气候对电力需求和成本影响的综合建模

在世界各地，能源系统越来越受到气候变化影响的影响。能源系统，尤其是电力系统，容易受到自然压力因素的影响，例如野火、强风暴、极端温度和水文循环的长期中断。

“正如我们近年来所经历的那样，我们的系统面临越来越多的自然压力，例如去年德克萨斯州的寒流以及西部的野火和干旱，”能源工程教授莫特韦伯斯特说。“这些压力源越来越多地导致区域电力中断，我们有充分的理由认为，随着气候变化的加剧，这些压力在未来可能会增加。”

与气候相关的水资源压力和温度变化的影响可以通过能源系统级联，尽管模型尚未捕捉到这种复合效应。由宾夕法尼亚州立大学领导的一组研究人员开发了一种水-电-经济耦合模型，以在一项研究超过发电水温阈值的研究中捕捉这些重要的相互作用。

“模型通常彼此独立运行，”环境和资源经济学和公共政策教授、可持续农业、食品和环境科学研究所(SAFES) 所长、该项目的首席研究员凯伦·费舍尔-范登 (Karen Fisher-Vanden) 说关于耦合人类和地球系统(PCHES)，这是能源部支持的项目，为这项工作提供了资金。“在不断变化的天气模式和极端情况的不同情景下，对人类和自然系统的影响可能会有所不同，并且系统之间的相互作用可能至关重要。这项研究整合了多个现有模型来捕捉交互和反馈。”

该团队基于西部电力协调委员会可靠性系统对西部进行了案例研究，该系统对应于落基山脉以西的 12 个州以及不列颠哥伦比亚省、阿尔伯塔省和墨西哥北部的部分地区，探索系统的脆弱程度以及脆弱的时间和地点。他们的发现发表在《自然能源》杂志上。

该研究的主要作者韦伯斯特说：“我们的团队开发了一个框架来调查我们需要做些什么才能使我们的系统为未来 50 到 100 年的冲击做好准备，以及如何使它们更具弹性。” “例如，西部的长期缺水问题有增无减，干旱和热浪的频率和严重程度增加可能导致热力发电机的冷却水不足，从而限制电力供应。”

多部门动力系统，例如本研究中的水-电-经济耦合系统，由重叠和交叉的网络组成。本研究中的交叉框架着眼于流域和流域的区域网络、电网和区域经济。

韦伯斯特说：“我们的研究是第一个详细研究水资源压力如何通过电力系统一直波及经济损失的研究。” “我们的耦合模型框架捕捉了水、电力和经济系统之间的相互作用，同时保留了空间、时间和部门的细节。”

该团队对一系列气候强迫模式对水-电-经济耦合系统的影响的分析表明，较高的水温会导致一系列事件，因为冷却水摄入导致发电机离线-温度限制，更高的电力成本和未满足的电力需求，经济调整和用电部门的生产力下降。

研究小组发现，许多导致发电机因水温升高而停机的气候模式不会产生任何重大影响。对于任何给定的外部冲击，水-电-经济系统中的互连网络通过提供冗余和在空间上转移影响来减轻影响。

“这一结果的一个重要含义是，某一天可用发电容量的减少并不一定意味着任何重大成本，”韦伯斯特说。“我们的系统非常有弹性，因为我们在其中建立了很多冗余。真正破坏事物需要很大的冲击，这样能量就不会到达消费者手中。”

据研究人员称，大部分经济影响源于对特定时间和地点无法满足的电力需求。

“我们发现，在一天、一周和一年的关键时间，电力供应的间歇性中断是造成经济影响的主要原因，”韦伯斯特说。“整个区域经济的净消费损失每年可高达 0.3%，平均电力成本增加 3%，区域制造业的生产损失超过 1%。”

他们还发现，影响可能发生在与原始缺水压力不同的位置。

韦伯斯特说：“随着相互依存的系统因同时发生的许多压力源而变得更加紧张，只需再推一次就可以产生问题，而该问题可能会出现在其他地方，因为该系统是一个单一的互连网络。” “因此，随着更多的野火、干旱、洪水和寒流给系统带来压力，我们可能会看到更频繁的影响。尽管在过去的 50 年中，我们没有发生太多灾难性的中断，但我们确实需要为可能发生的事情做好准备，并在系统中构建比现在更多的冗余。”

结果强调了考虑重叠和交互系统网络之间的反馈的重要性。重要的是，这种类型的耦合模型方法允许研究人员保留在这些单独模型中的每一个中表示的空间、时间和部门的丰富性，这在一个通常会牺牲细节以实现计算易处理性的综合模型中是无法实现的。

宾夕法尼亚州立大学计算与数据科学研究所为这项工作提供了计算咨询和软件工程支持。

该研究的其他作者包括宾夕法尼亚州立大学的研究生 Vijay Kumar 和 Joseph Perla，以及新罕布什尔大学的 Richard B. Lammers。

这项研究是能源部耗资 2000 万美元、为期五年的项目的一部分。该团队最近从能源部获得了一项价值 1700 万美元的合作研究协议，用于研究气候风险和适应战略。

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