[论文解读] What can transmission do for a fully renewable Europe?

Sarah Becker, Rolando A. Rodríguez+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2014

Integrated Energy Systems Optimization参考文献 5被引用 7

一句话总结

本研究探讨了高压输电如何减少欧洲范围内可变可再生能源（VRES）发电与电力需求之间的不匹配。通过气象驱动建模和直流潮流输电框架，研究发现，在完全可再生能源的欧洲，输电可将平衡能源需求减少多达40%，其中90%的效益可通过将当前输电容量扩大四倍实现。国家的地理位置和负荷规模是决定其进口/出口潜力的关键因素。

ABSTRACT

Our research is centred around the question how to best integrate the variable renewable energy sources (VRES), wind power and solar photovoltaics, into the European electricity grid. The future electricity supply will be based to a large extend on these fluctuating resources. We have conducted a study, extrapolating national historical and targeted wind and solar power penetrations in Europe up to 100% VRES (R.A. Rodriguez et al, Renewable Energy 63, p. 467, Mar 2014 and S. Becker et al, Energy 64, p. 404, Jan 2014). A high share of VRES means large fluctuations in the generation, causing overproduction and deficits. One way to reduce such mismatches is power transmission spatially smoothing out the fluctuations. This has the potential to reduce the remaining shortages by sharing the surplus production of others. We find that shortages can at maximum be reduced by 40% in the hypothetical case of unlimited transmission capacities across all of Europe. A more realistic extension of the transmission grid, roughly quadrupling today's installation, turns out to be sufficient to harvest 90% of this potential benefit. Finally, the import and export of single countries is investigated. We conclude that a country's load size as well as its position in the network are the determining factors for its import/export opportunities.

研究动机与目标

• 评估输电在减少欧洲范围内可变可再生能源（VRES）发电与负荷之间不匹配的技术潜力。
• 评估输电容量扩展对各国电力进口和出口机会的影响。
• 识别欧洲输电网络高效强化策略，以最大化空间平滑效益。
• 研究在不同输电情景下，不匹配分布的时间演变特征。

提出的方法

• 使用八年小时级历史气象数据，对风能和太阳能光伏发电进行气象驱动建模，并汇总至国家层面。
• 将发电和负荷数据标准化为同一均值，通过逻辑拟合实现向100% VRES情景的外推。
• 使用包含各国风能/太阳能占比和缩放因子的公式，定义可再生能源发电与负荷之间的不匹配。
• 应用广义直流潮流模型，模拟欧洲各国之间的电力交换，实现发电波动的空间平滑。
• 在两种情景下模拟输电效益：当前输电容量和假设输电容量扩展可实现90%效益的情景。
• 使用分位数容量插值方法指导高效电网强化，优先选择能最大化国家和区域平衡效益的输电线路。

实验结果

研究问题

• RQ1 在完全可再生能源的欧洲，输电能在多大程度上减少可变可再生能源发电与电力需求之间的总能量不匹配？
• RQ2 国家的负荷规模和在输电网络中的地理位置在多大程度上影响其进口或出口过剩可再生能源电力的能力？
• RQ3 为最大化空间平滑效益，欧洲输电网络的最优强化策略是什么？
• RQ4 在不同输电容量情景下，不匹配事件的分布如何随时间演变？
• RQ5 输电在多大程度上可缓解大规模不匹配事件，特别是极端缺额和过剩事件？

主要发现

• 输电可将完全可再生能源欧洲的总平衡能源需求减少多达40%，主要通过平滑大部分不匹配事件实现。
• 对输电容量进行现实扩展——约将当前水平扩大四倍——可捕获输电最大潜在效益的90%。
• 剩余60%的平衡能源无法仅通过输电缓解，表明还需依赖储能或需求侧管理等额外措施。
• 负荷规模较大的国家（如德国）从输电中获益少于负荷较小的国家（如丹麦），因其相对于自身需求的出口潜力较低。
• 地理位置显著影响贸易潜力：西班牙等国家从输电扩展中获益不如丹麦等中欧或北欧国家。
• 输电在减少中等程度不匹配事件方面最为有效；大规模过剩和缺额事件仍基本不受影响，表明仅靠空间平滑无法解决极端不平衡问题。