为什么风能和太阳能需要天然气 ： 一种现实的方法来改变

ROBIN GASTER | 2024 年 9 月 风能和太阳能将用波动性更强、更难以预测的清洁能源替代化石燃料提供的稳定可调度电力。季节性变化和年度波动无法仅通过电池或其他提议的存储解决方案（如氢气）来应对。天然气将在未来几十年内填补这一缺口。 KEY TKEAWAYS 太阳能和风能增长迅速，并迅速取代燃煤发电。但这些能源本质上更为波动；随着电网对它们的依赖增加，电网的可靠性可能会下降。 季节性储能技术如氢储能、抽水蓄能和压缩空气储能并非现实替代方案。增加核能可以减少规模需求，但无法从根本上解决问题。只有天然气能在绿色转型过程中确保可靠性。 . 监管机构必须协助天然气从始终运行的基础负荷电源过渡为通常处于备用状态的能力保险。如果这些设施（包括联合循环电厂和单循环尖峰电厂）能够得到适当的运营和资金支持，则可以实现这一目标。 . 能源部必须帮助开发未来的电网所需的季节性存储技术。由于这些技术将在几十年后才部署，能源部有时间来解决这些技术的整个创新周期，并应现在重点关注早期阶段的R&D。 . 应该由联邦和州监管机构、大型公司及其他利益相关方协助开发所需的先进模型，并扩大数据收集范围，包括大幅扩展气象数据。 能源部需要设立一个新的能源波动办公室，以提供长期战略和实施的机构中心，并实施新的资金重点，针对当前早期阶段的技术进行资助，以及在未来几十年内推动演示和规模扩大项目。 CONTENTS 关键发现 ................................................................................................................. 1 引言..................................................................................................................... 2 可变可再生能源的挑战........................................................................................ 4 规模与持续时间：可变性挑战的大小 ...................................................................... 9 减缓可变性问题..................................................................................................... 12 气体和能源转型第二阶段...................................................................................... 14 超过第二阶段：长持续时间储能技术..................................................................... 18 泵水电储能......................................................................................................... 19 氢储能 ............................................................................................................... 22 压缩空气能量储存............................................................................................. 24 市场与收入......................................................................................................... 26 谁支付以及如何支付？..................................................................................... 27 能源部与电力储能............................................................................................. 29 研究结论.........................................................................................................30 政策建议......................................................................................................... 34 附注 ..................................................................................................................... 38 INTRODUCTION 美国由风能和太阳能（可变可再生能源，或VRE）产生的电力占比正快速增长。虽然有可能传统的清洁能源来源（如核能、地热能或聚变能）会大幅扩张，但在没有重要技术突破的情况下，这种情况似乎不太可能。VRE的扩张速度很快，并且在未来几十年内很可能成为主导能源。 因此，电力供应的波动性已成为一个严峻的挑战。部分波动是短期的——太阳晚上不发光。部分是季节性的——太阳能发电在冬季产生较少电力。还有一些是长时间尺度上的不可预测性：例如，某些周、月或年份的风力明显较小。这些问题尚未变得紧迫，但随着可变可再生能源（VRE）的采用水平和速度的增加，它们将迅速变得紧迫。1 当前，行业和政府的关注点主要集中在短时存储上，这有助于在一天内转移能源，并且也有助于解决电网面临的许多技术挑战。但仅依靠短时存储技术无法满足更长时间段的需求。 对于可再生能源电网（VRE）而言，要在合理成本下确保24/7的电力供应才能使其具有可行性，如果要推广到低收入国家，则成本不得超过化石燃料发电。随着它们逐渐占据主导地位，将出现大规模的可再生能源短缺问题，必须加以解决。 这些即将到来的缺口及其解决方案可以归类为三个阶段。我们目前还不清楚各个阶段之间的界限将如何具体划分，而且这些界限在不同的地区可能会有所不同。然而，这仍然是思考可再生电力（VRE）和波动性的基本框架： ▪阶段 I.电网仍然不是以可变可再生能源（VRE）为主导（不到大约40%的VRE），因此季节性和年度缺口的影响是有限的，并且可以通过现有的调度资源（例如使用天然气的调峰电厂）来处理。 ▪第二阶段。VRE 将主导电网（约占 40-80%）。天然气逐渐从基荷电源（始终运行）的角色转变为备用角色，用于在 VRE 无法承担负荷时使用。更好的输电能力也可能有所帮助，通过将电力从供应过剩地区转移到供应不足地区。 ▪第三阶段。实现电网脱碳的最后20％（大约80％至100％的可再生电力VRE）需要继续使用带有碳捕获的燃气发电，或者部署非常长时间段的能量存储（VLDES），能够处理年度和年度可再生电力短缺（或两者兼有）。目前没有任何技术能够在可承受的成本下满足这一挑战。当然，如果聚变、核能、地热或其他零排放技术足够改进以至于主导电网，那么可变性问题将得到解决。但这种情况似乎不太可能，而本文也不探讨这些情景。 这些阶段之间的界限延伸到未来，并且应当被视为有用的观念。它们标志着逐步过渡的节点，而非明确的转折点。此外，这些变化将在不同的时间和地理区域发生。尽管如此，它们帮助我们理解政府政策应运作的基本框架。 ▪在第一阶段 ， 政策应侧重于将 VRE 整合到仍然是化石主导的网格中。这意味着需要添加短期存储以有效管理可变可再生能源（VRE）生产中的每日峰值和低谷，逐步减少天然气在这一过程中的使用。在可能的情况下（例如美国），天然气将取代煤炭发电，因为天然气不仅更经济而且更清洁。在此期间，采用氢气或压缩空气储能（CAES）实施虚拟电厂调度系统（VLDES）将是一个昂贵的错误，因为这些技术还远未与现有的燃气发电机竞争成为可调度资源。然而，为长期储能的基本和应用研究提供额外资源是合适的。 ▪在第二阶段，政府将不得不帮助管理从以化石能源为主导的电网向以可变可再生能源（VRE）为主导的电网过渡的过程，在这一过程中，化石能源将继续作为可调度的能量源来弥补既定和未预见的VRE缺口，发挥关键作用。这个过渡将需要很长时间（可能几十年），从天然气仍然是基础负荷资源主导时开始，到我们开始用其他解决方案来应对波动性时结束。在此阶段，政府应逐步加大在技术驱动解决方案方面的研究力度，这可以包括大规模可调度电化学储能系统（VLDES）和碳捕获等技术。当这些技术变得具有竞争力时，政府可以帮助加速它们的部署和规模化应用。 ▪在第三阶段，完全脱离化石燃料将需要引入技术先进的长时储能或碳捕获技术。假设这些技术 从示范项目到以合理负担得起的成本扩大规模。 它或许有些讽刺意味的是，向可变可再生能源（VRE）的最快和最高效的过渡（以及相关的排放减少），可能需要在未来很长一段时间内大幅增加天然气的使用。其功能将从中期规模和峰值调度电源转变为保障和备用的VRE供应。天然气非常适合应对由VRE引入的不断增加的波动性，因为它可以在几分钟内从零负荷启动并满负荷运行，并且可以同样快速地停机。这也是为什么即使国家可再生能源实验室（NREL）非常高的去碳化情景仍然需要大量天然气产能来进行电力生产。 方框 1 ： 价格 / 性能平价 ： “P3 ” 气候变化是全球性的，因此解决方案也必须是全球性的。特别是，这些解决方案必须满足那些能源需求增长最快的低收入国家的需求，在这些国家，支付绿色溢价的能力和意愿非常有限或几乎不存在。 没有证据表明通过监管、补贴或号召就能强制推动变革。低收入国家不会以牺牲增长为代价采纳清洁能源。同样，富裕国家也不会这样做。 市场是推动所需规模转型的唯一有力杠杆——只有当清洁能源技术能够在无需补贴或监管的情况下与肮脏能源技术竞争并达到价格/性能平价（P3）时，市场机制才会发挥作用。2 可再生能源本质上具有波动性。要取得成功，特别是在低收入国家，间歇性可再生能源（VRE）必须提供可靠的服务，并且成本大致与化石燃料发电相当。英国最近宣布，它是首个通过有效替代煤电来实现减排一半的经合组织（OECD）国家。核能和天然气在过去十年中基本保持稳定，但天然气现在已成为VRE的备用电源。 底线:完全去碳化漫长的道路要求我们重新考虑VLDES的时间框架，并在此过程中专注于开发更好的技术以及能够使用不同时间框架生成更低成本模式的经济模型。例如，用于长期存储的氢气与用于绿色钢铁的氢气在本质上是不同的经济实体，因为氢气在生产时即被使用。我们应该充分利用这些差异。 可变可再生能源的挑战 匹配供应与需求一直是电网的核心功能。供应过多，能源会被浪费（这很昂贵）。供应不足，则会导致客户停电。在可变 renewable energy（VRE）成为能源组合中重要组成部分之前，可靠性相对容易管理。发电设施主要使用化石燃料（以前主要是煤，现在主要是天然气），以及一些核能和水力发电（在某些国家和地区更多）。这些燃料产生的能源高度可预测且相当灵活，系统可以迅速响应不断变化的供需问题，利用现有的化石燃料储备。额外的容量可以从单循环