当前，全球正在朝着雄心勃勃的世纪中叶实现“碳中和”——二氧化碳净零排放的目标迈进。风能和光能作为清洁能源，被认为是实现这一目标的关键路径。
然而，全球风光资源分布极不均匀，未来电力系统的“零碳排放”如果要高度依赖这两种资源，哪种配置更加稳定、可靠？清华大学地球系统科学系同丹等在10月22日发表于《自然—通讯》的一项研究中发现，回答这一问题储能系统十分关键。在配备和不配备储能系统的情景中，风光能在更可靠的新能源电力系统中占比多少发生显著变化。
研究者利用39年全球逐小时再分析气象数据集，对全球42个主要国家的风光资源满足逐小时电力需求的能力进行评估后认为，风光能最优组合模式国家尺度存在显著差别，并提出了提升风光互补发电系统可靠性的区域资源共享方案。
国土面积大 风光能可靠性更高
为实现《巴黎协定》2℃和1.5℃控温目标，目前全球已有超过120个国家和地区提出了碳中和目标，即每年二氧化碳排放量等于其通过植树等方式减排的抵消量。
实现这一目标路在何方？在各国减排“路线图”中首当其冲的都是：发展清洁能源，降低化石能源发电供应。
据国际能源署（IEA）统计，2020年可再生能源电力占比快速提升至近30%，其中风光资源作为重要电力来源之一占比已达到10%。
我国可再生能源发展水平与国际并驾齐驱。据国家能源局统计，去年，我国可再生能源发电量达到2.2万亿千瓦时，占全社会用电量的29.5%，其中风光发电量占全社会用电量的比重约为10%。
“在双碳目标背景下，我国已明确提出大幅提升风电、光伏发电规模，构建以新能源为主体的新型电力系统，同时提高电网系统灵活性，提升电网消纳可再生能源的能力。”清华大学碳中和研究院院长、并未参加这项研究的贺克斌院士在接受《中国科学报》采访时说，“因此，未来应当优化新型电力系统建设，加强间歇性可再生能源发电入网，助推零碳能源体系构建。”
随着可再生能源的规模化发展以及电力系统低碳转型的推进，深入理解自然资源禀赋对全球风光互补发电系统可靠性的制约具有重要科学指导意义，有助于对未来电力系统进行优化配置，提升稳定性和灵活性。然而，现有研究对区域尺度风光互补发电系统的可靠性及大规模储能部署尚缺乏系统评估。
在此背景下，研究者通过数值模拟方法评估了100%风光互补发电系统完全满足逐时电力需求的能力，定量了不同装机发展规模、风光混合比例、储能系统容量、区域共享方案等，对风光互补发电系统完全满足全球逐时电力需求的影响。
不出意料的是，他们发现，风光能组合最优模式与风光能装机发展规模、储能系统容量、国土面积和中心经纬度等均有一定关系，国家尺度最优模式存在显著差别。从满足逐时发电需求能力来看，中国、俄罗斯、加拿大、美国等国土面积较大的国家具有较好的表现，发电系统的可靠性可达到90%左右。
风光能组合优化 储能设施很关键
研究者利用从1980年至2018年近40年的全球逐小时再分析数据集，基于对可再生能源发展规模、不同比例风光混合系统和储能系统容量的大量数值模拟，评估了全球42个主要国家的风光资源满足逐小时电力需求的能力。他们分析发现，这些国家的风光能资源现状（研究聚焦100%风光互补发电系统）满足电力需求供应的能力可达70%以上。
在无储能条件下，可靠性高的风光互补发电系统更依赖风电，其比例为65%-85%。42个主要国家发电系统可靠性（即发电系统完全满足逐时电力需求的能力）为72%-91%。
扩大太阳能和风能装机规模或配备储能系统，均可有效提升发电系统可靠性。例如，配备12小时长时储能系统可将发电系统的可靠性提升至83%-94%。不过，这时高可靠性组合发电系统的“主角”则发生了反转：更多依赖太阳能发电，且比例可达70%。
研究同时发现，扩大10%的风光能装机规模与增加3.9小时储能系统容量，对发电系统可靠性的提升能力相当。
那么，中国的情况又如何呢？论文第一兼通讯作者、清华大学地球系统科学系助理教授同丹在接受《中国科学报》采访时表示，与国际上类似，中国可靠性高的无储能风光互补发电系统也更依赖风电，最优配置的风电比例为80%；而配备12小时储能系统时，可将发电系统的可靠性可提升5%。同样，高可靠性发电系统可更多依赖太阳能发电，比例为55%。“也就是说，最优的风光结构或是组合需要根据我国对于储能系统的配置和风电光电发展规模的规划科学确定，实际建设中会考虑更多因素，如占地性质等。”她补充说。
实际上，同丹表示，由于成本高、技术仍不成熟，目前长时储能系统在全球风光发电系统中应用很少，多以短时储能（小于5小时）为主，甚至在某些区域的风光发电系统还未配置储能设备。而无储能最大的问题是弃风弃光，当前虽有改善但依旧不同程度地存在，成为制约可再生能源发展的最大障碍，期待长时储能技术突破。
此外，她表示，新能源供给最大的挑战是遇到极端天气事件。即使在可靠性超过90%的风光互补发电系统中，每年仍可能有数百小时的电力需求不能得到完全满足，出现连续长时间（＞24小时）电力供应缺口。
区域资源平衡 有待大尺度合作
“我们的研究提供了进一步的证据，表明储能本质是平抑电力供需矛盾，储能将成国家电网提升平衡调节能力的重要手段。”同丹对本报说，“区域储能平衡对于实现电力供应可靠性影响巨大。资源可利用性与电力需求在时空上的不匹配可能威胁整个电力系统运行的稳定性和可靠性。”
研究指出，12小时长时储能系统可有效弥合中国、美国等国土面积较大国家的电力缺口，提升发电系统可靠性。相比之下，国土面积相对较小的国家构建100%风光互补发电系统将面临更为严峻的挑战。
以英国、韩国等国家为例，同丹表示，即使配备12小时储能容量的风光互补发电系统，仍会出现约2000小时的电力需求不能得到完全满足，由此表明储能系统有效消纳更多波动性风光电力的能力十分有限。
不过，跨区域的大尺度合作则有助于解决这一问题。数据分析发现，区域资源共享方案可有效消纳各国不均匀的太阳能和风能资源，如整合调度弃掉的部分风电光电，国家尺度风光互补发电系统可靠性可从最低的57%提升至近90%。
“这是一项有趣的、对所在领域有深刻贡献的研究。”审稿人Jesse D. Jenkins写道，研究揭示了基于自然资源禀赋约束的全球不同时空尺度的风能和太阳能变异性，“这本身就很有见地”。
贺克斌表示，资源组合、发电需求和储能系统等对保障电力供应可靠性、灵活性和经济性均至关重要。随着越来越多的可再生能源发电并网、尖峰负荷不断增长、以及气候变化导致的极端天气的增多，电力系统的可靠性面临着前所未有的挑战。不过，就其关键性和迫切性而言，灵活性电力调配系统和储能设备，对于未来发展高比例可再生能源发电系统更加时不我待。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26355-z
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