《Energy Reports》：A residual load-based methodology for assessing climate change impacts on electricity systems and identifying extreme events
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本文提出了一种基于剩余负荷（Residual Load, RL）的方法，用于评估气候变化对电力系统的影响并识别极端事件。研究人员以奥地利（Austria, AT）和欧盟（European Union, EU）为研究区域，将RL作为评估电力系统充裕度（Adequ
本文提出了一种基于剩余负荷（Residual Load, RL）的方法，用于评估气候变化对电力系统的影响并识别极端事件。研究人员以奥地利（Austria, AT）和欧盟（European Union, EU）为研究区域，将RL作为评估电力系统充裕度（Adequacy）与供应安全的关键指标。研究结合了温和（Representative Concentration Pathway, RCP 4.5）与强烈（RCP 8.5）两种气候变化情景，并采用脱碳需求（Decarbonisation Needs, DN）能源转型路径，系统分析了2035–2064年（围绕2050年）与2071–2100年（围绕2086年）两个30年时期内RL指标的时空演变特征。结果表明，RCP 8.5情景下，RL高峰时段（Peak Periods of Residual Load, PPRL）向夏季月份偏移。在奥地利，RCP 8.5增加了PPRL发生的频率变率，并将PPRL最大持续时间缩短至33–34天。相较于奥地利，欧盟层面的PPRL事件发生频率更低且持续时间更短，凸显了电力系统互联互通的平滑效应。研究提出的方法为在气候变化背景下评估电力系统极端事件提供了系统性的分析框架，对电力系统长期规划与韧性提升具有重要参考意义。
随着欧洲及各国电力系统向安全可持续未来转型，可变间歇性可再生能源（Variable Intermittent Renewable Energy, VRE）在电力结构中的占比持续提升，供需平衡对气象条件的依赖日益增强。剩余负荷（Residual Load, RL），即电力需求与非调度型可再生能源发电（光伏、风电及径流式水电）之差，已成为评估电力系统充裕度与供应安全的关键指标。然而，现有研究多将气候变化对电力系统供需两侧的影响割裂分析，缺乏系统性的RL指标与多情景气候预估的整合框架；长期极端事件在基于情景的分析中亦未得到充分表征；同时，缺乏国家级与欧盟层面并行评估的中长期（2050年与2086年）电力系统充裕度研究。
为填补上述研究空白，研究人员提出了一套基于RL的方法论框架，旨在（i）系统评估气候变化对电力系统的影响，（ii）识别并分析广泛气候情景数据集中的极端事件。研究人员以《脱碳需求（Decarbonisation Needs, DN）》能源转型路径为基础，设定了高电力需求与高VRE占比的未来脱碳电力系统，并结合两种气候变化情景——中等的RCP 4.5（Representative Concentration Pathway 4.5）与强烈的RCP 8.5，对奥地利（Austria, AT）及欧盟（European Union, EU）层面（不含塞浦路斯）进行了多年度RL指标分析，并重点聚焦于奥地利所属的中欧（Central European, CEU）次区域。研究的时间范围涵盖中期（2050年，即2035–2064年）与长期（2086年，即2071–2100年）两个30年气候时期。
该研究在方法论上的主要贡献可归结为三个支柱：（i）将RL指标与气候情景分析系统性融合，综合了天气敏感与非天气敏感的电力供需组分；（ii）在扩展且可变的地理范围内，对电力系统极端天气事件进行识别与综合分析；（iii）在欧盟及国家（奥地利）层面，运用中等与强烈气候变化情景，对中期（2050）与长期（2086）视角进行联合评估。研究结果揭示了气候变化背景下RL动态特征的演变规律，为电力系统长期规划与极端事件应对提供了科学支撑。
在方法层面，研究人员采用了以下关键技术途径。首先，研究人员使用了公开可获取的SECURES-Met气象数据集，该数据集包含每小时温度、太阳辐射、风速以及每日水电潜力数据，覆盖欧盟+国家。基于这些气象变量，研究人员利用Sch?niger等人（2026）开发的方法将小时级气象时间序列转换为相应的电力需求曲线（考虑天气依赖的供暖、制冷和电动出行）以及风电、光伏和水电供应曲线，时间跨度为1981–2100年。其次，研究人员在完全脱碳的DN情景框架下，基于Resch等人（2022）的欧盟电力市场与网络愿景，构建了2050年奥地利、CEU及欧盟的年度电力需求与发电装机容量预测。在此基础上，研究人员以小时为时间步长，利用Python计算工具对全部气象年份的RL进行了计算，并开发了多项RL指标，包括：累计小时RL（Accumulated hourly RL）、总正RL（Total-Positive RL）、最大正RL（Maximum Positive RL）、总负RL（Total-Negative RL）、最大负RL（Maximum Negative RL）、最大正梯度（Maximum Gradient-Positive）、最大负梯度（Maximum Gradient-Negative），以及RL高峰时段（Peak Periods of Residual Load, PPRL）。其中，PPRL定义为小时滑动周平均RL超过30年正值RL第80百分位数阈值且持续超过七天的时段。为选择代表性极端与正常天气年，研究人员从气象角度识别了强热浪（HW）、暗无风（DD）时期及正常年份，并进一步从电力系统角度利用PPRL及水电流域枯竭持续时间（Hydro-RoR Lull Duration, HLD）等指标对候选年份进行筛选。
研究结果部分涵盖了多年度RL分析、极端天气年的选择与评估，以及奥地利和欧盟层面RL指标的变化分析。
在多年度分析方面，针对奥地利，累计小时RL的分布显示，所有情景下年度总RL总体保持正值，表明存在普遍的VRE供应缺口。RCP 8.5下的平均正向RL低于RCP 4.5，这主要归因于强气候变化情景下冬季供暖电力需求降低以及风电和径流式水电容量因子提高。到2086年，RCP 8.5展现出更大的正负双向波动，表明气候变化增加了多年度RL变率并扩大了年度供需失衡的分布范围。PPRL计数分析显示，各情景下PPRL年均发生约两次；到2086年RCP 8.5情景下，频率变率增大，极端年份每年最多可发生六次。在持续时间方面，RCP 8.5相比RCP 4.5通常呈现更短的事件持续时间，且从中期到长期两种情景下PPRL事件平均持续时间均略有下降。月度分析表明，PPRL事件主要发生在冬季月份。RCP 4.5下PPRL事件在12月达到峰值，而RCP 8.5下峰值略向11月偏移。值得注意的是，RCP 8.5情景下出现了8月份（2050年和2086年）的PPRL事件，而RCP 4.5情景下未观察到这一现象，表明强气候变化下PPRL事件的季节性分布趋于拓宽。在欧盟层面，所有情景下累计小时RL均呈负值，表明欧盟整体存在发电盈余。RCP 8.5下平均负值略高于RCP 4.5，表明更强气候变化导致更高的VRE发电量。欧盟PPRL事件的发生频率约为每年两次（RCP 4.5），RCP 8.5下有所下降；平均持续约10天，最大约20天。相较于奥地利，欧盟层面的PPRL持续时间更短，这归因于更大地理范围内需求与VRE发电的同步性降低所产生的平滑效应。所有情景均显示PPRL事件可发生于6月和7月，且随着气候变化增强，事件呈现向夏季月份偏移的轻微趋势。
在极端天气年的选择方面，研究人员以RCP 4.5和DN?2050情景为例，通过气象与电力系统双重视角识别代表性年份。正常年份选定为2062年，该年累积年度RL值接近平均水平，PPRL事件计数接近30年平均值，且无异常高PPRL总量或持续时间。DD年份选定为2037年，该年1月起始的PPRL事件持续49天（为30年期内最长），主要归因于低水电出力与高电力需求的叠加。热浪年份选定为2046年，该年在CEU区域出现持续14天的夏季PPRL事件，并伴随CEU区域长达70天（奥地利为17天）的水电枯竭持续时间（HLD），综合反映了高温、低风、低水电的复合极端条件。
在选定年份的RL指标评估中，奥地利的分析表明，与2023年现状相比，2050年完全脱碳电力系统的RL指标在正负两个方向均显著增大。总正RL（Total-Positive RL）从2023年的18.4 TWh增至DD年份的最高59.9 TWh；总负RL（Total-Negative RL）的绝对值从1.3 TWh增至39.2 TWh（正常年份），放大约30倍。最大正负梯度（ramp rates）的绝对值约为2023年的六倍，其中HW情景下的正负梯度略高于正常或DD情景，表明热浪年份对系统爬坡能力提出了更高要求。欧盟层面的分析显示，当前（2023年）的零RL在2050年脱碳情景下转为负值（发电盈余）。极端事件（特别是DD）使年累计RL从负值区间（正常年份?339 TWh）升至?185 TWh（DD年份），总正RL在DD年份达到910 TWh。HW情景下最大负梯度呈现出更极端的异常值，表明大规模VRE盈余时段对系统向下调节能力构成挑战。
在讨论与结论部分，研究人员指出，PPRL指标在奥地利情境下对识别DD事件尤为有效，因为这些事件主要发生在冬季月份（1月、11月和12月），且具有较长的持续时间特征（如2037年最长49天）。然而，PPRL对识别夏季热浪相关极端事件的能力有限，需结合地域互联视角（如考虑中欧区域）以及补充指标（如HLD）加以完善。多年度分析结果表明，RCP 8.5情景下PPRL事件的频率变率在长期（2086年）显著增强，但事件持续时间缩短，这表明强气候变化可能导致更频繁但不那么持久的供需缺口事件。欧盟层面的分析则表明，更大地理范围带来的同步性降低有助于缩短极端事件持续时间，强调了欧洲电力系统互联互通在缓解气候变化极端事件冲击方面的重要作用。就长期规划而言，研究人员强调，将极端与正常天气年纳入电力系统规划至关重要，RL指标体系可为系统灵活性需求评估、储能容量配置及电网基础设施规划提供定量依据。在结论部分，研究人员指出，RL作为识别电力系统临时性发电缺口与盈余的关键指标，对提升系统规划与运行中的灵活性管理水平具有重要作用。本研究提出的基于RL的极端事件识别方法，结合多情景气候预估，为气候变化背景下电力系统韧性评估提供了系统性工具。未来研究应进一步结合能源系统模型，针对识别出的极端年份进行详细的机组组合与运行模拟，以量化具体灵活性资源（如储能、需求响应、电网扩容）的需求规模与投运时机。
