【IEC】以新能源为主体的零碳电力系统(英)

国际电工委员会（IEC）近日发布了一份名为《Zero carbon:2022-10(en)》的报告，该报告深入探讨了电力系统实现零碳排放的路径和挑战。报告详细分析了在技术、市场、政策等方面推动电力系统向零碳转型的驱动因素，并讨论了这一转型对电力系统运营、监管和商业模式的影响。此报告为电力行业相关利益方提供了宝贵的信息和指导，旨在帮助理解和应对实现全球零碳目标所面临的复杂挑战。

这份报告是国际电工委员会对全球能源转型挑战的回应，它不仅概述了电力系统零碳化的必要性，还深入探讨了实现这一目标的可能路径，包括集中与分散式能源生产的对比、能源效率的提升、以及电力与化学能源转换和储存的比较。报告还评估了不同技术选项的碳排放情况，并提出了实现零碳电力系统的具体目标，如24/7碳自由能源的概念。此外，报告还涵盖了支持零碳电力系统所需的关键新技术及其面临的挑战，包括高效燃煤发电技术、碳捕获、利用和储存（CCUS）、核能、太阳能、风能以及智能水电等。

全球电力系统正经历着一场深刻的变革，这场变革的核心是迈向零碳排放的目标。随着全球气候变化的加剧，减少温室气体排放已成为全人类的共同责任。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的报告，人类活动无疑已经导致大气、海洋和陆地变暖，而这种变暖正在影响全球的气候极端事件。为了阻止气候灾难，我们必须迅速采取行动。

电力行业作为全球温室气体排放的主要来源之一，其减排行动尤为紧迫。目前，全球约有60%的电力来自化石燃料发电，这种状况必须改变。国际能源机构（IEA）提出，到2040年，全球电力系统必须实现净零排放。这意味着，从现在开始，我们需要进行一场彻底的能源系统转型。

这场转型不仅仅是技术上的挑战，它还涉及到政策、法规、标准化、金融和技术发展的全方位努力。国际电工委员会（IEC）及其成员国和标准机构，在全球电气技术领域发挥着重要作用，它们需要适应这一转型，并为实现零碳电力系统提供指导和支持。

零碳电力系统将与今天的电力系统大不相同。它将依赖大规模的风能和太阳能发电，可能还包括核能、水力或海洋能发电，并将涉及更多的储能设施，从抽水蓄能到电池。化石燃料发电机组将逐步淘汰或转变为零碳运行。

实现零碳电力系统的过程中，技术挑战巨大。风能和太阳能发电的间歇性需要新的储能技术和更灵活的电网管理。此外，随着电力需求的增加，电力系统的供需匹配将变得更加复杂。例如，加拿大等国家可能需要到2050年将系统容量增加一倍以上。

电力系统的数字化也将加速这一转型。信息和通信技术的应用，如边缘计算、数据分析和工业物联网，将有助于更好地监控和控制电力系统，提高能源供应的效率，并快速响应故障。这些技术的发展将有助于我们更快地实现零碳运行。

标准化在这一转型中起着至关重要的作用。为了确保能源系统、平台、设备和市场能够顺利过渡并在零碳电力系统中有效运作，需要制定一系列新的标准。这些标准将涵盖从新技术如海上风电，到促进发电和需求之间更紧密整合的标准。

政府政策在推动电力系统向零碳转型中起着关键作用。全球已有超过130个国家承诺实现碳中和或净零碳排放目标。这些承诺将加速电力系统的变化。政府正在考虑如何实现气候承诺，这对现有产业和经济意味着什么，以及在特定国内情况下零碳电力系统可能是什么样子。

在这一转型过程中，市场也在发生变化。如今，风能和太阳能等可再生能源的发电成本在许多地区已经低于煤炭或天然气发电。这表明，即使在考虑了储能、额外输电基础设施和增加旋转惯性的设备等额外成本之后，风能和太阳能的最终成本也可能低于煤炭或天然气发电。

然而，这一转型并非没有挑战。电力系统的可靠性和弹性正面临越来越多的挑战，包括极端天气事件的增加、自动化和网络化设备的增长带来的网络攻击风险等。这些风险意味着，即使不考虑向零碳转型，全球的电力系统弹性也需要提高。

电力系统的可靠性对于现代经济至关重要。任何电力系统的中断都会造成重大影响和损失。例如，2003年美国和加拿大的大规模停电影响了5000万人，造成了250亿至300亿美元的经济损失。因此，在向零碳电力系统转型的同时，我们必须确保系统的可靠性和弹性得到改善。

电力成本对于全球经济竞争力和居民的生活水平有着深远的影响。随着向零碳电力系统的转型，电力成本的变化将取决于地理位置、监管安排、技术选择和市场压力。尽管如此，随着可再生能源发电成本的持续下降，这可能会意味着电力供应成本的降低。

电力需求也在发生变化。传统负载的消费模式正在改变，新的负载也在不断出现。例如，空调的使用量近年来显著增加，导致电力需求模式变得更加“峰值化”。此外，随着电力系统向零碳转型，新的电力负载，如电动汽车和热泵，也将对电力系统产生重大影响。

零碳电力系统的实现需要大规模部署零碳能源发电。目前，风能和太阳能发电是大多数地区新建零碳发电的最经济形式。然而，风能和太阳能发电与传统电力系统发电机的运行特性有很大不同，它们可能导致电压管理问题，影响电力系统的供应质量。

电力系统的数字化是管理电力系统变化的关键。随着电力系统操作的数字化，需要在所有层面上进行更精细的感知和控制。这包括收集和处理的数据量呈指数级增长，以及在制定控制决策时需要考虑的问题变得更加复杂。

电力系统的去中心化是向零碳转型的一个特点。大型发电设施正被更多数量的小型发电设施所取代，这些设施地理分布更广。例如，微电网可以为村庄、大学校园或偏远岛屿提供可靠的电力，它们可以连接到主电网，也可以完全独立。

电力系统的大规模电力传输对于管理风能和太阳能发电的地理多样性至关重要。随着向净零电力系统的转型，世界许多地区的输电能力可能会显著增加。这包括增加长途输电和更多的电力传输网络的“交织”，以允许在特定区域内更多样化的电力传输方式。

实现零碳电力系统有多种可能的路径。这些选择将取决于一系列因素，包括监管和政治偏好、地理区域的风能、太阳能或其他自然资源、是在相对不发达的地区建设新的电力系统还是在已有的成熟电力系统中进行转型等。

零碳电力系统的一个关键决策是如何将需求或负荷端纳入转型计划。提高能效是减少排放的一种看似直接的方法。通过提高能效，我们可以在不减少产出或便利性的情况下减少能源使用。此外，电气化使得提高能效变得更容易，它还为电力系统增加了更多可控负荷。

电力系统的需求侧管理是实现零碳目标的另一个选择。通过需求侧管理，可以更精确地匹配供应和需求。标准对于实现需求侧管理和负荷整合至关重要。它们对于电力系统运营商寻求管理位于电力系统较低层次的个别负荷所需的互操作性至关重要。

电力系统运营商在向零碳电力系统转型时，将面临许多新的技术和挑战。这些技术将从发电到最终用户，显著改变电力的获取、分配和管理方式。这些技术包括高效的燃煤发电技术、碳捕获、利用和存储（CCUS）技术、核能、太阳能、风能、智能水电等。

电力系统的数字化正在加速，随着测量、通信和数据存储与分析技术的发展，电力系统的转型正在加速。数字化正在改变能源的生成、传输和消费方式，使能源系统更加互联、智能、高效、可靠和可持续。

总之，零碳电力系统的实现需要我们对现有的电力系统进行深刻的变革。这包括技术、政策、市场和标准的全面转型。虽然挑战巨大，但通过全球的共同努力，我们有望实现这一目标。

这篇文章的灵感来自于《基于可再生能源的零碳电力系统》这份报告。除了这份报告，还有一些同类型的报告也非常有价值，推荐阅读，这些报告我们都收录在同名星球，可以自行获取。

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