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18.luck新利
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电网的约束

确保系统中有足够的容量来提供所有所需的电力。

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我最近写过莫斯兰丁这是世界上最大的电网电池储能系统。我最近和一个朋友聊天时发现,大多数人都不知道电网是在什么样的限制下运行的。我想大多数政治家都是一样的,他们认为如果我们建造足够多的风车和太阳能电池板,那么我们就可以生活在某种生态天堂中。但这不会发生,这篇文章将解释为什么。

电网是同步的,也就是说,在整个电网中,每秒60个周期(欧洲和许多其他国家为50个周期)是同步的。世界上不是只有一个网格,但也不是很多。上图中的每种颜色都是一个同步网格。您可以看到(例如在欧洲和非洲)许多网格覆盖多个国家。正如你在下面的地图中看到的,美国被分成了几个独立的地区。

由于奇怪的历史原因,日本被分为两个互不相容的电网,电压标准,但在西部以50Hz运行,在东部以60Hz运行。我说的是“不兼容”,但现在可以连接不同的电网,但价格相当昂贵。交流电必须在一个电网上转换成直流电,然后再转换成与另一个电网同步的交流电。

通电=断电

大多数人似乎没有意识到的一件事是,每个电网都必须是平衡的,也就是说,在任何时候,产生的电量和消耗的电量都是完全相同的。当然,像Moss Landing这样的电池使这一点变得不那么真实,但在大计划中,它们的容量太小,无法对基本前提产生任何影响。而且,这在两个方向上都适用。如果需要更多的能量,那么就必须提供更多的能量。但有时(午后的太阳能)产生的能量比消耗的要多,所以需要禁用一些。

控制发电量有两个不同的尺度。大规模的是,发电站可以被打开和关闭,或者上升和下降。这并不适用于所有的发电站——你不可能在短时间内关闭燃煤发电站或核电站。这种发电站被称为“基本负荷”。有一个内在的假设,即所需的电量永远不会低于所有基本负荷站的总和。但我们可以建造一些燃气轮机发电站。他们可以上网,也可以大大提高他们的能力。这些站点被称为“峰值”站点,它们是最后打开和第一个关闭的站点。至少可以说,这使得他们的经济学有些粗略。

较小的控制功率的方法是响应负载的变化。如果你打开空调,它太小了,不会影响电网。但是如果天气很热,每个人都打开空调,那么就需要更多的电力。所有这些空调会给发电站的发电机增加更多的负荷,导致它们运行得稍微慢一点,所以频率会开始有一点点滞后。作为回应,更多的燃料被用于加速它们(或者在水力发电厂使用更多的水等等)。这有点像你车里的巡航控制系统。当你遇到一个陡峭的山坡时,汽车会减速,巡航控制系统会注意到,然后把它的脚踩在油门上。当然,当大量负载被移除时,它也会反过来工作。如果差异太大,无法通过这种方式弥补,那么高峰站也需要打开。

如果情况变得极端,电力需求大于供应,唯一要做的就是通过实行轮流停电来改变需求。你可能听说过去年德克萨斯州电网几乎完全瘫痪的消息。为了快速减少需求,电网运营商切断了晶圆厂和其他地方的电力,你可能知道这些地方耗电量很大。这当然引起了半导体行业的注意,因为许多晶圆因此丢失。但这些都是必要的极端措施,以避免电网完全断电并从头开始(不依赖于任何电力来启动发电站)。

可再生能源

可再生能源(风能和太阳能)实际上并不能取代任何发电站,因为系统中需要有足够的容量来提供所有所需的电力,即使在不刮风和不晒太阳的情况下。考虑可再生能源的方式是,它们取代了一些原本用于发电站的燃料,以及随之而来的排放,但它们并没有取代发电站本身。可再生能源在很大程度上也是不可控的(用行话来说,是不可调度的)。你可以通过增加燃料来增加燃气轮机发电厂的功率,但风力涡轮机只能生产它们能生产的,太阳能也是如此。这并不完全正确,因为我认为风力涡轮机可以旋转叶片来捕获或多或少的风,但如果没有足够的风,它们就不会产生太多的电力。事实上,如果有太多的风,他们不会产生太多的电力,因为他们有一个最大的可操作风速。

可再生能源的经济状况很糟糕。首先,可再生能源电站的评级方式存在一定程度的不诚实。风电场的容量系数约为35%。这意味着,如果它的额定发电量为3GW,假设一直刮着完美的风,它实际平均发电量为1GW。现代太阳能的容量因子在10-30%之间,这主要取决于它们的位置。

第二点不诚实的统计是,没有人真正解决这样一个事实,即在10到20年内,所有这些风力涡轮机都需要拆除,并安装新的涡轮机。同样,更换所有的太阳能电池板。这将是一笔巨大的开支。如果你曾经去过棕榈泉或夏威夷大岛的南端(见图),你会看到上一代的风力涡轮机生锈了,因为没有人愿意花钱把它们拆掉。

但最大的秘密是需要备用电源。你会读到太阳能现在比其他燃料便宜,这甚至可能是真的。但要做正确的核算,需要将备用电源作为可再生能源成本的一部分进行核算。正如我上面所说,风能和太阳能在很大程度上只节省了一些燃料,而不是它们背后的发电站的资本成本。随着我们建造越来越多的可再生能源,我不确定这样做的经济效益如何。例如,如果有足够的太阳能,可能就不太需要从备用电站获得电力。但是备用电站没有任何收入,因为他们是为电力付费,而不是为待机付费。如果备用电站一年只需要3天,那么他们就需要收取每千瓦时数千美元的费用,以收回一年中其他362天闲置和折旧的成本。

在未来,有可能出现改变经济的新技术。例如,如果多余的可再生能源被用来制造氢气,氢气可以被储存起来,然后在没有阳光和风的时候用来发电。但我们今天还不能在网格规模上做到这一点。

归根结底,可再生能源变化无常,不受电网运营商的控制。但是,发电必须与用电完全匹配这一黄金法则是不能被打破的。

随着Diablo Canyon即将下线,加州电网能否应对没有大量阳光的平静日子还有待观察。享受轮流停电吧!



3评论

史蒂夫 说:

很棒的文章,我已经重复说过了。可再生能源只有在生产时才便宜,如果可再生能源项目被要求有存储,这样它们就可以调度,那么可再生能源的真实成本将变得显而易见。
补贴完全扭曲了市场,太阳能农场在密歇根州马斯基根等地涌现,季节性影响将严重影响冬季供暖负荷最高的产量。

davidgmillsatty 说:

核能是唯一的解决办法。熔盐钍反应堆是目前最好的选择。大量的钍以及熔盐反应堆冷却的廉价和安全。60年代我们在橡树岭发明了熔盐反应堆希望获得资金来培育钍但资金没有实现。所以中国得到了计划,去年秋天才开始测试。

https://youtu.be/tyDbq5HRs0o

https://www.nature.com/articles/d41586-021-02459-w

事实上,它们是模块化的,这将使电网具有巨大的灵活性。它们也可以很容易地关闭和启动。

阿里·本·大卫 说:

钍废料释放出一种难以屏蔽的高能伽马射线,使后处理变得复杂。

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