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。

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。

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。