可变可再生能源

可变可再生能源(VRE)或间歇性可再生能源(IRES)是由于其波动性而无法调度的可再生能源，例如风能和太阳能，而不是可控的可再生能源，例如大坝水电或生物质能，或相对恒定的来源，例如地热能。使用少量间歇性电力对电网运行影响不大。使用大量间歇性电力可能需要升级甚至重新设计电网基础设施。将大部分可变能源吸收到电网中的选择包括使用存储、改善不同可变能源之间的互连以平滑供应、使用可调度能源（如水力发电）和产能过剩，以便即使在天气不太有利的情况下也能产生足够的能源。能源部门与建筑、交通和工业部门之间的更多联系也可能有所帮助。

大多数电网中间歇性可再生能源的渗透率很低：2021年全球发电量为7%风能和4%太阳能。然而，到2021年，丹麦、卢森堡和乌拉圭40%以上的电力来自风能和太阳能。可变可再生能源的特征包括其不可预测性、可变性、低运行成本以及它们受限于特定位置的事实。这给电网运营商带来了挑战，他们必须确保供需匹配。解决方案包括储能、需求响应、产能过剩的可用性和行业耦合。较小的孤立电网可能对高水平渗透的耐受性较差。使电力需求与供应相匹配并不是间歇性电源特有的问题。现有电网已经包含不确定因素，包括需求的突然和巨大变化以及不可预见的发电厂故障。尽管电网已经被设计为具有超过预计峰值需求的一些容量来处理这些问题，但可能需要进行重大升级以适应大量间歇性电力。几个关键术语有助于理解间歇性电源问题。这些术语不是标准化的，可以使用变体。这些术语中的大多数也适用于传统发电厂。

• 间歇性或可变性是电源波动的程度。这有两个方面：可预测的可变性（例如昼夜循环）和不可预测的部分（不完善的当地天气预报）。术语间歇性可以用来指代不可预测的部分，而变量则指的是可预测的部分。
• 可调度性是给定电源根据需要快速增加和减少输出的能力。这个概念不同于间歇性；可调度性是系统运营商将供应（发电机的输出）与系统需求（技术负载）相匹配的几种方式之一。
• 渗透率是发电量占年消耗量的百分比。
• 标称功率或铭牌容量是发电厂在正常运行条件下的xxx输出。这是最常用的数字，通常以瓦特表示（包括kW、MW、GW等倍数）。
• 容量因子、平均容量因子或负载因子是发电机的平均预期输出，通常在一年内。它以铭牌容量的百分比或十进制形式表示（例如30%或0.30）。
• 供应商保证在承诺涵盖的期间内始终可用的坚定能力或坚定权力。
• 容量信用：在保持可靠性的同时可能从系统中移除的常规（可调度）发电量，通常表示为标称功率的百分比。
• 可预见性或可预测性是操作员对发电的预测精度：例如潮汐能随潮汐变化但完全可预见，因为可以准确预测月球的轨道，改进的天气预报可以使风力发电更可预测。

大坝水电、生物质能和地热是可调度的，因为它们都有潜在的能量储存；没有存储的风能和太阳能可以减少，但不能调度，除非自然提供。在风能和太阳能之间，太阳能的每日周期比风能变化更大，但在白天比风能更可预测。与太阳能一样，潮汐能每天在开启和关闭周期之间变化，与太阳能不同，没有间歇性，潮汐每天都可用。

电网运营商使用前一天预测来确定第二天使用哪些可用电源，并使用天气预报来预测可能的风能和太阳能输出。尽管风能预测已在运营中使用了数十年，但截至2019年，IEA正在组织国际合作以进一步提高其准确性。风力发电是一种可变资源，给定工厂在任何给定时间点产生的电量将取决于风速、空气密度和涡轮机特性（以及其他因素）。如果风速太低，则风力涡轮机将无法发电，如果风速太高，则必须关闭涡轮机以避免损坏。虽然随着当地风速的变化，单个涡轮机的输出可能会发生很大和迅速的变化，但随着越来越多的涡轮机连接到越来越大的区域，平均功率输出的变化会变得越来越小。

• 间歇性：小于天气尺度的区域（长度小于约1000公里，相当于一个普通国家的大小）的天气基本相同，因此风能大致相同，除非当地条件有利于特殊风。一些研究表明，分布在不同地理区域的风电场作为一个整体很少会完全停止发电。然而，对于爱尔兰、苏格兰和丹麦等具有统一地理的较小地区来说，这种情况很少见，这些地区每年有几天几乎没有风力发电。
• 容量系数：风电的年容量系数通常为25-50%，海上风电的表现优于陆上风电。
• 可调度性：由于风电本身不可调度，风电场有时会建有储能。
• 容量信用：在低渗透水平下，风电的容量信用与容量因子大致相同。随着风电并网集中度的提高，容量信用百分比下降。
• 可变性：取决于站点。海风比陆风更稳定。季节性变化可能会使产量减少50%。
• 可靠性：风电场在刮风时具有很高的技术可靠性。也就是说，任何给定时间的输出只会由于风速下降或风暴（后者需要关闭）而逐渐变化。一个典型的风电场在极端情况下不太可能在不到半小时的时间内关闭，而一个同等规模的发电站可能会在没有警告的情况下完全瞬间失效。风力涡轮机的完全关闭可以通过天气预报进行预测。风力涡轮机的平均可用性为98%，当涡轮机发生故障或停机进行维护时，它只会影响大型风电场的一小部分输出。
• 可预测性：虽然风是可变的，但它在短期内也是可预测的。风输出有80%的机会在一小时内变化小于10%，有40%的机会在5小时内变化10%或更多。

由于风力发电是由大量小型发电机产生的，因此个别故障对电网的影响不大。风的这种特性被称为弹性。

间歇性本质上会影响太阳能，因为太阳能产生的可再生电力取决于给定地点和时间的阳光量。太阳能输出全天和四季变化，并受灰尘、雾、云层、霜或雪的影响。许多季节性因素是相当可预测的，一些太阳能热系统利用蓄热来产生一整天的电网电力。

• 可变性：在没有储能系统的情况下，太阳能在夜间不发电，在恶劣天气下很少发电，并且在季节之间变化。在许多国家，太阳能在风能不足的季节产生大部分能源，反之亦然。
• 容量因数标准光伏太阳能的年平均容量因数为10-20%，但移动和跟踪太阳的电池板的容量因数高达30%。太阳能热抛物槽，存储56%。具有73%储能的太阳能热发电塔。

太阳能发电间歇性的影响将取决于发电与需求的相关性。例如，内华达州太阳能一号等太阳能热电厂在某种程度上与美国西南部等有大量冷却需求的地区的夏季高峰负荷​​相匹配。小型西班牙GemasolarThermosolarPlant等热能存储系统可以改善太阳能供应和当地消费之间的匹配。使用热存储提高的容量系数代表xxx容量的降低，并延长了系统发电的总时间。

由于水库对环境的影响，许多国家不再建造新的大型水坝。润江工程继续建设。没有水库会导致发电量的季节性和年度变化。

潮汐能是所有可变可再生能源中最可预测的。潮汐每天反转两次，但绝不是间歇性的，相反，它们是完全可靠的。世界上只有20个地点被确定为可能的潮汐发电站。

波浪主要是由风产生的，因此波浪产生的能量往往会跟随风产生的能量，但由于水的质量比风力的变化小。风力与风速的立方成正比，而波浪能与波高的平方成正比。

被取代的可调度发电可以是煤炭、天然气、生物质能、核能、地热或蓄能水力发电。与其启动和停止核能或地热能，不如将它们用作恒定的基本负载电源更便宜。任何超过需求的电力都可以取代加热燃料，转换为存储或出售给另一个电网。当间歇性不发电时，可以保存生物燃料和传统的水力发电。产生较少温室气体的燃烧煤炭和天然气的替代品最终可能使化石燃料成为留在地下的搁浅资产。高度集成的电网有利于灵活性和性能而不是成本，从而导致更多的工厂运行时间更短，容量系数更低。所有的电力来源都有一定程度的可变性，需求模式通常会导致供应商向电网供电的电量大幅波动。在可能的情况下，电网运营程序旨在以高可靠性使供需相匹配，并且影响供需的工具得到了很好的开发。引入大量高度可变的发电可能需要改变现有程序和额外投资。可靠的可再生能源供应的容量可以通过使用备用或额外的基础设施和技术来实现，使用混合可再生能源产生高于间歇平均水平的电力，这可用于满足定期和意外的供应需求。此外，储存能量以填补间歇性短缺或用于紧急情况可以成为可靠电源的一部分。在实践中，随着风能输出的变化，部分负载的传统电厂已经存在以提供响应和储备，因此会调整其输出以进行补偿。虽然间歇性电力的低渗透率可能会使用现有水平的响应和旋转备用，但在较高渗透率水平下较大的整体变化将需要额外的储备或其他补偿方式。

所有受管理的电网都已经拥有现有的运营和旋转储备，以弥补电网中现有的不确定性。增加间歇性资源（如风能）不需要xxx备用，因为运行储备和平衡要求是在系统范围内计算的，而不是专门针对特定发电厂的。一些天然气或水力发电厂部分负荷，然后根据需求变化进行控制，或替换快速损失的发电量。随着需求变化而变化的能力称为响应。快速替换丢失发电的能力，通常在30秒到30分钟的时间范围内，称为旋转备用。一般来说，作为调峰电厂运行的热电厂的效率将低于作为基本负荷运行的热电厂。具有蓄水能力的水力发电设施（例如传统的大坝配置）可以作为基本负荷或调峰电厂运行。电网可以与电网电池厂签约，提供一个小时左右的即时可用电力，从而在发生故障时让其他发电机有时间启动，并xxx减少所需的旋转备用量。

需求响应是能源消耗的变化，以更好地与供应保持一致。它可以采取关闭负载的形式，或吸收额外的能量来纠正供需失衡。在美国、英国和法国的系统中已经广泛创建了使用这些系统的激励措施，例如优惠的费率或资本成本援助，鼓励负载大的消费者在容量不足时将其下线，或者反过来增加有盈余时加载。如果电力不足，某些类型的负载控制允许电力公司远程关闭负载。在法国，CERN等大型用户在EJP关税的鼓励下，按照系统运营商-EDF的要求削减了电力使用。能源需求管理是指调整用电的激励措施，例如在高峰时段提高费率。实时可变电价可以鼓励用户调整使用情况，以利用电力便宜的时期，避免电力更加稀缺和昂贵的时期。一些负载，如海水淡化厂、电锅炉和工业制冷装置，能够存储它们的输出（水和热）。几篇论文还得出结论，比特币采矿负荷将减少弃电、对冲电价风险、稳定电网、提高可再生能源发电站的盈利能力，从而加速向可持续能源的过渡。但其他人认为，比特币开采永远不可能可持续。瞬时需求减少。根据一些互利的合同，大多数大型系统还具有一类负载，它们会在发电短缺时立即断开连接。这可以立即减少（或增加）负载。

在风能和太阳能的不可调度输出可能很高的低负载时，电网稳定性需要降低各种可调度发电源的输出，甚至增加可控负载，可能通过使用储能将输出时间转移到更高需求的时间.这种机制可以包括：抽水蓄能水电是最普遍使用的现有技术，可以显着提高风电的经济性。适合存储的水电站的可用性因电网而异。典型的往返效率为80%。截至2020年，传统锂离子电池是电网规模电池存储中最常用的类型。可充电液流电池可以作为一种大容量、快速响应的存储介质。氢气可以通过电解产生并储存以备后用。飞轮储能系统比化学电池具有一些优势。除了使它们能够频繁循环而不会显着降低寿命的坚固耐用性外，它们还具有非常快的响应和斜坡率。它们可以在几秒钟内从完全放电到完全充电。它们可以使用无毒和环保材料制造，一旦使用寿命结束，就可以轻松回收。热能储存储存热量。储存的热量可以直接用于供暖需求或转化为电能。在CHP工厂的背景下，储热器可以以相对较低的成本用作功能性电力储存器。冰蓄冷空调冰可以按季节储存，在需求旺盛期间可用作空调来源。目前的系统只需要储存冰几个小时，但已经很好地发展了。电能的存储会导致一些能量损失，因为存储和检索不是完全有效的。存储还需要资本投资和存储设施空间。

单个风力涡轮机的生产可变性可能很高。只要每个涡轮机的输出之间的相关性不完美，并且由于每个涡轮机之间的距离，相关性总是不完美的，那么组合任何额外数量的涡轮机（例如，在风电场中）会导致较低的统计变化。同样，地理位置较远的风力涡轮机或风电场具有较低的相关性，从而降低了整体可变性。由于风力发电依赖于天气系统，因此这种地理多样性对任何电力系统的好处都是有限的。多个风电场分布在广阔的地理区域，并网在一起，与较小的装置相比，发电更稳定且可变性更小。可以使用天气预报以一定程度的信心预测风力输出，尤其是来自大量涡轮机/农场的预测。随着数据的收集，预测风力输出的能力预计会随着时间的推移而增加，尤其是来自较新设施的数据。太阳能产生的电力往往会抵消风能产生的波动供应。通常在夜间和多云或暴风雨天气时风xxx，在晴天少风时阳光较多。此外，风能往往在冬季有一个高峰，而太阳能在夏季有一个高峰；风能和太阳能的结合减少了对可调度备用电源的需求。

• 在某些地方，电力需求可能与风力输出具有高度相关性，特别是在低温驱动电力消耗的地方（因为冷空气更密集并携带更多能量）。
• 随着对备用发电的进一步投资，允许的渗透率可能会增加。例如，有些日子可以产生80%的间歇性风力，而在许多无风的日子里，可以替代80%的可调度电力，如天然气、生物质能和水电。
• 现有高水平水力发电的地区可能会增加或减少以吸收大量风能。挪威、巴西和马尼托巴省的水力发电水平都很高，魁北克省90%以上的电力来自水力发电，而Hydro-Québec是世界上xxx的水力发电生产国。美国太平洋西北部已被确定为风能与现有水电互补的另一个地区。水电设施的蓄水能力将受到水库规模、环境和其他因素的限制。

在盈余时向邻近电网输出能源，并在需要时进口能源通常是可行的。这种做法在欧洲以及美国和加拿大之间很常见。与其他电网的整合可以降低可变电力的有效集中度：例如，丹麦在与之互连的德国/荷兰/斯堪的纳维亚电网的背景下，VRE的高渗透率在整个系统中的比例要低得多。补偿可变性的水电可以在各国之间使用。输电基础设施的容量可能必须大幅升级以支持出口/进口计划。在传输过程中会损失一些能量。输出可变电力的经济价值部分取决于输出电网在有用时间以有吸引力的价格为输入电网提供有用电力的能力。

当交通、热力和天然气等部门与电力系统相结合时，需求和发电可以更好地匹配。例如，预计电动汽车市场将成为xxx的存储容量来源。与其他灵活性来源相比，这可能是一种更昂贵的选择，适合可变可再生能源的高渗透率。国际能源署表示，需要行业耦合来弥补季节性需求和供应之间的不匹配。电动汽车可以在低需求和高产量期间充电，并且在某些地方将电力从车辆送回电网。

渗透率是指一次能源（PE）在电力系统中所占的比例，以百分比表示。有几种计算方法可以产生不同的穿透力。渗透率可以计算为：

• PE电源的标称容量（装机功率）除以电力系统内的峰值负载；或者
• PE电源的标称容量（装机功率）除以电力系统的总容量；或者
• PE源在给定时期内产生的电能除以该时期电力系统的需求。

由于以下原因，间歇性可变源的渗透水平很重要：

• 具有大量可调度抽水蓄能的电网、带有水库或蓄水池的水电或其他调峰发电厂（如天然气发电厂）能够更容易地适应间歇性电力的波动。
• 没有强大互连的相对较小的电力系统（例如偏远岛屿）可能会保留一些现有的柴油发电机，但消耗更少的燃料，以保持灵活性，直到更清洁的能源或存储（如抽水蓄能或电池）变得具有成本效益。

在2020年代初期，风能和太阳能生产了全球10%的电力，但已经在多个系统中实施了40-55%渗透率范围内的供应，到2030年英国计划超过65%。没有普遍接受的xxx渗透水平，因为每个系统补偿间歇性的能力不同，并且系统本身会随着时间而变化。对可接受或不可接受的渗透率数据的讨论应谨慎对待和使用，因为相关性或重要性将高度依赖于当地因素、电网结构和管理以及现有发电能力。对于世界范围内的大多数系统，现有渗透水平明显低于实际或理论xxx值。

在没有区域聚合、需求管理或存储的情况下，风能和太阳能的xxx渗透率估计约为70%至90%；存储12小时时高达94%。经济效率和成本考虑更有可能成为关键因素；技术解决方案可能允许在未来考虑更高的渗透水平，特别是如果成本考虑是次要的。

风能和太阳能成本的估算可能包括风能和太阳能可变性的外部成本估算，或仅限于生产成本。所有电厂都有与生产成本分开的成本，例如，任何必要的输电容量或备用容量的成本，以防发电容量损失。许多类型的发电，特别是源自化石燃料的发电，也会产生成本外部性，例如污染、温室气体排放和栖息地破坏，这些通常不直接考虑。经济影响的程度存在争议，并且会因地点而异，但预计会随着渗透率的提高而上升。在低渗透水平下，运营储备和平衡成本等成本被认为是微不足道的。间歇性可能会引入与传统发电类型不同或不同程度的额外成本。这些可能包括：

• 输电容量：由于负荷系数较低，输电容量可能比核电和煤电更昂贵。传输容量通常会根据预计的峰值输出进行调整，但风能的平均容量将显着降低，从而提高了实际传输的单位能源成本。然而，传输成本仅占总能源成本的一小部分。
• 额外运营储备：如果额外的风能和太阳能不符合需求模式，与其他发电类型相比，可能需要额外的运营储备，但这不会导致额外电厂的资本成本增加，因为这只是现有电厂以低产量运行-旋转储备。与所有风电都必须由等量的备用容量支持的说法相反，只要在高峰期有一定的输出概率，间歇性发电机就会为基本容量做出贡献。备用容量不属于单个发电机，因为备用或运行备用仅在系统级别有意义。
• 平衡成本：为了保持电网稳定性，可能会产生一些额外的成本来平衡负载与需求。尽管改善电网平衡可能代价高昂，但它们可以带来长期的节约。

在许多国家，对于多种类型的可变可再生能源，政府不时邀请公司进行密封投标，以建设一定容量的太阳能以连接到某些变电站。通过接受最低出价，政府承诺在固定年限内以每千瓦时的该价格购买，或达到一定的总电量。这为投资者抵御高度波动的批发电价提供了确定性。然而，如果他们以外币xxx，他们仍可能面临汇率波动的风险。