加州在向清洁电力转型方面处于全国领先地位，但整合了所有可再生能源进入网格这并非易事。长期以来，可再生能源的批评者一直声称，向电网添加可变可再生能源(如风能和太阳能)将迫使化石燃料发电厂的运行效率降低，导致空气污染排放增加。随着各州开始整合更多的可再生能源，这些说法又回来了．
但是这个论点是正确的吗?可再生能源真的会导致空气污染加剧吗?
(剧透:我计算了加州的数据，答案是否定的。)
有什么好担心的?
可再生能源将增加空气污染的观点依然存在，最近在北卡罗来纳州杜克能源公司(Duke Energy)出现了这种观点寻求改变对他们的几个天然气发电厂的空中许可。甚至UCS也一直关注这个问题，我们的结论之一在加州关掉煤气研究表明，随着加州向电网中添加越来越多的可再生能源，天然气厂的运营将继续以一种方式改变可能会增加空气污染从那些植物中。
在过去的十年里，加州的可再生能源发电量大幅增加。
注:本图数据来自加州能源委员会它不包括屋顶太阳能发电。
更多的可再生能源究竟会如何增加空气污染?
该理论认为，可变可再生能源发电将迫使化石燃料发电厂在一天的特定时间内完全减少或关闭，以适应可再生能源发电。然后，随着可再生能源发电的逐渐减少，发电厂将需要恢复或重新启动，以确保电网中有足够的电力。电厂运行中的这些变化(爬坡、启动和停止)统称为“循环”。
这里的问题是，更多的发电厂循环，特别是启动一个发电厂，可能会导致该发电厂排放更多的空气污染。大多数天然气、煤炭和其他化石燃料发电厂都有排放控制设备，旨在减少发电厂排放的空气污染物。排放控制设备需要在一定的温度下才能正常工作，而当工厂启动时，设备并不是特别有效，因为设备还没有足够的加热。因此，如果更多的可再生能源导致更多的发电厂循环，那么空气污染的排放量可能会上升。
有趣的理论，但这真的会发生吗?
同样，这种担忧已经存在一段时间了。早在2013年，美国国家可再生能源实验室就研究了这个问题。他们发现增加可再生能源显著减少了空气污染的排放，因为尽管发电厂的循环次数更多，但它们的发电量更少，燃烧的燃料也更少。发电厂发电量的减少降低了空气污染排放，盖过了骑车的影响。
但现在已经是2019年了，加州增加了大量的可再生能源发电(大约有一年)增加150%)，我想了解加州发电厂的运营是如何随着时间的推移而变化的，以及这些变化是否影响了空气污染的排放。
加州分析概述
为了回答这些问题，我分析了每小时的数据为加州天然气厂收集的连续排放监测系统．(加州的大多数天然气厂都被要求使用这种监测设备，并向EPA报告结果。)我收集了过去十年的数据，并将分析分解为三种不同类型的天然气发电厂(联合循环、蒸汽轮机和燃气轮机)。总的来说，联合循环发电厂效率高但不太灵活，燃气轮机发电厂非常灵活但效率较低，蒸汽轮机发电厂老旧、不灵活、效率低，大多正在被淘汰。最后，我特别关注氮氧化物(或NOx)污染氮氧化物是燃气厂排放的主要空气污染物．虽然氮氧化物本身对健康有负面影响，它也是一个前兆臭氧和颗粒物对人体健康的危害更大。
燃气厂的排放正在发生变化吗?
总的来说，我发现加州发电厂的氮氧化物总排放量在过去十年呈下降趋势。这是一段坎坷的旅程，但趋势肯定是向下的(见下图)。
氮氧化物排放量之所以如此波动，是因为氮氧化物排放总量至少在一定程度上取决于天然气发电的总体水平。例如，2011年，西北太平洋地区和加利福尼亚州创纪录的降水导致氮氧化物排放量大幅下降水力发电过剩显著降低了产气量。就在第二年，2012年，加州的水力发电水平非常低，圣奥诺弗雷核电站突然关闭，导致天然气发电(和氮氧化物排放)下降尖刺回来填补空白。
氮氧化物排放最多的工厂类型也发生了变化。虽然蒸汽轮机机组的排放量在过去十年中逐渐减少，但燃气轮机的排放量却有所增加。考虑到发电厂，尤其是燃气轮机不成比例的位置在加州最贫困的社区，燃气轮机排放的上升意味着加州的一些社区可能没有看到空气污染排放总体下降的全部好处。
虽然在过去十年中，加州燃气电厂的NOx总排放量总体上有所下降，但一些外部因素(如水力发电和核能发电)对总体NOx排放水平有显著影响。
注:蒸汽轮机氮氧化物排放量在2009年和2010年开始如此之高，是因为一个老旧的、高污染的发电厂一直运行到2010年退役。
是什么导致排放量整体下降?
影响加州发电厂氮氧化物排放总量的因素有很多。正如我已经提到的，天然气的总发电量是其中一个因素。在2012年天然气发电量激增后，整体水平基本保持不变，直到2016年天然气发电量开始显著下降(见下图)。过去几年的这种下降无疑有助于降低氮氧化物排放的总水平。
在2012年大幅增长之后，天然气发电厂的发电量一直保持在类似的水平，直到过去几年有所下降。总的天然气产量随着外部因素(如水力发电和核能发电)的变化而波动。
注:“Total”生成数据来自加州能源委员会，表示从所有加州的天然气厂。环保署在这里分析的数据只包括加州天然气发电厂的一部分数据，这些发电厂约占加州天然气发电量的80%。
影响氮氧化物排放的另一个因素是平均氮氧化物排放率，即发电厂为了产生一单位电力而排放多少氮氧化物。随着更老、更脏的燃气厂的退役，以及拥有更有效排放控制技术的新燃气厂的投产，过去十年氮氧化物的平均排放量显著下降(见下图加权平均值)。
虽然联合循环NOx排放速率在过去十年没有太大变化，但燃气轮机排放速率和总体排放速率随着时间的推移呈下降趋势。由于加州大量的天然气发电来自联合循环发电厂，总体加权平均NOx排放量与联合循环排放量非常接近。
注:总体氮氧化物排放率包括EPA数据中的所有燃气厂，包括蒸汽轮机。此外，联合循环电厂的氮氧化物排放率在这里可能被高估了，因为EPA的数据不包括每个联合循环电厂的蒸汽轮机部分的发电量。
骑自行车怎么样?
正如我前面提到的，燃气工厂的循环(加速、启动和停止)会导致NOx排放的增加，因为当工厂循环时，排放控制技术的效果较差。加州的燃气发电厂，尤其是燃气轮机，在过去的十年里启动的频率要高得多(见下图)，而且随着时间的推移，启动的次数一直在稳步增长。虽然燃气轮机启动量的大幅增加并没有显著提高燃气轮机NOx排放率，但所有这些启动量无疑都使总体NOx排放率保持在高于正常情况下的水平。
在过去的十年里，随着越来越多的可再生能源进入电网，加州的燃气轮机启动得越来越频繁。虽然从理论上讲，新开工数量的增加可能会推高氮氧化物排放，但其他因素，如天然气发电量的整体下降，使氮氧化物排放保持下降趋势。
注:可再生生成数据仅包括太阳能光伏和风力发电。它不包括屋顶太阳能数据。此外，需要注意的是，并非所有的启动都产生相同数量的氮氧化物排放。启动时的NOx排放通常取决于工厂的容量(MW)，由于燃气轮机通常比联合循环工厂的容量小，燃气轮机启动时的NOx排放可能比联合循环启动时的NOx排放少。
我们是清白的吗?
随着氮氧化物排放总量和排放量双双下降，近期的趋势令人鼓舞。然而，加州的天然气厂已经越来越频繁地循环，UCS将继续关注未来空气污染排放的变化。
加州的社区仍然面临着一些最差空气质量在该国，迫切需要采取行动改善空气质量。UCS仍然致力于确保发电厂运营的变化不会导致加州社区空气污染的增加。
在向电网添加大量可再生能源方面，加州远远领先于美国其他地区，而世界其他地区也在关注着该州进入未知领域的步伐。由于从来没有人能像加州计划的那样，将电力部门脱碳，我们需要密切关注各种意想不到的影响，以确保向清洁能源的过渡尽可能顺利。
分析细节:
- 这个分析使用了EPA数据为加州天然气厂收集的连续排放监测系统．并不是所有的加州天然气工厂都被要求向美国环保署报告排放量，因此本分析只关注占加州州内天然气发电约80%的工厂。
- 我对一个单位水平，不是一个植物的水平。加州的一些发电厂在同一设施中安装了多种机组类型(联合循环、燃气轮机、蒸汽轮机)，这里报告的结果是基于特定机组的运行进行分解的。重要的是，这意味着发电厂启动的结果是单位启动，不是整个电厂启动。
- 在分析NOx排放和NOx排放率时，我目视检查了数据，并删除了特定年份特定单位的错误高值。在几乎所有的年份里，每种类型的燃气发电厂的剔除值占发电量的比例都不到2%。去除值最高的是2013年和2014年的燃气轮机。在这两年中，剔除值占燃气轮机总发电量的8-9%，这意味着在本分析中，2013年和2014年燃气轮机的NOx排放量可能被低估了8-9%。
- 我从这个分析中删除了错误的高NOx排放值，因为当排放监测设备不能正常工作时，估计排放量的保守过程可能会严重夸大这些时期的排放量。然而，没有办法区分排放监控器不工作的时期和排放的时期控制设备没有工作，因此有可能从分析中错误地删除了一些实际值。为了防止这样的错误，我交叉检查了所有的值与排放加州空气资源委员会的报告在移除它们之前。所有经过交叉检查和删除的数值都远远高于报告给加州空气资源委员会的排放量。