海上风电考察：美国大西洋和墨西哥湾沿岸海上风电场的影响、效益和成本

丹尼尔·肖汉、莎莉·罗布森和伊森·拉塞尔 关于作者 丹尼尔·肖汉是未来资源（RFF）的学者，康奈尔大学的兼职教师，以及纽约独立系统运营商环境咨询委员会的成员。他的研究主要集中在预测和估计电力政策（包括环境政策）的影响。他负责开发和应用工程、经济和环境电力模拟工具（E4ST），这是一个详细的美国和加拿大电力部门模型，用于模拟电网、发电厂、空气质量以及公共卫生如何对政策及基础设施的潜在变化作出反应。他还从事电力市场设计和环境政策设计。Shawhan曾帮助州政府制定电力市场改革和国家首个混合动力车、能源效率、绿色建筑和可再生能源政策。 Sally RobsonRFF的研究分析师，她在那里从事E4ST工作。她之前在史密斯学院学习工程学，专注于宏观和微观电网层面的能源系统和储能。 埃森·拉塞尔是RFF的高级研究分析师，在那里他从事E4ST工作。他的大部分工作集中在重新编写E4ST，使未来的功能能够模拟日益复杂的电网及其周边经济。在RFF之前，他在麻省理工学院林肯实验室工作，在那里他开发了用于在不确定性下进行决策的模拟工具和算法。他于2019年在罗斯-胡尔曼理工学院获得电气工程学士学位。 联系信息 丹尼尔·肖汉同侪，未来资源shawhan@rff.org202-328-5027 致谢 我们感谢Mrunal Bhalerao和Robin Young在收集关于拟议中的海上风电项目数据方面的工作，以及他们对这项工作的其他贡献。我们感谢RFF电力项目资助本项目的财务支持以及开发必要的模拟工具的贡献者。我们对Gurobi优化公司使用优秀的Gurobi求解器软件表示感激，以及对Energy Visuals, Inc.提供的独特详细输电图集和本研究中使用的FirstRate电网数据表示感谢。我们感谢RFF的同事们提供了输入和帮助，包括Andrew Gossett、Karen Palmer、Angeline Yang、Caroline Hamilton、Donnie Peterson和William Pizer。 本研究使用了工程、经济和环境电力仿真工具（E4ST），它是MATPOWER的衍生产品。E4ST的过去开发者，其中一些至今仍参与其中，包括Ray D. Zimmerman、William D. Schulze、Christoph Funke、Steven Witkin、Paul Picciano、Biao Mao、Carlos Murillo-Sanchez、John T. Taber、Daniel Tylavsky、Di Shi、Jubo Yan、Charles Marquet、Yujia Zhu、Doug Mitarotonda、Yingying Qi、Nan Li、Zamiyad Dar、Andrew Kindle、Robert J. Thomas和Richard E. Schuler。感谢他们的重要贡献。 关于RFF 资源未来（RFF）是位于华盛顿特区的一个独立、非营利性研究机构。其使命是通过客观的经济研究和政策参与，改善环境、能源和自然资源决策。RFF致力于成为研究见解和政策解决方案最值得信赖的来源，以促进健康环境和繁荣的经济。 工作论文是由作者为信息交流和讨论目的而传播的研究材料。它们不一定经过正式的同侪评审。此处所表达的观点仅为个别作者的观点，可能与RFF的其他专家、官员或董事的观点不同。 分享我们的工作 我们的作品可在署名-非商业性-禁止演绎 4.0 国际（CC BY-NC-ND 4.0）许可下共享和改编。您可以在任何媒体或格式中复制和重新分发我们的材料；您必须提供适当的信用，提供许可证链接，并说明是否进行了更改，且您不得施加额外限制。您可以在任何合理的方式下这样做，但不能以任何暗示许可方支持您或您使用的使用方式。您不得将材料用于商业目的。如果您混合、转换或在此基础上构建材料，您不得分发修改后的材料。欲了解更多信息，请访问[未提供网址]https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/. 缩写 ATB年度技术基准CCS碳捕集与封存碳捕集、利用与储存（Carbon Capture Utilization and Storage）碳捕集、利用和封存国际消费电子展（Consumer Electronics Show，简称CES）清洁电力标准eCO二氧化碳当量2温室气体温室气体我国政府（Government of the People）墨西哥湾GW吉瓦InMAP干预模型用于空气污染货币主义理论百万公吨MW兆瓦兆瓦时兆瓦时无氮氧化物XOREC离岸风电可再生能源证书OSW海上风电PM优质空气悬浮颗粒物2.5电力购售协议（Power Purchase Agreement）电力采购协议RGGI区域性温室气体倡议RPS可再生能源组合标准RTO区域性传输组织SO二氧化硫2WEA风力能源领域 执行摘要 海上风电被认为对于减少与能源相关的排放具有重要意义，因为它能够服务沿海地区并补充其他非排放电力来源。然而，关于它将取代排放量较大的其他非排放发电方式、改善公共健康以及影响电力供应总成本的程度，仍存在一些未解决的问题。面对近期输入成本的增加和项目取消，各国政府正在决定如何强烈地支持海上风电开发。为了帮助做出这些决定，我们对美国大西洋和墨西哥湾沿岸32个计划中或提议中的海上风电场的影响进行了预测和评估，这些风电场将产生约2.5%的美国和加拿大电力产量。我们考察了这些海上风电场将如何影响2035年的其他电力产能、发电量、排放量、健康影响、电力和天然气客户的成本、电力和天然气供应行业的利润以及政府净收入。我们还将资本支出回收和融资纳入成本考量。 在我们的建模结果中，从详细的风电行业产能扩张和调度模型来看，海上风电场的预计净收益为正，预计收益成本比为14比1。海上风电场产生的电力不成比例地减少了天然气和煤炭燃料的发电量，导致大量排放减少。此外，减排主要集中在人口密集区域的上方。因此，海上风电场每年可减少估计的520例美国因空气颗粒物和地面臭氧导致的过早死亡。黑人、西班牙裔和低收入美国人占避免过早死亡比例异常高，纽约市地区的居民也是如此。海上风电场在其运营期间每年可减少因气候变化导致的全球预计未来死亡人数1600人。海上风电场增加了电力供应的整体非环境成本，但减少了客户的电费和天然气账单。尽管我们的研究相对全面，但与其他研究一样，它并没有包括所有收益和成本。值得注意的是，它没有包括32个海上风电场可能对后续海上风电开发成本产生向下影响或因未来增加的开发而可能带来的收益的估计。 内容 1. 简介 1.1. 沿海风电投资减少排放和健康效益的决定因素4 1.2. 成本决定因素 6 方法与输入 7 3. 结果 3.1. 世代113.1.1. 电力排放预防的不成比例性113.1.2. 绑定州级清洁能源要求的效应143.1.3. 没有强制清洁能源要求的各州的影响153.1.4. 对储能的影响15 3.2. 温室气体排放163.2.1. 通过温室气体减排预防的预期过早死亡数量估算173.2.2. 估算温室气体减排的价值17 3.3. 空气质量效益173.3.1. 空气质量变化183.3.2. 死亡率和疾病减少203.3.3. 被救者的人口统计20 212223232424253.4. 容量3.5. 非环境成本3.5.1. 电费3.5.2. 天然气价格3.5.3. 对电费和天然气账单的综合影响3.6. 总净收益3.7. 未估算的利益与成本 4. 结论 27 285. 参考文献 6. 附录 33 4246464747附录I：技术假设 52附录B：按系统运营商地区划分的结果 36附录C：发电组合与容量组合40附录A：发电变化的额外地图 33附录H：政策假设 48附录E：离岸风电项目预测收益平均水平化 43附录 F：与 GridLab 研究第 45 次的对比附录D：不含2024年电厂温室气体排放的结果法规和2023年电力厂友好邻邦计划X排放附录G：关于所使用的模型和输入的更多信息G.1. 工程学、经济学和环境电力仿真工具(E4ST)G.2. 模型：空气中颗粒物形成、传输和归宿的模型G.3. 地面臭氧污染影响的价值评估附录J：量化与评估温室气体排放造成损害的方法56 1. 简介 全球范围内，共有超过290个离岸风电场，总装机容量超过590亿瓦特（GW）（Musial等人，2023年），其发电量相当于大约2000万美国家庭的能耗。在美国沿海地区，目前有三个离岸风电场正在运营，还有数十个处于不同发展阶段。离岸风电的时间模式与阳光和陆上风电不同，增加了整体风能和太阳能供应的一致性，并允许对可再生能源有更大的依赖。因此，它具有显著减少排放的潜力，非常适合为人口众多且用其他非排放发电类型（如陆上风电、太阳能和核能）服务的沿海地区供电。 作为一项相对较新的技术，美国的海上风电场需要州政府的支持，并且在未来几年内可能仍需要这样的支持。几个沿海州将海上风电作为其总体脱碳计划的一部分，并正在征集此类项目以签订电力购买或海上可再生能源信用协议。已有超过20个海上风电场签订了此类协议，但是州政府必须重新审视他们在近期成本上升导致协议取消或重新谈判时的决策。他们还必须决定支持多少额外的海上风电场。 联邦政府的决策对近海风电场的发展程度也至关重要。联邦政府设定近海风电的联邦税收抵免水平，出售海域租赁权，激励基础设施的建设发展，资助研发，监管大多数美国电力传输扩展等。 尽管自2020年以来，海上风电开发预期的成本有所增加，但大多数化石燃料发电的预期成本也增加了，部分原因是新排放法规的影响。这使得难以确定与替代方案相比，海上风电场预期的成本在2020年时是更高还是更低。 本项研究有助于为国家及各州决策提供信息。它呈现了对美国大西洋沿岸（从马萨诸塞州至北卡罗来纳州）以及墨西哥湾沿岸州（路易斯安那州和德克萨斯州）附近32座计划或提议的海上风电场的添加效果的分析结果（参见表1和图1）。我们报告了这套集合的联合效果，其预计容量为35吉瓦，预计在2035年实现。其中许多项目已签订采购协议，另有八个项目的协议已被开发商或州取消，还有一些由开发商或美国海洋能源管理局提出，但目前尚未达成协议。对于那些取消采购协议的场地， 注意：地图上的标记远大于海上风电场的足迹将。 在未来的协议下，可能将建设类似项目。1一些剩余的协议目前正面临重新谈判的要求。尽管围绕取消和新的项目以及现有协议存在不确定性，但这一系列可能的未来站点对于评估海上风力发电场的影响是有用的，尤其是对美国大西洋和墨西哥湾沿岸的影响，这些影响包括对美国的电力供应相关的排放、健康影响和成本。 排放、健康和成本效应取决于离岸风电场如何影响其他发电设施的退役和建设。例如，离岸风电场减少太阳能和陆上风电建设量的程度越低，造成的排放量退役能力越高，其降低排放的趋势就越明显。因此，预测离岸风电场对排放的影响需要建立一个能够预测离岸风对其他发电设施建设、退役和运行影响的现实电力行业模型。我们使用了E4ST电力行业模型（在第2节中描述），这是一个非常现实的模型，能够捕捉成本、政策和技术要求之间的复杂相互作用。 1.1. 沿海风电投资减少排放和健康效益的决定因素 在事前，我们不知道由海上风电场引起的排放减少和健康效益会有多大。邻近各州的每兆瓦时（MWh）发电排放率是一个有用的基准，可以用来比较建设海上风电场对排放的影响。海上风电场每兆瓦时发电所防止的排放量，可能比邻近州的每兆瓦时排放量小或大，这有多种原因。本研究的主要功能之一就是测试哪种情况成立。2 存在四个主要原因导致每兆瓦时预防排放量可能比邻近州平均值要小。首先，许多在本研究中赞助海上风电场各州的能源比例要求是清洁能源。除非清洁 一代的发电成本竞争力足够高，以至于它超过了那些要求（即使要求“宽松”），它们是为了响应建设海上风电场的决策而增加的，或者在没有海上风电场的情况下无法满足