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普莱森茨电站位于俄亥俄河上
普莱森茨电站位于俄亥俄河上。 信贷:Inga Spence/Alamy股票照片。
客人的帖子
2021年2月15日8:00

客座帖子:全球变暖是如何让发电厂减少发电量的

客座作者

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02.15.21
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15.02.2021 |上午8:00
客人的帖子 客座帖子:全球变暖是如何让发电厂减少发电量的

煤炭、天然气和核能发电世界上大部分的电力都必须保持冷却才能正常运转。然而,随着全球变暖,这将越来越具有挑战性。

这些设施产生的废热通常会释放到大气或附近的水源中。在热浪或干旱期间,过热或缺水会让植物更难保持凉爽。

当这种情况发生时,这些发电厂必须受到限制,这意味着电力输出将被切断。由于人们越来越依赖空调来保持凉爽,电力需求经常达到高峰。

在一篇发表于环境研究快报,我们发现,在一个日益变暖的世界里,未来几十年将需要建造数百座额外的发电厂,以弥补失去的电力。

然而,这不是唯一的选择。如果各国转而关注太阳能和风能等技术,它们产生的排放更少,受炎热天气的影响也更小,那么电力部门将不再是气候变化的贡献者和受害者。

保持发电厂凉爽

在火力发电厂,只是30 - 50%储存在煤、天然气或核燃料中的能量被用来发电。剩余的能量以热量的形式消散了——而且是大量的热量。

这些植物通常位于河流或湖泊沿岸使用水在直流或循环冷却系统中去除这些废热。不断上升的温度降低了这种效率。

在最热的日子里,一些发电厂的发电量可能会受到限制,甚至需要完全关闭,因为它们无法保持自己的凉爽。这发生在法国和德国的核电站2019年热浪期间。

由于缺乏每天规模的发电厂停电数据,很难估计发电厂对极端天气的真实响应。

然而,在我们的研究中,我们能够利用能源情报署(Energy Information Administration)提供的所有核电厂每日大规模停电数据在美国欧洲电力传输系统运营商网络在一个子集上的特定停机欧盟火力发电厂

这两个数据集使我们能够构建日常电厂容量减少和天气状况之间的观测关系,如下图所示。

左边的数字显示了随着每天高温的增加,工厂的平均运行能力是如何下降的。右边的图表显示,当径流值很低时(如在干旱期间),或当径流值很高时(如在洪水期间),平均植物容量会下降。

因为我们只有一个小的数据样本(扔进垃圾箱每个面板中的温度和径流分布显示了我们数据集中所有观测到的温度和径流值),我们对电厂容量和天气之间关系的估计存在不确定性。这种不确定性可以在每个面板的灰色阴影区域中看到。

估计发电厂容量和最高日温度以及径流或水可用性之间的关系
估计发电厂容量(灰色区域)和最高日温度(左图)以及径流或水可用性(右图)之间的关系。红色和棕色区域显示了2007-2018年历史时期观测到的温度和水径流的分布。资料来源:Coffel and Mankin(2020)。

图表显示,从历史上看,火力发电厂在热天更可能受到产量限制。例如,当温度超过40℃时,发电厂往往以其满负荷的90-93%运行。

这听起来可能不是一个很大的损失,但热浪经常覆盖广阔的区域内,这意味着数十家发电厂可能同时面临关闭。

再加上电力需求最高的在这些炎热的日子里,当人们打开空调时,可能会产生问题。

全球变暖和电力供应

气温在上升,热浪正在更频繁的.在一些地区,这些条件已经接近人类容忍的极限。

我们抵御危险炎热天气的手段是空调。随着世界变得越来越暖和,越来越富裕,空调的使用也越来越重要预计翱翔。空调已经占到了很大的比重约10%美国的电力使用情况。

与此同时,发电厂可能更经常地受到这种极端高温的影响。我们通过对温度和温度的预测来评估其影响程度径流来自气候模型中使用的政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告(AR5)。

我们估计,1981年至2005年,在历史气候条件下,在一年中最热的一天,发电厂的发电能力为2摄氏度,比工业化前的温度高4摄氏度。结果如下图所示,在最热的夏季,产能下降。

美国核电厂和欧盟火电厂在当地一年中最热的一天估计的发电量损失
根据1981-2005年的历史温度数据(黑线)和全球气温预测,美国和欧盟的火电厂在当地一年中最热的一天的发电量损失,分别比工业化前水平高出2摄氏度(黄线)和4摄氏度。虚线表示削减的最大估计数,实线表示平均值。资料来源:Coffel and Mankin(2020)。

当气温升高2摄氏度时,发电厂的发电能力平均会受到2%的抑制,在最坏的情况下会受到高达4.5%的抑制。当气温降至4摄氏度时,降幅要大得多,平均下降3.3%,最坏的情况是6.5%。

对比这些数字,法国的核能发电量减少了大约2019年的8%因为热浪。在一个温暖的未来,这个数字会更大,在9-13%之间。

这一电力供应缺口意味着,在未来的热浪天气中,社会用于运行空调的电力可能会减少,从而增加与高温有关的疾病的风险。

事实上,这些风险很大程度上下降关注弱势社区意味着,关注电力供应对气候公平和正义的努力更加关键。

脱碳是一个双赢

未来电力限制的影响取决于今天做出的基础设施决策,特别是社会使用热电厂产生的电量。

更多的全球变暖和更多的火力发电都将导致更多的限制。

为了评估未来的电力限制,我们将电厂容量的预测与描述全球火力发电减少或增加的可能轨迹的情景结合起来。

根据我们的分析,火力发电厂的发电量乐动体育app苹果j是未来规模限制的主要因素。

例如,如果到本世纪末,火力发电基本上被淘汰,取而代之的是可再生能源——如下图中的蓝线所示——尽管热浪数量更多,但全球对炎热天气的限制可能比今天的水平减少50%以上。

相比之下,如果火力发电在未来增加——如下图红线所示——到本世纪末,限制可能会比今天的水平增加两倍以上。

未来几十年在不同能源系统情景下的削减估计。
未来几十年在不同能源系统情景下的削减估计。绿线表示的是40年后火力发电厂退役,不新建火力发电厂的情况。蓝线是基于国际能源署(IEA)可持续性的场景美国将大幅削减火力发电厂。灰色线表示目前的热能发电水平保持不变。红线是基于国际能源机构的规定政策的场景在美国,各国执行他们目前的提议,这意味着建造更多的火力发电厂。资料来源:Coffel and Mankin(2020)。

由于限制而丧失的发电能力必须得到补偿——这可能意味着建设更多的发电厂来弥补其他设施丧失的发电能力。

在增加火力发电的情况下,这些限制可能需要增加125-200吉瓦的发电能力——相当于到本世纪末250 - 450座平均规模的发电厂。

电力行业既是气候变化的原因,也是受害者,但全球发电在多大程度上受到气候变暖的影响,在很大程度上取决于社会在不久的将来所做的决定。

可再生技术的进步意味着替代品是可用的使用更少的水受炎热天气的影响较小。此外,向零碳能源转型的速度越快,气温上升的幅度就越小,恶性循环就越快被打破。

Coffel, E. D.和Mankin, J.S.(2021)在变暖的世界中,火力发电处于不利地位,环境研究快报,doi.org/10.1088/1748-9326/abd4a8

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