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2030年中國非水可再生能源將達16.5億千瓦,技術和經濟性完全可行

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發布日期:2021-01-26 來源:能見Eknower 瀏覽次數:103
核心提示:本文詳細闡述了中國2030年前實現碳達峰和2060年前實現碳中和目標和可行性路徑分析。詳情入下:

劃重點

今天強烈推薦一篇近期由落基山研究所(RMI)和能源轉型委員會(ETC)發布的《電力增長零碳化(2020–2030):中國實現碳中和的必經之路》報告,本文詳細闡述了中國2030年前實現碳達峰和2060年前實現碳中和目標和可行性路徑分析。報告核心觀點認為:

1. 中國電力系統在未來十年的發展,對于其在2030年前實現達峰和在2060年或更早時間實現碳中和目標至關重要。而確保中國所有新建發電裝機基本為零碳清潔能源是符合中國長期碳中和目標的合理策略。

2. 零碳投資情境中提出,到2030年,中國電力需求將達約11萬億千瓦時,煤電裝機控制在2019年水平,非水可再生能源發電裝機達到1650GW,每年新增裝機約為110GW。非化石燃料發電占比達到53%。

3. 隨著新建風電和光伏發電成本不斷降低,將在未來五年間低于許多現有火電項目的運行成本,新增煤電投資將加劇資產擱淺的風險。

4. 通過分析一些非水可再生能源比例可達50%以上(甚至接近100%)的有關國家經驗和案例,研究認為,包括頻率控制、電壓控制、故障穿越和高壓直流輸電線路的利用等所有的技術挑戰都有技術可行的解決方案。

5. 在中國以省為主體的多級調度機制情景中,如果能在提升既有火電、水電以及省間電力交易的靈活性三個方面加大工作力度,中國將有能力應對相關挑戰,在2030年非水可再生能源占比達到28%的電力系統中實現供需平衡。

6. 為實現碳中和目標,中國未來十年電力增長的零碳化不僅是需要努力的方向,更是在技術上和經濟上可以完成的使命。

執行摘要

2020年9月22日舉行的聯合國大會上,習近平主席承諾中國將力爭在2030年前實現碳排放達峰,努力爭取2060年前實現碳中和。[i]這是全球應對氣候變化工作的一項重大進展,彰顯了中國作為負責任大國發揮全球領導力的決心。我們認為,中國能夠在2060年前,甚至有可能在2050年實現碳中和,并全面發展成為一個發達經濟體。

中國碳中和目標正加速推動電力增長的零碳化進程。實現碳中和目標的關鍵在于盡早(遠早于目標日期)完成盡可能多部門的電氣化,并確保幾乎所有電力來源于零碳資源。2020年12月12日,習近平主席在氣候雄心峰會上除重申了碳中和目標外,還提出到2030年,中國風電、太陽能發電總裝機容量將達到1200GW以上的目標,充分展示了國家領導人對電力零碳增長對于實現碳中和目標重要性的肯定。因此,為與實現碳中和目標、推進中國電力部門全面脫碳等長期目標相一致,此研究 設定了“零碳投資2030情景”(圖1)。該情境預期到2030年, 中國電力需求將達約11萬億千瓦時,煤電裝機控制在2019年水平,非水可再生能源發電裝機達到1650GW,非化石燃料發電占比達到53%。

(一)中國實現零碳電力增長的經濟性日益顯著

2019年的競價結果顯示,中國光伏上網電價與2018年的標桿電價相比已下降30%,而2020年的結果在2019年基礎上進一步下降20%。2020年平均光伏補貼金額下降至每千瓦時0.033元,最低補貼金額僅為每千瓦時0.0001元。[ii]預計2021年可實現的上網電價將在幾乎所有省份顯著低于標桿煤電電價,在許多省份甚至低于煤電市場化交易價格。陸上風電即將低于煤電,海上風電成本有望在未來十年具備競爭力。其他的零碳電源如水電與核電的成本目前已經基本可以作為基荷與煤電競爭,并且水電是普遍認為成本最低的發電方式。我們預計,到 2020年代末,新建風電和光伏的發電成本將低于許多現有火電項目的運行成本,現有煤電資產將不再具備經濟效益。目前繼續新增煤電投資將更加加劇資產擱淺的風險。

(二) 瞬時電力平衡管理技術已然成熟

雖然經濟性優勢有利于快速擴大非水可再生的規模,但一些電網運營商認為,隨著非水可再生能源滲透率不斷增高會給系統帶來潛在的技術挑戰,包括頻率控制、電壓控制、故障穿越和高壓直流(HVDC)輸電線路的利用。通過分析一些非水可再生能源比例可達50%以上(甚至接近100%)的有關國家經驗和案例,我們認為上述所有挑戰都有技術可行的解決方案(圖2)。

(三)高比例可再生能源電力系統帶來的時-日季節供需平衡挑戰可以解決

對于像中國這樣以火電和水電為主的電力系統,隨著可再生能源上網比例的增加,電力供需平衡的難度也將增大。目前多個國家的經驗表明,可再生能源比例在20%-30%的水平時,大部分問題是可以通過現有火電(燃氣或燃煤)更靈活的運 行來解決的。例如,在德國2020年8月的一周中,硬煤機組出力在1.4GW到6.5GW之間調整以(79%變化量)滿足系統平衡。[iii]隨著可再生能源比例的進一步提高,其他靈活性資源,如抽水蓄能、電池儲能和需求側資源也將發揮越來越大的作用。盡管靈活性資源將會增加系統運行成本,但隨著零碳電力成本的持續下降,系統成本也將很大程度被抵消。能源轉型委員會的一份研究表明,到2035年,在一些情景下,非水可再生能源占比達到85%的電力系統的成本可實現比以煤炭或天然氣為主的系統成本更低。[iv]中國各地區的用電負荷特征與其他國家相比并無本質性區別,系統平衡的挑戰主要是由于供給側的以下兩個特征帶來的:一是對于煤電的依賴很高,而非天然氣;二是水電靈活性不足。同時,目前省間交易的不靈活也會給平衡帶來進一步的挑戰。然而,這些挑戰都并非不可攻克。

在實現全國范圍調度、省間充分互連的情景下,即使核電和水電出力在日內完全不具備靈活性,中國能夠實現2030年零碳投資情境中非水可再生能源占比28%的目標。圖3展示了零碳投資情境中2030年夏季和冬季典型日的全國供需平衡模擬圖。考慮所有非靈活調度的資源出力后,火電將在下午時段降低出力,傍晚和夜間提高出力來幫助平衡太陽能發電。通過抽水蓄能將小部分夜間發電需求轉移到白天,結合靈活性較高的燃氣發電來滿足晚上和夜間的部分調峰需求,可進一步減少對煤電的靈活性需求。即使在現有的煤電廠靈活性水平下,也完全可以實現系統的平衡。

除了(圖3)所示的每小時可預測的需求和供應變化外,該系統還必須對風電和光伏出力的隨機波動做出響應,即使這樣的波動能夠被全國范圍內的整合大大減少。但同時,在現實運營中,水電是可以實現短時快速調節來提供靈活性的,盡管在較長時間尺度的調節能力相對有限。

在更為現實的以省為主體的多級調度機制情景中,通過提升既有火電、水電以及省間電力交易的靈活性,中國也能在2030年非水可再生能源占比達到28%的電力系統中實現供需平衡。中國目前的現實情況是電力調度以省為主,同一區域內的省份可通過省間互濟解決短時發電余缺問題,更大范圍的跨省調度則主要通過制定年度省間送電計劃解決。日內執行時通常遵循較為平穩、缺乏靈活性的固定曲線。圖4對現實情景進行了一定簡化,但總體展示了現實情景下電力接收和輸出省分別面臨的靈活性挑戰。

如圖5a所示,在電力接收省,光伏出力的增加有效地降低了午間高峰用電期間對火電出力的需求。但由于外來電和 水電缺乏靈活性,基于目前燃煤電廠的靈活性能力,將較 難滿足夜晚時去太陽能出力后的爬坡需求。同時在春秋 兩季,外來電和水電出力的相對固化甚至會導致火電廠在晨間時段完全沒有出力空間。

對于送端省份,正午時間光伏大發,相對平滑的電力外送 計劃無法完全送出過剩的光伏發電量(導致棄光),而傍晚風電出力較大,會將火電出力空間壓縮為零。這將要求 每日頻繁啟停火電機組來平衡系統,這樣的做法顯然是 不經濟的。

我們研究認為,中國如果在2030年前重點在以下三個方面加大工作力度,將有能力應對這一挑戰。

(1)更靈活的跨省交易

從技術角度高壓直流線路并不需要保持很高且恒定的傳輸功率,靈活的省間送電計劃是技術可行的。在合理的優化下,它既能夠與送端省份可再生能源出力曲線更匹配,也能夠與受端高負荷省份用電需求曲線更匹配。以接收省為例,如果兩省 間現行的固定省間送電計劃(如圖5a)能夠靈活符合受端省份用電需求的變化(圖5b),就可以同時降低受端省份的靈活 性需求和平衡難度,也可以減少送端省白天的棄光。

(2)提高燃煤電廠靈活性

燃煤電廠的靈活性受多個因素影響,包括本身物理約束、市場機制及相關激勵機制。建議政策從以下兩角度出發,提高火電靈活性,滿足系統平衡需求。

中國“十三五”規劃制定了煤電靈活性改造目標,釋放約占銘牌總裝機容量20%的調節能力,即為220GW目標裝機量中的44GW。然而,到目前為止,這220GW目標中只完成了58GW。[v]繼續完成“十三五”規劃目標,并繼續盡可能提高煤炭機組的靈活性,應被視為優先任務。

隨著電力系統向高比例非水可再生能源和其他零碳資轉型,火電比例將會持續下降。但未來20年內,火電廠仍可作為靈活備用資源來使用。因此,在電力市場中需提供實時價格激勵信號以激發機組靈活運營的積極性,同時需要為其提供的備用 容量服務進行補償。

(3)提高水電靈活性

水電與煤電類似,也存在兩大關鍵問題——中國水電受物理條件約束的實際靈活性,以及發電計劃和激勵措施對水電靈活性的影響。前者的改善需要進行大量的投資,而后者可以通過電力市場改革得到快速改善。

中國國家發改委能源研究所2018年的分析表明,可以通過電力市場改革和送電計劃優化來挖掘水電在日內平衡中的巨大靈活性潛力。[vi]研究顯示,2020年水電的日內出力在100-200GW之間變化。到2035年,該變動范圍可擴大至60300GW,并且在2050年前還有進一步提高的空間。

隨著可再生能源在2030年后的十余年繼續快速增長,新的靈 活性資源將發揮越來越重要的作用。電池儲能、需求響應和氫能這三項技術將尤為重要,而中國在這些技術上都具備成為全球領導者的潛力。從成本上看,盡管在短期內增加某些靈活性資源會增加系統成本,但隨著時間的推移,如同風電和光伏的發展歷程,新形式的靈活性資源將會日漸成熟,成本也會逐漸下降。中國應通過十四五規劃等政策渠道支持技術的研發、示范和產業化,加速相關技術和市場的全面成熟,為促進靈活性資源成本的持續下降,實現高比例可再生電力系統平衡的長期目標盡快布局。

(四)實現中國未來10年電力零碳增長需要在量化目標制定、電力市場改革、優化電力規劃、提升技術標準等政策領域多措并舉

確保中國未來10年實現電力零碳增長的核心是提出明確的量化目標(包括制定核電與水電發展目標)。量化目標將推動中國風電和光伏項目開發和產業鏈實現降低成本的規模經濟和學習曲線效應。

應確立“所有新建裝機都來自零碳電源”的指導性方針,并將其轉化為零碳電力消納率的具體目標,如圖1所示的53%。

未來10年可再生能源裝機增長應與“零碳投資情景”基本保持一致,到2030年,風電和光伏總裝機增長至約1,650GW,每年新增裝機約為110GW。

十四五終年目標應與十年長期目標相協調,并將其分解為每年的指標并對每個省份提出具體的要求。

為確保實現這些目標,需要四個關鍵的政策支柱:

(1)  實現目標所需的政策

a.繼續現行的平價機制以標桿煤電電價為并網的光伏/風電項目提供價格保證。隨著風電和光伏發電經濟性的不斷改進,簽訂標桿煤電電價合約的陸上風電和光伏項目將獲得越來越高的溢價,激勵短期內的快速部署。

b.沿用競價機制來確保激烈的競爭。隨著時間的推移,競價價格將逐步下降,漸漸低于目前標桿煤電電價。如果其他兩項政策下裝機量不足以實現省級目標,就應啟用此類競價機制。

c.鼓勵長期市場化合同。放開市場化的長期電力合同(PPA),允許終端用戶與發電企業直接交易。調動已經制定積極的可持續發展目標的電力用戶,作為公開競價機制的補充。

(2)  通過市場和電網改革來支持靈活性電力供給

a.推進實時能源批發市場建設。目前,實時價格信號缺失和經濟激勵不足,導致火電和水電運行缺乏靈活性。時間精度更高的日前和實時市場能發揮更大的作用,可以更好地將可再生能源出力的變化在市場價格中體現出來,并刺激所有系統資源通過跟蹤價格信號來響應系統需求。

b.向所有參與者公平開放市場。電力能量市場和輔助服務市場也應面向所有技術類型的機組公平開放。僅涵蓋部分種類機組或部分電量的開放市場將可能破壞市場的有效性,無法實現真正的優化調度。它還可能阻礙電力系統平衡技術的創新發展,而隨著2030年以后清潔能源發電比例增長到較高水平,系統對這些技術的需求將越來越高。

c.相互協調且靈活的跨省調度及區域市場。如果中國作為一個統一的電力系統運行,到2030年,實現零碳投資情景的電力平衡將不會面臨巨大挑站。目前缺乏靈活性的跨省年度交易和執行方式,將大大增加高比例可再生能源系統實現平衡的難度。要解決這一問題,應考慮:

1.擴大調度平衡區域范圍并發展高度協調的跨系統調度。

2.短期內,在當前調度結構下要求跨省交易和調度能夠更好響應省級的價格信號,并與省級供需動態進行更加即時的協調。而不是采用目前作為邊界排出省級市場、以年為單位固定價格和送電安排的方式。

d.數據披露及公開獲取。多樣化的市場參與和公平的競爭可以提供低成本的靈活性資源并推動創新。保證市場參與主體享有重要基本信息(如負荷分布和負荷預測等)的平等訪問權,也是市場運行最重要的基礎。但由于目前只有少數幾家主要公司擁有和控制專有數據,新的參與者很難有效參與競爭。因此,制定行業數據(包括數據類型、精細度和披露頻率)披露標準將是非常重要。

e.對技術中性容量市場的潛在需求。良好運作的能量市場本身就能夠提供足夠的激勵來幫助系統獲得靈活性(并始 終應是發展的重點),靈活性不斷增加的火電廠也可以通過容量費用來獲得補償。但需要注意的一點是,容量市場的必要性和合理性應基于能量市場以穩定運作的基礎上,同時,該容量市場應對提供該服務和功能的所有技術類型機組開放,例如未來需求會逐漸增加的電池和氫能等。

(3)  優化電力規劃流程以支持可再生能源項目的開發

a.全面且精細的負荷預測。電力公司/電網公司目前會發布電力負荷分布和預測,但這通常只包括典型負荷曲線,和未來最大負荷或年用電需求的增長。這種只公布最大負荷預測,而不明確尖峰需求頻率和時長的方式,很可能會造成對火電投資的偏好而不利于其他儲能及需求側調峰選項。

b.電網規劃與可再生能源裝機增長協調發展。隨著非水可再生能源滲透率的增長,應確保輸電級和配電級電網升級規劃都與長期可再生能源量化目標相協調。此外,透明地公開評估未來可再生能源并網消納能力的方法學,將使可再生能源發電企業對未來的發展規劃有更清晰的預判,從而制定長期的發展計劃,降低可再生能源開發的非技術成本。

(4)  支持電網瞬時平衡管理的技術方法和市場機制

a.有效的輔助服務市場,如調頻輔助服務。就如同能量現貨市場和容量市場,這些市場應都建立在“技術中性”的 基礎上。

b.技術管理升級。技術規范、并網要求和管理流程對于保證系統穩定,支持可再生能源高速增長十分重要,具體包括:

1.優化非水可再生能源出力預測,減少棄風棄光,同時減少對系統備用的需求。

2.對風電出力施加嚴格的規定,控制風電出力的大幅變化,減少對系統平衡的影響。

3.強制要求非水可再生能源機組具備高電壓穿越能力,提升在系統發生擾動時的運行性能,進而避免連鎖故障。

4.實現對系統慣性的量化和管理,保障可再生能源比例增加時的系統可靠性。

實現習近平主席提出的2060年碳中和目標的首要任務是電力系統的全面脫碳,而在下一個十年電力增長全部來自于零碳能源又是實現中國電力系統全面脫碳的首要任務。我們分析認為,中國未來十年電力增長的零碳化不僅是必須完成的任務,更是在技術上和經濟上可以完成的使命。

 

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