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信息图 地图:美国如何发电
信息图| 10月10日。2017.17:22
地图:美国如何发电
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美国的电力系统常被描述为世界最大的机器.它的多样性也令人难以置信,反映了每个州的政策偏好、需求和可用的自然资源。

必威手机官网Carbon Brief在一幅互动地图上绘制了美国的发电站(上图),以显示美国如何以及在哪里发电。

可以从以下地图和相关数据交互中收集到一些关键信息:

  • 过去10年,美国电力系统一直在迅速变化。
  • 这不仅反映了联邦政策,还反映了技术、地理位置、市场和州的要求。
  • 美国燃煤电厂的平均寿命为40年,运行时间只有一半。大约15%的人至少50岁,而平均退休年龄为52岁。
  • 计划中的新发电厂几乎全是天然气、风能或太阳能。

看地图

为一个国家的家庭、商业和工业供电几乎是一项具有独特挑战性的事业。目前,电能要么价格昂贵,要么储存不便,这必威体育在线注册意味着必须实时平衡供需。在离家近的地方发电也比长途运输更容易。

发电的方式从根本上取决于可用的燃料和技术。进步的步伐意味着这种组合正在改变——但自然资源和地理位置是固定的。此外,美国各州拥有广泛的权力来影响其境内的电力系统。

把美国电力系统放在地图上,可以直观地确认这些因素有多重要。例如,为什么太阳能在北卡罗来纳州如此普遍?还是西弗吉尼亚州的煤炭?

你可以使用上面碳简报的交必威手机官网互式地图,查看美国所有的发电厂和它们的相对发电量,这些发电量与气泡的大小成正比。侧栏中的动态图表总结了容量组合的构成。(关于地图制作的完整细节,请参阅下面的注释。)

术语表
负荷系数:相对于装机容量,衡量发电站平均输出功率的指标。这取决于技术和经济因素。对于单个的天然气、煤炭或核电站,载客率…阅读更多

值得注意的是,下面的地图和相关图表是基于发电能力的。每台机组每年的发电量因其负载系数不同而不同。美国风能的负荷率约为35%,而太阳能为35%在27%左右.这些负荷系数比核能低在90%左右.理论上,煤炭和天然气的载客率同样高,但实际上两者都是在50%左右在美国。(发电量数据见下文。)

回到地图上,你可以坚持使用默认的夜间背景,也可以切换到白天的卫星图像,以近距离观察电站,并将其与周围环境结合起来。夜间卫星视图显示了与点亮夜空的城镇相关的网格。还有一个灰色背景,如果你喜欢你的地图平原。

您还可以过滤地图视图,放大到每个州,从阿拉巴马州到怀俄明州,或依次关注每种燃料类型。有一个过滤“高碳”资源的过滤器,包括煤炭、石油和天然气。你会发现核能和可再生能源属于“低碳”。

煤电厂在粉河盆地和阿巴拉契亚山脉的矿区占主导地位。天然气几乎无处不在,但在墨西哥湾等主要气田附近尤其普遍。核能主要集中在人口稠密的东部和中西部各州。

一个地理上的怪癖是,大型火力发电厂通常集中在州边界。这是因为他们需要从州界河流中抽取的水来冷却。

巨大的水坝为太平洋西北地区提供了大部分电力。风能集中在大平原中部,而太阳能则在国家政策支持的地区蓬勃发展。与此同时,阿拉斯加和夏威夷的偏远居民往往依赖石油,因为石油易于运输和储存。

可再生能源时代

这幅图景并不是一成不变的,在过去十年中发生了巨大变化。由于页岩气革命的震动,以及州和联邦政策的变化,数千套老旧单元已经退役。

随着数百个老式煤炭和石油机组的退役,风能和太阳能技术已经成熟,全国各地如雨后春笋般出现了数千个发电站。然而,煤炭和不断扩大的天然气车队仍然供应着该国的大部分电力。

必威手机官网碳简报(Carbon Brief)对美国能源情报署(EIA)数据的分析显必威体育在线注册示,过去10年有501家燃煤电厂关闭,45家新建。(每个发电厂可能由多个使用不同燃料的单元组成)。

总的来说,煤炭单位的数量下降了35%(下图中的黑线)。由于老电厂规模较小,煤炭产能仅下降了11%(36吉瓦)。石油行业的情况也类似,757台机组退役,385台投产,净产能下降21% (11GW)。

尽管有这些人退休,但石油或煤炭企业的平均寿命仍然很长,这意味着还有更多企业将仅仅因为年龄大而关闭。下面将更全面地探讨这一点。

左图:10年前和现在按燃料划分的美国发电机组数量。右图:10年前和现在的发电量。将鼠标悬停在数据点上以查看单元数和容量的净变化。来源:碳简报分析必威手机官网美国EIA数据。图表由Carbon必威手机官网 Brief使用Highcharts

相比之下,自2007年以来退役的878台小型天然气机组已被978台大型机组所取代。这意味着天然气净产能增加了9% (44GW)。

与此同时,风能和太阳能出现了前所未有的扩张,增加了3000多台机组,净容量增长了7倍,达到122吉瓦,使核能、水电和石油相形见绌。

你可以在下面的动画图中看到10年前——2008年初——美国电网的样子。特别要注意的是,与今天相比,风能和太阳能的相对缺乏。

美国10年前和现在的电力容量图

美国10年前和今天的电力容量。Rosamund Pearce为您报道必威手机官网

产气游戏

总发电量在2007年达到峰值4165太瓦时(TWh),在金融危机后有所下降。尽管经济在增长,人口在增长,这在很大程度上要归功于能源效率的提高,但碳排放一直低于2007年的峰值。必威体育在线注册

与容量一样,发电结构在过去10年里也发生了巨大变化。煤炭产量在2007年达到峰值,之后在十年内暴跌38%(见下图)。2016年,天然气首次取代天然气成为美国最大的电力来源。

天然气一直在持续增长,这种增长早在2000年代末的页岩气革命之前就开始了。(下面将对此进行更详细的讨论)。过去10年里,以石油为燃料的发电量下降了三分之二,三种化石燃料的总发电量比2007年的峰值低了14%。

与此同时,风能和太阳能已经取代水电成为美国第四大电力来源,发电量几乎是十年前的四倍。核能一直保持稳定,发电量仍略高于所有可再生能源的总和。

1960-2017年美国燃料发电量(上面板)和同期发电量份额(下面板)。资料来源:碳简报必威手机官网分析和美国EIA。详情见下面的注释。图表由Carbon必威手机官网 Brief使用Highcharts

化石燃料在美国电力结构中的份额在10年内下降了9个百分点,降至64%,为现代最低水平。低碳能源占36%,可再生能源占17%,翻了一番。

(值得注意的是,虽然低碳能源所占的比例创历史新高,但可再生能源所占的比例仍略低于1960年的水平。这是由于整体电力需求增长所致。)

必威体育在线注册能源效率、煤制气转换和可再生能源共同解释了自2005年以来美国二氧化碳总排放量下降14%的四分之三必威手机官网.尽管发电占美国总排放量的不到三分之一,但取暖和交通等其他部门的二氧化碳减排微乎其微。

该分析还显示,如果人均电力消耗模式和燃料结构保持不变,2016年电力行业的二氧化碳排放量比本应降低了46%。

因此,美国电力行业近期预期的变化将在很大程度上决定该国在实现其目标方面的进展被遗弃的承诺巴黎协定关于气候变化。

奥巴马总统的旗舰清洁能源计划旨在巩固和扩展过去十年的发展轨迹。现在它正面对废除特朗普政府。

据分析人士称,尽管美国正在按计划实现该计划的主要国家目标,即到2030年在2005年的基础上减排32%Rhodium Group.据《华盛顿邮报》报道,废除法案的努力可能需要几个月的时间,并可能在最高法院结束《纽约时报》

老煤王

在这种情况下,有必要更仔细地研究一下美国发电舰队的特征,以及这对未来可能意味着什么——无论有没有清洁能源计划或特朗普团队的替代方案。

今天,平均煤电厂在美国已经有40年的历史,而且只跑了一半的时间。这已经很老了,尤其是考虑到煤炭企业的平均退休年龄是52岁。美国约有44GW的煤炭产能至少有50年的历史,相当于目前运营总量的15%。另有109GW(38%)至少40年,86%超过30年。

这表明,无论市场状况或公共政策如何,更多的煤炭关闭是不可避免的。

(美国能源部是必威体育在线注册试图强迫美国电力市场竞争激烈的地区补贴煤炭和核能发电。专家表示,这将“炸毁”电力批发市场效用潜水按照保守派的说法,这“与健全的市场经济不相容”R街学院智库。它将使即使是最古老的煤炭企业也能获得有保证的投资回报率保持开放的心态.就像废除清洁能源计划一样,这项努力可能需要几个月的时间,并面临法律障碍)。

下面的图表反映了煤炭和其他发电厂的年龄分布,显示了每年正在建设或退役的新容量。这些图表可以追溯到近60年前的1960年,但请注意,退休数据只能追溯到2002年。

按燃料和开业年份划分的美国发电能力。目前仍在运行的产能以纯色显示,而关闭和计划产能则被淡出。垂直刻度在每个图表中都是相同的,允许直接比较以GW为单位的相对容量。注意,容量不等于发电量。资料来源:美国EIA、国际原子能机构(IAEA)和碳简报分析。必威手机官网必威体育在线注册详情见下面的注释。图表由Carbon必威手机官网 Brief使用Highcharts

看看上面的煤炭面板,你可以看到大多数最古老的电厂——那些建于20世纪60年代或更早的电厂——现在已经退役了。这些单位用灰色表示。

你也可以看到为什么煤炭的情况自2007年以来一直在恶化——当时煤炭单位的平均寿命为34年——因为新建的燃煤电厂比退役的燃煤电厂要少。然而,2010年前后,新增煤炭产能出现了显著增长。这是怎么发生的?

本世纪初,在小布什(George W Bush)当选美国总统后,人们对新建燃煤电厂的兴趣激增。这是基于几个驱动因素,对未来有借鉴意义。

首先,人们期望政府将在加强环境法规方面行动缓慢,或者根本不采取行动。事实上,是新的法规采用.其次,当时的普遍看法是,强劲的经济增长将带来电力需求的健康增长。

这再加上老电厂的退役,意味着需要新的产能,因此计划新建240座燃煤电厂。只有少数几艘被建造出来。

如上图所示,预期中的煤炭工人退休潮确实到来了,部分原因是对老年人的反应,部分原因是新法规——尤其是煤炭行业的监管汞和空气毒素标准(MATS)该法案于2015年生效。

然而,与预期相反的是,需求不断上升未能实现.其中一个原因是30个州都实现了自己的必威体育在线注册能源效率目标、政策或标准。(这些是混合物强制性和自愿性目标)。

此外,页岩气革命的到来天然气价格暴跌(以及批发电价)和可再生能源的增长快于预期,侵蚀了煤炭在供应过剩市场中的份额(以及其中的利润)。

如今,理论上有几家新的燃煤电厂正在建设中(见上图,下见计划新增产能图)。

根据EIA的数据,怀俄明州Two Elk发电站的320MW机组正在建设中,并将于2020年投入使用。它一直是停滞不前二十年来,只有一个混凝土垫是否已经建成,是否已经获得许可撤销

开发商有认罪欺诈指控超过800万美元的联邦刺激基金,本打算用于碳捕获和储存研究,但却花在了其他费用上据当地媒体

与此同时,位于乔治亚州的850MW的华盛顿电厂也已经开工多年错过了建设启动由其许可设置的截止日期。它的目标是在2022年开放,但仍未建成。

据报道,这两项计划“胜算很小”气候连线他在一篇文章中探讨了美国是否会再建一座大型燃煤电厂。

没有核复兴

回到上面的容量图表,核电的重要性也很明显将会下降美国目前运行的反应堆几乎都是上世纪七八十年代建造的。

这一时期的核扩张被新的安全规定所打断,这些规定减缓了建设速度提高了成本在1979年的三里岛(Three Mile Island)和1986年的切尔诺贝利(Chernobyl)事故之后,这些反应堆被引入美国。

位于田纳西州的1200兆瓦瓦巴2号核电站就是一个鲜明的例子,该核电站于1973年开始建设。40多年后,它于2016年10月开放,此前又一次推迟,以满足2011年福岛灾难后出台的新安全规定。

目前仍有两座核电站在建,总发电量为4400兆瓦(上图中淡粉色部分)。然而,在破产威斯汀豪斯该公司是建造反应堆的公司,位于南卡罗来纳州的VC夏季工厂一直处于停工状态取消了mid-build。同样面临威胁的乔治亚州沃格特尔(Vogtle)工厂,已获得37亿美元的新报价联邦贷款担保

这些问题反映了更广泛的问题面对全球核工业,在中国和韩国国家控制的市场之外,该行业一直在努力按时、按预算建造新反应堆。EDF正在建设新的欣克利C该公司在法国和芬兰的项目面临延期和成本超支。

与此同时,美国99座核反应堆的平均寿命为36年。尽管有84人同意一生的扩展在美国,这些核电站最多可以运行60年可以关闭早在那之前,由于同样不利的市场条件正在损害燃煤电厂。

它们的盈利能力受到低批发电价的侵蚀,这主要是由廉价天然气造成的运营成本可能会相对较高,特别是对于单反应堆地点。美国有5座核电站已经关闭关闭在过去的五年里,甚至更长的时间里这样做的计划

美国能源部(Department o必威体育在线注册f Energy)的补贴计划如果成功实施,也可以保持核电产能的开放。或者,更多的州可以采用零排放额度纽约州和伊利诺斯州引入了该法案,以保持核电站的运行,并帮助实现州的气候目标。

天然气的成长烦恼

对于燃气发电厂,上图中的年龄和容量分布反映了美国陆上开采的悠久历史,以及由市场和环境变化推动的一系列增长井喷技术

广泛可用的天然气已被用于发电在美国已经几十年了。这与英国电力系统在美国,天然气是在北海工业发展之后才开始供应的。

在20世纪60年代,简单且效率相对较低的蒸汽轮机占据了大部分新的天然气产能。20世纪70年代,开始建造联合循环燃气机组,利用余热提高效率。你可以看到一种技术采用s曲线在下面的图表中。

然而,在20世纪70年代末的中东石油危机之后,新的天然气产能停止了建设,当时天然气价格上涨,石油(和天然气)达到峰值。出现大此外,还制定了相关法规,将天然气储备用于价值最高的用途——不包括发电。

在20世纪80年代后期,随着天然气使用的放松管制,天然气发电又卷土重来,建造了小型联合循环和峰值天然气发电厂。但是,在2000年,一件非同寻常的事情发生了。在过去5年里,美国新建了约216吉瓦的燃气发电装机容量,其中三分之二是大型联合循环机组。

新天然气产能的激增是由新进入放松管制的电力市场的企业推动的数量激增在20世纪90年代末和21世纪初。天然气发电厂的建造成本相对较低,回报也很快。(安然丑闻加州的情况是这一时期的另一个症状)。

如上所述,这些新进入者也在追逐新的电力需求,而这些需求最终被证明是虚幻的。更糟糕的是,低天然气价格取而代之的是涨价,涨价幅度一直持续到2008年,导致许多企业倒闭。这也意味着天然气产量增长缓慢。

一旦价格因全球金融危机和页岩气革命而暴跌,这种未充分利用的巨大天然气发电能力就准备好了,等待着从煤炭那里窃取市场份额。

如今,天然气和煤炭发电量之间的平衡取决于天然气价格,这就是2017年上半年煤炭发电量上升而天然气发电量下降的原因。然而,与以往的周期不同,美国页岩气储量丰富,开发周期短,限制了这一价格区间。

从气候的角度来看,这种从煤炭到天然气的转变是一种好坏参半的.虽然它有所帮助减少二氧化碳排放从电力部门来看,这可能在一定程度上被生产和运输过程中的甲烷泄漏所抵消。它还将美国与继续使用化石燃料捆绑在一起。

事实上,如下图所示,美国计划新增发电容量的最大份额来自天然气。

在美国能源情报署列出的114吉瓦计划公用事业规模容量中,63%是天然气,10%是太阳能,20%是风能。四分之一的天然气项目在德克萨斯州,另外五分之一在宾夕法尼亚州。请注意,这不包括低于1MW的小型项目,因此可能低估了太阳能,如下文所述。

可再生能源投资组合

美国可再生能源能力的发展经历了一系列阶段,如上图所示,浅蓝色(水电)、绿色(风能)和黄色(太阳能)柱表示。

20世纪60年代和70年代见证了所谓的“大型水坝时期,在美国的主要河流上建造了巨大的建筑。(华盛顿州的6.5GW大古力大坝,而不是亚利桑那州著名的1GW胡佛大坝,是迄今为止美国最大的单一电力设施)。

在20世纪70年代的石油危机之后,联邦政府开始提供税收抵免风能。必威体育在线注册这引发了一场“风冲以及风力发电场的建设,比如加州的阿尔塔蒙特山口(Altamont Pass)。

(这一地区曾有数千台100千瓦的涡轮机,成为迁徙路线和与涡轮机有关的鸟类死亡的战场。为了保护濒危鸟类,旧的涡轮机在每年的特定时间被关闭,现在正在被关闭拆除取而代之的是数量较少的现代设备,每个至少2000千瓦。这些涡轮塔间隔更宽,叶片旋转更慢。初步研究建议这降低了鸟类的死亡率)。

后来,各州开始收养可再生能源组合标准(RPS),要求公用事业公司从可再生能源中获取固定数量或份额的电力。也许令人惊讶的是,是爱荷华州在1983年引入了第一个RPS替代能源生产法必威体育在线注册

到2000年,12个州已经引入了RPS,这开始渗透到正在建设的新风容量的显著上升。

加州直到2002尽管它现在有一个更雄心勃勃的目标,即到2030年可再生能源发电量达到50%。努力通过到2045年100%今年9月,该标准在加州参议院未能通过。这意味着夏威夷保留了最高的野心到2045年达到100%的目标。在美国50个州中,共有29个州通过了该法案采用RPS(见下图)。

美国的可再生能源组合标准。资料来源:国家可再生能源和效率激励数据库(DSIRE).

在联邦层面,对风能和太阳能的税收抵免对采用率产生了显著影响。例如,2013年,风能税收抵免暂时过期安装量下降了92%。对于风,这些税收抵免随着时间的推移,他们将下台。

其他一系列州和联邦法规影响着可再生能源的采用。其中包括“净计量的规定,要求公用事业公司以零售电价从装有太阳能电池板的家庭购买电力。

网络计量,以及创新的融资方案带来的,如太阳能城市支持广泛和不断增长的采用家庭屋顶太阳能系统。另一个更深奥的规则尽管北卡罗来纳州的日照率相对较低,但该公司还是推动了该州太阳能的采用。

最重要的是,风能和太阳能的成本途中出现.2011年,美国国家可再生能源实验室(NREL)制定了到2020必威体育在线注册年太阳能具有成本竞争力的目标。九月,它宣布在一年内成本下降了30%之后,该公司提前三年实现了目标。

根据世界经济论坛的数据,风能成本也急剧下降劳伦斯伯克利国家实验室.据介绍,目前最好的陆上风力发电站每兆瓦时的发电成本低于天然气,太阳能也将在本世纪20年代初加入这一行列彭博新能源财经必威体育在线注册

未来的凝视

现任政府希望遏制席卷美国电力容量版图的变革浪潮。但过去十年中已经发生的变化是由许多因素推动的,其中只有一个因素是联邦政府。

州有广泛的权力来影响其境内的电力结构,其中许多国家已经加入了美国气候联盟,旨在实现美国的气候目标,尽管特朗普。

值得注意的是,美国的燃煤电厂都很老,而且越来越老。他们的平均年龄为40岁——其中44GW超过50岁——预示着未来会有更多的变化。EIA列出了2000万千瓦的煤炭计划退役,而环保非政府组织CoalSwarm等其他人则认为,到2030年,这一数字将达到48万千瓦。

正如一位能源高必威体育在线注册管所说彭博“政府不可能把一个有70年历史的煤电厂变成一个有20年历史的煤电厂。”更重要的是,特朗普政府试图让电力系统倒转的努力可能会失败。

它废除清洁能源计划的行动面临着“将持续多年的法律和监管程序,可能比特朗普的第一个任期还要长”,大卫·罗伯茨解释道Vox在一篇文章中,他将努力与正在进行的工作进行了比较医疗废除失败。

即使成功了,这一局面也可能被下届政府再次逆转。对于决定未来几十年将资金投向何处的公用事业公司来说,这种不确定性不太可能有利于煤炭投资最大风险从气候立法。

这有助于解释为什么35%的新计划产能是低碳的,另外63%是天然气的。

笔记

这张地图是基于数据该数据由美国能源情报署于2017年7月发必威体育在线注册布,包含截至2017年5月的数据。该数据仅包含装机容量为1兆瓦或以上的电厂,包括位于同一站点的几个较小机组。

这些数据涵盖了1183千兆瓦,其中26GW目前已停止服务或仅用于备份。这是工厂的“铭牌容量”。EIA还列出了“夏季净容量”和“冬季净容量”,这说明了这些季节的工厂可用性。

环境影响评价使用一套详细的必威体育在线注册能源代码.这些组合,例如“煤”包括烟煤,褐煤,合成燃料,亚烟煤和废煤(BIT, LIG, SC, SUB和WC)。

对于该地图,如果单元具有共同的“工厂ID”和相同的技术类型,则它们将被聚合。例如,地图上有三个代表阿拉巴马州Barry工厂的气泡:一个代表煤炭,一个代表天然气联合循环,一个代表峰值天然气

对于多单元站点,容量是总和,“开放年份”是从第一个到最后一个开放单元的范围。

气泡大小仅与工厂容量(兆瓦)大致成正比。有8个气泡大小,每个气泡代表一个容量范围,当容量翻倍时设置阈值。这意味着气泡的面积或直径与场地容量之间没有直接关系。

除了超过1MW的特定地点外,地图还显示了每个州的小规模太阳能总容量,取自第二个EIA数据集.同样,这些数据是截至2017年5月的最新数据。每个州的总容量以该州的容量为中心显示地理中心.请注意,这些小规模的太阳数字估计

规划容量图包括环评中列出的所有场址数据.这就忽略了低于1MW的小站点,而这对于太阳能来说尤为重要。它还排除了一些没有位置数据的站点,包括450兆瓦的风能,260兆瓦的天然气和1.2兆瓦的水力发电能力。

2008年初的容量地图是目前运营的和已退役的站点的综合数据,这些站点当时已经开业。它排除了低于1MW的站点,以及基于相同EIA的退役容量地图数据

发电数据来自EIA2012年度能必威体育在线注册源回顾,查阅2007年以前的数据电力月刊2017年9月至2017年7月的数据。请注意,在1989年之前,该数据不包括独立电力生产商、商业和工业场所的发电量。这在时间序列中造成了不连续,特别是对于煤和核能以外的燃料。

2017年显示的发电量数据涵盖了截至2017年7月的最近12个月。“其他”包括不可生物降解的城市废物、废轮胎和工业过程中产生的废气。“石油”包括石油液体和石油焦

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