研究背景及问题定义 [page::0][page::1]

• 欧洲2050净零排放目标驱动风光等可再生能源大规模扩展。

- 可变可再生能源（VRE）受气象影响显著，长时低风光现象“Dunkelflaute”威胁电力安全供应。

• VRE枯竭期常持续数周至数月，带来系统灵活性和储能需求挑战。

VRE枯竭事件特征与数据方法 [page::3][page::4]

• 采用多阈值滑动平均方法（VMBT）识别风光可再生能源枯竭事件。

- 使用1982-2016年36年Pan-European气候数据库可用性数据，分析欧洲各国及全欧铜板假设下VRE时间序列。

• 设计了“干旱质量”（drought mass）指标量化枯竭强度及影响范围。

长时储能运营与极端枯竭对应关系 [page::7]

• 以1996/97冬季极端枯竭为例，大规模长时储能在枯竭深度严重的短期内高强度放电，非连续放电模式明显。

- 枯竭与储能放电期高度重叠，储能必须应对持续数周的低发电量和峰值负荷。

枯竭强度与储能容量相关性 [page::8]

• 各国尤其是中北欧受限于强冬季需求，极端枯竭导致长时储能容量显著增加。

- 西班牙等水电丰富国家枯竭影响敏感度较低，水电与长时储能存在一定替代关系。

需求季节性影响分析 [page::9]

• 电力需求季节性强弱显著影响储能需求，法国电力负荷冬季峰值明显，日本等国家需求季节性较弱。

- 铜板假设下地域平衡降低枯竭强度，储能需求明显减少。

地理互联降低长时储能需求 [page::10][page::11]

• 不同互联假设对储能需求影响明显，政策规划互联水平下长时储能中值需求351TWh（占年负荷7.1%）。

- 完全铜板互联降低储能需求至159 TWh（3.2%），显示“无悔”最低储能投资水平。

• 极端枯竭事件时各国枯竭同步，地域互联带来的调节能力有限。

长时储能与其他灵活性技术协同 [page::13][page::14]

• 储能充放电策略多样，含电解制氢、氢气涡轮、抽水蓄能、电池等多种技术协作。

- 电解槽在枯竭前后阶段持续运作，电池利用储能电力平滑短时负荷波动。

• 储能既满足季节性极端枯竭也承担调节日间太阳能波动的双重角色。

零排放稳态发电对储能需求的缓解有限 [page::15][page::16]

• 在部分国家部署核电等稳态零排发电，虽能降低储能需求，但影响幅度较小（峰值储能降幅6%-8%）。

- 更大量 firm 零排放容量仍无法消除储能需求，表明储能为不可或缺系统灵活性资源。

电力需求年度变化对储能需求影响较小 [page::16][page::17]

• 采用固定年度负荷与实测逐年负荷对比显示，年度需求变化对长时储能需求及其与枯竭相关性影响有限。

政策建议和未来研究方向 [page::18][page::19][page::20]

• 长时储能需求巨大，建议加速氢储能产业链与基础设施的建设与验证。

- 需多气象年模拟以囊括极端枯竭风险，规避容量规划失误。

• 进一步研究电热耦合、电力需求季节性加剧、热储能等因素对储能需求的影响。

- 建议精确定义“Dunkelflaute”为长期、多周低可再生资源时段，明确其对长时储能重要意义。

详尽解析报告《Coping with the Dunkelflaute: Power system implications of variable renewable energy droughts in Europe》

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1. 元数据与报告概览

• 标题：《Coping with the Dunkelflaute: Power system implications of variable renewable energy droughts in Europe》

- 作者及机构：Martin Kittel（DIW Berlin及柏林工业大学）、Alexander Roth、Wolf-Peter Schill（均为DIW Berlin能源、交通与环境部门）

• 发布日期：未知，但涵盖1982-2016年36个历史气象年数据

- 主题：研究欧洲完全依赖可再生能源的能源系统中“Dunkelflaute”事件（即可变可再生能源干旱——风能和太阳能发电持续低迷）对电力系统，特别是长时储能容量需求及运行的影响。

报告核心论点：欧洲电力系统在高度依赖风光能源的未来，将面临因气象驱动的长时可变可再生能源产出急剧下降（Dunkelflaute）带来的挑战。长时储能（如基于氢的储能）容量需求受极端干旱事件决定，且即使最极端事件实施无限制地跨境供电和氢能交换，仍需大量长时储能。多气象年的数据分析与电力系统模型结合的方法揭示了储能需求对不同空间调节规模的敏感性，以及多种灵活性技术间的复杂互动。政策制定者和系统规划者应重视这些气象极端事件，并提前规划长时储能能力。 [page::0,1,2,3]

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2. 逐节深度解读

2.1 引言

欧盟计划到2050年实现温室气体净零排放，电力行业是关键。风电和光伏由于巨大的潜力和费用下降趋势，将成为转型主力。然而，VRE（Variable Renewable Energy，变量可再生能源）对气象依赖强烈，存在安全供电风险，特别是长时间的风光发电低谷期——Dunkelflaute。灵活性技术（储能、需求响应、跨境电力交流）被认为关键，但极端跨国同步干旱事件如何影响存储需求，仍未充分理解。[page::0,1]

2.2 文献回顾

已有研究多聚焦于风光资源的气象特征、并通过短期或单国数据分析VRE干旱事件；也有以残余负荷为切入点研究储能需求，主要为德国或欧洲单一区域。多气象年数据因复杂度和计算成本多被忽略，而由于不同年份气象显著差异，单气象年模式可能导致容量选择不准确。当前研究尚缺乏对极端干旱对全欧洲储能需求及空间调节效应深入探讨。[page::1,2]

2.3 研究方法

本研究结合：

• 可再生能源干旱识别：基于变量持续低于多重阈值的“Variable-Duration Mean-Below-Threshold（VMBT）”方法，采用36年（1982-2016年）基于Pan-European Climate Database的风光利用率时序数据，分析能源岛（无跨境互联）及铜板（完全互联）两极情景下的干旱事件特征及“干旱质量”指标，捕捉极端干旱及其持续长度。

- 电力系统建模：利用开源容量扩张模型DIETER对欧洲33国（含欧盟27国、英国、挪威、瑞士、西巴尔干）进行电力系统投资和调度优化，特别加入了氢能储存模块，模拟四种从能源岛（无电无氢跨境）、到政策导向的电力跨境、再加氢跨境，最终到无限制跨境铜板的场景，深入量化干旱对长时储能容量需求的影响。

模型基于完全绿色发电组合（风、光、水电、沼气），排除煤气等化石燃料，氢能储存按地下储能潜力限制。负荷采用2025年欧洲资源充足性评估数据，考虑制氢需求，引入政策中容量上线限额。[page::3,4,5,6]

2.4 主要发现与分析

2.4.1 Dunkelflaute对长时储能运行及容量需求的驱动作用

• 1996/97年冬季出现欧洲近四十年最极端Dunkelflaute，持续约55天，影响范围广，多个国家同步降风降光。

- 储能放电阶段主要与极端干旱重合，但储能不必全时段放电，短期内更极端的低可用期导致了放电容量的瓶颈（图1）。冬季干旱存储压力更大，英国会出现夏季风干旱，但其冬季高负荷需求仍主导储能放电。[page::7]

2.4.2 干旱事件的严重程度与长时储能容量明显正相关

• 通过“干旱质量”指标，量化极端事件强度，发现个别国家年际可变风光干旱严重度越高，所需长时储能体量越大（图2a）。

- 此关系受负荷季节性影响：法国、英国等冬季负荷峰值明显的国家更敏感，而南欧如西班牙因季节性负荷较弱，影响较小（图3）。

• 西班牙等高水电储能容量国家的储能需求对干旱敏感度相对较低，整合水电与储能分析可观察此替代效果（图2b）。

- 通过能源岛和铜板对比，跨国电力传输缓和了干旱的空间同步性，减轻储能需要。铜板场景普遍储能需求较低且对干旱敏感度下降。[page::8,9]

2.4.3 地理平衡显著降低长时储能但受限极端干旱事件

• 多重互联情景分析显示：

- 能源岛下，欧洲集中需长时储能中位数为232 TWh（约4.7%年用电）
- 按TYNDP2022电力互联，储能需求略降至206 TWh（4.2%）
- 加入氢互联降至170 TWh (3.4%)
- 理想铜板下最低159 TWh (1.8%)，为“无悔”投资下限（图4）

• 1996/97极端事件驱动最大储能需求，且互联削减储能效应有限，因干旱事件高相关同时发生，跨境平衡能力不足以完全消除需求（图5）。

- 某些年份如1988/89互联效应更显著，因干旱时段国家间错峰（SI.5,S6,S7）。

• 当前及未来政策目标下的互联水平难以支撑极端干旱的充分缓冲，未来若互联落后，储能需求将更高接近孤岛情景。[page::10,11,12]

2.4.4 多种灵活性技术协同优化

• 1996/97年德国和西班牙电力调度分析显示存在复杂的灵活性技术组合：

1. 长时储能充电多发生在干旱前或干旱期间，短时电池和氢电解装置协同操作，优化电解槽满负荷时数，减少功率容量需求。
2. 长时储能放电期间短时电池可循环，减少氢燃气轮机功率容量需求，体现“能量容量 VS 功率容量”权衡。
3. 在干旱中间的短暂可再生发电盈余时段，优先由短时储能消纳，降低能耗和成本。
4. 西班牙等水电丰富区，电池容量针对调节季节性弱的情况相对较大。
5. 长时储能也支持夏季太阳能的日循环，有效集成光伏余能，降低电池需求。

• 这一系列互补运行策略降低整体储能投资，突显综合模型及高时间分辨率模拟的重要性。[page::13,14]

2.4.5 敏感性分析

• 将核电（5国累计24GW）加入，储能需求仅小幅降低4-8%（图7），表明中等规模的稳定零碳发电难以显著抑制极端干旱下的储能需求。

- 针对德国，增加零碳发电容量（不限类型假设）可替代部分风光容量和储能，但仍需大量长时储能（图8）。

• 使用固定负荷曲线代替多气象年负荷曲线，对储能需求影响甚微，表明年际负荷变异对储能需求影响不大（图9）。

- 显示多气象年模拟对储能规划的必要性，单年或少量年份无法准确评估储能足够性。[page::15,16,17]

2.5 讨论

总结

• VRE极端干旱是界定长时储能容量和运营的主导因素，且影响跨欧洲多个国家

- 地理互联对减低储能需求有明显效用，但对于最极端冬季干旱影响甚微

• 无论互联规模，未来欧盟全可再生能源电力系统都需建造大量长时储能，至少约159TWh（3.2%年用电），政策相关互联方案下储能需求达351TWh（7%），远超已有单国研究

- 大规模氢能储能需要早做规划，具备高建设复杂度及资本开支挑战

• 灵活性技术协同运行机制复杂，不能简单用单一技术替代

- 多气象年建模及全面VRE干旱分析对于规划可再生能源系统至关重要

• 适用多重阈值指标及夏至夏周期（非单历年）更合理捕获冬季极端干旱

- 适度核电替代效果小，更多且更大规模零碳“常规”发电能缓解但不可替代储能需求

• 建议精确定义“Dunkelflaute”为连续长时间内风光发电远低于负荷的储能定义相关事件，区分短时缺能事件与真正的久旱大旱[page::18,19,20]

研究限制与未来研究方向

• 采纳的负荷数据季节性不足，未来需纳入全面暖通空调电气化对冬季负荷剧增的影响，及其与热储能、建筑节能的交叉效应

- 未包括工业/商业负荷转移、车辆智能充放电等短时灵活性，推测对长时储能影响有限

• 模型只包含基于氢的长时储能一种技术，未来可考虑甲醇等替代方案及其成本效率

- 未来跨季节多年模拟及非完美信息模型可补充研究

• 探讨气候变化对极端风光干旱发生频率及严重度的影响，为能源系统规划提供气候风险视角[page::21,22]

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3. 图表深度解读

图1（第7页）

• 内容描述：1996/97年冬季，欧洲（CP代表铜板完全互联，及DE、FR、UK、NL、RO代表单个国家）可再生能源组合干旱程度（多阈值颜色表示）、优化的长时储能电荷状态及用电负荷（平滑表现季节性）。

- 数据解读：
- 极端干旱持续数周，导致储能持续放电，状态逐渐降低。
- 储能充电主要发生在干旱开始前后或间歇期。
- 干旱期间储能放电往往接近最大容量。

• 支持论点：反映极端干旱是最大储能容量及放电周期的决策关键。储能不是持续放电，而有间歇调整。（图对照解释在正文3.1章节）[page::7]

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图2（第8页）

• 内容描述：各国家级及欧洲铜板场景中“冬季极端干旱干旱质量（Drought Mass）”与归一化长时储能容量关系的散点及回归线图。（左图仅长时储能容量，右图增加中时储能如水电）

- 趋势分析：
- 多国呈明显正相关，干旱越严重需储能越多。
- 法国和英国等负荷季节性强国家斜率更大，说明干旱对储能需求带动更显著。
- 西班牙和罗马尼亚等国相关性较弱。
- 考虑水电等中时储能后部分国家储能需求敏感性降低，显示灵活性替代。

• 文本联系：体现负荷季节性是影响储能需求敏感度的关键，同时储能类型互补缓解极端风险。[page::8]

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图3（第9页）

• 内容描述：部分国家及欧洲铜板的用电负荷的季节波动。含均值、标准差，月内波动及极端最小最大值差异。

- 解读：
- 法国冬季尖峰负荷明显，且波动大，推动其储能需求较大。
- 西班牙春夏负荷较高，冬季峰值不显著。
- 欧洲铜板整体负荷平滑但季节峰谷仍明显。

• 联系论述：负荷的季节性显著影响储能需求，尤其冬季高负荷+极端干旱时组合影响储能规模。（支持图2分析）[page::9]

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图4（第11页）

• 内容描述：不同互联情景下33国年度最优长时储能规模的箱型图及散点，36年独立模拟。红、绿、橙色点标示最大储能需求年份1996/97，最高互联收益年1988/89和最低1987/88。

- 解读：
- 孤岛最大储能需求，逐级跨境电力、氢能互联递减，铜板最大程度减缓。
- 1996/97储能需求异常高，即使铜板仍达159TWh规模。
- 1988/89受益最多，1987/88受益最少，表明不同年份空间干旱及负荷模式差异。

• 文本联系：突出区域互联显著缓解储能需求但无力完全消除极端长时间多国干旱时储能需求。展示不同年份干旱事件重叠及地理平衡效应（文本3.3）[page::10,11]

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图5（第12页）

• 内容描述：1996/97冬季欧洲储能最需求国家单独详图，展示干旱程度、负荷、储能SOC演变，考虑孤岛、政策互联与铜板互联。

- 解读：
- 多国储能SOC同步降低，极端干旱导致大量储能放电。
- 互联逐步减缓部分国家储能放电压力。

• 文本意义：表现极端干旱事件在多个国家的高度同步，限制互联的缓解效用。[page::12]

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图6（第14页）

• 内容描述：示例德国及西班牙在1996/97年不同时间段的灵活性技术（光伏、风能、储能、电解水制氢、电池、燃气轮机、生物能源、水电）产出与负荷及储能SOC时间序列。

- 解读：
- (a) 储能充电集中在干旱前期，多重灵活技术协同平衡。
- (b) 储能放电期间短时储能电池依然循环，减缓燃气轮机峰值功率需求。
- (c) 西班牙储能及水电灵活容量较大，用以对抗季节性负荷及干旱。
- (d) 储能白天跟随光伏峰值，帮助平滑日内变动。

• 支持结论：多样储能及发电技术间的成本-效益协同决定系统灵活性结构，简单储能替代不可行。[page::13,14]

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图7（第16页）

• 内容描述：引入核电后的储能需求分布比较（各互联场景）。

- 数据解析：
- 核电仅略微降低储能需求。
- 表明稳定零排放发电（如核电）对极端干旱应对能力有限。

• 文本关联：验证零碳发电替代效果相对有限，储能仍是过渡核心（灵敏度分析部分）[page::16]

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图8（第17页）

• 内容描述：德国假设下逐步增加零排放发电容量时，风光、电池、氢燃气轮机及氢储能的最优规模变化图。

- 解读：
- 随着零排放容量增加，风光及储能均下降，储能降幅平滑但持续。
- 反映零碳发电确实缓解储能压力，但不可能一次性替代。

• 文本说明：零排放容量注重高满载小时率，替代大量VRE容量，降低系统灵活性需求[page::17]

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图9（第17页）

• 内容描述：固定2009/10年用电负荷时，极端冬季干旱储能需求相关性相比年际变化负荷设定对比图。

- 解读：
- 负荷年际变化对储能需求影响轻微，表明干旱事件驱动为主。

• 意义：支持多气象年VRE干旱数据重要性高于负荷波动[page::17]

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4. 估值分析

报告非直接金融估值类研究，无DCF、市盈率等估值方法，无估值目标价，仅为能源系统设计参数和容量需求优化分析，故估值分析不适用。

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5. 风险因素评估

• 极端Dunkelflaute事件超过历史常见年景，存在罕见但高影响事件投资风险。

- 氢储能等关键技术供应链、建设周期风险高。

• 欧洲电网互联发展受政策、社会接受度及投资限制影响，若不达标储能需求将上升。

- 核电及其他零碳发电潜力不足，储能替代风险。

• 气候变化可能影响风光资源及干旱模式，带来规划不确定性。

- 市场机制缺乏对罕见严重干旱期间储能投资的激励，潜在投资不足。[page::18,19,21]

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6. 批判性视角与细微差别

• 作者充分利用多气象年数据降低单点风险，模型开源确保透明，方法先进。

- 但报告在未来技术创新、社会经济政策及气候非线性变化风险估计仍有限，实际应用需配合动态调整。

• 用25年代表负荷曲线虽合理但不涵盖全部未来低碳场景，空间负荷时序区分可更细致。

- 抽象短期需求响应、需求弹性等，或低估部分灵活性补偿。

• 干旱度指标“干旱质量”虽科学，但对光伏非冬季特性有所偏弱，存在偏误风险。

- 必须关注现有天然气储能向氢储能转换技术及经济性风险，这目前不被完全囊括。

• 强调跨境互联边际效益下降揭示“区域多样性”有限，未来或需本地化重点储能。[page::2,34,37]

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7. 结论性综合

本报告通过将开源多阈值风光资源持续低值事件分析（VMBT法）与精细优化电力系统模型DIETER深度结合，构建了覆盖欧洲33国、36气象年数据的综合框架，有效揭示了未来高可再生能源欧洲电力系统中“Dunkelflaute”极端持续干旱对长时储能需求的决定性影响。研究得出：

• 极端干旱特别是冬季长时低风光期间，将成为规划数百TWh（占年用电几%）长时储能的核心驱动因素。

- 氢能作为长时储能形式的容量规模巨大，且复杂运行策略体现多元储能技术互补特征。

• 地理平衡（跨境输电及氢能网络）虽有显著缓冲作用，但对峰值极端干旱影响有限，即使铜板全球化互联也需逾150 TWh储能的“无悔”投资。

- 多气象年数据与多阈值指标是气象韧性能源系统建模必备，否则可能严重低估极端储能需求。

• 引入核电与零碳稳态发电可有限缓解，但无替代储能的地位。

- 该规模储能对技术路径、政策设计提出巨大挑战，需空间潜力勘察及供应链加速。

• 研究为欧盟及成员国能源规划提供了基于气象极端事件的科学依据，强调储能投资政策不能忽视罕见但破坏性高的极端Dunkelflaute年份。

综上，作者坚定主张系统及政策规划应正视“风光久旱”极端资产需求，提前布局大规模、适应性强的长时储能和跨国能源互联基础设施，以保障欧洲能源转型的稳健与安全。[page::0-22,31-40]

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附录：图表Markdown格式示例

• 图1

- 图2

• 图3

- 图4

• 图5

- 图6

• 图7

- 图8

• 图9

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总结： 此报告以严谨的数据驱动和系统模型优化展示了“Dunkelflaute”在欧洲高比例风光系统下的严峻挑战及缓解路径，为学术和政策领域提供了突破性认知和方法论工具。其提出的储能规模巨大、跨国互联有限缓解、需多年持续气象数据支持的结论，极具战略价值和实践指导意义。

报告