水电、风电与太阳能：南美洲及中美洲100%可再生能源供应之路

目录

1. 引言与概述

本研究提出了一项开创性的、以小时为分辨率的能源系统建模研究，旨在探讨到2030年在南美洲及中美洲实现100%可再生能源供应的可行性。该地区目前因水电渗透率高而拥有全球碳强度最低的电力结构，但也面临着气候变化对水资源构成威胁的重大挑战。本研究探讨了向以水电、风电和太阳能光伏为主导的能源系统转型的技术与经济可行性，该系统由高压直流输电和电转气等赋能技术提供支持。

2. 研究方法与情景设定

2.1. 能源模型与区域划分

分析采用线性优化模型，以最小化系统年化总成本。地理区域被细分为15个互联的子区域，以模拟能源交换。该模型基于一个参考年份的小时分辨率数据，捕捉可再生能源的波动性。

2.2. 定义的情景

为评估基础设施和部门耦合的影响，设定了四种主要情景：

• 情景1（区域级）： 高压直流电网有限，主要存在于大型子区域内。
• 情景2（国家级）： 增强国家内部的高压直流连接。
• 情景3（全区域）： 在所有15个子区域间实现完整的高压直流电网整合。
• 情景4（整合型）： 在情景3的基础上，增加了用于海水淡化（39亿立方米）和通过电转气生产合成天然气（640太瓦时_LHV）的电力需求。

2.3. 海水淡化与电转气技术的整合

整合型情景是一项关键创新，超越了单纯的电力供应。它通过海水淡化解决水资源短缺问题，并利用原本会被弃用的过剩可再生能源电力，为难以电气化的工业过程提供碳中和燃料（合成天然气）。

3. 关键结果与发现

3.1. 能源结构与装机容量

最优能源结构以太阳能光伏为主导（约占发电量的50-60%），其次是风电（约占20-30%）和水电（约占10-20%）。现有的水电装机容量不仅在发电方面，更重要的是在提供灵活性方面发挥着关键作用。

3.2. 成本分析：平准化度电成本、平准化燃气成本、平准化水成本

电网集中化降低了成本。平准化度电成本从分散式（区域级）情景下的62欧元/兆瓦时下降到完全集中式（全区域）情景下的56欧元/兆瓦时。整合型情景以所述成本生产合成天然气和淡化水，展示了部门耦合的经济潜力。

3.3. 水电作为虚拟储能的作用

一个关键发现是利用现有水坝作为“虚拟电池”。通过结合太阳能和风电出力策略性地调度水电，可以大幅减少对额外电化学储能的需求。这利用了沉没的基础设施成本，为电网稳定性带来了巨大效益。

3.4. 系统整合的效益

整合海水淡化和电转气技术，使得所需发电量减少了5%，系统总成本降低了8%。这是通过利用原本会被弃用的可再生能源实现的，从而提高了整体系统利用率和经济性。

4. 技术细节与数学公式

模型的核心是一个成本最小化问题。目标函数是最小化年化总成本 $C_{total}$：

$C_{total} = \sum_{t, r} (C_{cap} \cdot Cap_{r, tech} + C_{op} \cdot Gen_{t, r, tech} + C_{trans} \cdot Trans_{t, r1, r2})$

约束条件包括：

• 能量平衡： $\sum_{tech} Gen_{t,r,tech} + \sum_{r2} Trans_{t, r2, r} = Demand_{t,r} + \sum_{r2} Trans_{t, r, r2} + Storage_{out, t, r} - Storage_{in, t, r}$，适用于所有小时 $t$ 和区域 $r$。
• 容量限制： $Gen_{t,r,tech} \leq CF_{t,r,tech} \cdot Cap_{r, tech}$，其中 $CF$ 是小时容量因子。
• 储能动态： $E_{t+1, r} = E_{t, r} + \eta_{in} \cdot Storage_{in, t, r} - \frac{1}{\eta_{out}} \cdot Storage_{out, t, r}$
• 水库调度管理： 模拟来水、库容限制和最小环境流量的约束条件。

电转气过程以效率 $\eta_{PtG}$（例如，合成天然气约为58%）建模，将电力输入 $E_{in}$ 与燃气输出 $G_{out}$ 联系起来：$G_{out} = \eta_{PtG} \cdot E_{in}$。

5. 实验结果与图表说明

图表1：各情景下的装机容量
一个堆叠条形图将展示四种情景下太阳能光伏、风电、水电和燃气轮机（在某些情景下作为备用）的装机容量（吉瓦）。由于电转气带来的额外需求，“整合型”情景显示出最高的总装机容量。

图表2：代表性子区域（例如，巴西东南部）的小时发电曲线
一个为期一周的多线图将显示水电发电如何平滑太阳能光伏的巨大日间峰值和风电的波动性输出。“虚拟电池”效应在视觉上很明显：在阳光充足/风力强劲的时段，水电发电量下降；在夜间或无风时段，水电发电量上升。

图表3：系统成本构成
整合型情景的饼图显示了年化总成本中各部分的占比：太阳能光伏资本支出与运营支出、风电资本支出与运营支出、高压直流电网、电转气工厂和海水淡化工厂。这突显了能源转型的资本密集型特性。

6. 分析框架：情景建模示例

案例：评估电网扩建与本地储能
智利（太阳能资源丰富）的一家公用事业公司正在考虑是投资一条通往阿根廷（风能/水电资源互补）的新高压直流线路，还是建设一个大型电池储能场。

框架应用：
1. 定义节点： 智利（节点A），阿根廷（节点B）。
2. 输入数据： 节点A的小时太阳能容量因子，节点B的小时风能/水电容量因子，需求曲线，高压直流线路（美元/兆瓦-公里）和电池（美元/千瓦时）的资本成本。
3. 运行模型变体：
- 变体1（孤立运行）： 节点A必须本地满足其需求，需要大量电池容量来覆盖夜间用电。
- 变体2（互联运行）： 节点A和B通过一条规定容量的高压直流线路连接。白天，节点A的过剩太阳能可以输送到节点B；夜间，节点B的水电/风电可以供应节点A。
4. 优化与比较： 模型最小化两种变体的总成本。结果通常表明，即使考虑输电成本，变体2 也更便宜，因为它减少了节点A对昂贵储能的需求，并更好地利用了节点B现有的灵活水电资源。这反映了本研究关于输电价值的核心发现。

7. 批判性分析与专家解读

核心见解： 这项研究不仅仅是一个绿色幻想；它是一个务实的工程蓝图，揭示了南美洲现有水电基础设施中蕴含的潜在财务和战略价值。真正的突破在于将水坝重新定位，不仅仅是发电机，更是大陆规模的、零边际成本的电网稳定器——一个可以节省数千亿美元新储能投资的“虚拟电池”。这将潜在的气候脆弱性（水文变化）转变为韧性的基石。

逻辑脉络： 论证过程极具说服力：1) 波动性可再生能源（太阳能/风能）现在是最便宜的能源。2) 其间歇性是主要问题。3) 南美洲拥有一个独特的、已预付成本的解决方案——其庞大的水电装机，可以通过数字化重新优化，以储能优先模式运行。4) 在互补区域（例如，多风的巴塔哥尼亚到阳光充足的巴西东北部）之间增加高压直流“连线”，创造了地理上的电池效应，进一步降低成本。5) 最后，利用过剩的可再生能源电力制造分子（燃气）和水，解决了相邻的数十亿美元的工业和资源短缺问题，创造了良性的经济循环。

优势与不足：
优势： 小时级建模是可信的可再生能源研究不可或缺的先进方法。部门耦合（电转气、海水淡化）超越了学术练习，具有现实世界的政策相关性。利用现有水电是务实思维的精妙之举。
不足： 模型的优雅掩盖了严峻的政治和监管障碍。建设横跨大陆的高压直流电网涉及类似于欧盟所面临的主权难题。对于这种规模的项目融资和许可，2030年的时间表过于乐观。它还假设社会对新的大型基础设施持许可态度，而这正日益受到质疑。成本估算虽然参考了2015年的数据，但在2022年后的通货膨胀和供应链冲击之后急需更新。

可操作的见解：
1. 对监管机构： 立即改革电力市场设计，从财务上奖励灵活性和容量（而不仅仅是能量）。水电运营商应获得类似于电池的“平衡服务”报酬。
2. 对投资者： 最大的近期机会不在于新建太阳能电站，而在于对现有水电进行数字化和控制系统升级，以最大化其电网平衡收入。
3. 对政府： 从双边“能源桥梁”条约（例如智利-阿根廷）作为试点项目开始。将研发重点放在降低电转气电解槽的资本支出上，因为这是整合型情景的关键。
4. 关键路径： 最重要的成功因素是输电。没有它，虚拟电池仍然是分散的。一个以欧洲TEN-E为蓝本的泛美洲电网倡议，必须成为外交优先事项。

8. 未来应用与研究展望

• 绿氢出口： 模型的电转气组件可以扩展，用于模拟大规模绿氢生产以出口到欧洲和亚洲，将南美洲转变为可再生能源强国。
• 气候韧性建模： 未来的工作必须整合更精细的气候模型，以压力测试系统应对水文循环和风模式预期变化的能力。
• 分布式能源资源整合： 将屋顶太阳能、用户侧储能和电动汽车充电纳入模型，以了解它们对集中式电网规划的影响。
• 先进储能价值评估： 详细分析水电灵活性提供的经济价值，创建标准化指标以吸引现代化投资。
• 政策与市场模拟： 将技术经济模型与基于主体的模型相结合，以模拟监管框架、投资行为和跨境电力交易协议。

9. 参考文献

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2. 国际能源署. (2014). 世界能源展望 2014.
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