[论文解读] On the means, costs, and system-level impacts of 24/7 carbon-free energy procurement

Iegor Riepin, Tom Brown|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2023

Energy, Environment, and Transportation Policies被引用 4

一句话总结

本文通过数学模型评估了全天候碳中和能源（CFE）采购作为消除电力使用中每小时碳排放的战略，分析其在不同电网中的成本、系统影响和减排效果。研究发现，全天候CFE采购可持续降低系统级排放，推动清洁技术革新，并且在电网脱碳进程中依然有效。

ABSTRACT

A growing number of public and private energy buyers are interested in 24/7 carbon-free energy (CFE) procurement, which means that every kilowatt-hour of electricity consumption is met by carbon-free sources at all times. It has the potential to overcome the limitations of established procurement schemes, such as the temporal mismatch between clean electricity supply and buyers' demand that is inherent to "volumetric" matching. Yet it is unclear how 24/7 CFE procurement affects the rest of the power system, and whether this effect is consistent across regional contexts and different levels of system cleanness. We use a mathematical model to systematically examine different designs, optimal procurement strategies, costs, and impacts of the 24/7 CFE matching, both for participating buyers and for regions where voluntary procurement occurs. We examine mechanisms driving system-level missions reduction and how they vary across regions and over time. Our results indicate that clean energy procurement commitments have consistent beneficial effects on participants and the electricity system. Even as grids become cleaner over time, the hourly matching strategy contributes significantly to system-level emissions reduction. In addition, voluntary commitments to 24/7 CFE have a further transformative effect on electricity systems through accelerated innovation and early deployment of advanced energy technologies.

研究动机与目标

• 评估全天候碳中和能源（CFE）采购在不同区域电力电网中的可行性、成本及系统级影响。
• 研究碳中和供应与需求的每小时匹配如何相较于年度匹配或排放匹配策略，影响系统整体的减排效果。
• 探讨全天候CFE采购在加速长时储能（LDES）和清洁基荷发电技术部署与创新中的作用。
• 评估全天候CFE效益在不同电网清洁度水平及未来能源系统发展情景下的稳健性。
• 比较全天候CFE与替代采购策略（如年度超额采购或排放匹配方法）在减排影响和成本效益方面的表现。

提出的方法

• 基于PyPSA（Python电力系统分析）的数学优化模型，模拟在全天候CFE采购约束下电力系统的运行与投资决策。
• 模型采用详细的每小时时间分辨率，确保每小时的电力需求均由风能、太阳能、核能以及未来清洁基荷发电等碳中和电源满足。
• 在不同电网构成的多个区域分析系统级影响，包括可再生能源渗透率、电网灵活性及现有基础设施的差异。
• 通过敏感性分析测试技术可及性、电网脱碳路径及未来政策情景下结果的稳健性。
• 通过发电、储能及电网基础设施的资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）评估成本，比较不同采购策略下的成本。
• 模型将全天候CFE与替代策略（如年度体积匹配、排放匹配和超额采购）进行比较，采用系统级边际排放核算方法。

Figure 1 : Fraction of hourly demand met with carbon-free electricity.

实验结果

研究问题

• RQ1 与年度匹配或排放匹配策略相比，全天候CFE采购如何影响系统级碳排放？
• RQ2 在不同脱碳水平和可再生能源可用性区域电网中，全天候CFE采购的成本影响如何？
• RQ3 全天候CFE采购在多大程度上推动了长时储能（LDES）和清洁基荷发电技术的早期部署与创新？
• RQ4 随着国家电网随时间推移变得更加清洁，全天候CFE采购的有效性如何变化？
• RQ5 全天候CFE减排效益的内在机制是什么？这些机制在不同电网位置和时间段如何变化？

主要发现

• 在所有测试区域中，全天候CFE采购均持续降低系统级碳排放，即使电网随时间变得更清洁亦如此。
• 该策略在年度匹配策略之外仍保持显著的减排潜力，尤其在低可再生能源发电期间仍依赖大量化石燃料的地区更为明显。
• 自愿性的全天候CFE承诺推动了长时储能（LDES）和清洁基荷发电技术的早期投资与创新，加速能源转型进程。
• 与排放匹配策略相比，全天候CFE可带来显著更高的系统级排放减少，因为排放匹配通常仅替代其他碳中和电源。
• 超额采购策略虽然成本较低，但在国家气候政策不断演变的背景下，其减排效果仍不如全天候CFE，尤其在长期情境中。
• 全天候CFE的效益在敏感性分析中表现稳健，涵盖技术可及性、电网位置及未来脱碳路径的多种变化。

(a) Average emissions rate of participating consumers.