)是為可再生能源發(fā)電設(shè)施提供強(qiáng)有力的立法和監(jiān)管支持，但選址困難在某些情況下會(huì)提高基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成本。該地區(qū)的大多數(shù)州已承諾到2050年將其經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)的溫室氣體(GHG)排放量減少80%以上，少數(shù)州承諾實(shí)現(xiàn)更雄心勃勃的目標(biāo)。該地區(qū)在很大程度上進(jìn)行了重組，競爭性批發(fā)市場由兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)管理運(yùn)營商（ISONE和NYISO）管理系統(tǒng)運(yùn)營，并部分管理對發(fā)電和輸電容量的投資。該地區(qū)的太陽能發(fā)電質(zhì)量相對較低，但陸上風(fēng)電和海上風(fēng)能質(zhì)量較高。然而，選址困難一直困擾著陸上可再生能源和輸電發(fā)展，這可能解釋了最近一些州強(qiáng)制采購成本相對昂貴的海上風(fēng)電和支持新輸電基礎(chǔ)設(shè)施投資的要求。該地區(qū)還從加拿大大量進(jìn)口水電，并擁有自己的水力資源，可以幫助和支持可再生能源整合。雖然美國東北地區(qū)的電力需求目前在夏季達(dá)到峰值，但預(yù)計(jì)能夠滿足脫碳承諾（并包含在高電氣化需求情景中）的冬季供暖可能會(huì)將美國東北地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槎居秒姼叻宓貐^(qū)。該地區(qū)所有的核電站都是商業(yè)發(fā)電設(shè)施，必須用批發(fā)市場收入來彌補(bǔ)其未來成本才能實(shí)現(xiàn)收支平衡。由于這些工核電站大多面臨財(cái)務(wù)挑戰(zhàn)，并且目前依靠國家補(bǔ)貼來繼續(xù)運(yùn)營，因此它們的許可證不太可能在當(dāng)前的許可證期限之后續(xù)簽。因此，研究團(tuán)隊(duì)假設(shè)所有現(xiàn)有核電機(jī)組到2050年退役（換句話說，它們不會(huì)更新其當(dāng)前的運(yùn)營許可證），并且根據(jù)有關(guān)技術(shù)成本和公眾接受挑戰(zhàn)的可用信息，到2050年不會(huì)部署新核電站。研究還假設(shè)到2050年將淘汰現(xiàn)有的化石燃料發(fā)電設(shè)施，但現(xiàn)有的水力發(fā)電和抽水蓄能發(fā)電設(shè)施將在2050年繼續(xù)運(yùn)行。
美國東南部地區(qū)（田納西州、阿拉巴馬州、佐治亞州、北卡羅來納州、南卡羅來納州和佛羅里達(dá)州）的特點(diǎn)是存在受監(jiān)管的垂直整合公用事業(yè)公司，但缺乏有組織的批發(fā)市場；該地區(qū)一些州的冬季高峰需求普遍存在。2018年，該地區(qū)可再生能源發(fā)電量占該地區(qū)總發(fā)電量的28%。雖然目前由批發(fā)電力市場提供服務(wù)的美國其他地區(qū)的核電廠受到不利影響，但核電的經(jīng)濟(jì)性仍然更為有利在美國東南部地區(qū)受監(jiān)管的垂直整合公用事業(yè)環(huán)境中。美國東南部繼續(xù)依賴這種監(jiān)管結(jié)構(gòu)，再加上公眾對核電的接受程度更高，使得核電站運(yùn)營商更有可能申請并獲得第二次許可證更新，從而延長該地區(qū)現(xiàn)有工廠的剩余工作壽命。因此分析包括該地區(qū)現(xiàn)有的核電廠，其初始運(yùn)行日期為1975年或更晚，通過第二次許可證更新可以運(yùn)行到或超過2055年。研究團(tuán)隊(duì)假設(shè)25GW的現(xiàn)有核電容量到2055年仍將在線芳草（假設(shè)核電站的使用壽命為80年）。核能作為一種可調(diào)度的低碳資源，可以部分緩解對可再生能源資源和儲(chǔ)能技術(shù)的需求，并有可能降低實(shí)現(xiàn)深度脫碳的系統(tǒng)成本。美國東南部地區(qū)的政治環(huán)境也更有利于建設(shè)新的核電站；事實(shí)上，美國目前在建的兩臺(tái)核電機(jī)組就在佐治亞州。美國東南部地區(qū)也擁有質(zhì)量相對較好的太陽能發(fā)電資源。雖然該地區(qū)也運(yùn)營海上風(fēng)電設(shè)施，但由于缺乏可靠的數(shù)據(jù)來表征資源，研究團(tuán)隊(duì)尚未對其可用性進(jìn)行建模。因此，將美國東南部建模為2050年主要是新建系統(tǒng)，但要繼續(xù)運(yùn)行大量現(xiàn)有核電容量和現(xiàn)有水電資源。
德克薩斯州的特點(diǎn)是具有優(yōu)質(zhì)的風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電資源、有組織的批發(fā)市場服務(wù)于重組后的電力部門、夏季高峰需求以及相對不靈活的空調(diào)需求的組成部分、對天氣敏感的電采暖設(shè)施的顯著滲透、接近和獲得碳封存場地和強(qiáng)勁的工業(yè)能源需求。值得注意的是，目前生產(chǎn)的大部分氫氣用于原料用途的石化工業(yè)集中在美國德克薩斯州和墨西哥灣沿岸的其他州。隨著經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)脫碳的推進(jìn)，能源應(yīng)用中可能對氫氣有額外的需求。使用電解槽和儲(chǔ)氫來滿足這種增量需求可以增加電網(wǎng)的需求靈活性。德克薩斯州也有地下鹽洞，它可以作為一種比地上儲(chǔ)氫罐更便宜的儲(chǔ)能介質(zhì)來長期儲(chǔ)存氫氣。這使研究團(tuán)隊(duì)能夠使用德克薩斯州來測試儲(chǔ)氫成本敏感性和氫氣作為燃料的敏感性。研究團(tuán)隊(duì)假設(shè)該州現(xiàn)有的兩個(gè)商業(yè)運(yùn)營的核電站退役并且不會(huì)在2050年被取代。為了簡化，該萬賴俱寂忽略了德克薩斯州現(xiàn)有的小規(guī)模水電資源。
正如研究團(tuán)隊(duì)將在后面的部分中看到的那樣，可調(diào)度的低碳資源的可用性以及太陽能和風(fēng)力發(fā)電的資源質(zhì)量對模擬系統(tǒng)成本和最佳儲(chǔ)能量具有重要意義。三個(gè)建模區(qū)域之間的差異以及這些區(qū)域與美國其他地區(qū)之間的明顯差異（即美國西南地區(qū)的優(yōu)質(zhì)太陽能和西北地區(qū)的廣泛水電）意味著沒有可靠的方法來概括或匯總研究團(tuán)隊(duì)的區(qū)域結(jié)果編制美國的整體情況。
（2）建模的區(qū)域共性
在GenX中，每種情景的特點(diǎn)是區(qū)域每小時(shí)可再生能源（VRE）容量因素和需求、每種技術(shù)的投資和運(yùn)營參數(shù)（例如成本、最低發(fā)電水平）以及不同的碳排放限制（表6.4）。在所有三個(gè)地區(qū)，使用最新的2050年中檔EIA燃料價(jià)格預(yù)測和美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的2020年年度技術(shù)基線(ATB)來描述各種發(fā)電技術(shù)（表6.5）以及鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。
表6.4 GenX模型的輸入和輸出
表6.5 可再生能源和天然氣發(fā)電資源的中間成本假設(shè)
根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)的建模假設(shè)，將投資限制在以下技術(shù)：公用事業(yè)規(guī)模的太陽能發(fā)電設(shè)施和陸上風(fēng)電設(shè)施（以及美國東北部的海上風(fēng)電和分布式太陽能設(shè)施）；天然氣發(fā)電廠（開式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)(OCGT)和聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)(CCGT)）；采用或不采用基于胺的碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)技術(shù)；發(fā)揮重要作用的水電設(shè)施（美國東北部和東南部）。研究團(tuán)隊(duì)并不認(rèn)為燃煤發(fā)電在2050年在美國是一種可行的發(fā)電技術(shù)，這是因?yàn)槿济喊l(fā)電的成本競爭力下降，在美國電力結(jié)構(gòu)中的作用逐漸減弱，并且具有更高的碳排放。新建模型的例外是美國東北部和東南部現(xiàn)有的水電設(shè)施和抽水蓄能發(fā)電設(shè)施，美國東南部現(xiàn)有的核電設(shè)施在2050年仍可運(yùn)行，假設(shè)其工作壽命為80年，以及美國東北部和東南部現(xiàn)有輸電能力。如下所述，將德克薩斯州建模為單個(gè)輸電區(qū)域。在獨(dú)立的區(qū)域案例研究中，還評估了新的核能和新興天然氣發(fā)電技術(shù)與碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)技術(shù)和工業(yè)用氫的影響。
該模型使用美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)研究的2050年需求概況（特別是高電氣化和中等技術(shù)情景）來描述每個(gè)地區(qū)的小時(shí)需求。這些需求概況對應(yīng)于2012年天氣年份的變化。他們假設(shè)住宅和商業(yè)建筑（例如，61%的空間供暖、52%的熱水供暖和94%的烹飪服務(wù)）和交通運(yùn)營（例如到2050年，插電式電動(dòng)汽車將占電動(dòng)汽車銷售量的84%），這共同導(dǎo)致2050年美國最終能源需求的41%由電力部門提供，而2016年這一比例為19%。鼓勵(lì)這些行業(yè)的電氣化已經(jīng)實(shí)施，并考慮限制電力部門碳排放的增量影響。預(yù)計(jì)的需求概況也可用于各個(gè)最終用途的小時(shí)需求細(xì)分，研究團(tuán)隊(duì)用它來探索需求靈活性對某些最終用途的影響，例如電動(dòng)汽車(EV)充電。
為了以高水平的空間和時(shí)間分辨率表示太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電資源，研究團(tuán)隊(duì)采用以下方法：(1)繪制可用于光伏和風(fēng)能開發(fā)的土地面積的供應(yīng)曲線（不包括水體、公園、市區(qū)、山脈和原住民領(lǐng)土）；(2)量化了將新的可再生能源發(fā)電連接到現(xiàn)有輸電基礎(chǔ)設(shè)施的支線成本。對于每個(gè)站點(diǎn)，假設(shè)水平單軸跟蹤光伏系統(tǒng)并使用來自美國國家太陽輻射數(shù)據(jù)庫的2007～2013年衛(wèi)星數(shù)據(jù)，模擬了光伏系統(tǒng)的小時(shí)容量因數(shù)(CF)。使用工具包中的氣候再分析數(shù)據(jù)。通過聚合這些單獨(dú)的站點(diǎn)為可再生能源開發(fā)不同的工具（基于能源的平準(zhǔn)化成本，考慮發(fā)電和互連成本）。
（3）建模的區(qū)域差異
由于研究團(tuán)隊(duì)試圖捕捉的儲(chǔ)能價(jià)值來源對時(shí)間分辨率高度敏感，因此選擇以每小時(shí)為基礎(chǔ)對運(yùn)營決策進(jìn)行建模，以捕捉電力系統(tǒng)在可再生能源滲透率高的情況下的平衡需求，并估計(jì)這些需求如何影響不同儲(chǔ)能資源的價(jià)值。研究團(tuán)隊(duì)對高時(shí)間分辨率的強(qiáng)調(diào)導(dǎo)致在分析中考慮的時(shí)間順序和電網(wǎng)細(xì)節(jié)水平之間的必要權(quán)衡，以保持模型在計(jì)算上易于處理。
圖6.1 2050年1月紐約州特定時(shí)間的電力需求示例
德克薩斯州大約90%的電力供應(yīng)由德克薩斯州電力可靠性委員會(huì)(ERCOT)這個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（ISO）管理。因?yàn)榈驴怂_斯州電力可靠性委員會(huì)(ERCOT)與該國其他地區(qū)幾乎完全電氣隔離，而且該州西北部和西部的風(fēng)力豐富地區(qū)（指定為“競爭性可再生能源區(qū)”）與德克薩斯州東部和南部的需求中心之間的輸電能力已經(jīng)最近得到了極大的擴(kuò)展，因此決定將德克薩斯州建模為一個(gè)區(qū)域。通過這種簡化的空間分辨率，能夠在容量因子(CF)中包含電網(wǎng)操作的最大時(shí)間分辨率，僅受數(shù)據(jù)可用性的限制。
相比之下，美國東北部和東南部地區(qū)面積相對較大，地理分布多樣，并且有據(jù)可查的區(qū)域內(nèi)輸電限制。這使得考慮區(qū)域內(nèi)輸電擴(kuò)展非常重要。對于這兩個(gè)區(qū)域，選擇使用空間分辨的電網(wǎng)表示，這反過來意味著必須使用較低的時(shí)間分辨率來保持模型在計(jì)算上的可處理性。研究報(bào)告采用35個(gè)代表周期（每個(gè)周期10天，一共8,400小時(shí)））對這兩個(gè)地區(qū)的年度電網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行建模，這些周期是從7年的可用時(shí)間序列數(shù)據(jù)中以每小時(shí)分辨率進(jìn)行采樣的。這種時(shí)域縮減方法通常用于容量擴(kuò)展模型(CEM)研究，以平衡空間/時(shí)間分辨率和操作細(xì)節(jié)水平（35個(gè)代表性時(shí)期（350天×24小時(shí)）的選擇遵循迭代聚類方法。
研究團(tuán)隊(duì)還考慮了資源質(zhì)量和監(jiān)管環(huán)境方面的其他地區(qū)差異。值得注意的是，對美國東北部署地區(qū)的陸上風(fēng)電開發(fā)應(yīng)用50%的成本溢價(jià)，以反映有據(jù)可查的選址挑戰(zhàn)——該乘數(shù)與其他研究中使用的東北地區(qū)的區(qū)域乘數(shù)一致。為了反映擴(kuò)展進(jìn)出紐約地區(qū)（圖6.2中的4區(qū)）的輸電困難，根據(jù)現(xiàn)有傳輸容量應(yīng)用兩倍擴(kuò)展限制。最后，由于有利的條件和州一級(jí)的支持性部署政策，研究團(tuán)隊(duì)將海上風(fēng)電列為一項(xiàng)可行的技術(shù)，對美國東北部的最大可部署容量沒有限制。
圖6.2 美國東北部、東南部和德克薩斯州的區(qū)域建模特征和差異
如上所述，在基本案例中使用美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL）電氣化未來研究 (EFS）中的高電氣化負(fù)載情景，以反映2050年在經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)深度脫碳所需的電氣化水平。與參考情景相比，高電氣化負(fù)荷情景假設(shè)電力在滿足最終能源需求方面的作用增加（目前的41%與2050年的23%）。由于當(dāng)?shù)靥鞖鈼l件和電氣化潛力，將會(huì)出現(xiàn)區(qū)域差異。例如，與美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL）電氣化未來研究 (EFS）參考負(fù)荷情景案例相比，高電氣化負(fù)荷情景在美國東北地區(qū)的系統(tǒng)峰值高出65%，年需求高出52%。。在高電氣化情景下，美國東北地區(qū)冬季用電量增長最為顯著，因?yàn)橥ㄟ^寒冷氣候熱泵實(shí)現(xiàn)電氣化空間供暖的作用更大。這部分解釋了與德克薩斯州相比，電氣化（高與參考情景）對東北部峰值和年度電力需求的更大影響（表6.6）。
表6.6 美國東北部、東南部和德克薩斯州電氣化未來研究 (EFS）2050年需求假設(shè)
6.2.4 建模限制
在描述結(jié)果和主要發(fā)現(xiàn)之前，研究團(tuán)隊(duì)注意到其建模方法的一些局限性。使用歷史天氣來模擬多年可再生能源（VRE）容量因數(shù)，為可再生能源可用性提供了范圍和變化；然而，它沒有捕捉到極端天氣事件對發(fā)電的影響與其對需求的影響之間的相關(guān)性。因此，只能部分捕捉到諸如2021年2月在德克薩斯州經(jīng)歷的德克薩斯州電力可靠性委員會(huì)(ERCOT)區(qū)域停電等事件。與大多數(shù)其他容量擴(kuò)展模型(CEM)一樣，每小時(shí)供需平衡假設(shè)對可再生能源（VRE）的可用性和需求具有完美的預(yù)見性。實(shí)際上，預(yù)測并不完美，需要提供靈活性的技術(shù)（例如儲(chǔ)能系統(tǒng)）來管理與預(yù)測的短期偏差。因此，完美遠(yuǎn)見的假設(shè)有助于產(chǎn)生儲(chǔ)能容量要求的下限。第二個(gè)限制是，以高度聚合的方式對區(qū)域內(nèi)輸電進(jìn)行建模。研究團(tuán)隊(duì)也沒有對可再生能源可變性或規(guī)劃儲(chǔ)備進(jìn)行建模在某些司法管轄區(qū)模仿容量市場的利潤率。這些簡化具有運(yùn)營和成本影響，并指出了未來工作中應(yīng)考慮的領(lǐng)域。最后，重要的是要記住，這種研究依賴于旨在推導(dǎo)出有效解決方案的優(yōu)化模型。該模型沒有考慮到現(xiàn)實(shí)世界的市場不完善、監(jiān)管不完善或公共政策可能偏向于一種技術(shù)——所有這些都可能使在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)成本最低的解決方案變得非常困難。盡管如此，研究團(tuán)隊(duì)的分析提供了一個(gè)有用的基準(zhǔn)，可以比較現(xiàn)實(shí)世界的結(jié)果以進(jìn)行政策評估。
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