氣候變化與能源系統(tǒng)的交互

氣候變化與能源系統(tǒng)的交互

氣候變化是當(dāng)前國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注的全球化的重要問(wèn)題。許多觀測(cè)資料表明,地球正在經(jīng)歷以全球氣候變暖和極端氣候事件頻率/強(qiáng)度增加為主要特征的氣候變化問(wèn)題(P31-33)。氣候變化正成為一種緩慢發(fā)生的災(zāi)害,給人類社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重影響,其潛在損失給世界各國(guó)提出了適應(yīng)氣候變化的要求。有關(guān)氣候變化影響的研究,主要集中在由氣候變化帶來(lái)的一般性物理影響,包括作物生長(zhǎng)和蟲害、徑流量及水資源短缺、疾病與健康、生態(tài)系統(tǒng)、動(dòng)物遷移等。對(duì)能源系統(tǒng)與氣候變化之間的關(guān)系,更多的研究關(guān)注“能源消費(fèi)對(duì)GHG排放及氣候變化問(wèn)題”,而對(duì)能源部門的氣候變化易損性研究并不多,且大多僅著眼于能源系統(tǒng)一個(gè)方面。從能源供應(yīng)鏈不同層次的視角,Schaeffer等對(duì)目前能源系統(tǒng)的氣候變化易損性問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)和歸納;Mideksa等綜述了氣候變化對(duì)電力市場(chǎng)的影響;從區(qū)域的視角,Wil-banks研究了氣候變化對(duì)美國(guó)能源生產(chǎn)和使用的影響(P7-64);Ebinger歸納了能源部門適應(yīng)氣候變化影響的若干關(guān)鍵問(wèn)題(P26-51);Yau等則綜述了氣候變化對(duì)熱帶地區(qū)商業(yè)建筑和技術(shù)服務(wù)的影響。本文以氣候變化對(duì)能源系統(tǒng)的影響為主題,對(duì)近十幾年來(lái)的最新國(guó)際文獻(xiàn)進(jìn)行全面的綜述及展望。在闡述主流研究問(wèn)題的同時(shí),歸納比較了其中的關(guān)鍵研究方法及各自優(yōu)缺點(diǎn)。最后根據(jù)目前研究的特點(diǎn),提出了可能的發(fā)展方向。一、u3000氣候變化對(duì)能源需求的影響氣候變化對(duì)能源需求端影響的研究廣泛關(guān)注氣溫變化對(duì)建筑/居民部門能源需求,尤其是電力需求。這是因?yàn)?氣溫升高趨勢(shì)導(dǎo)致冬季更為舒適而夏季更為不適,進(jìn)而使取暖需求降低,制冷需求增加,取暖制冷又大多由電力支撐。McGilligan等指出建筑部門是容易受到氣候變化尤其是全球變暖挑戰(zhàn)的部門。IPCC第三次評(píng)估報(bào)告將氣候變化對(duì)建筑部門的影響總結(jié)為“電力需求增加,而能源供給可靠性降低”。許多學(xué)者針對(duì)不同國(guó)家、地區(qū),探討了氣候變化/CO2濃度增加對(duì)能源需求/消費(fèi)的影響,其中大多數(shù)研究針對(duì)取暖制冷能源需求。如Bhartendu等用回歸方法估算了在大氣中CO2濃度增加一倍情景下,美國(guó)安大略省的冬季取暖和夏季制冷帶來(lái)的能源需求變化。Baxter等采用能源終端利用模型估計(jì)了到2010年全球變暖的兩種情景下,美國(guó)加利福尼亞州的能源消費(fèi)和用能峰值變動(dòng)情況。Ruth等綜合氣候因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素,研究了氣候變化對(duì)美國(guó)馬里蘭州能源需求的影響,并依據(jù)HadCM2提供的溫度情景進(jìn)行預(yù)測(cè),指出經(jīng)濟(jì)因素的影響要大于氣候因素。Mirasgedis等利用PRECIS(Providingu3000RegionalClimatesu3000foru3000Impactsu3000Studies)模型得到氣候參數(shù)情景,進(jìn)一步建立了希臘氣候變化對(duì)電力需求的影響模型,并用模型預(yù)測(cè)未來(lái)氣候情景下電力需求的變化(如表1所示)。從表1中可以看出,氣候變化對(duì)能源需求影響的研究結(jié)果差異較大,主要是因?yàn)?(1)研究對(duì)象的不同;(2)研究方法的區(qū)別;(3)預(yù)測(cè)情景的選取不同。這說(shuō)明,為了解氣候變化對(duì)一個(gè)國(guó)家或地區(qū)能源需求的影響,不能直接挪用其他國(guó)家或地區(qū)的研究結(jié)論,而應(yīng)該采用合適的研究方法并根據(jù)預(yù)設(shè)的氣候變化情景開展特定國(guó)家或地區(qū)的研究。二、u3000主要影響因子分析氣候變化對(duì)能源供給端的影響研究中,大多是圍繞可再生能源的開發(fā)利用,主要研究由氣候因子變化所造成的能源資源稟賦以及生產(chǎn)能力的改變?？稍偕茉瓷a(chǎn)受氣候條件影響比化石能源更大,因?yàn)檫@種“能源”與全球能量守恒及所導(dǎo)致的大氣流動(dòng)相關(guān)。因此,未來(lái)全球氣候變化將對(duì)可再生能源供給產(chǎn)生較大影響。Paue47dicko等研究了氣候變化對(duì)克羅地亞太陽(yáng)能、風(fēng)能和水能的影響,其氣候情景數(shù)據(jù)來(lái)自全球氣候模型ECHAM5-MPIOM和區(qū)域動(dòng)態(tài)降尺度氣候模型RegCM,在IPCC未來(lái)氣候情景A2(2011—2040和2041—2070)基礎(chǔ)上得出結(jié)論:氣候變化對(duì)克羅地亞沿海及瀕臨區(qū)域可再生能源的影響最大,其中第一階段風(fēng)速預(yù)計(jì)增加20%,將使風(fēng)力發(fā)電增產(chǎn)一倍,對(duì)光伏發(fā)電的影響為中性,2050年以后水電生產(chǎn)預(yù)計(jì)將減產(chǎn)10%。Pryor等綜述了氣候變化對(duì)風(fēng)能的影響,并得出結(jié)論:有時(shí)氣候變遷可能會(huì)使風(fēng)能產(chǎn)業(yè)受益,有時(shí)則對(duì)風(fēng)能發(fā)展有負(fù)面影響,具體地,(1)對(duì)風(fēng)力資源(風(fēng)力強(qiáng)度和風(fēng)力資源變化)的影響;(2)對(duì)風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)及渦輪設(shè)計(jì)的影響,包括極端風(fēng)速/狂風(fēng)、冰凍、海面結(jié)冰/永動(dòng)等因素的影響。巴西的能源供給很大程度上依賴于可再生能源資源,2007年可再生能源占總能源生產(chǎn)的47%,所以巴西可再生能源的氣候變化易損性問(wèn)題引起較多關(guān)注。Deu3000Lucena等分析了在一系列長(zhǎng)期氣候預(yù)測(cè)排放情景下(IPCC的A2和B2),巴西水電生產(chǎn)和液態(tài)生物燃料生產(chǎn)的易損性,結(jié)果表明最貧窮地區(qū)的能源易損性逐漸增大,生物燃料(尤其是生物柴油)和電力生產(chǎn)(尤其是水電)將受到負(fù)面影響。他們還通過(guò)模擬IPCC的A2和B2情景下的風(fēng)力條件,分析了全球氣候變化對(duì)巴西風(fēng)力發(fā)電潛力的可能影響。其中,巴西的降尺度風(fēng)力預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)源自由Hadley中心開發(fā)的PRECIS模型。三、能源供需的變化很大比例的研究均涉及以不同氣候情景來(lái)分析能源供需的變化。因此,下面分別就氣候情景預(yù)測(cè)方法和供需影響評(píng)估研究方法來(lái)論述現(xiàn)有的關(guān)鍵研究方法。(一)預(yù)測(cè)情景研究目前IPCC氣候情景是應(yīng)用最為廣泛也較為權(quán)威的溫室氣體排放及氣候變化情景。IPCC致力于開發(fā)大氣海洋一般循環(huán)模型(Generalu3000Circulationu3000Model,GCM),可以預(yù)測(cè)較高精度的5*5經(jīng)緯度格點(diǎn)氣候模式,主要包括英國(guó)的HadCM3、美國(guó)的PCM、加拿大的CGCM2。IPCC根據(jù)不同的社會(huì)、人口、環(huán)境、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展軌跡,開發(fā)了四組全球范圍內(nèi)的排放預(yù)測(cè)情景(如表2所示)。由于氣候變化對(duì)能源的影響研究基本上集中于局部區(qū)域或城市尺度,非全球尺度,而IPCC提供的預(yù)測(cè)情景難以直接應(yīng)用于微觀區(qū)域范圍,因此,需要得到降尺度的氣候情景。從現(xiàn)在文獻(xiàn)來(lái)看,降尺度氣候變化情景預(yù)測(cè)方法大致可以分為兩類:動(dòng)態(tài)降尺度方法和統(tǒng)計(jì)降尺度方法。其中,動(dòng)態(tài)降尺度方法主要指的是應(yīng)用區(qū)域氣候模型(Regionalu3000Climateu3000Model,RCM)來(lái)分解氣候情景,如美國(guó)的NARCCAP項(xiàng)目,歐洲的PRUDENCE和ENSEMBLES模型。統(tǒng)計(jì)降尺度方法則主要是通過(guò)運(yùn)用大尺度氣候資料和局部區(qū)域氣候變量間的實(shí)證關(guān)系函數(shù),推測(cè)區(qū)域未來(lái)氣候情景。動(dòng)態(tài)降尺度在理論上優(yōu)于統(tǒng)計(jì)降尺度,并且即使無(wú)法獲取區(qū)域地表觀測(cè)變量,也可以應(yīng)用于任何區(qū)域地點(diǎn),但缺點(diǎn)是計(jì)算量大且對(duì)計(jì)算機(jī)的要求很高。統(tǒng)計(jì)(實(shí)證)降尺度方法不需要諸如地標(biāo)山川、粗略地圖等額外數(shù)據(jù),但需要?dú)夂蛟財(cái)?shù)據(jù),相對(duì)RCM來(lái)講,計(jì)算成本小。(二)熱平衡模擬法u3000從目前文獻(xiàn)來(lái)看,評(píng)估氣候變化對(duì)能源供需影響的研究方法大致包括三類:熱平衡模擬法、度日回歸的計(jì)量方法和能源生產(chǎn)仿真模型。1.熱平衡模擬法。熱平衡模擬法以能量平衡和熱傳導(dǎo)為基礎(chǔ),建筑物參數(shù)(窗體材料等)、住戶參數(shù)以及氣候參數(shù)為主要指標(biāo),用仿真軟件來(lái)模擬天氣變化對(duì)建筑物熱量收支及能耗的影響。如Roetzel等用建筑模擬軟件EnergyPlus,模擬了希臘雅典不同的建筑設(shè)計(jì)方案和居住人數(shù)情景下,IPCC氣候變化A2情景(2020,2050,2080)對(duì)單元辦公室舒適度和能源消費(fèi)的影響。Xu等利用降尺度的GCM氣候數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)了2040、2070、2100年加利福尼亞建筑能源消費(fèi),研究發(fā)現(xiàn):制冷技術(shù)條件若保持不變,在IPCC最差的碳排放情景(A1F1)下,加利福尼亞一些地區(qū)未來(lái)100年制冷用電將增加50%;在IPCC最可能情景(A2)下,制冷電耗將增加25%。仿真軟件是EnergyPlus和DOE-2.1E,模擬方案包括16種不同的商業(yè)建筑原型。熱平衡模擬法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要詳盡的能源消費(fèi)或能源需求的實(shí)地?cái)?shù)據(jù),減輕了數(shù)據(jù)收集負(fù)擔(dān)。但其缺點(diǎn)是軟件內(nèi)部參數(shù)較多,模擬較為復(fù)雜,系統(tǒng)性差,仿真結(jié)果與實(shí)際建筑能效結(jié)果可能出現(xiàn)不一致。2.度日回歸的計(jì)量方法?；诙热?冷度日和暖度日)指標(biāo)的計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)回歸方法是氣候?qū)δ茉葱枨髠?cè)的影響評(píng)價(jià)研究中最常采用的研究方法類型,這方面的研究始于1980年代后期。度日是研究氣溫與能源消費(fèi)之間關(guān)系時(shí)最常用到的一種時(shí)間溫度指標(biāo),是指日平均溫度與規(guī)定的基準(zhǔn)溫度間的實(shí)際離差。為了研究方便,度日又分為:采暖供熱度日(Heatingu3000Degreeu3000Day,HDD,簡(jiǎn)稱熱度日)和制冷降溫度日(Coolingu3000Degreeu3000Day,CDD,簡(jiǎn)稱冷度日)。凡是平均溫度低于基礎(chǔ)溫度的均計(jì)入熱度日數(shù),而高于基準(zhǔn)溫度的均計(jì)入冷度日數(shù)。基準(zhǔn)溫度由人為設(shè)定,一般取18℃作為人體最舒適溫度。將冷度日和暖度日作為回歸元引入能源供需回歸模型中,即為最常見的度日回歸的計(jì)量方法。度日計(jì)量回歸模型由于方法簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)、結(jié)果穩(wěn)健等得到廣泛應(yīng)用,但其缺點(diǎn)在于需要收集大量的時(shí)間序列數(shù)據(jù)作為變量條件。3.能源生產(chǎn)仿真模型。能源生產(chǎn)仿真模型主要用于氣候變化對(duì)可再生能源生產(chǎn)影響的研究中,一般將氣候因子變量作為原始輸入變量,進(jìn)而利用降尺度方法得到對(duì)機(jī)組運(yùn)行起作用的有效氣候因子,最后由產(chǎn)量仿真模型進(jìn)行模擬。如Deu3000Lucena等在分析巴西水電生產(chǎn)和液態(tài)生物燃料生產(chǎn)的氣候變化易損性時(shí)運(yùn)用了能源生產(chǎn)仿真模型。首先,由大尺度GCM模型預(yù)測(cè)得到目標(biāo)年的天然降雨量,然后用統(tǒng)計(jì)降尺度方法ARMA12季節(jié)調(diào)整模型預(yù)測(cè)得到局部盆地詳細(xì)的水流量信息,兩者結(jié)合預(yù)測(cè)水電機(jī)組注入水流量,最后以此作為輸入變量輸入到能源生產(chǎn)仿真模型來(lái)預(yù)測(cè)水電產(chǎn)量。四、當(dāng)前研究的特點(diǎn)與未來(lái)發(fā)展的方向(一)天然氣文化遺產(chǎn)影響受氣候變化影響較多由于氣候變化是較長(zhǎng)期的影響和反應(yīng)過(guò)程,考慮氣候變化影響的能源供需預(yù)測(cè)研究的預(yù)測(cè)范圍大多是幾十年甚至上百年。不同的氣候情景直接影響預(yù)測(cè)結(jié)果,而未來(lái)溫室氣體排放總量、大氣溫室氣體濃度和全球氣候變化均存在較高的不確定性,這直接導(dǎo)致能源供需的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)結(jié)果同樣存在不確定性。例如,水電生產(chǎn)取決于水流量和全年不同時(shí)間的變化,長(zhǎng)期趨勢(shì)預(yù)測(cè)不會(huì)捕捉到這樣詳細(xì)的信息。此外,能源生產(chǎn)與使用除受氣候變化的影響外,還會(huì)受眾多其他因素的影響,如經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式、土地利用、人口增長(zhǎng)、技術(shù)水平、社會(huì)和文化差異等。因此,目前氣候變化對(duì)能源系統(tǒng)影響的預(yù)測(cè)研究還僅僅是方向性和趨勢(shì)性的情景分析,而非準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果,更加確定性的預(yù)測(cè)是未來(lái)研究中的重要問(wèn)題。(二)氣候變化的適應(yīng)性研究亟待加強(qiáng)在已有文獻(xiàn)中,有關(guān)氣候變化對(duì)能源系統(tǒng)影響的研究探討較多,而專門針對(duì)能源系統(tǒng)適應(yīng)氣候變化的研究較少。如果包括氣溫升高和極端氣候事件增多的氣候變化事實(shí)無(wú)法避免或快速減少,而通過(guò)適應(yīng)措施能夠有效降低其潛在的負(fù)面成本,那么,提高能源系統(tǒng)的氣候變化適應(yīng)性問(wèn)題就顯得尤為重要和緊迫。例如,改進(jìn)建筑防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)以適應(yīng)可能出現(xiàn)的暴雨現(xiàn)象,提高風(fēng)機(jī)的耐狂風(fēng)、耐永凍性能,開發(fā)設(shè)計(jì)智能電網(wǎng)以適應(yīng)氣溫變化帶來(lái)的用電峰谷等重要措施均可提高能源系統(tǒng)的適應(yīng)性。因此,為有效適應(yīng)氣候變化,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,在脆弱性研究基礎(chǔ)上的適應(yīng)性研究尤為重要。有關(guān)能源系統(tǒng)對(duì)氣候變化的適應(yīng)性是未來(lái)的重要研究方向。(三)注意電網(wǎng)系統(tǒng)的氣候變化易損性將氣候變化對(duì)能源供需的影響納入到能源長(zhǎng)期規(guī)劃中具有重要意義。然而,除對(duì)供需造成影響外,氣候變化還會(huì)對(duì)能源基礎(chǔ)設(shè)施、能源運(yùn)輸?shù)确矫娈a(chǎn)生影響。例如,