间歇性再生能源

间歇性再生能源（Variable renewable energy，简称VRE，也可写为intermittent renewable energy sources，简称IRES）是种有波动性而不可调度的再生能源（例如风能和太阳能），相对的是可控（可调度）再生能源，例如筑坝式水力发电或生物能源，或相对恒定的，例如地热能。

仅少量间歇性电力对电网运作影响不大。但如果使用到大量间歇性电力就需要把电网基础设施升级，甚至是重新设计。

将大量间歇性能源纳入电网中的做法有储能技术、改善各间歇性能源之间连结、使用水力发电等可调度能源以及建置冗余发电能力，俾便纵然在天气不利的情况下也能生产足够的电力。能源部门与建筑、运输和工业部门之间加强连结也有帮助。

## 背景和专门用语

间歇性再生能源目前在大多数电网中的渗透率不高：于2021年，全球发电量中有7%来自风能和4%来自太阳能。然而迄2021年，丹麦、卢森堡和乌拉圭三国有40%以上的电力产自风能和太阳能。间歇性再生能源的特点有不可预测性、变动性和低营运成本。然后再加上此类能源通常是种异步电力供应，给输电系统营运商带来挑战，因为系统必须确保在供与需之间能够匹配。解决的方法有能源储存、需量反应、建置冗余容量和不同部门耦合（例如Power-to-X，利用电力将多余的再生能源转换成其他形式的能量载体 (X) 过程）。较小且孤立的电网可能无足够的容量与弹性以容纳大型间歇式再生能源产生的电力。

电力需求与供应的匹配问题并不是间歇性电源所特有。现有电网已在设计中将不确定因素列入考虑，包括需求突然大幅变化以及无法预见的设备故障。虽然电网已设计具有超过预计尖峰需求的容量来解决此类问题，但仍可能需要进行重大升级才能适应大量间歇性电力的存在。

有几个重要专门用语有助于一般人理解间歇性电源的内涵。这些用语并未标准化，可能会有不同的版本。以下用语中的大多数也适用于传统发电厂。

- 间歇性或是变动性是电源波动的程度。此有两面向：可预测的变化，例如昼夜循环，以及不可预测的部分（不精准的气象预报）。间歇性（intermittent）可用于指不可预测的部分，而变动性（variable）则指可预测的部分。
- 可调度电力是给定电源根据需要而快速增加及减少输出的能力。此概念与间歇性不同。可调度性是系统营运商将供应（发电机输出）与系统需求（负载）相匹配的几种方式之一。
- 渗透率是指特定来源的发电量占年消费量的百分比。
- 额定功率或额定容量是于主管机构登记有关发电装置的理论输出量。对于间歇性电源，例如风能和太阳能，额定容量是在理想条件下（例如最大可用风力或晴朗夏日的强烈阳光）的电量输出。
- 容量因子、平均容量因子或负载因子是于给定时间段（通常是一年）内的实际发电量与该时间段内的额定发电量的比率。基本上，它是发电厂实际产生电量与在整个时间段内以额定容量运行，理论上所能产生电量之间的比率。
- 稳定供电能力或稳定电力是"由电力供应商保证在承诺所期间内随时可提供的电力"。
- 容量信用：指发电厂装置容量中在特定时间段（通常是在系统负荷高峰期）可靠提供电量的比例，通常以额定容量的百分比表示。
- 可预见性（或称可预测性）指的是发电厂能够预测发电量的准确程度：例如潮汐能随潮汐而变化，但完全可预测（因为月球轨道可准确预测），改善的天气预报可让风力发电更易预测。

## 间歇性能源

筑坝、燃烧生物质和地热能所产生的电力皆可调度，因为这些能源基本上均可储备。风能和太阳能发电如果不搭配储能系统，由于发电量会波动不定，无法即时调度，因此是不可调度电源。

### 风能发电

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电网营运商使用前一日的天气预报来确定次日使用哪些电源，并预测可能的风能和太阳能输出。虽然风能发电预测已投入运行数十年，而截至2019年，国际能源署（IEA）仍须协调国际间合作以进一步提高这种预测的准确性。

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风能发电是一种间歇性资源，给定发电厂在任何给定时间点产生的电量将取决于当时的风速、空气密度和风力发电机特性等因素。如果风速太低，发电机将无法发电，如果风速太高，发电机将须关闭以免受损。虽然单一发电机输出可能会随着当地风速的变化而发生巨大且快速的变化，但随着越来越多的发电机布置在越来越广大的区域，平均功率输出变化将会变得越来越小。

- 间歇性：小于综观尺度气象学（长度小于1,000公里左右，相当于一个平均国家的大小）涵盖的领域，其中天气基本上相同，因此风力发电量也大致相同（若当地具有特殊的风力条件则属例外）。一些研究显示分布在不同区域的风力发电厂整体上很少会完全因为没风而停止发电。对于较小，地理统一的地区，例如爱尔兰、苏格兰和丹麦，每年发生几日风力发电很少的情况属于罕见。
- 容量因子：风电的年容量因子通常为25-50%，离岸风电的表现优于陆域风电的。
- 可调度电力：由于风电本身不可调度，有时会因此而为风电厂建立储能设施。
- 容量信用：在低渗透水准下，风电的容量信用与容量因子大致相同。随着风电并网集中度的提高，容量信用例会下降。
- 变动性：取决于地点。海风比陆风更为稳定。季节变化可能会导致风量减少50%。
- 可靠性：风电厂在有风的时候有较高的可靠性。也就是说任何给定时间的输出只会因风速下降或风暴发生而逐渐变化，电厂于发生风暴时须关闭。典型的风电厂在极端情况下不太可能在半小时内完全关闭，而一个类似规模的发电厂可能会在没警告的情况下立即遭到损毁，可透过天气预报来关闭风力电厂。发电机的平均可用性为98%，当一部发电机发生故障或需停机维护时，对大型风电厂输出的影响不大。
- 可预测性：虽然风会变动，但其在短期内的表现也可预测。风力在一小时内发生小于10%的变化的可能性为80%，于5小时内发生10%或以上变化的可能性为40%。

由于风电是由大量小型发电机所产生，个别机器故障不会对电网造成大的影响。风电的这项特性称为韧性。

### 太阳能

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太阳能发电有其间歇性的本质，因为这种发电方式取决于特定地点和时间的阳光量。太阳能输出受白天和季节中的变化，并受到灰尘、雾、云层、霜或雪的影响。许多季节性因素可准确预测，一些太阳热能发电系统会利用储热方式以全天生产电力，再输入电网。

- 变动性：太阳能发电在夜间不会运作，在恶劣天气下发电量也很少，且会随季节变化，在没储能系统的情况时会有很大的变动性。在许多国家的情况是在风能可用性较低的季节，由太阳能提供大部分能源，反之亦然。
- 容量因子 标准太阳能光电的年平均容量因子为10-20%，但能够追随阳光来源而移动的光电模组，其容量因子可提高到30%。抛物槽式太阳能集热器发电系统加上储热装置的容量因子为56%。蓄热塔式太阳热能发电系统的容量因子为73%。

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太阳能发电的间歇性作用将取决于与电力需求的相关性。例如内华达州太阳能一号等太阳热能电厂在某种程度上与美国西南部等地区在夏季制冷需求较大的高峰负载相匹配。像西班牙小型赫马索拉太阳热能发电厂可改善电力供应和当地需求之间的匹配。采用储热装置以改善容量因子，虽然会降低最大发电容量，却能延长系统发电的总时数。

### 川流式发电

建造水库会对环境造成影响（参见水坝对环境的影响），许多国家因此不再建造新的大型水坝。但仍持续建设川流式发电厂。由于没有水库蓄水缓冲，这种发电方式的发电量会出现季节性和年度变化。

### 潮汐能发电

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潮汐能是所有变动式再生能源中最可预测的。潮汐每日起伏两次，这种能源不是间歇性，反而甚为可靠。

### 波浪能

波浪主要由风产生，因此波浪提供的能量往往由风的能量决定，但由于水的质量变化比风力的小。风功率与风速的三次方成正比，波浪能功率与波高的平方成正比。

## 整合解决方案

任何超出需求的电力都可用来取代火力发电厂消耗的燃料、储存或是出售给另一电网。生物燃料和传统水力发电厂可留到间歇性发电不足时再启动。有些人预测到2020年代末，"接近稳定电力"形式的再生能源（配置储能设备的太阳能和/或风能发电）将比现有核能发电更为便宜，而将不再需要基本负载发电厂。

美国目前的基本负载电力是由燃煤发电厂、燃气（天然气）发电厂、核能电厂、水力发电厂及地热能发电厂共同提供。

上述间歇性再生能源比燃烧煤炭和天然气的发电方案产生更少的温室气体排放，最终将会导致化石燃料成为搁浅资产。当相关组织更注重灵活性与性能而非成本时，可导致发电厂运行时数减少，容量因子也可降低。

所有用于发电的能源都具有一定程度的变动性，需求模式通常也会导致供应商输入电网的电力发生大幅波动。在可能的限度内，电网运行的目的就是以高度可靠性将电力供应与需求匹配，并且将供应和需求的工具完善。引入大量具高度变动性的发电可能需要改变现有的程序和进行额外投资。

可靠的再生能源供应可透过使用1. 混合再生能源以产生高于间歇性的平均电力（参见故障容许度）及 2.备用或建立额外的基础设施和技术（参见系统冗余）来实现。此外，用于填补间歇性缺口或紧急情况的储能系统也可成为支持可靠电源的一种做法。

实务上，只发电以提供部分负载的传统发电厂（本已存在以提供反应和储备）会调整其电力输出以进行风能输出的变化补偿。虽然目前间歇性发电的低渗透率可运用现存的反应水平和低运转储备发电设备来补偿，但当进入较高渗透率时，较大总体变化将需要建置额外的储备设备或其他补偿手段以为因应。

### 营运储备

所有营运中的电网都已拥有储备和低运转备用容量，以补偿电网中本来已具的不确定性。加入像风能等间歇性能源，并不需要增加额外100%的 “备用”，因为运行备用和平衡需求是根据整个系统计而来，而非针对特定发电厂而专门备用。

一些天然气或水力发电厂会仅作部分负载发电，然后根据实际需求进行应对，或是补充快速损失的发电量。随着需求变化而变化的能力称为 "反应"。通常在30秒到30分钟的时间内快速补充损失发电的能力称为"运转备用"。

一般而言，作用为尖峰负载发电厂的效率会低于基本负载发电厂。具有蓄水能力的水力发电设施，例如传统的水坝，可作为基本负载或是尖峰负载发电厂使用。

电网可与电池储电厂签订合同，这些储电厂可立即提供使用长达一小时左右的电力，可在某些发电厂发生故障时，让其他发电机有足够的启动时间，这样可大幅减少所需的运转备用发电机台。

### 需量反应

需量反应是能源消耗的变化，以更能与电力供应保持同一步调。做法可采取关闭负载的形式，或吸收额外的电力来调整供需失衡。美国、英国和法国的电力系统都为使用这类措施而制定广泛的激励办法，例如提供优惠费率或是提供资本赞助，鼓励负载量大的消费者在系统容量不足时自行下线，或在系统有剩余容量时自动加载。

某些类型的控制在电力不足时，可让电力公司在远端将负载关闭。在法国，欧洲核子研究组织（CERN）等大型电力用户会根据输电系统营运商法国电力公司 (EDF) 的要求以及EJP（European Joint Purchase tariff）费率的鼓励，在电力不足时适当降低用电量。.

能源需求管理指的是调整电力耗用的诱因（包括财务上及行为上的），例如高峰时段提高电价。即时变动电价可鼓励使用者调整使用量，增多在电力便宜时期使用，并避开电力更稀缺和昂贵的时期。一些电力使用者，例如海水淡化厂、电热锅炉和工业制冷机组，能够将其输出（水和热量）储存。

有人提出比特币的挖矿活动可平衡间歇性发电的供应、稳定电价及提高前述发电厂的利润等诸多论点但也有人辩称此行为是不可持续的做法。

大多数大型系统间还会签订互利合同，设定一种用电负载，当发电量不足时，这些用者会立即脱离，而立即将负载降低。

### 电力储存

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在电力需求不高，而风能和太阳能电力产出量却很大时，电网需要降低各种可调度发电源的输出，甚至增加可控制的负荷，例如，可通过使用储能设施将电能移转到高峰时段释放，而将电力负荷时段移转。此类调整机制有：

抽水蓄能电站是目前最普遍使用的技术，可大幅提高风电的经济性。适合此类发电厂的可用性因电网而异。典型的抽蓄循环效率为80%。

截至2020年，传统锂离子电池是电网规模级电池储能最常见的类型。可重复充电的液流电池是种大容量、反应迅速的储存中介。

可将水电解而产生氢气，储存之后供将来发电使用。

飞轮储能系统比化学电池储能具有一些优点 - 耐用性，因此可频繁使用而不会明显缩短使用寿命，另外还具有非常快速的反应和功率变化率。这种方式可在几秒内完全放电及完全充电。相关设备可使用无毒且环保的材料制造，一旦使用寿命结束，回收容易。

热能储存，储存的热量可直接用于加热或转化为电能。在热电联产发电厂中，储热装置可以相对较低的成本作为功能性储藏装置。

冰蓄冷空调可将冰跨季节储存，在高需求时期用作空调用途。目前的系统只需储存冰几个小时，譬如在电费低的夜晚制冰，于第二日白天用于空调，已是一种成熟的做法。

电能储存过程中会导致一些能量损失，储存和随后使用之间有效率上的差异。储存设施还需要资本投资和装置空间。

### 地理分散性和互补技术

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单一风力发电机的发电量有很高的变动性。只要每个发电机之间的输出功率相关性不完全一致，那么将任何数量的发电机组合在一起（例如组成风力发电厂），就会降低整体发电量的统计偏差。由于每部发电机之间的距离会影响风速，因此这些相关性永远不会完美一致。由于风力发电依赖天气系统，因此这种地理多样性对于任何电网系统的好处均会有限制。

多个分布在广阔地理区域的风电厂，将其并入电网之后，会比小型风电厂的发电量更加稳定且有较小的波动性。使用天气预报可在一定程度上正确的预测电力产出，尤其是大量风力发电机/发电厂的发电。随着数据累积，预测风力发电的能力将会随着时间而增强，尤其是出自较新设施产生的数据。

太阳能产生的电力往往可抵消风能的波动式电力供应。通常风量于夜间和阴天，或暴风雨天气时会最大，晴天阳光较多时的风量较小。此外，风能往往会在冬季达到高峰，而太阳能则在夏季达到高峰。风能和太阳能两者结合，可减少对可调度备用电源的需求。

- 在某些地区，电力需求可能与风力发电量具有高度相关性，特别是在低温导致电力消耗升高的地区，因为冷空气密度较大，并携带更多能量。
- 对备用发电（风力发电）做进一步投资，渗透率将会增加。例如有些时期可产生80%的间歇性风力发电，而可取代如天使用然气、生质能和水力所生产的可调度电力。
- 现有水力发电量占比较高的地区可能会增加或减少自身的发电量，改而使用大量的风电。挪威、巴西和加拿大的曼尼托巴省的水力发电量很高，加拿大魁北克省90%以上的电力来自水力发电，魁北克水电公司是世界上最大的水力发电公司。美国太平洋西北地区被认为是另一个风能与现有水力发电互补良好的地区。水力发电设施的储存容量将受到水库规模、环境和其他考虑因素的限制。

### 连接国外电网

在发电过剩时向邻国电网输出电力，并在需要时再进口的做法通常可行。这种做法在欧洲以及美国和加拿大之间很常见。与其他电网的整合可降低间歇性电力的有效集中度：例如丹麦有很高的间歇性再生能源渗透率，但相较于互连的德国/荷兰/斯堪的纳维亚电网（由瑞典/丹麦/挪威三国水力发电网组成）电网，其占比要低很多。对于间歇性电力造成的波动，跨国的水力发电可发挥调节作用。

输电基础设施可能必须大幅升级才能支援电力出口/进口计划。有些电力会在传输过程中损失。输出间歇性电力的经济价值部分取决于输出电网以有吸引力的价格在有用的时段向输入国提供电力的能力。

### 部门耦合

当交通运输、供热和天然气等部门与电力系统结合时，电力需求和供给间可作更好的匹配。例如电动车市场预计将成为最大的储存容量来源。部门耦合可能是一种成本较昂贵的选择，但对于间歇性再生能源高比例渗透的电网而言，会比其他调度手段更为适合。国际能源署表示，需要部门耦合将季节性需求和供应之间的不匹配整合。

电动车可在低电力需求和高产量期间充电，而在某些场合可将电力从车辆送回电网（V2G）。

## 渗透率

渗透率指的是一次能源（PE）在电力系统中的占比，以百分比表示。有多种计算方法，产生不同的数据。计算方式有：

- 由PE产生的额定容量（装置发电容量）除以电力系统中的尖峰负载，或者
- 由PE产生的额定容量（装置发电容量）除以电力系统的总装置容量，或者
- 由PE在给定时间段内产生的电力除以该时间段内电力系统的需求。

间歇性电力的渗透程度非常重要，原因如下：

- 具有大量可调度抽水蓄能、水库/蓄水池水力发电或天然气发电厂等其他尖峰负载发电厂的电网，将可更易配合间歇性电力的波动。
- 无良好互连，相对较小的电力系统（例如于偏远岛屿）可能会保留一些现有的柴油发电机以维持灵活性，但会消耗较少的燃料，直到更清洁的能源或储能装置（例如抽水蓄能或电池装置）变得有成本效益。

于2020年代初期，风能和太阳能发电量占全球电力生产的10%，但多个电网系统已具有40-55%的供电渗透率，预计英国到2030年的渗透率将超过65%。

没有普遍接受的最大渗透率水准，因为每个系统补偿间歇性的能力不同，系统本身会随时间而变化。应谨慎对待和使用可接受或不可接受的渗透率数字的讨论，因为相关性或重要性会高度受到地方因素、电网结构和管理以及现有发电能力的影响。

对于全球大多数电网系统而言，现有渗透程度明显低于实际或理论的最大值。

### 最大渗透率的限度

在没有区域聚集、需求管理或电力储存的情况下，风能和太阳能两者联合发电的最大渗透率预计约为70%至90%，但电力储存能维持12小时容量时，渗透率可达94%。经济效率和成本考量更有可能是关键因素，技术解决方案有可能在未来将渗透水平更为升高，特别是当成本成为次要因素时。

### 间歇性能源的经济影响

估计风能和太阳能成本时可将风能和太阳能间歇性的"外部"成本列入考虑，或仅限于两者的发电成本。所有发电厂除发电成本之外，还有例如任何必要的传输设施或备用容量成本（以备发电能力发生损失之用）。许多类型的发电，特别是使用化石燃料发电，都会产生外部性，例如污染、温室气体排放和栖息地破坏，而这些外部性通常并未直接列入计算。

而经济影响的严重程度存在争议，且会因地点而异，但预计会随着渗透率的提高而增加。在渗透率较低的情况下，备转容量和平衡间歇性等成本等被认为是无足轻重。

间歇性可能会带来与传统发电类型不同，或是程度不同的额外成本。包括：

- 传输容量：由于风能和太阳能发电的负载因子较低，传输容量的成本可能比核能发电和燃煤发电更为昂贵。输电容量通常会根据预期的峰值输出来确定，但风电的平均传输容量将显著为低，而将实际传输的每单位能源成本提高。然而传输成本只占总能源成本的一小部分。
- 额外备转容量：如果新增的风能和太阳能发电不符合需求模式，可能需要额外的备转容量，但这不会导致新增电厂的资本成本更高，因为可将现有发电厂的发电量降低 - 将之改为低运转储备发电设备。一些观点认为所有的风电都需要有等量的"备用容量"作为支撑，但事实上间歇性发电设备"只要在高峰时段有一些产出概率"就可对基本负载有贡献。备用容量不是单一发电机的责任，因为备用容量（或成运行备用）"仅在系统层面上才有意义"。
- 平衡间歇性成本：为维持电网稳定，在负载与需求间作平衡可能会产生一些额外成本。进行电网平衡的成本可能会很高，但可带来长期的节省。许多国家的政府对于多种间歇性再生能源会不时邀请业者参与密封投标，以建造一定容量的太阳能发电厂，再连接到某些变电站。最低出价者将可得标，政府承诺在固定年限内以每千瓦时的标单格购买电力，或购买一定总量的电力。此举为投资者应对高度波动的批发电价提供确定性。然而如果业者以外币举债，仍有面临汇率波动风险的可能。

## 按国家/地区举例

### 英国

英国电力系统营运商National Grid Electricity System Operator表示只要有足够的再生能源发电，该国到2025年将能实现低碳经济，并可能在2033年实现负排放的目标。该公司指出新的产品和服务将有助于降低整体系统营运成本。

### 德国

拥有大量再生能源的国家，太阳能发电会导致每天中午左右的电力价格下跌。太阳能光电生产的电力可配合此时段更高的需求。下图显示于2022年中的德国，其两周间隔期间中的再生能源发电占比超过40%。每晚和周末的电价也由于需求低迷而下降。在没光电和风电供应的时段，电价会上涨，而可能导致需求面调整。虽然工业是按使用小时费率支付电费，但大多数私人家庭仍以固定费率支付电费。有了智能电表，也可激励私人消费者在有足够的再生能源且价格便宜之时为电动车充电。

可调度电力生产的灵活性对于支援间歇性能源甚为重要。于德国的案例显示抽水蓄能电厂、燃气发电厂和燃煤电厂可快速调整发电量以提供备用。褐煤发电厂的发电量每天变动很大。核能和生物质能发电理论上可在一定程度上调整发电量，然而就目前而言，针对这两种发电方式的调整诱因似乎还不够高。

德国2022年两周间隔的再生能源和传统能源发电量：白天风电和光电量较低的时候，燃煤和燃气电厂会发电填补缺口，核能发电和生物质能发电的灵活性较低。光电会随白天用电量的增加而增加，但也会随季节变化而波动。

## 参见

- 联合循环氢能发电厂
- 发电成本
- 能源安全与再生能源技术
- 地源热泵系统 (Ground source heat pump)
- 世界储能厂列表
- 火力电厂燃差，指燃气发电厂出售一个单位电力所获得的理论毛利，其中已扣除生产所需的燃料成本。

## 外部链接

- Grid Integration of Wind Energy