清華新聞網(wǎng)6月20日電 大力發(fā)展以風(fēng)光為代表的可再生能源是推動(dòng)全球溫室氣體減排、實(shí)現(xiàn)巴黎協(xié)定未來(lái)氣候目標(biāo)的必要途徑。然而，風(fēng)光資源受氣象條件影響，具有高度間歇性和不穩(wěn)定性。在氣候變化背景下，極端天氣/氣候事件頻發(fā)，風(fēng)光潛在供應(yīng)缺口會(huì)導(dǎo)致高比例風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨較大挑戰(zhàn)。因此，探究歷史氣象條件下全球高比例風(fēng)光系統(tǒng)的潛在電力短缺事件變化趨勢(shì)，對(duì)于理解未來(lái)電力系統(tǒng)面臨的極端安全風(fēng)險(xiǎn)和促進(jìn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)型具有重要意義。
針對(duì)這一問(wèn)題，清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系（以下簡(jiǎn)稱“地學(xué)系”）同丹助理教授課題組利用43年（1980-2022年）全球逐小時(shí)再分析氣象數(shù)據(jù)集量化了全球風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)潛在極端電力短缺事件的變化趨勢(shì)，系統(tǒng)揭示了風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)極端電力短缺事件變化的驅(qū)動(dòng)因素。研究成果為加強(qiáng)未來(lái)高比例風(fēng)光能電力系統(tǒng)的靈活性資源部署，提高極端氣候風(fēng)險(xiǎn)下的電力系統(tǒng)韌性與安全保障水平提供了科學(xué)支撐。
研究定義了兩類極端電力短缺事件，即長(zhǎng)時(shí)極端短缺事件（電力缺口持續(xù)超過(guò)100小時(shí)）和低可靠性極端短缺事件（電力缺口超過(guò)30%且持續(xù)12小時(shí)以上）。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了三個(gè)指標(biāo)表征極端電力短缺事件的變化趨勢(shì)——出現(xiàn)頻次、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)和強(qiáng)度。出現(xiàn)頻次指每年極端電力短缺事件出現(xiàn)的次數(shù)，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為極端電力短缺事件的持續(xù)小時(shí)數(shù)，強(qiáng)度則定義為極端電力短缺事件的電力缺口總量。在此基礎(chǔ)上，研究分析了本世紀(jì)中葉電力系統(tǒng)風(fēng)光滲透率目標(biāo)下1980-2022年間全球風(fēng)光系統(tǒng)潛在極端電力短缺事件的歷史變化趨勢(shì)。
研究發(fā)現(xiàn)，氣候變化背景下1980-2022年全球極端電力短缺事件持續(xù)增加。長(zhǎng)時(shí)極端短缺事件的出現(xiàn)頻次、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)和強(qiáng)度分別以每年0.026次、0.340小時(shí)和14.7%的速度增長(zhǎng)，低可靠性極端短缺事件的出現(xiàn)頻次、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)和強(qiáng)度分別以每年0.069次、0.392小時(shí)和13.1%的速度增長(zhǎng)。在20年時(shí)間尺度上，2000年之后全球極端電力短缺事件顯著高于2000年以前（圖1）。
圖1.1980-2022年高比例風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)短缺事件變化趨勢(shì)
研究進(jìn)一步將極低風(fēng)速和極低太陽(yáng)輻射（低于日均值第10百分位數(shù)）同時(shí)出現(xiàn)的時(shí)段定義為極低風(fēng)速-極低太陽(yáng)輻射復(fù)合事件，以探討極端電力短缺事件年際變化的氣候驅(qū)動(dòng)因素。研究發(fā)現(xiàn)，極低風(fēng)速和極低太陽(yáng)輻射的增加可能推動(dòng)了極端電力短缺事件的增長(zhǎng)。1980年以來(lái)，極低風(fēng)速-極低太陽(yáng)輻射復(fù)合事件持續(xù)增加，并與極端電力短缺事件呈正相關(guān)。然而，極端電力短缺事件變化與氣候要素變化并不成比例。與1980-2000年相比，2001-2022年全球1%的平均風(fēng)速和太陽(yáng)輻射變化帶來(lái)了超過(guò)10%極低風(fēng)速-極低太陽(yáng)輻射復(fù)合事件變化，并進(jìn)一步引發(fā)了約30%的極端電力短缺事件變化（圖2）。因此，即使在未來(lái)溫和氣候變化情景下，高比例風(fēng)光系統(tǒng)極端電力短缺事件也可能大幅增加。
圖2.極端電力短缺事件變化的驅(qū)動(dòng)因素分析
6月18日，相關(guān)研究成果以“氣候變化對(duì)全球風(fēng)光系統(tǒng)極端電力短缺事件的影響”（Climate change impacts on the extreme power shortage events of wind-solar supply systems worldwide during 1980–2022）為題，在《自然·通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表。
清華大學(xué)地學(xué)系2021級(jí)博士生鄭棟升為論文第一作者，同丹為論文通訊作者。論文作者還包括清華大學(xué)地學(xué)系教授張強(qiáng)，美國(guó)加州大學(xué)歐文分校教授史蒂夫·戴維斯（Steven J. Davis），中國(guó)氣象科學(xué)研究院研究員車(chē)慧正，北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院研究員覃櫟，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院副研究員耿冠楠，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院博士后劉洋以及清華大學(xué)地學(xué)系博士生徐若翀、楊晉和嚴(yán)禧哲。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)氣象局青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、氣候變化與碳中和國(guó)際合作聯(lián)合行動(dòng)和清華大學(xué)自主科研計(jì)劃的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-48966-y
供稿：地學(xué)系
題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
