遭遇500年來最嚴重干旱,歐洲供電系統(tǒng)如何應對?

歐洲當前的這場干旱可能是500年來最嚴重的一次 | 圖源:pixabay.com
今年夏季,從我國的長江流域到西歐、北美,高溫干旱席卷北半球,給這些地區(qū)的糧食生產(chǎn)和能源電力供應都帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。據(jù)歐盟委員會聯(lián)合研究中心,歐洲當前的這場干旱可能是500年來最嚴重的一次。這次罕見的干旱正在如何影響歐洲的電力系統(tǒng)?未來有哪些可能的解決方案?作為《知識分子》國內(nèi)外旱情專題論述中的下篇,本篇文章對這些問題做了深入討論。
撰文 | 滿凱 唐顥蘇
責編 | 馮灝
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圖1 由于水位驟降,西歐第一大河萊茵河的兩側(cè),露出了大量用于警告極低水位的“饑餓之石”。歷史上,每當饑荒之年,當?shù)厝司蜁诤哟驳氖瘔K上刻下銘文。只有當干旱再次來臨、河流水位驟降的時候,這些石頭才會“重見天日” | 圖源:英國《每日郵報》

圖2 美國氣候預測中心未來ENSO發(fā)生的概率預報,藍色柱表示“拉尼娜”事件發(fā)生概率,紅色柱表示“厄爾尼諾”事件發(fā)生概率,灰色柱表示中性年發(fā)生概率 | 圖源:美國國家大氣與海洋管理局

圖3 作為德國最重要的一條貨運水道,原本繁忙的萊茵河運輸水道水位告急,貨船僅能裝載部分貨物 | 圖源:DW
水、核、煤、氣、光,同時遭遇挑戰(zhàn)

圖4 2011年至2019年平均每年發(fā)電量的變化與2021年相比2019年的變化 | 圖源:Ember
此次電力短缺發(fā)生在歐洲能源轉(zhuǎn)型的大背景下。由于非化石能源主要通過轉(zhuǎn)化為電能供終端使用,世界上主要國家在實現(xiàn)碳中和的目標中都將高度 “電氣化” 作為能源轉(zhuǎn)型的發(fā)展目標 [8]。國際能源署等機構(gòu)曾提出,“如果電力環(huán)節(jié)不能實現(xiàn)脫碳,通過高度電氣化來實現(xiàn)低碳能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的路徑無法奏效” [9]。
然而,英國石油集團首席經(jīng)濟學家分析稱,雖然可再生能源看起來日趨成熟,但是全球發(fā)電燃料結(jié)構(gòu)在二十年來沒有明顯優(yōu)化。據(jù)英國石油發(fā)布的《世界能源統(tǒng)計年鑒2022》,2021年全球發(fā)電燃料中非化石燃料占比約39%,煤炭占比約36%,就歐洲而言,天然氣和煤炭發(fā)電量占到了35%,核能和可再生能源各占約20%,水電占比約15% [10]。
能源轉(zhuǎn)型并非一本萬利,改變需要成本。2016年發(fā)表在《可再生與可持續(xù)能源評論》的一篇文章為歐盟能源系統(tǒng)提供了在2050年實現(xiàn)100%可再生能源的可能路徑,該方案將整個過程劃分為9個步驟,基于整個能源系統(tǒng)(電力、供暖、制冷、工業(yè)和運輸)進行了逐小時建模。結(jié)果表明,要達到歐盟在2050年二氧化碳排放量比1990年水平減少80%的目標,歐洲能源系統(tǒng)的年總成本將比化石燃料替代品高出約3%,如果實現(xiàn)100%可再生能源,成本將高出12%。
另一方面,該研究也指出,由于能源系統(tǒng)的主要成本將進口燃料轉(zhuǎn)化為當?shù)赝顿Y,低碳能源系統(tǒng)中創(chuàng)造的就業(yè)機會大幅增加,直接增加的工作崗位估計約為1000萬個,這可能會為歐盟經(jīng)濟帶來整體收益 [11]。
相比依據(jù)模型給出成本效益解決方案,達成統(tǒng)一的政治意愿和實現(xiàn)合適的技術更加困難,這也決定了未來歐洲實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的實際路徑,作者認為,歐盟最終選擇的能源系統(tǒng)可能介于理想方案和現(xiàn)有政策之間。
另一項2019年發(fā)表在《應用能源》上的研究詳細分析了葡萄牙的在電氣化過程中實現(xiàn)碳排放目標的成本演變。結(jié)果表明,到2030年,電氣化不會在脫碳中發(fā)揮作用,但在中長期(2040年、2050年),高減排目標與最終能源消耗的大規(guī)模電氣化相關。
如果在2050年實現(xiàn)溫室氣體減排相對1990年碳排放的90%,在可行路徑下,在2030年和2040年電力生產(chǎn)成本將相對于對照情景增加13%和15%,而到2050年,這一差異可能會增加到55%。模型中的對照情景表達了在歐洲碳排放交易計劃下,二氧化碳定價直到2050年保持不變的能源系統(tǒng)演變路徑 [12]。

實際上,歐盟二十多年來始終致力于能源轉(zhuǎn)型。2021年7月,歐盟提交《Fit for 55》[13] 法案,將新能源電力、汽車減排等事項進一步細化,并且將2030年可再生能源比例提高至40%。2030年和2050年的目標在2021年6月通過的《歐洲氣候法案》[14] 中被最終立法生效,而此時的目標已被提高,即到2030年將溫室氣體凈排放量在1990年水平上減少至55%,到2050年在全歐盟范圍內(nèi)實現(xiàn)碳中和。
然而,現(xiàn)實中還有很多困難。法國氣候與環(huán)境科學實驗室的一項研究指出,氣候變化對歐洲大多數(shù)國家的光伏、風力、水力和熱電發(fā)電都產(chǎn)生負面影響。研究中使用了已裝機的發(fā)電廠的數(shù)據(jù),沒有考慮發(fā)電廠的數(shù)量和空間分布在未來的變化,使用了5個區(qū)域氣候模式共同模擬,從而了解給定變暖水平下區(qū)域氣候變化的不確定性。結(jié)果顯示,在本世紀末溫升3℃的情景下,歐洲各國光伏和風力發(fā)電的潛力降低最多可達10%,而水力和熱電發(fā)電的潛力降低最多可達20% [15]。

陳迎表示,發(fā)展可再生能源的確帶來了能源系統(tǒng)新的脆弱性,但是能源不轉(zhuǎn)型,也同樣有風險。氣候變化會增加極端天氣氣候事件發(fā)生的頻率和強度,極端氣候事件影響可再生能源發(fā)電,但是繼續(xù)堅持煤電,長期鎖定在高度依賴化石能源上,會加劇氣候變化,能源系統(tǒng)受到更大威脅,這就構(gòu)成了一個惡性循環(huán)。
盡管在多重因素制約下,能源轉(zhuǎn)型困難重重,歐洲仍將其作為長期發(fā)展戰(zhàn)略持續(xù)推進。2022年5月18日,歐盟委員會公開了REPowerEU計劃,旨在回應俄烏沖突造成的困難和全球能源市場的混亂 [16]。該計劃包括了節(jié)能、加速可再生能源推廣、減少化石能源使用等幾個方面的規(guī)劃舉措,并建議將2030年可再生能源總目標從40%提高到45%。
7月13日,歐洲議會通過了提升可再生能源占比的法案修正案,將REPowerEU計劃中的很多建議法規(guī)化,其中就包括了提高2030年可再生能源的總目標,在建筑行業(yè)總用能中可再生能源占比達到49%,交通部門中的占比在超過14%的基礎上,溫室氣體排放強度再降低20%。除此之外,修正案提高了低碳氫(生產(chǎn)過程中溫室氣體減排量超過70%的氫能)目標占比,交通領域低碳氫使用要求更是翻番。
北京卓能雷安總工程師周慶根表示,就電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型來看,新能源替代化石能源對電網(wǎng)的穩(wěn)定性會造成一些影響,但現(xiàn)在我們正在過渡期,很多問題有待技術進步來解決,大方向還是要奔著氣候目標走。
為此,他向《知識分子》舉了一個例子,“光伏和風電并入電網(wǎng)后削弱了電力系統(tǒng)支撐慣量,影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性,所以新能源并網(wǎng)比例受到影響?!?電力系統(tǒng)慣量是交流系統(tǒng)的特性之一,其支撐來源于火電、水電等發(fā)電機組轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。當發(fā)電機組轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速每分鐘3000轉(zhuǎn)時,發(fā)出的交流電頻率為50赫茲,所有并網(wǎng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子是同頻同相位的。但是新能源不行,比如風電、光電都是通過逆變并網(wǎng)的,沒有“機械轉(zhuǎn)動”支撐慣量,是電網(wǎng)運行的不穩(wěn)定因素。
對此問題,周慶根認為,微電網(wǎng)是化石能源發(fā)電減少后,解決本地用電的有效技術,這是一個多種分布式電源相互配合、相互補充的小型發(fā)、配電系統(tǒng) ?!爸绷魑㈦娋W(wǎng)就是通過直流連接方式將大電網(wǎng)的慣量與微電網(wǎng)隔開。微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間送、受電時也不影響大電網(wǎng)的慣量。” 周慶根說。
不能因為沒有好衣服穿,就不穿衣服