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研究人员发现太阳能光伏发电利大于弊

能源 2020-06-25 09:06:53

在过去的十年里,太阳能光伏阵列的成本迅速下降。但与此同时,在光伏发电装机容量较大的地区,光伏发电价值下降。随着越来越多的PV发电机投入使用,公用事业规模的PV系统的运营商已经看到电价下降。与此同时,许多燃煤电厂被要求安装排放控制系统,导致全国和地区的空气污染有所下降。其结果是改善了公共卫生,但也减少了用PV发电抵消煤炭发电带来的潜在健康效益。

考虑到这些竞争趋势,光伏发电的收益是否大于成本?要回答这个问题,就需要平衡预先的资本成本和PV系统的终身收益。确定前者相当简单。但评估后者是有挑战性的,因为其好处因时间和地点的不同而不同。麻省理工学院能源计划的博士后rick R. Brown博士说:“这种差异不仅仅是由于一个特定地点全年接收的阳光数量的变化。”“这也是由于电价和污染物排放的变化。”

公用事业规模的光伏发电价格下降,部分原因在于电力在批发电力市场上的买卖方式。在“日前”市场上,发电机和客户提交投标,以确定他们将在第二天某一特定时刻以不同的价格卖出或买进多少。首先选择成本最低的发电机。由于PV系统的可变运行成本接近于零,它们几乎总是被选中,取代当时最昂贵的发电机。支付给每个选定发电机的价格是由系统中成本最高的运营商设定的,因此,随着更多的光伏发电投入使用,更多的高成本发电机就会减少,每个人的价格就会下降。因此,在太阳能发电最多的正午,支付给发电机的价格是最低的。

布朗指出,一些发电机甚至可能出价为负。他解释道:“他们实际上是在付钱给消费者,让他们掌握权力,确保他们被派遣出去。”例如,不灵活的煤炭和核电站可能会出价负值,以避免频繁的关闭和启动事件,从而导致额外的燃料和维护成本。可再生能源发电机也可能出价为负,以获得更多的补贴,并根据产量获得奖励。

健康福利也因时间和地点的不同而不同。在人口稠密、依靠煤炭发电的地区,部署光伏发电对健康的影响要大于人口较少、拥有大量清洁水电或风能的地区。此外,当输电线路拥堵导致周边地区无法获得任何高污染来源时,光伏发电对当地健康的益处会更高。空气污染的社会成本在很大程度上是“外部性的”,也就是说,它们大多没有计入电力市场。但是,它们可以用统计方法进行量化,因此,在评估光伏发电的成本竞争力时,可以将减少排放所带来的健康效益纳入其中。

化石燃料发电机对气候变化的贡献是大多数电力市场没有考虑到的另一个外部性。美国的一些市场,特别是加州和东北部,已经实施了限额交易计划,但这些市场的二氧化碳价格远远低于二氧化碳的社会成本估计,而其他市场根本不给碳定价。因此,要对光伏发电的效益进行全面核算,就需要确定由光伏发电取代的二氧化碳排放,然后将该值乘以代表这些排放可能造成的损害的统一碳价。

计算PV成本和收益

检查太阳能的变化值,布朗和他的同事弗朗西斯·m·奥沙利文战略的高级副总裁Ørsted在岸北美和麻省理工学院斯隆管理学院的高级讲师,开发了一种方法来评估光伏发电的成本和收益在美国从2010年到2017年每年电网。

研究人员集中研究了6个“独立系统运营商”(ISOs),分别位于加利福尼亚、德克萨斯、中西部、大西洋中部、纽约和新英格兰。每个国际标准化组织都对其所在地区输电网络上的数百个“定价节点”设定电价。研究人员对超过1万个这样的定价节点进行了分析。

对于每个节点,他们模拟了一个实用规模的光伏阵列的操作,该阵列倾斜一整天来跟踪太阳。他们计算了它能产生多少电,以及每千瓦电能带来的好处,同时考虑了能源和“容量”收入,以及因替代化石燃料排放而避免的健康和气候变化成本。(产能收入支付给在用电高峰时提供电力的发电机。)他们集中研究了导致气候变化的二氧化碳、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)和被称为pm2.5的颗粒物的排放。pm2.5是一种可导致严重健康问题的细颗粒物,可以由NOx和SO2排放或在大气中形成。

分析结果显示,即使在给定的ISO区域内,PV发电的能量批发值也因地而异。例如,在人口密度高、增加输电线路困难的纽约和长岛,太阳能的市场价值比全州整体高出50%。

在研究期间,SO2、NOx和pm2.5的减排带来的公共健康效益有所下降,但在2017年仍相当可观。健康福利货币化的光伏发电在2017年将增加近75%的能源收入在中西部和纽约和100%在大西洋中部,多亏了大量的煤炭发电在中西部地区和中部和东部沿海地区的人口密度高。

基于计算的能量和能力2017年收入和健康和气候优势,研究人员要求:鉴于私人和公共利益、需要什么前期光伏系统成本使光伏安装“收支平衡”在它的生命周期,假设电网条件在那一年持续的生命安装吗?布朗说,换句话说,“在阵列的生命周期内,投资一个光伏系统的资本成本是多少?”

假设2017年仅考虑能源和产能市场收入,未补贴的光伏投资在2017年无法实现盈亏平衡。再加上健康效益,PV在建模的价格节点中达到30%的平衡。假设每吨碳价格的50美元,投资优惠甚至在大约70%的节点,和碳价格为每吨100美元(这还不到价格估计需要限制全球气温上升2摄氏度),PV减免甚至在建模的所有节点。

两年前的情况并非如此:以2015年的PV成本计算,考虑到市场收入、健康福利和每吨碳价格100美元,PV只有在2017年才能达到65%的节点盈亏平衡。布朗说:“自2010年以来,太阳能已经从最昂贵的电力来源之一变成了最便宜的电力来源之一。考虑到它所提供的全部价值,它现在在美国大部分地区实现了收支平衡。”

基于他们的发现,研究人员得出结论,光伏成本在研究期间的下降速度超过了价值的下降速度,比如在2017年,市场、健康和气候方面的收益超过了大多数模拟地点的光伏系统的成本。布朗说:“因此,太阳能的竞争力仍在逐年增加。”

研究结果强调了考虑健康和气候利益以及市场收入的重要性。布朗说:“如果你要再增加一兆瓦的光伏发电,最好把它放在能带来最大变化的地方,不仅是在收入方面,而且在健康和二氧化碳方面。”

不幸的是,现在的政策并不鼓励这种行为。一些州确实为太阳能投资提供了可再生能源补贴,但它们对各地发电的回报是平等的。然而,在纽约等州,某些节点的公共健康收益会远远高于其他节点。国家一级或地区的奖励机制可以被调整以反映这种节点到节点的光伏发电效益的变化,为安装光伏系统提供奖励,这些系统将最有价值。提供时变的价格信号(包括排放成本)不仅给公用事业规模的发电机,而且给住宅和商业发电机和客户,同样可以引导PV投资到它能带来最大收益的地区。

时移PV输出以最大化收益

该分析提供了一些指导,可能有助于潜在的光伏安装商最大化他们的收入。例如,它确定了光伏发电特别有价值的某些“热点”。举例来说,在美国东海岸一些用电需求大的节点,持续的电网拥堵意味着一个光伏发电机的预期收入在十多年来一直很高。分析还显示,最乐观的网站可能并不总是最赚钱的选择。在德州安装一个光伏系统,将比东北部多产生20%的电力,然而在分析的某些年份,东北部节点的能源收入要比德克萨斯州的多。

为了帮助潜在的PV所有者最大化他们未来的收入,Brown和O"Sullivan进行了一项后续研究,重点研究如何改变PV阵列的输出,以适应批发市场上较高的价格。为了进行分析,他们考虑了太阳能在日前市场和“实时市场”上的价值,“实时市场”让发电机校正供需之间的差异。他们探索了三种塑造PV发电机输出的选择,重点关注了2017年加州实时市场,当时高PV渗透率导致中午价格比早上和晚上价格大幅下降。

研究人员惊奇地发现,在他们的研究期间,加州的最佳定位改变了多少。“在2010年,固定阵列的最佳方位是在南纬10度左右,”布朗说。“2017年,这里的温度大约是南纬55度。”这种调整是由于市场价格的变化伴随着光伏发电的显著增长,这种变化也将发生在其他地区,因为他们开始增加太阳能发电。

研究人员强调,电网和电力市场的情况在不断变化。考虑到这一点,他们公开了他们的数据库和计算机代码,以便其他人可以随时使用它们来计算PV电力和其他分布式能源净收益的最新估计。

他们还强调了向所有市场参与者提供时变价格的重要性,以及适应不断变化的电力系统条件的安装和调度策略的重要性。加州将于2020年实施一项法律,要求所有新住宅安装太阳能电池板。在其他光伏发电装置已经开始发电的时候,安装通常向南的太阳能板并不能限制其发电量,可能会使电力市场进一步饱和。

布朗说:“如果新的屋顶阵列改用可以在负价格时关闭的朝西面板,这对整个系统更好。”“与其在电价已经很低、电力结构已经很清洁的时候增加太阳能发电,新的光伏发电装置将在晚上取代昂贵而又脏的燃气发电装置。”促成这样的结果就是一个全面的胜利。”

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