本文使用能源系统建模比较了各种灵活性选项,以支持整个能源转型过程中的可再生能源整合。我们分析了新的灵活性资产,例如电力存储、热泵、现有湿式电器的需求侧响应、生活热水电锅炉和配电网扩建,以及电器和建筑改造中的节能措施。我们提出了一个开源部门耦合模型(GRIMSEL-FLEX),以从社会规划者的角度最大限度地降低瑞士电力和住宅供暖供应的能源系统总成本,包括各种类型的消费者和城市环境。我们在各种灵活性选项中找到了相关的反馈机制。首先,电锅炉比湿式电器的需求侧响应具有更大的灵活性潜力,因为到 2050 年,它们可以将存储投资减少 26% 以上(需求侧响应仅为 12%)。其次,如果热泵取代所有化石燃料供暖,则需要多 34% 的电力存储,而要完全取代所有供暖系统,则需要多 80% 的电力存储。第三,我们发现热泵、电锅炉和湿式电器的运行时间从夜间转移到中午,从而导致光伏发电部署规模扩大(住宅部门为 22%–66%)。最后,热泵部署带来的电力存储容量高度依赖于改造率。每年 1% 的改造率可以避免 86% 的存储投资,而每年 2% 的高改造率可以抵消这一投资。
ETES 有望成为用于产生低碳工业热能的技术组合的一部分。氢热尚未实现商业化,预计由于氢气生产过程中的能量损失,其成本将远高于 ETES。热泵将电能转化为热能的能源效率高于 ETES(热泵的效率为 200%-300%,而 ETES 的效率为 90%-95%),因此通常比 ETES 更具成本竞争力。然而,热泵可能需要进行大量的现场改造,而且热泵目前还无法达到 200ºC 以上的温度,而超过一半的工业热能需求是 200ºC 以上的温度。3 电锅炉可以提供与目前基于 ETES 的锅炉相同的温度。随着两种技术的进一步发展,未来的电炉预计将能够达到与未来 ETES 系统类似的温度水平(1,000ºC 以上)。然而,热泵、电锅炉和电炉等不灵活的基本负荷需求需要额外的投资(无论是在电网还是在现场存储方面),才能将可再生能源的间歇性电力转化为连续电力。
ETES 有望成为用于产生低碳工业热能的技术组合的一部分。氢热尚未实现商业化,由于氢气生产过程中的能量损失,预计其成本将比 ETES 高得多。热泵将电能转化为热能的能效比 ETES 高(热泵的效率为 200%-300%,而 ETES 的效率为 90%-95%),因此通常比 ETES 更具成本竞争力。但是,热泵可能需要进行大量的现场改造,而且热泵目前无法达到 200ºC 以上的温度,而超过一半的工业热能需求是 200ºC 以上的温度。3 电锅炉可以提供与目前基于 ETES 的锅炉相同的温度。随着两种技术的进一步发展,未来的电炉有望达到与未来 ETES 系统类似的温度水平(1,000ºC 以上)。然而,热泵、电锅炉和电炉的基载需求不灵活,需要额外投资(无论是在电网还是在现场存储方面),以将可再生能源的间歇性电力转化为连续电力。
区域能源 (DE) 工厂正在从通过热电联产 (CHP) 提供热能和电力的供应商转变为为热泵 (HP) 和电锅炉消耗电力的热能供应商。同时,电燃料的氢气生产可以与区域能源相结合,以利用电解器和电燃料合成产生的热损失。热电联产装置有利于高电价,而电锅炉或 HP 有利于低电价——从而为高电价和低电价下的运营提供激励——未来配备 HP 和电解器的区域能源都要求低电价,从而增加了对热存储的需求。昂贵的氢存储也可以实现灵活的操作。在本文中,energyPRO 用于研究最佳系统组成,重点是存储容量。结果表明,增加热存储形式的灵活性是有价值的。电力市场性能的提高足以弥补存储成本。增加电解器容量和 HP 容量也提高了灵活性,但只有增加 HP 容量才能在商业经济方面获得回报。所有提高灵活性的模拟方法都能使设备在电力市场上表现得更好,从而为整个能源系统带来价值。
• 生物质发酵技术(可再生气体) • 超深层地热能 • 堆肥 • 生物质气化 • 工业热泵(开放式) • 太阳能热能 • 电解氢气 • 电锅炉 • 深层地热能 • 先进的可再生燃料 • 带热泵的地热能 • 水热能 • 空气对水热泵 • 带热泵的太阳能 PVT • 日光温室 • 工业热泵(封闭式) • 剩余废热利用
选定的项目 – 电池存储系统设计 – 预计 2022 年 ● 设计 ~4 MW/MWh 电池存储系统 ● 设计将电池存储与微电网相结合以实现柴油机关闭运行 ● 阿拉斯加能源管理局 – REF 13;科策布电力协会 o 2020 年授予补助金 o AEA 授予 325,000 美元 o KEA 国家公园管理局分摊 100,000 美元 风能供热 – 预计 2022 年 ● 安装了 108 kW 电锅炉 ● 多余的风能为 NPS 的电锅炉供电 ● 最终确定购买多余风电的协议 太阳能光伏阵列和电池 – 2020 年完工 ● 安装了 576 kW 双面太阳能光伏和逆变器 o 平均日产量:1794 kWh/天 ● 安装了 950 kWh/1,130 kW 电池存储系统 ● DOE;村庄改善基金;科策布电力协会o 2019 年拨款 o 美国农业部拨款 600,000 美元 o VIF 拨款 600,000 美元 o KEA 承担 600,000 美元成本
ThermalBox® 是利用可再生电力高效减少工业热能碳排放的无可比拟的领导者。当比较替代方法时,效率差异变得非常明显。生产氢气并将其应用于氢气锅炉可实现约 57% 的效率。与电池结合的电锅炉可提供约 76% 的更高效率。尽管如此,ThermalBox® 还是超越了所有这些,其产热效率高达约 92%。
本研究调查了变化管理对四个地区成本最优电力系统组成的影响,这四个地区的风能和太阳能发电先决条件不同。五种变化管理策略,包括电锅炉、电池、氢存储、低成本生物质和需求侧管理,被整合到一个旨在考虑变化的区域投资模型中。变化管理策略一次考虑一种,并在四种不同的系统环境中组合考虑。通过研究变化管理策略在大量情况下如何相互作用以及与不同的发电技术相互作用,本研究支持政策制定者确定与其环境相关的变化管理组合。研究发现,如果可变可再生电力 (VRE) 份额足够大以降低其边际系统价值,电锅炉、需求侧管理和氢存储会增加成本最优的可变可再生电力 (VRE) 投资。然而,在初始风电份额较低的系统中,低成本生物质和氢存储会增加对风电的成本最优投资。在太阳能光伏份额较低的系统中,变异管理会降低成本最优的太阳能光伏投资。在调查的两个地区,变异管理策略的组合比单一变异管理措施的总和更能提高 VRE 容量。
短期内的主要贡献者是 Alunorte 燃料转换项目,该项目将在巴西 Hydro Alunorte 氧化铝精炼厂用天然气替代重质燃料油。燃料转换完成后,该炼油厂每年的二氧化碳排放量将减少 70 万吨。该项目于 2022 年第一季度启动,预计将于 2023 年下半年投入运营。此外,Hydro 正在 Alunorte 安装三台由可再生能源驱动的电锅炉,以取代目前的燃煤锅炉。第一台锅炉已经投入运营,第二台和第三台锅炉预计将于 2024 年投入运营。这些举措将使 Alunorte 氧化铝精炼厂的二氧化碳排放量减少约 110 万吨。
短期内的主要贡献者是 Alunorte 燃料转换项目,该项目将在巴西 Hydro Alunorte 氧化铝精炼厂用天然气替代重质燃料油。燃料转换完成后,该炼油厂每年的二氧化碳排放量将减少 70 万吨。该项目于 2022 年第一季度启动,预计将于 2023 年下半年投入运营。此外,Hydro 正在 Alunorte 安装三台由可再生能源驱动的电锅炉,以取代目前的燃煤锅炉。第一台锅炉已经投入运行,第二台和第三台锅炉预计将于 2024 年投入运行。这些举措将使 Alunorte 氧化铝精炼厂的二氧化碳排放量减少约 110 万吨。