《Nature Water》：Variable renewables fortify Ecuador’s power system against recurrences of drought-driven energy crises
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2023年至2024年，连续两个雨季失败使依赖水电的厄瓜多尔陷入前所未有的能源危机。随着河流干涸、水电发电量下降，厄瓜多尔政府不得不在2024年全年实施全国范围的每日限电措施，以防止水库完全枯竭。在本研究中，研究人员表明，选择大规模发展太阳能和风能发电——这些
2023年至2024年，连续两个雨季失败使依赖水电的厄瓜多尔陷入前所未有的能源危机。随着河流干涸、水电发电量下降，厄瓜多尔政府不得不在2024年全年实施全国范围的每日限电措施，以防止水库完全枯竭。在本研究中，研究人员表明，选择大规模发展太阳能和风能发电——这些能源常因其可变性（variability）和所谓的不可靠性而受到批评——可能成为增强厄瓜多尔电力系统抵御未来类似干旱的重要元素。利用一种新识别的资源互补性，即所谓的"极端年份协同效应"（extreme-year synergy），将水电运行与太阳能和风能发电耦合，可在关键时期保障水库水位，大幅弥补干旱年份的水电赤字，并显著降低对热电备用容量（thermal backup capacity）和发电量的需求，后者通过一个新概念——可变可再生能源（variable renewables, VREs）的"间接"容量信用（'indirect' capacity credit）——进行量化。所识别的机遇对拉丁美洲及其他地区依赖水电的国家具有深远影响。
厄瓜多尔长期以来依赖水电满足其日益增长的电力需求，水电在其电力结构中的平均占比约为70%，其余30%几乎完全来自燃油和燃气发电厂。该国地形以安第斯山脉（Andes mountains）纵贯南北为特征，河流分别向东急流入亚马逊盆地、向西流入太平洋，这种地理条件似乎非常适合发展以水电为基础的电力系统。2023至2024年厄尔尼诺（El Ni?o）事件期间，连续干旱导致Paute河来水偏低，使得该国大部分灵活储能集中于Paute水电站（Complejo Paute）的水库水位逼近临界值。随着2024年干旱进一步加剧，亚马逊侧与太平洋侧的降雨互补性消失，多条河流水量严重不足，政府被迫实施每日长达12小时的停电措施，造成巨大的经济损失和社会痛苦。这场危机充分暴露了厄瓜多尔水电依赖模式在面对干旱时的脆弱性。
为解决上述问题，研究人员开展了关于水电与可变可再生能源协同运行的研究。传统研究多关注常规年份的水电-VRE协同效应，即在常规年份中利用水电的灵活性平衡VRE的波动性。然而，本研究识别了一种独特的"极端年份协同效应"：在常规年份，厄瓜多尔的太阳能和风能季节性发电潜力与Paute河流量不存在显著负相关；但在极端干旱年份，VRE达到峰值潜力的时期恰好与河流水量最大短缺的时期高度重合——具体而言，2024年Paute河流量最显著低于历史平均的时段（10月至12月）正是VRE资源相对较强的时期。从气候学角度看，该区域VRE潜力与干旱发生明显不相关，这使得这种协同效应具有稳健性。
研究采用可再生能源电力可变性、规模化与平衡（Renewable Electricity Variability, Upscaling and Balancing, REVUB）调度模型为核心技术方法。该模型为开源软件，可在小时到多年时间尺度上模拟水电水库运行以满足与VRE协同的生产目标，同时考虑技术约束和环境约束。研究以2011年至2023年为校准期，2024年作为"近视"处理期进行模拟，即模型在运行时不预先知晓2024年的灾难性水文条件。研究设计了四种情景：S1为无VRE的参考情景；S2为水电与太阳能协同运行情景；S3为水电与等容量太阳能-风电混合协同运行情景；S4为太阳能-风电混合舰队超规模配置情景。此外，研究还引入了"审慎水库管理"（prudent reservoir operation）策略，即在正常年份故意保持更高的水库蓄水位，以更好应对未来可能的危机时期。
研究结果表明，添加VRE不会对正常年份的水库蓄泄循环产生剧烈改变，但能在2023年末和2024年大部分时间显著提升水位。仅添加太阳能（S2，367 MW可协同太阳能）对提升水位作用有限；而加入风电后（S3，各270 MW太阳能和风电；S4，各613 MW太阳能和风电），"极端年份协同效应"得以充分发挥，风电的存在使得即使在极端弱雨季也能实现水库相对快速回蓄。2024年的"关键月份"（水库水位徘徊在最低运行水位附近、频繁出现机组停机的月份）从S1和S2的8个月减少至S3的6个月和S4的4个月。太阳能的日周期特性使水电可在白天降出力运行，实现水位的规律性"微恢复"；风电则带来季节性效应，使季节性河流来水能更好地被蓄存，加之风-光的日尺度协同效应，进一步缓解水库压力。
具体而言，Paute Molino电厂2024年的累计停机时间从S1的57天降至S2的51天（减少11%）、S3的42天（减少26%）和S4的30天（减少47%），几乎将停机时间缩短一半。在日内尺度上，太阳能的加入几乎消除了中午之后的停机；再加入风电后，全天各时段的停机均有所减少。
审慎水库管理策略在正常年份主动放弃约2%的水电发电量（对应容量因子约降低1个百分点），但能在危机年份多产生约7%的电量。结合VRE整合与审慎管理，与参考情景相比，容量赤字从1,210 MW降至580 MW（减少52%），发电量赤字从200 GWh降至20 GWh（减少90%），这些剩余赤字可通过规划中的与秘鲁的1,000 MW联网线路覆盖。
研究提出了VRE的"间接容量信用"概念。传统上，VRE因不可调度特性其容量信用被认为接近零。但本研究发现，在完成协同配置的情况下，每增加约1 GW的VRE容量，可减少相当于该容量50-65%（具体为59%）的峰值需求。这一比率并非源于VRE在系统压力时刻的绝对可用性，而是源于水电-VRE协同对关键时期水库运行的积极影响：在VRE潜力最高的季节，更多水被保留在水库中，从而能够在后续月份增加水电发电量。
在讨论部分，研究人员指出水电-VRE混合化只是增强厄瓜多尔电力系统韧性的多种可能措施之一，其他措施包括扩大化石燃料机组、在太平洋侧建设更多水电站、构建跨国联网以及部署储能技术等。研究估计，在厄瓜多尔背景下，即使持悲观假设，VRE也可能比新的化石能源发电更经济，且可避免危机期间紧急采购 fossil fuels 的成本和供应链瓶颈。关于输电联网，联网线路更可能补充而非竞争与水电-VRE混合化。若厄瓜多尔同时建设VRE舰队并推动更多联网，可在部分时间出口过剩VRE电量的同时增强干旱时期的韧性。
对于储能技术，电池和抽水蓄能通常提供日内储能，不足以克服2024年干旱造成的数月尺度的容量和发电量赤字；而通过电转X（power-to-X）技术的季节性储能，如利用过剩VRE生产绿氢并储存用于后续氢燃料发电，则明显比本研究提出的直接利用太阳能和风能作为强化机制的策略昂贵得多。
研究也坦承存在三方面主要不确定性：首先，实际水库运行比模型模拟更为复杂，需应对意外的需求波动、其他电厂非预期行为、可用传输容量变化、减淤需求等多种因素；其次，未来负荷曲线的时变特性及其年际变异存在不确定性；第三，气候变化本身可能影响可再生能源资源潜力，尤其是河川径流的变化趋势可能影响水电-VRE混合化潜力。研究引用文献指出，人为气候变化使2023-2024年亚马逊盆地干旱的发生概率增加了10-30倍，在全球升温2°C的情景下，极端干旱可能从百年一遇变为三十年一遇。
研究结论指出，厄瓜多尔可以利用其集中于Paute水电站群的灵活水电容量，支持VRE的电网整合，实现电力结构多元化。配合适度更为审慎的水库运行管理，本可在大程度上保护厄瓜多尔免受2023-2024年干旱对其水电主导电力系统的影响，缓解经济损失和人民福祉损害。具体而言，这一策略将：（1）使热电（或进口）所需新增峰值容量减少一半以上；（2）大幅降低额外燃料消耗（或进口）需求；（3）在危机期间基本避免Paute河径流式水电的频繁启停运行模式。尽管VRE通常被认为容量信用较低，不宜作为弥补容量赤字的首选，但研究表明在适当情况下，水电支持的VRE整合可挖掘可再生能源之间的"隐藏"协同效应，显著改善电力系统度过极端时期的前景。
