中國(guó)電力系統(tǒng)低碳發(fā)展分析模型構(gòu)建與轉(zhuǎn)型路徑比較
引用本文
張運(yùn)洲, 張寧, 代紅才, 等. 中國(guó)電力系統(tǒng)低碳發(fā)展分析模型構(gòu)建與轉(zhuǎn)型路徑比較[J]. 中國(guó)電力, 2021, 54(3): 1-11.
ZHANG Yunzhou, ZHANG Ning, DAI Hongcai, et al. Model construction and pathways of low-carbon transition of china's power system[J]. Electric Power, 2021, 54(3): 1-11.
1.研究背景
中國(guó)提出的碳達(dá)峰目標(biāo)和碳中和愿景，對(duì)能源電力碳減排提出了更高要求，電力系統(tǒng)的清潔低碳化轉(zhuǎn)型路徑亟待探索。為此，本文立足于能源及電力行業(yè)在碳減排中的重要作用，針對(duì)電力近中期低碳發(fā)展形勢(shì)，構(gòu)建考慮碳排放外部成本的規(guī)劃模型，并開展量化展望分析；針對(duì)遠(yuǎn)期低碳發(fā)展情景，提出電-氫協(xié)同路徑和電-氫-碳協(xié)同路徑，構(gòu)建適用于新能源多元化利用方式的全鏈條技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型，對(duì)氫氣、甲醇等終端產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)行評(píng)估。
2.論文所解決的問題及意義
本文首先從能源電力領(lǐng)域的碳排放現(xiàn)狀出發(fā)，明確了能源電力在碳減排中的定位。其次， 差異化地構(gòu)建了適用于近中期的電力低碳發(fā)展源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型、適用于遠(yuǎn)期的新能源多元化利用方式全鏈條技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型。在此基礎(chǔ)上，對(duì)近中期電力低碳化發(fā)展進(jìn)行了量化分析，對(duì)遠(yuǎn)期電力低碳化轉(zhuǎn)型提出了依靠電力系統(tǒng)自身、電-氫協(xié)同以及電-氫-碳協(xié)同助力新能源消納3種路徑，并展開優(yōu)劣勢(shì)分析，為我國(guó)電力低碳化轉(zhuǎn)型路徑提供重要參考。
3.論文重點(diǎn)內(nèi)容
3.1 模型方法
為有效開展未來不同階段電力系統(tǒng)低碳化轉(zhuǎn)型研判，采用差異化的建模思路。對(duì)于近中期，采用電力系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)整體優(yōu)化規(guī)劃模型進(jìn)行分析。以電力系統(tǒng)總成本凈現(xiàn)值最低為目標(biāo)，以目標(biāo)函數(shù)外部成本內(nèi)部化和約束性指標(biāo)方式處理低碳目標(biāo)，計(jì)及電力電量平衡與系統(tǒng)靈活性等各類約束條件，求解滿足未來電力需求的各階段各區(qū)域的煤電、氣電、核電、水電、陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等各種電源與跨區(qū)輸電通道、需求響應(yīng)、能效電廠與儲(chǔ)能等電力系統(tǒng)各組成元素的優(yōu)化發(fā)展規(guī)模。
對(duì)于遠(yuǎn)期，新能源多元化利用方式將實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。為了解決多元化利用場(chǎng)景下環(huán)節(jié)考慮不全面的問題，本文提出了計(jì)及新能源發(fā)電、電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)與安全穩(wěn)定運(yùn)行、多能耦合轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)運(yùn)輸與終端利用等環(huán)節(jié)的全鏈條技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型，有助于理清各環(huán)節(jié)之間的協(xié)同關(guān)系，為中遠(yuǎn)期電力系統(tǒng)低碳化發(fā)展路徑的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估與比選提供量化分析工具。該模型的重點(diǎn)構(gòu)成部分是低碳電力的平準(zhǔn)化度電成本LCOLE（levelized cost of low-carbon electricity）計(jì)算模型和P2X終端產(chǎn)品的平準(zhǔn)化成本LCOPP（levelized cost of P2X product）計(jì)算模型。
3.2 電力近中期低碳發(fā)展的量化分析
近中期中國(guó)新能源呈“倍增”式發(fā)展，各類電源之間呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢(shì)?！笆奈濉逼陂g，新能源規(guī)?？焖偬嵘?，年均增長(zhǎng)1.0億~1.2億kW。2025年，新能源裝機(jī)規(guī)模達(dá)到11億kW左右，占比35%左右。在“十五五”初期，煤電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到峰值，為12億~13億kW；新能源裝機(jī)規(guī)模進(jìn)一步提升，2030年裝機(jī)容量達(dá)到17億kW左右，占比達(dá)到約44%。
電力系統(tǒng)碳排放達(dá)峰后穩(wěn)中有降。從總量來看，有望在2025年或稍后達(dá)峰，峰值控制在45億t以內(nèi)，2035年降至34億t左右。從碳排放強(qiáng)度來看，未來中國(guó)度電二氧化碳排放持續(xù)下降，2025年下降至約460 g/(kW·h)，2035年降至280 g/(kW·h)左右。
3.3 電力遠(yuǎn)期低碳發(fā)展的路徑探討
隨著新能源裝機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大，其出力波動(dòng)范圍和波動(dòng)速率也將迅速增大，電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力與安全穩(wěn)定運(yùn)行將成為制約新能源大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵因素。圍繞高比例新能源消納問題，提出以下3種路徑探討未來電力低碳發(fā)展情景。
常規(guī)路徑下，新能源主要通過轉(zhuǎn)化為電力進(jìn)行利用。為了提升系統(tǒng)對(duì)新能源的消納能力，在電源側(cè)激發(fā)多元電源的協(xié)同調(diào)節(jié)潛能；在電網(wǎng)側(cè)廣泛部署有功、無功補(bǔ)償裝置，提升系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)更加靈活優(yōu)化的運(yùn)行方式；在負(fù)荷側(cè)推動(dòng)需求響應(yīng)常態(tài)化；在儲(chǔ)能側(cè)擴(kuò)大儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模并引導(dǎo)其參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)。
在電-氫協(xié)同路徑下，充分發(fā)揮制氫負(fù)荷的靈活性，通過離網(wǎng)、并網(wǎng)等方式大規(guī)模部署電制氫設(shè)施，在源側(cè)和網(wǎng)側(cè)實(shí)時(shí)跟蹤新能源波動(dòng)性出力，有效解決高比例新能源下電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)問題。隨著電制氫技術(shù)的成熟以及規(guī)?；a(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，“綠氫”的經(jīng)濟(jì)性逐步增強(qiáng)，2060年成本下降至約7.2元/kg，預(yù)計(jì)2030—2040年時(shí)期綠氫的熱當(dāng)量成本有望與油氣大致相當(dāng)。
電-氫-碳協(xié)同路徑下，在發(fā)揮電制氫靈活調(diào)節(jié)性能的基礎(chǔ)上，通過在煤電機(jī)組加裝CCUS，一方面為系統(tǒng)保留了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，另一方面，CCUS捕獲的二氧化碳可與綠氫反應(yīng)制取甲烷或甲醇，可以在終端替代進(jìn)口油氣，大幅降低中國(guó)能源對(duì)外依存度。從經(jīng)濟(jì)性的角度來看，預(yù)計(jì)2030年前后中國(guó)加裝CCUS的度電增量成本在0.2元/(kW·h)左右，基本與新能源并網(wǎng)的度電系統(tǒng)成本持平。
總體來看，3種路徑各有千秋，未來電力系統(tǒng)低碳發(fā)展應(yīng)當(dāng)是多種路徑融合發(fā)展的結(jié)果。電力系統(tǒng)不斷提升自身對(duì)高比例新能源的消納能力，同時(shí)充分發(fā)揮電制氫的調(diào)節(jié)作用，并積極探索電制甲醇等P2X技術(shù)路線，共同支撐新能源的大規(guī)模發(fā)展。
4.研究結(jié)論
本文針對(duì)電力系統(tǒng)近中期和遠(yuǎn)期的低碳發(fā)展問題，差異化地構(gòu)建了電力低碳發(fā)展量化分析模型和新能源多元化利用方式的全鏈條技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型，并提出了依靠電力系統(tǒng)自身、電-氫協(xié)同、電-氫-碳協(xié)同消納高比例新能源三種遠(yuǎn)期電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型路徑。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)：“十四五”期間，新能源將呈“倍增”式發(fā)展，電力低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)程提速；“十五五”期間，電源結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，電力系統(tǒng)碳排放達(dá)峰后穩(wěn)中有降。遠(yuǎn)期來看，隨著氫能和CCUS技術(shù)成熟度的提升和規(guī)模效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，電-氫協(xié)同、電-氫-碳協(xié)同路徑將逐步具備經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，未來電力系統(tǒng)低碳化轉(zhuǎn)型將呈現(xiàn)多種路徑融合發(fā)展態(tài)勢(shì)。
