解决电力排放的最佳方法是使用最广泛的低碳电力来源

2019-10-14 17:31:35

在8月底通过的主要立法中,加利福尼亚州致力于建立100%无碳的电网-再次引领其他国家,州和城市制定削减温室气体排放的积极政策。现在,麻省理工学院的研究人员进行的一项研究提供了建立这种零碳电力系统的经济有效方法的指南。研究发现,解决电力排放的最佳方法是使用最广泛的低碳电力来源。

近年来,风能,太阳能和储能电池的成本迅速下降,导致一些研究人员,政治家和倡导者提出,仅这些来源就可以为无碳电网供电。但这项新研究发现,在广泛的情景和地点中,将这些资源与稳定的无碳资源配对,可以依靠这些无碳资源来满足各个季节和长期的需求,例如核能,地热能,生物能和具有碳捕获功能的天然气-通往无碳电网的成本较低且风险较低的途径。

麻省理工学院的博士生内斯特·塞普尔维达(Nestor Sepulveda),杰西·詹金斯(Jesse Jenkins)博士'18,费尔南多·德西斯特内斯(Fernando de Sisternes)博士'14,以及核科学与工程学教授和副教务长理查德·莱斯特(Richard Lester)今日在Joule杂志上发表的一篇论文中描述了这些新发现。

需要成本效益

詹金斯说:“在本文中,我们正在寻找强有力的战略,以使我们获得零碳电力供应,这是减轻整个经济中气候变化风险的整体努力的关键。” 为了实现这一目标,“我们不仅需要在电力部门实现零排放,而且还必须以足够低的成本做到这一点,以使电力在运输,供热中成为石油,天然气和煤炭的有吸引力的替代品,以及工业领域,其中脱碳通常比电力更具挑战性。”

Sepulveda还强调了经济有效的无碳发电之路的重要性,并补充说:“在当今世界,我们有很多问题,气候变化是一个非常复杂而重要的问题,但不是唯一的问题。因此,每增加一美元我们花在解决气候变化问题上的钱又是我们不能用来解决其他紧迫的社会问题,例如消除贫困或疾病的美元。” 因此,重要的是,研究不仅要确定技术上可行的脱碳方法,而且要找到以尽可能合理的成本实现减碳的方法。

为了评估深层发电的不同战略的成本,该团队研究了近1,000种不同的场景,其中涉及对低碳技术的可获得性和成本的不同假设,可再生资源的可获得性的地域差异以及针对其的不同政策采用。

关于政策,团队比较了两种不同的方法。“限制性”方法仅允许使用太阳能和风力发电以及电池存储,并通过减少和改变用电时间的措施以及长距离输电线路来帮助缓解局部和区域差异而增加了措施。“包容性”方法使用了所有这些技术,但也允许选择使用连续无碳源,例如核能,生物能源和天然气,以及用于捕获和存储碳排放的系统。在团队研究的每种情况下,发现更广泛的资源组合更实惠。

相对于较为严格的情况,采用更具包容性的方法可节省大量成本。在所分析的许多场景中,将持续的或“坚硬的”低碳资源纳入零碳资源组合中,可以将成本降低10%至62%。作者强调,了解这一点很重要,因为在许多情况下,现有和拟议的法规以及经济激励措施有利于甚至强制要求限制能源资源的范围。

莱斯特说:“这项研究的结果挑战了气候变化辩论双方已经成为传统的观念。” “与人们担心有效的缓解气候变化的努力将付出巨大的代价相反,我们的工作表明,即使以相对适度的额外费用也可以实现电力部门的深度脱碳。但是与人们认为,无碳电力可以轻松,廉价地产生的观点相反我们的分析清楚地表明,仅靠风能,太阳能和蓄电池,实现这种方式的深度脱碳的社会成本将比所需的成本高得多。”

一种新的电源分类法

在研究不同场景下的新型发电方式时,研究小组发现描述电力行业中不同类型的电源(“基本负荷”,“负荷跟随”和“高峰”资源)的传统方法已经过时了。考虑到使用新资源的方式,它不再有用。

他们建议,更恰当的做法是将能源分为三个新类别:“节油”资源,其中包括太阳能,风能和过河(即无水坝)水力发电;“快速爆发”资源,对电力需求和供应的波动提供快速但短期的响应,包括电池存储和技术以及提高需求响应能力的定价策略;以及“坚固”的资源,例如核能,大型水库,沼气和地热资源。

Sepulveda指出:“由于我们无法确定地知道其中许多资源的未来成本和可用性,因此,所研究的案例涵盖了广泛的可能性,目的是使研究的总体结论在该范围内可靠。不确定性。”

场景范围

该小组使用了国家可再生能源实验室等机构对未来几十年不同电源的预期成本进行的一系列预测,其中包括与当今类似的成本以及随着开发新的或改进的系统而预期的成本降低以及上网了。对于每种技术,研究人员都选择了预计的中端成本以及低端和高端成本估算,然后研究了这些可能的未来成本的许多组合。

在每种情况下,被限制使用节油和快速爆炸技术的案例的总电力成本也比使用坚决的低碳能源的案例高,“即使对未来的成本削减有最乐观的假设, ” Sepulveda说。

詹金斯补充说,这是事实,“即使例如,我们假设核能仍然和今天一样昂贵,风能,太阳能和电池的价格要便宜得多。”

这组作者还发现,在所有仅使用风能电池的情况下,随着系统向零排放迈进,电力成本会迅速上升,但是当也有了可靠的电源时,随着排放量的减少,电力成本将逐渐增加。零。

詹金斯说:“如果我们决定主要通过风能,太阳能和电池来进行脱碳,那么我们将有效地“全力以赴”,并押注地球要使所有这些资源的成本都非常低,”建造大陆规模的高压输电线路,并引发更加灵活的电力需求。

相反,“即使在对这些无碳资源变得多么便宜或我们有能力解锁的悲观假设下,使用牢固的低碳资源以及太阳能,风能和存储的电力系统也可以实现零排放,而成本只会适度增加。灵活的需求或扩展网格。”詹金斯说。他说,这表明增加牢固的低碳资源是“一种有效的对冲策略,可以降低成本和风险,从而使电力系统完全脱碳。”

Sepulveda表示,即使在大多数地区,完全无碳的电力供应尚需时日,但今天进行这项分析仍很重要,因为有关电厂建设,研究投资或气候政策的决策现在可能持续数十年。

他说:“如果我们现在不开始开发和部署最广泛的无碳替代品,那将大大降低实现零排放的可能性。”

该研究得到了麻省理工学院能源计划,马丁家族信托基金和智利海军的支持。

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