可再生能源对电网进行考验

Josiah02

　　为了从化石燃料转向可再生能源（本质上是间歇性的），我们需要重新设计整个电力存储、传输和分配系统。然而，专家们还没有找到正确的能源结构或电力存储系统，或者如何有效地平衡供需。
　　实现社会脱碳意味着用电力取代我们目前使用的大部分石油和天然气。随着消费者用热泵取代取暖油、用电动汽车取代内燃机汽车，电力需求只会增长。
　　风能和太阳能将满足日益增长的需求，而核能将被逐步淘汰，至少在瑞士是如此。但电能有一个很大的缺点：最好在发电时就使用，因为储存电能很难，而且经济、环境和能源成本相对较高。
　　鉴于可再生能源的间歇性、可变性和分散性，我们显然需要重新思考现有的电网方法，或者说我们发电、输送、分配和管理电力的方式。
　　时间问题
　　“我们越依赖发电量难以预测的可再生能源，就越需要依赖储备，”洛桑联邦理工学院分布式电力系统实验室 (DESL) 负责人马里奥·保洛内 (Mario Paolone) 表示。尤其是今天，需求决定了步伐。
　　需求被视为不可改变的，因此必须相应地调整供给部分。人们希望能够在白天或夜晚、夏天或冬天的任何时间打开灯、加热烤箱和给汽车充电。
　　因此，电网运营商会保留备用电力，以便在不同的时间间隔使用。这些备用电力包括可在几分钟内部署的初级备用电力、可在 15 分钟和 1 小时内部署的次级备用电力，以及可在超过 15 分钟和 1 小时内部署的补充备用电力。每种类型的备用电力都配有相应的电力存储系统。
　　幸运的是，瑞士并不是唯一一个。我们的电网与欧洲其他国家相连，使我们能够与其他国家共享资源、存储系统和成本。“如果我们只关注瑞士，那么实现电力供应自给自足的梦想在技术上和财务上都不是最优的，”Paolone 说。“整个欧洲都需要实现能源独立。”
　　电气化生产和向可再生能源转型将在两个方面影响电网。首先，它将改变运营商平衡电网负载和储存储备的方式。“目前，由可再生能源制成的合成气是储存电力和应对季节性波动最有前途的方法，”Paolone 说。
　　燃气发电厂可以介入以满足过剩的需求。运营商还可以建立电转气系统，利用剩余电力生产清洁氢气，然后再加工成合成气。
　　“天然气公司对电转气技术非常感兴趣，因为这项技术可以让他们继续使用现有的输配电基础设施，”Mario Paolone 说道。“但为此，工程师需要开发高效、大规模的碳捕获系统。”
　　他还指出，“随着瑞士实现脱碳，水电将在为电网提供这种灵活性方面发挥重要作用。这是我们可以控制的唯一完全可再生能源。这将是未来的一个关键优势。”
　　水电站可以灵活应对全天或跨季节的负荷变化。其灵活性在一定程度上取决于电站的类型，例如，它是蓄水电站（即收集降水和冰川径流的电站）还是抽水蓄能电站。
　　洛桑联邦理工学院最近协调了欧盟最大的水电设施研发项目XFLEX Hydro。该项目研究了可以对水电站进行的小规模改造，以提高其发电能力，从而提高欧洲电网的整体可靠性。
　　该项目开发的技术可以增强电网运营商提供的辅助服务——持续匹配供应和需求的服务——这将有助于保持地方和区域电网的可靠性，并使其能够抵御现在和未来的能源供应波动。
　　电池来拯救你
　　在日内负荷平衡方面，电池可以成为强大的盟友。Paolone 认为，锂电池将成为未来脱碳电网的关键要素。“它们能提供非常高的收益，并且可以在吸收和注入电力之间快速切换，”他说。“这些功能对于管理主要储备至关重要。
　　“此外，锂电池很快就能完成数万次循环。这对电网运营商来说是一个巨大的好处。他们建造的发电站预计使用寿命为 10 年或 20 年，而这项技术开始与这个时间框架兼容。”
　　更重要的是，这种潜力已经存在。“到 2035 年，全球电网每年需要的电池总容量将达到约 180 GWh，”Paolone 说。“大约在同一时间，随着电动汽车 (EV) 电池寿命的结束，将有大约 100 GWh 到 200 GWh 的容量可用。这是完美的匹配。”
　　然而，仍有一些技术障碍需要克服。DESL 的工程师正在开发测量汽车电池剩余容量的方法，以便让它们获得第二次生命。“我们现在可以确定第二次生命电池在电网周期内可以运行多少次和哪些周期，”Paolone 说。“考虑到电网的周期比汽车的周期要小得多，这些电池还可以再用几年。”
　　建设更强大的电网
　　向可再生能源转型对电网影响的第二个方面与电网基础设施本身有关。Paolone 解释说：“我们需要更多的输电线。如今，从高压到配电的各级输电线在某些时段都处于满负荷运行状态，而这个问题将随着时间的推移而继续恶化。”
　　在瑞士，假设核电逐步淘汰，所有个人车辆和住宅供暖设备都采用电力，我们将需要约 40 GWp 的光伏电力。但 DESL 模型显示，中压电力线在 13 GWp 时开始拥堵。因此，该国将需要进行巨额投资来升级其电力基础设施。
　　本地、分散的电力存储系统（即电池）将有助于减少对新电力线的需求。DESL 工程师设计了优化算法，该算法基于社区内产生的太阳能和本地电网的负载，可以精确确定应在何处安装存储系统以及需要在哪里扩大电网容量以最大限度地降低社区的电力成本。
　　然而，在寻找最佳能源结构、电力存储系统和负载平衡策略的过程中，还存在另一个问题。“如今，我们的电网保持稳定可靠，这得益于对发电的有效控制以及健全的电网规划和运营流程，”Paolone 说道。“这是可能的，因为我们需要管理的发电站相对较少。
　　“但是，当我们拥有数百万个不受电网运营商控制的分散式发电机时，会发生什么情况呢？当当今 1 GW 的核电被 5 GWp 的分布式太阳能电池板取代时，将如何管理呢？
　　“电网运营商需要处理的变量数量将激增。从技术上讲，我们可以用光伏发电满足我们所有的电力需求，但这需要对我们的电网控制系统、输配电系统和电力市场进行重大改造。”
　　当然，方程式中还有需求部分。减少电力存储需求的另一种方法是更好地控制需求变化。
　　Paolone 表示：“如果我们能够有效地调节电网的负荷，那么我们几乎可以做任何事情。” 在这方面正在开发的技术包括电动汽车充电站控制系统、双向电动汽车充电和实时可变电价。