实现我国“双碳”目标的关键是大力发展以太阳能和风能为代表的新能源，但新能源“靠天吃饭”，存在间歇性、波动性特征。新能源占比增大时，供电可靠性开始遭遇严峻挑战。如何保障未来电力系统的可靠运行成为新能源发展必须解决的科学问题。
近日，国际能源环境顶级期刊《Energy & Environmental Science》连续发表了北航经管学院助理教授李明全及其合作者在电力系统低碳转型领域取得的新进展，让我们一起来看看他们给出的答案。
新能源是实现人类社会可持续发展的关键，电力系统转型是新能源发展的必赢之战。高比例的新能源并网，将彻底颠覆现有电力系统的调度运行方式，对可靠的电力供应带来巨大挑战。在此背景下，提高电力系统灵活性对于发展高比例的可再生能源和加速电力行业的低碳转型至关重要。这种系统灵活性可以通过多种方式实现，比如部署灵活的发电设备、提升传输系统的灵活性、发展多种储能技术（比如抽水蓄能、电池储能等）、以及对需求侧进行灵活性管理等。“源-网-荷-储”多种灵活性资源均会影响到我国长期电力系统优化发展路径。与大多数其他能源基础设施一样，这些灵活性设施资本密集度高、寿命长，需要提前规划部署。不精准的部署路线将带来巨量投资的浪费。而且，这些灵活性设施会对未来电力系统的产能扩张、发电结构、乃至地区间均衡发展和低碳战略等方面都会产生长远的影响。
过往研究评估了特定灵活性举措对电力系统的影响，但尚缺乏探究多种灵活性举措的共同作用以及主导灵活性资源的时空演变规律。比如：
o 电力系统灵活性将如何影响未来电力系统转型路径？
o 电力系统转型过程中主导性的灵活性资源如何演化？
o 不同的灵活性资源间是否存在协同效应？
o 灵活性将如何影响未来我国电力系统的空间格局？
针对上述问题，研究团队在电力系统低碳转型路径及合理部署灵活性资源促进电力系统低碳转型方面开展了持续深入的研究。
研究团队构建了适用于我国多区域多时间尺度的高时空分辨率的长期电力系统优化模型，该模型将年度层面的电力系统产能扩张与小时层面的电力系统调度运行整合到一个分析框架中，同时考虑现有电力系统基础设施带来的路径依赖以及综合集成各种新兴能源供给类型。该模型提高了电力系统低碳发展决策的精度和可靠性。基于该模型，探究了2020-2060年期间各种灵活性资源对电力行业低碳转型的作用。
研究发现，“源-网-荷-储”灵活性资源部署可以带来多方面价值。这些价值包括，促进更高比例的可再生能源发展（+46万亿千瓦时，+19%）、更低的电力系统折现成本（-5.8万亿元，-13%）和更低的累积温室气体排放（-230亿吨，-23%）。上述发现意味着，提升系统灵活性可以在大幅降低未来电力转型成本同时降低碳排放，最终有助于我国电力系统低碳转型。
图1 多种灵活性资源对我国电力系统低碳转型的价值
研究团队发现，在转型过程中，主导性的灵活性资源将随时间发生变化，据此给出了不同阶段灵活性措施的发展重点：
o 在近期（至2030年），现有的煤电和核电设施灵活性改造将起到重要作用。
o 在中期（2030-2040年），未来逐步落地的抽水蓄能设施会起到重要作用。
o 在远期（2040年后），新型储能和灵活的光热发电将逐渐变得至关重要。
o 未来电力系统转型转型过程中，灵活的输电系统始终占据主导地位。
以上研究结果对未来电力系统低碳转型过程中不同阶段灵活性资源的规划和部署具有重要启示，可以有效指导我国电力系统转型各阶段的灵活性资源发展优先顺序和具体部署路径。
研究还发现，提高电力系统灵活性将改变未来我国电力系统的空间结构，促进电力系统基础设施向偏远地区部署，进而可能影响到我国未来发电量的空间结构、乃至经济社会发展和碳排放的地区结构。研究结果表明，部署灵活性资源有助于促进内蒙古、西藏、青海、辽宁和甘肃等偏远地区的可再生能源基础设施部署和发电，但这些地区的化石燃料发电以及碳排放也将增加；相比之下，部署灵活性资源将导致广东、江苏、山东、浙江等发达地区的可再生能源发电降低，以及更大幅度的碳减排。以上研究结果对未来电力系统低碳转型中灵活性资源部署如何影响我国的区域公平和可持续发展提供了重要启示。提高电力系统灵活性不仅有助于促进电力系统低碳转型，更重要的是有助于促进偏远欠发达地区的新能源投资、提升就业、促进经济发展，最终有利于我国的区域均衡发展战略。
图2 灵活性资源对我国可再生能源发展空间结构的影响
上述研究依托美高梅官网正网低碳治理与政策智能实验室开展，得到国家自然科学基金项目和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1039/D3EE04293F；https://doi.org/10.1039/D3EE02181E
一起来认识一下来自北航的优秀作者吧
最新一期文章的第一作者兼通讯作者：李明全
2015年于北京大学获得博士学位，之后在杜克大学开展博士后研究。2019年入职美高梅官网正网。长期从事可再生能源发展和电力系统转型研究，围绕电力系统低碳转型面临的管理与政策问题开展了持续深入的研究。重点以电力系统建模分析为中心，开展电力市场调度运行优化、电力系统低碳转型产能扩张、高时空分辨率的电力需求预测、电力发展政策的能源环境影响评估等研究工作。在Energy & Environmental Science，Renewable and Sustainable Energy Reviews，Journal of Energy Storage，Energy，Applied Energy，Environmental Research Letters，iScience等期刊发表高质量期刊论文20余篇。
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