[论文解读] On the economics of electrical storage for variable renewable energy sources
本文通过表明在经济效率优化而非依赖极端边界解的情况下，高比例可变风能和太阳能发电的电能储存需求可降低两个数量级，从而挑战了Sinn（2017）的结论。通过采用一种简洁的优化模型，平衡储能投资、可再生能源弃用和系统成本，作者发现，储能不太可能成为可再生能源转型的制约因素，尤其是在实现更广泛的跨部门整合与灵活用电的情况下。
The use of renewable energy sources is a major strategy to mitigate climate change. Yet Sinn (2017) argues that excessive electrical storage requirements limit the further expansion of variable wind and solar energy. We question, and alter, strong implicit assumptions of Sinn's approach and find that storage needs are considerably lower, up to two orders of magnitude. First, we move away from corner solutions by allowing for combinations of storage and renewable curtailment. Second, we specify a parsimonious optimization model that explicitly considers an economic efficiency perspective. We conclude that electrical storage is unlikely to limit the transition to renewable energy.
研究动机与目标
- 挑战Sinn（2017）的结论，即电能储存限制了可变可再生能源的扩展。
- 解决Sinn模型中强烈的隐含假设，特别是仅使用边界解（完全无储能或完全无弃用）的问题。
- 开发一种更经济高效的优化框架，以平衡储能容量、可再生能源弃用和系统成本。
- 评估地理负荷平滑、灵活用电以及部门整合（如电转x）等因素如何降低储能需求。
- 利用开源工具和数据，提供一种更现实且具有政策相关性的高比例可再生能源电力系统储能需求评估。
提出的方法
- 开发一种简洁的优化模型，以最小化总系统成本，包括储能、可再生能源容量和弃用的投资。
- 明确建模储能容量与可再生能源弃用之间的权衡，避免完全弃用或完全使用储能的极端情况。
- 利用德国的历史气象和负荷数据，模拟在不同可再生能源占比下电力供需曲线。
- 通过在德国及邻近国家之间建模跨区域负荷平衡，实现空间平滑，以减少剩余负荷的波动性。
- 分析灵活用电和电转x应用（如制氢、电采暖、电动交通）对降低储能需求的影响。
- 采用开源工具和公开可用的数据集，以确保结果的透明性和可复现性。
实验结果
研究问题
- RQ1当从边界解转向储能与弃用之间的经济效率权衡时，可变可再生能源的储能需求如何变化？
- RQ2地理负荷平衡和跨国电力市场一体化在多大程度上降低了对电能储存的需求？
- RQ3灵活用电和电转x应用（如制氢、电采暖）如何影响高比例可再生能源电力系统所需的储能容量？
- RQ4在长期模拟中，储能需求对基准年选择和输入数据质量的敏感性如何？
- RQ5不同可再生能源发电特性（如海上风能与陆上风能、光伏）对系统储能需求有何影响？
主要发现
- 当以经济效率为目标而非完全消除弃用时，德国完全可再生能源电力系统的储能需求比Sinn（2017）的估计低两个数量级。
- 最优解结合了中等规模的储能容量与少量可再生能源弃用，显著降低了对大规模储能基础设施的需求。
- 风能和太阳能发电的地理分散性降低了剩余负荷的波动性，通过平滑供需不匹配，减少了对储能容量的需求。
- 灵活用电和电转x应用（如制氢或电采暖）可通过实现电力使用的时间转移，进一步降低储能需求。
- 海上风电（满负荷小时数3,200小时，变异系数0.73）比陆上风电（1,600小时，变异系数0.83）具有更高的系统稳定性贡献效率。
- 本研究结果与更广泛的文献一致，表明电能储存不太可能成为可再生能源转型的制约因素。
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