两种不同的建模方法

不同Hdrm值和不同水平太阳能发电源的GWe vs GWc和边际效率曲线：Gridwatch 7。风电机组减少英国二氧化碳排放的潜力英国风电机组的目的是使电网脱碳，前面描述的模型提供了预测风电机组未来实现这一目标的有效性的方法。表4显示了1990年至2017年期间，发电、商业和运输三大主要贡献源在减少二氧化碳排放方面取得的进展。表4：。1990年和2017年英国二氧化碳排放源（单位：公吨/年差异发电量71.8（-121.2）业务111.965.8（-46.1）运输125.3124.4（-0.9）总计594.1366.9（-227.2）来源：英国国家统计局（2018）15最近的一次审查（Papaioannou et al.，2017）发现，不同的主管部门对煤炭和天然气发电GWe产生的排放量做出了各种假设，如表5所示。在下面的分析中，我们将使用表5第1列的值，因为它们与英国政府每年7180万吨的排放量数据最为吻合。每年7615万吨。根据英国政府的发电记录推断，如表6所示。表5：。英国燃煤和燃气发电的二氧化碳排放量估计范围（百万吨/年/GWe）最小最大燃煤发电量7.888.448.99燃气发电量3.674.274.87来源：Papaioannou等人（2017年），假设2017年风力发电量为5.66 GWe，而不是燃气发电量，2017年的17.7 GWc风力发电机组将负责减少5.66*7.88=4460万吨的二氧化碳排放量。

表6中2017年风电机组的净空为23.46 GWe，由煤炭=2.58 GWe、天然气=15.21 GWe和风能=5.66 GWe组成，但许多因素使得无法预测未来几十年的净空。电网需求的变化近年来一直在稳步下降，表明到2020年，净空可能低至20 GWe，但由于核反应堆退役而无需更换，以及汽油和柴油车被电动汽车取代，因此净空可能在2020年代上升，如果通过燃气发电满足额外的电网需求（这将增加净空）。表6：。2017年各部门的平均发电量和二氧化碳排放量，使用表5发电来源二氧化碳排放量（MT）煤炭2.5820.33Nuclear8.025Gas15.2155.82Wind5.66其他可再生能源5.62Other1.31Total38.3476.15来源：商务部等（2018年），考虑到未来几年净空水平的不确定性，这些模型用于预测从15GWe到30GWe的一系列头舱对二氧化碳排放的影响，涵盖了未来几十年所有可能的预期。这些计算的参考点是2017年的风电场状况（=23.45GWe，GWc=17.7，MT排放量=7610 MT/年），并由图13中的A0点表示。其他净空曲线的参考点是通过调整气体生成水平从点A0开始计算的。因此，A1（净空=30的参考点）的额外产气量为30-23.45=6.55 GWe。这使得A1点的排放量增加了6.55*3.67=24.03，总排放量为10413公吨/年。

其他头枕的起点计算方式与16oA1（Hdrm=30，GWc=17.7，MT=104.1）oA2（Hdrm=25，GWc=17.7，MT=81.79）oA3（Hdrm=20，GWc=17.7，MT=63.44）oA4（Hdrm=15，GWc=17.7，MT=45.09）类似。对于Hdrm的每个值，该模型计算不同级别的风电机组容量（GWc）的排放量。最初，风力发电量的增加以每年788万吨/GWe的速度取代了煤炭发电量，直到2017年的2.58 GWe煤炭发电量减少到零，如图13中的B1点至B4点所示B1（Hdrm=30，GWc=27.31，MT=79.80）oB2（Hdrm=25，GWc=27.43，MT=61.49）oB3（Hdrm=20，GWc=28.38，MT=43.14）oB4（Hdrm=15，GWc=32.61，MT=24.791）。随着风力发电机组规模的进一步扩大，其替代天然气发电量为每年367万吨/GWe，这解释了B1至B4右侧曲线斜率的降低以及风力发电机组在减少排放方面的有效性的降低（见表7）。表7：。风电机组的减排效率（MT pa/GWc）Hdrm=15Hdrm=20Hdrm=25Hdrm=30点A1-A4到B1-B4（即风置换燃煤发电）1.361.92.081.98在30GWc和40 GWc0之间0.560.780.9571.07在40 GWc和50GWc0之间0.380.570.7630.928在50GWc和60GWc0之间0.2860.420.5790.743在60GWc和70 GWc0.210.320.4580.584在70GWC0之间C和80GWc0.170.260.3660.481尽管如此在本文的范围之外，考虑未来风电机组的最低经济效率是有指导意义的，例如，75万吨pa/GWc被视为最低经济效率。对于20的Hdrm（可能是20世纪20年代初最有可能的值），这将给出35 GWc的风机队的经济上限。

此时，图13中的C1点，风力发电量将为9735 GWe，二氧化碳排放量将减少3700万吨/年。如果Hdrm因核反应堆退役而不更换或电动汽车（EV）大规模更换汽油车和柴油车而增加，C1至C2沿线的各点将预测风力发电机组的经济上限。在老化的先进冷却反应堆必须在20世纪20年代末退役之前，新的核反应堆似乎越来越不可能上线，因此，考虑将Hdrm增加到25，并将风力发电机组的经济上限提高到45GWc是非常可行的。尽管电动汽车在英国的推出速度非常缓慢，但未来广泛部署电动汽车可能会将Hdrm增加到30 GWc，而风电机组的最大经济部署将为55GWc（图13中的C2）。为了计算随之而来的二氧化碳排放量减少，我们不仅需要考虑运输车队的直接排放量减少，还需要考虑电动汽车所需的额外发电量的增加。图13：。根据MacKay（2009），Hdrm的二氧化碳排放量为15、20、25和30 GW，风力发电机组容量范围高达80GWc，在英国平均条件下驱动的电动汽车每天需要约10 kWh，如果是这种情况，额外发电10 GWe将足以驱动2400万辆电动汽车。2016年，英国道路上有2580万辆汽油和柴油车（BBC新闻，2016），因此10 GWe应足以为几乎所有替代电动汽车提供动力。在C2点，风力发电机组将产生15.5 GWe，比C1点的9.69 GWe多5.81 GWe。

这意味着，在2400万辆电动汽车所需的10 GWe中，5.81 GWe将来自额外的风力发电，而额外的天然气发电只需要4.19 GWe。在367万吨/年GWe的情况下，额外的419万GWe的天然气产量将导致排放量增加419*367=1540万吨/年。2016年，英国2580万辆汽油和柴油车产生了6850万吨二氧化碳（汽车制造商和贸易商协会，2018年），因此，将24辆汽油和柴油车转换为电动汽车将导致每年交通排放量直接减少6370万吨。在图13中，从C1点移动到C2点时，抵消发电量每年额外的1537万吨，每年可净减少4830万吨的排放量。鉴于全球电动汽车的引进增长缓慢，英国道路上可能需要几年的时间才能看到相当数量的电动汽车。然而，图13中的虚线C1至C2有助于显示随着更多电动汽车的引入，预计将遵循的轨迹，电动汽车替代的二氧化碳排放量每年净减少201万吨。8、结束语两种不同的模型，分别适用于2013年至2016年的实时记录，表明仅需要一年的记录就可以开发具有普遍适用性的数据集。对这一可能令人惊讶的实证发现的一种解释是，尽管英国的wind18从一周到一周、从一个月到另一个月似乎是随机的，但不同风力发电波段之间的年分布变化很小。这一发现还导致了一种更简单的建模方法，即使用风力发电直方图而不是实时数据作为模型输入。

尽管建模方法截然不同，但随着风力发电机组规模的增加，他们对其性能给出了类似的预测。有人认为，英国风力发电机组的经济上限是风力发电机组容量（Judge，2016）或风力穿透（Korchinski，2013）的函数，但模型表明，此类公式过于简单。风力发电机组的经济上限将取决于风力发电机组可用的净空，而净空又取决于许多无法确定预测的因素。由于未来净空水平的不确定性，本文给出了从15 GWe到30 GWe的不同净空值的结果，应涵盖未来几十年内所有可能的可能性。2020年代初的净空可能在20 GWe左右，如果是这种情况，模型预测风力发电机组的经济上限将在35 GWe左右，约为2017年规模的两倍。事实上，如果所有正在使用或在2017年底获得许可的涡轮机都投入使用，它们将使风力发电机组达到其经济上限。任何进一步的投资都将导致风电机组效率的大幅下降，因为当风力发电量超过电网要求时，需要减少风力发电量，除非其他因素导致风电机组的净空增加。英国老化的核反应堆退役而无需更换，或者引进大量电动汽车（以取代柴油和汽油车），这将增加风电机组的净空，从而提高其经济上限。

模型表明，净空增加5 GWe将使风力发电机组的经济上限增加10 GWc（至45 GWc），净空增加10 GWe将使风力发电机组的经济上限增加20 GWc（至55 GWc）。还讨论了随着风力发电机组规模的增加，风力发电机组在减少二氧化碳排放方面的效率降低。这是因为风力发电机组首先取代了煤炭发电，但一旦煤炭发电完全被取代，就取代了天然气发电。最近发生的一件事是风能和太阳能发电机组之间为接入电网而进行的竞争（Gosden，2017）。2017年的实时记录显示，太阳能发电机组已经开始减少风力发电机组的可用净空，这是首次将太阳能发电纳入其中。很明显，如果一种可再生能源不损害另一种可再生能源的经济，那么未来对这两种可再生能源的投资将需要协调。19缩写CCGT联合循环燃气轮机HDRM风电机组的（年均）净空WC风电机组容量，单位为千兆瓦特（Gigawattsgw），在千兆瓦特（GigawattsocGT）的情况下，发电量为千兆瓦特（GigawattsocGT），具有特殊或限制意义的开放式循环燃气轮机术语，基本发电量汇总从优先接入电网的来源获得的发电量，例如：。

核能发电电网需求GridWatch记录的电网需求GridWatch可以访问英国每5分钟一次的发电记录的网站Headloom电网需求与基本发电负荷系数之间的差异风电场的年平均发电量除以其容量边际效率风电场发电量增量增加风电场增量增加船队容量，以及GWe与GWc曲线的梯度，从中可以直接计算边际效率。Gridwatch网站记录的风力发电量风力发电量（约占英国总风力发电量的60%）参考Barnhart，C.J.，Dale，M.，Brandt，A.R.&Benson，S.M.2013。限制太阳能和风能发电与储存的能量影响。《能源与环境科学》，6（10），第2804-2810页。BBC新闻。2016年，英国公路上的汽车每年[在线]增加近60万辆。伦敦：BBC。可用：https://www.bbc.com/news/uk-england-35312562【2018年6月17日查阅】。商业、能源和工业战略部。2018年，《英国能源统计》；统计新闻稿–2018年3月[在线]。伦敦：商业、能源和工业战略部，。可用：https://www.gov.uk/government/news/uk-energy-statistics-statistical-press-release-march-2018【2018年6月17日查阅】。爱德华兹诉2017年。埃隆·马斯克（ElonMusk）的特斯拉（Tesla）将为南非制造巨型电池。澳大利亚，2017年7月7日，提供：http://www.theaustralian.com.au/business/mining-energy/elon-musks-tesla-to-help-build-worlds-largest-lithium-ion-battery-for-sa/news-story/ff818dd5da6d8ebb1bf880d7900f1672【2017年10月11日查阅】。Eller，A.&Gauntlett，D.2017年。新兴市场的储能趋势和机遇。IFC会议版，Navigant Consulting（美国博尔德）。20 Gosden，E.，2017年。

可以向风电场支付停止发电的费用。《泰晤士报》2017年4月7日，提供：https://www.thetimes.co.uk/article/wind-farms-could-be-paid-to-stop-producing-power-qqm5dl7wk【2017年10月12日查阅】。Gridwatch。2017年，G.B.国家电网状态（数据由埃克森门户网站和谢菲尔德大学提供）[在线]。圣殿骑士。可用：http://www.gridwatch.templar.co.uk/[2017年4月4日查阅]。Judge，B.2016年。当谈到核能的未来时，是时候小心谨慎了。伦敦：泰晤士报。可用：http://www.thetimes.co.uk/article/when-it-comes-to-nuclears-future-its-time-to-think-small-ntnqhvnrr【2018年6月17日查阅】。Korchinski，W.2013年。风力发电的限制。政策研究403，亚当·斯密研究所（华盛顿）。麦凯博士，2009年。可持续能源-没有热空气，剑桥大学：UIT剑桥大学。Marcacci，S.2013年。研究：电池储能的好处不在风中翱翔[在线]。清洁Technica。可用：https://cleantechnica.com/2013/09/13/study-battery-energy-storage-works-for-solar-but-not-wind/【2018年6月17日查阅】。英国国家统计局。2018年、2017年英国温室气体排放量；暂定数字。商业、能源和工业战略部（伦敦）。Papaioannou，V.、Coker，P.、Potter，B.&Livina，V.2017年。2009-2016年英国随时间变化的电网碳强度。SEM 2017。皇家工程学院。2014年，《风能报告》。皇家工程学院（伦敦）。汽车制造商和贸易商协会。2018年，《2018年新车二氧化碳排放报告：第17次报告》。SMMT（伦敦）。Stephens，A.D.&Walwyn，D.2017年。在欧洲需求旺盛的情况下，英国电力进口的安全性。arXiv，1802.07457，第1-8页。Stephens，A.D.&Walwyn，D.R.2016年。

英国风能：装机容量增加对发电效率影响的建模。arXiv，1611.04174，第1-12页。