《Energy Strategy Reviews》：Energy system planning under variable solar and wind conditions: Pyrolysis as a key to system robustness through flexibility and negative emissions
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本研究针对气候中和电力系统中可再生能源波动性带来的挑战，探讨了如何通过整合热解技术来增强系统鲁棒性。研究人员基于40年历史气象数据，量化了不同天气年份对德国未来净零排放系统最优容量配置和成本的影响，发现暗弱期（dunkelflaute）持续时间是氢储能需求的关键驱动因素。结果表明，热解技术可提供可调度电力并产生负排放，在极端天气年份将氢储能需求降低80%以上，同时允许天然气发电在净零约束下临时运行。该研究为高比例可再生能源电力系统的灵活性与可靠性提供了创新解决方案。
随着全球能源转型进程加速，太阳能和风能等可再生能源在电力系统中的占比不断提升。然而，这些能源的间歇性和波动性给电网稳定运行带来了严峻挑战。特别是在德国这样的可再生能源发展领先国家，如何构建气候中和的电力系统成为能源政策和系统规划的核心议题。近年来频发的"暗弱期"事件——即同时出现低风速和低日照的极端天气条件，更是对高比例可再生能源系统的可靠性构成了严重威胁。
传统上，电力系统主要依赖化石燃料发电来平衡供需波动。但在净零排放目标下，这种方式的可行性受到严格限制。虽然氢储能被视为解决长期储能需求的关键技术，但其大规模部署面临成本高昂、基础设施复杂等挑战。在此背景下，寻找既能提供灵活性又不影响 decarbonization 目标的创新解决方案显得尤为重要。
在这项发表于《Energy Strategy Reviews》的研究中，Anna Sandhaas和Niklas Hartmann深入探讨了热解技术作为双重功能技术的潜力。热解是一种在限氧条件下将生物质转化为能源载体和生物炭的热化学过程，既能产生可调度电力，又能通过生物炭封存实现负排放。
研究人员采用MyPyPSA-Ger电力系统模型，结合40年历史气象数据，通过两种主要方法展开研究：首先进行40个不同天气年份的一步优化模拟，量化气象变异性对系统配置的影响；然后选择最具代表性的有利天气年（2018年）和挑战性天气年（1991年），在近视容量扩张框架下分析长期发展路径。研究特别关注了热解技术的整合效果，该技术被建模为同时提供电力和负排放的双输出技术。
关键研究方法包括：基于Python的电力系统优化建模、历史气象数据分析（使用Renewables.ninja数据集）、线性回归分析（评估天气指标与系统结果的相关性）、以及技术经济参数设定（涵盖投资成本、运行维护成本和燃料价格等）。
4.1. 确定未来电力系统布局的最有利和最挑战性天气年份
研究人员发现，不同天气年份对系统总成本和关键技术部署产生显著影响。年度化系统成本在630亿至860亿欧元之间波动，氢储能需求差异超过三倍。相关性分析表明，暗弱期持续时间与氢储能部署呈现最强相关性（R2=0.39），每增加一天暗弱期，氢储能需求约增加0.5TWh。
4.2. 通过近视优化评估有利和挑战性天气年份下的长期扩张路径和热解作用
在近视优化情景中，无热解技术时，系统严重依赖氢储能来应对暗弱期事件。在挑战性天气年份（DF情景），到2045年需要部署145GW燃料电池和32.0TWh氢储能。而引入热解技术后，系统配置发生根本性变化：热解电厂迅速扩张至可用生物质潜力上限，提供约12.6Mt CO2的负排放，使得约55-57GW的天然气发电容量得以保留运行。同时，氢储能需求大幅降低，在DF+P情景中仅为非热解情景的20%。
热解技术的运行策略显示，在暗弱期期间，热解气发电首先被调度作为最经济灵活的电源，天然气发电作为补充，氢储能则主要平衡剩余的不匹配。这种协调运行显著降低了氢储能的放电深度和频率，改变了系统的灵活性供应结构。
研究结论表明，天气年份变异性是影响气候中和电力系统设计的关键结构性因素。热解技术通过耦合可调度发电和持久碳移除，能够显著降低系统对天气变异的敏感性，将极端天气年份的氢储能需求降低80%以上。这种双重功能使热解成为增强可再生能源系统鲁棒性的关键使能技术。
讨论部分指出，虽然研究存在一定局限性（如未考虑跨境电力交易、气候变化影响等），但核心发现对基础设施和政策设计具有重要启示。将热解技术纳入灵活性组合可以减轻对单一储能技术的依赖，降低系统对极端天气的脆弱性。未来研究可进一步探索热解在多部门耦合框架下的系统价值，以及在不同气候政策情景下的经济性。
这项研究为高比例可再生能源系统的规划提供了新思路，强调天气变异性应作为设计参数而非边界条件处理。通过整合热解等负排放技术，可以构建更具弹性、成本效益更高的气候中和电力系统，这一模式对德国及其他高可再生能源占比地区具有重要借鉴意义。
