[论文解读] Climate change impacts on large-scale electricity system design decisions for the 21st Century

Smail Kozarcanin, Hailiang Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2018

Integrated Energy Systems Optimization参考文献 34被引用 21

一句话总结

本研究利用六个高分辨率区域气候模型，在四种IPCC CO2排放路径（RCP2.6–8.5）下，探究气候变化对欧洲大规模电力系统设计的影响。研究发现，与年际天气变异性及设计选择相比，气候变化对关键系统指标（如发电量、用电需求和储能需求）的影响极小，表明尽管存在气候变化，历史天气数据在未来的系统规划中依然具有稳健性。

ABSTRACT

Efforts to reduce climate change, but also falling prices and significant technology developments currently drive an increased weather-dependent electricity production from renewable electricity sources. In light of the changing climate, it is highly relevant to investigate the extent of weather changes that directly impacts the best system design decisions for these weather-dependent technologies. Here, we use three IPCC representative CO2 concentrations pathways for the period 2006--2100 with six high-resolution climate experiments for the European domain. Climate elements are used to calculate bias adjusted 3-hourly time series of wind and solar generation, and temperature corrected demand time series for 30 European countries using state-of-the-art methodology. Weather-driven electricity system analysis methodology is then applied to compare four key metrics of highly renewable electricity systems. We find that climate change does not have a discernible impact on the key metrics of the combined electricity system dynamics, and conclude that the effect on important system design parameters can likely be ignored.

研究动机与目标

• 评估气候变化如何影响欧洲高比例可再生能源电力系统的设计与性能。
• 评估天气模式变化对欧洲30个国家风能和太阳能发电及电力需求的影响。
• 确定气候变化是否显著改变储能需求、输电要求和可再生能源组合优化等关键系统指标。
• 比较气候变化对系统规划的影响与年际天气变异性及设计选择的影响。
• 评估未来电力系统设计是否应考虑气候变化对可变可再生能源（VRES）的影响。

提出的方法

• 基于全球气候模型，在2006–2100年期间，利用六个高分辨率区域气候模型（RCMs）和四种RCP情景（RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5）进行模拟。
• 使用历史气象数据作为参考，对每3小时一次的风能和太阳能发电时间序列进行偏差校正。
• 利用温度依赖的需求模型校正电力需求时间序列，以反映气候驱动的供暖和制冷需求变化。
• 采用基于气象的电力系统分析框架，模拟欧洲30个国家的电力系统性能。
• 评估四种关键系统指标：不同气候情景下的年发电量、波动性、储能需求和输电要求。
• 在RCMs和RCP之间比较结果，以评估模型的一致性及研究发现的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同RCP情景下，预测的气候变化如何影响欧洲的风能和太阳能发电潜力？
• RQ2 气候变化在多大程度上改变了欧洲各地区电力需求模式，特别是供暖和制冷需求？
• RQ3 由气候变化引起的可再生能源发电和需求变化，与年际天气变异性相比，在多大程度上影响系统设计决策？
• RQ4 气候变化对高度可再生欧洲电力系统中关键系统指标（如储能需求和输电要求）有何影响？
• RQ5 气候变化对VRES性能的影响是否足够显著，以至于需要在未来的电力系统设计中采用气候调整规划？

主要发现

• 气候变化对高度可再生欧洲电力系统的关键系统指标影响微小，风能和太阳能发电性能的变化远小于年际天气变异性。
• 在高排放情景（RCP8.5）下，平均风能和太阳能发电量略有下降，其波动性增加，但这些影响被用电需求的变化所抵消。
• 气温上升减少了北欧地区的冬季供暖需求，降低了整体电力需求，从而抵消了可再生能源发电减少的影响，甚至可能逆转对额外可调度容量的需求。
• 气候变化对系统设计参数的影响小于设计选择（如输电扩展或风-光组合优化）带来的差异。
• 基于历史气象数据的系统设计决策在气候变化对VRES性能的影响下依然稳健，基本不受影响。
• 由于气候变化导致的用电需求变化——特别是供暖和制冷需求的变化——可能间接影响最优发电机组组合，尤其是在部门耦合情景下。