导言：
2021年9月8日，美国能源部发布了有关太阳能的研究报告《Solar Futures Study》
该研究报告是由能效和可再生能源办公室编制的，概述了太阳能如何帮助美国电网脱碳，并帮助实现政府实现关于到2035年电力部门净零排放的目标。该报告中的太阳能包括了光伏和光热发电技术，光伏占绝大部分，CSP即光热发电占比极少。
研究显示，2050年美国电力系统脱碳需要1600吉瓦的光伏。
2050年整个能源系统的脱碳或将需要3000GW的光伏装机量。
清华大学能源转型与社会发展研究中心“每人一千瓦光伏”课题组组织翻译该报告并连载，为行业提供研究资讯。
本报告版权属原作者所有，如需引用，请以英文原文报告为准。
https://www.energy.gov/sites/default/files/2021-09/Solar%20Futures%20Study.pdf
美国能源局能效和可再生能源办公室网址: energy.gov/eere/solar/
美国太阳能发展情景(第二章)
编译人：吕姝秀 清华大学能源转型研究中心每人一千瓦光伏课题组成员，通威股份光伏技术中心的硕士研究生实习生项目成员
《US Solar Future Study》研究报告中主要从“清洁能源部署”、“减排”、“储能、传输和负载灵活性”、“成本和收益”四个方面分析描述了太阳能未来的发展情景。
研究基于三个核心情景(表1 - 1)，所有情景均使用NREL的区域能源部署系统(ReEDS)模型实现。”Reference”(参考)表示，假设持续、适度的技术成本降低的情况下太阳能部署和电网脱碳方案，但方案没有设置减排目标。在两种脱碳情景下，ReEDS 模型到 2035 年消除 95% 的电网排放，到 2050 年消除 100% 的排放(相对于 2005 年的水平)。
表1-1 太阳能发展情景定义
注：1、Reference(参考)：可适度降低新能源与存储技术的成本，不具备需求灵活性。2、Decarb(脱碳):可大幅度降低新能源与存储技术的成本，但不具备需求灵活性。3、Decarb+E(脱碳+高度电气化): 可大幅度降低新能源与存储技术的成本，需求灵活性增强。
假定这两种脱碳方案都比太阳能(光伏和CSP)以及其他可再生能源(生物能源、地热、水力发电、陆上和海上风能)和储存(电池和抽水蓄能水电)技术的参考方案更好地预测成本的降低。这些成本降低会影响预计的脱碳成本和个别技术的部署轨迹，但不会影响脱碳轨迹，而脱碳轨迹是由排放限制决定的。
两种脱碳方案之间的关键区别与电力需求有关。在“脱碳(Decarb)”方案中，使用标准的未来电力需求预测。“脱碳+高电气化(Decarb+E)”方案更进一步，包括大规模的建筑和交通电气化，这意味着电力需求的显著增加，电网在美国能源系统脱碳中的作用扩大。
一、清洁能源部署
到2020年，并网的太阳能发电装机总规模约为80GW，约占美国电力需求的3%。到2035年，脱碳方案预计累计部署太阳能发电760 - 1000 GW，满足37% - 42%的电力需求(图1 - 2)。到2050年，预计累计部署太阳能发电1,050 - 1570 GW，满足44%-45%的电力需求。我们估计，大约80%-90%的产能来自公用事业规模的太阳能，其余来自较小规模的分布式太阳能。
在Decarb+E方案中，累计部署的太阳能发电装机容量大约是整个现有电网容量的1.4倍。
图1-2 太阳能发展情景下的太阳能部署计划
图1-3 Decarb+E情景下，2020年、2035年和2050年的电网混合和能源流动
图1-3 在Decarb+E设想情景下将2020年、2035年美国电网的发电组合与2050年的电网组合进行比较。图中显示了脱碳的两种关键机制: 电网脱碳和高电气化。2035年，在Decarb+E(脱碳+高度电气化)情景下，碳排放化石燃料流量显著减少。
电气化的影响可以从电网的总体增长中得到说明：在Decarb+E情景下，电力需求从2020年到2035年将增长约30%，部分原因是基于燃料的建筑负荷、汽车和一些工业流程的电气化。
2050年电力需求增加了40%，主要是由于交通的持续电气化。2050年，在Decarb+E方案中，所有的发电都是由零碳资源来满足的，主要是太阳能(45%)和风能(44%)，还有核能(4%)、水电(4%)，燃烧涡轮机运行的零碳合成燃料，如氢(2%)，生物能源和地热(1%)。
二、减排
图1-4 相对于2005年，2035年和2050年的电网排放和减少的电网排放情景
图1-4 显示了相对于2005年，各方案对减少电网排放(即燃烧碳排放的化石燃料发电所产生的排放)的影响。即使在参考情景中，电网排放也会下降，这反映了清洁能源技术成本不断降低的影响。Decarb方案设想到2035年电网排放减少95%，到2050年电网排放减少100%。在Decarb+E情景下，相对于2005年的水平，到2035年和2050年电网排放分别减少约105%和155%。这些额外减少的排放反映了在Decarb+E方案中电气化的影响。Decarb+E 中的零碳电网不仅减轻了当今电网的排放，还减轻了以前以燃料为基础的终端用途的排放，尤其是在运输方面。
三、储能、传输和负载灵活性
图1-5 在太阳能发展情景下，计划部署的储能(左)、传输(中)和负载灵活性(右)
除了清洁能源发电技术的扩展之外，太阳能未来的愿景还依赖于四种策略的大幅扩展来管理可变太阳能输出。第一个是允许太阳能系统根据可变的太阳能分布进行发电，当电网无法吸收该输出时减少太阳能。减少使用太阳能可能是整合太阳能的一种成本效益高的方式，特别是在近期。积极管理或计划削减可以提供有价值的电网服务，并使额外的太阳能部署成为可能。其他三种方法是时间转移太阳能输出，空间转移太阳能输出，或转移需求，以更好地利用太阳能输出。这三种方法分别可以通过储能、输电和需求灵活性来实现，根据太阳能未来的愿景(图1-5)，预计这三种方法都将大幅提高。
输电线路将电力从发电机输送到负荷中心，有时长达数百英里。扩大电力传输范围使电网更加灵活，并使太阳能整合成为可能。通过扩大传输，一个地方的丰富太阳能可以转移到满足地理偏远地区的需求。此外，输电扩展可以将电网扩展到地理上与负荷中心隔离的太阳能丰富的地区。与参考方案相比，Decarb+E方案将使现有的美国传输网络扩大90%。
负载灵活性是指某些负载随时间或空间变化的固有能力。负载灵活性是一个很大程度上未被利用的电网资源。在Decarb+E方案中，负载灵活性是有效集成太阳能的关键因素。到2050年，负载灵活性可提供80-120 GW的容量，并将脱碳的边际电力系统成本降低约10%。
四、成本和收益
图1 - 6 核心情景下2035年(顶部)和2050年(底部)的电力边际系统成本估计和驱动因素
在所有情况下，在清洁发电、储存和传输、运营和维护以及这些资产的燃料(如适用)方面的资本投资都会产生成本。这些成本影响电力成本。图1-6显示了 2035 年和 2050 年核心情景的全国平均边际系统电力成本，以及影响相关情景成本的四个因素——技术成本、排放政策、电气化和需求侧灵活性。在2035年，尽管在Decarb情景下采用了排放上限，但Decarb情景下的电力系统边际成本仍与参考情景非常相似，是因为技术进步和排放限制的抵消影响，在Decarb+E情景中，需求灵活性抵消了更高的电气化驱动成本，因此2035年的电力成本略低于其他两个情景的成本。换句话说，太阳能和其他清洁技术的进步与灵活需求的结合，将大幅(95%)减少电网排放，而边际电力成本少量增加或不增加。
*注：本文为翻译文
译者总结：
1. 研究报告主要从“清洁能源部署”、“减排”、“储能、传输和负载灵活性”、“成本和收益”四个方面分析描述了太阳能未来的发展情景。
2. 在两种脱碳情景下，ReEDS 模型预计到 2035 年消除 95% 的电网排放，到 2050 年消除 100% 的排放(相对于 2005 年的水平)。
3. 到2020年，以交流(AC)为基础的太阳能发电约为80GW，约占美国电力需求的3%。到2035年，脱碳方案预计累计部署760 - 1000 GW，满足37% - 42%的电力需求(图1 - 2)。到2050年，预计累计部署1,050 - 1570 GW，满足44%-45%的电力需求。
4. 大约80%-90%的产能来自公用事业规模的太阳能，其余来自较小规模的分布式太阳能。
5. 在Decarb+E方案中，累计部署的太阳能容量大约是整个现有电网容量的1.4倍。
6. 在Decarb+E情景下，电力需求从2020年到2035年将增长约30%，2050年电力需求增加了40%，部分原因是基于燃料的建筑负荷、汽车和一些工业流程的电气化。
7. 2050年，在Decarb+E方案中，所有的发电都是由零碳资源来满足的，主要是太阳能(45%)和风能(44%)，还有核能(4%)、水电(4%)，燃烧涡轮机运行的零碳合成燃料，如氢(2%)，生物能源和地热(1%)。
8. 在Decarb+E情景下，相对于2005年的水平，到2035年和2050年电网排放分别减少约105%和155%。这些额外减少的排放反映了在Decarb+E方案中电气化的影响。
9. 在Decarb+E方案中，负载灵活性是有效集成太阳能的关键因素。到2050年，负载灵活性可提供80-120 GW的容量，并将脱碳的边际电力系统成本降低约10%。
10. 太阳能和其他清洁技术的进步与灵活需求的结合，将大幅(95%)减少电网排放，而边际电力成本少量增加或不增加。
责任编辑：大禹
