中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2020年9月22日, 國(guó)家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布，中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2021年3月15日，中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議又明確提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。踐行碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略，能源是主戰(zhàn)場(chǎng)，電力是主力軍。據(jù)國(guó)內(nèi)多家權(quán)威機(jī)構(gòu)測(cè)算，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，中國(guó)的風(fēng)電、太陽(yáng)能裝機(jī)容量將超過(guò)50-60億千瓦，是2020年新能源裝機(jī)容量的十余倍。如此大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用，究竟該如何優(yōu)化布局尚未明晰。鑒于此，國(guó)家氣候中心聯(lián)合北京大學(xué)、中科院青藏所、金風(fēng)科技、國(guó)網(wǎng)能源院和發(fā)改委能源所等單位，對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展了系統(tǒng)性研究。論文成果以“Potential contributions of wind and solar power to China’s carbon neutrality”為題發(fā)表在《Resources, Conservation & Recycling》雜志上，IF：10.2。
01、摘要
由于風(fēng)能、太陽(yáng)能具有間歇性和波動(dòng)性特征，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)極具挑戰(zhàn)。本研究基于中國(guó)長(zhǎng)時(shí)間序列高時(shí)空分辨率風(fēng)能、太陽(yáng)能資源數(shù)據(jù)庫(kù)和高分辨率土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)，分省逐小時(shí)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)庫(kù)等資料，構(gòu)建了風(fēng)光電力供需與空間優(yōu)化模型，探討了2050年中國(guó)風(fēng)能、太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和的潛在貢獻(xiàn)及其優(yōu)化布局。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)情景下，到2050年，如果風(fēng)電裝機(jī)25億千瓦、光伏裝機(jī)26.7億千瓦，按照全國(guó)小時(shí)級(jí)的電力電量互動(dòng)平衡，不考慮儲(chǔ)能和需求響應(yīng)，僅靠風(fēng)光就可以滿足全國(guó)約67%的電量需求，同時(shí)棄電率小于7%（約6.33%）。屆時(shí)，中國(guó)風(fēng)光新能源年發(fā)電量將達(dá)10.39億千瓦時(shí)/年，每年減少SO2排放208萬(wàn)噸， NOx排放197萬(wàn)噸。
02、正文
2020年9月，在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，煤炭消費(fèi)國(guó)和碳排放國(guó)，中國(guó)宣布了一個(gè)雄心勃勃的減排目標(biāo)，即二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2021年3月15日，中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議又明確提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。過(guò)去十年，全球風(fēng)能、太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用成本快速下降，為能源綠色低碳轉(zhuǎn)型奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。資料顯示，2010-2019年，全球太陽(yáng)能光伏（PV）、陸上風(fēng)電和海上風(fēng)電的加權(quán)平均平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）分別下降了82%、39%和29%。
可變可再生能源（風(fēng)能、太陽(yáng)能）的大規(guī)模接入給當(dāng)前需要穩(wěn)定靈活供電的電力系統(tǒng)帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。本研究綜合考慮了風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電的時(shí)空變化和瞬時(shí)電力平衡，構(gòu)建了風(fēng)光電力供需與空間優(yōu)化模型，比較了8種風(fēng)光資源開(kāi)發(fā)利用情景下，中國(guó)高比例風(fēng)光電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性、經(jīng)濟(jì)性和氣候-環(huán)境指標(biāo)的差異。
在電源側(cè)，模型僅考慮風(fēng)光電力供給。這主要基于以下3個(gè)理由，（1）研究聚焦于以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)；（2）國(guó)家《可再生能源法》要求風(fēng)電、光伏優(yōu)先入網(wǎng)；（3）風(fēng)電和光伏發(fā)電的邊際成本幾乎為0。模型的約束條件是風(fēng)電、光伏可開(kāi)發(fā)區(qū)（網(wǎng)格點(diǎn)）的技術(shù)裝機(jī)容量大于等于零，小于等于最大可裝機(jī)容量。目標(biāo)函數(shù)是風(fēng)光耦合發(fā)電量與電力負(fù)荷之間的偏差（絕對(duì)值）最小。換言之，模型要求風(fēng)光發(fā)電最大程度地滿足電力負(fù)荷，同時(shí)要求棄風(fēng)棄光率最低。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們將電網(wǎng)視為銅板模型，即電力傳輸沒(méi)有損失或限制。研究使用混合整數(shù)線性規(guī)劃和IBM CPLEX求解器，來(lái)確定不同情景下風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站的最優(yōu)開(kāi)發(fā)位置和裝機(jī)容量。
研究使用國(guó)家氣候中心研制的長(zhǎng)時(shí)間序列（2007-2014年）高時(shí)空分辨率風(fēng)能、太陽(yáng)能資源數(shù)據(jù)庫(kù)（水平分辨率15公里，時(shí)間分辨率1小時(shí)）來(lái)計(jì)算逐小時(shí)的風(fēng)電和光伏發(fā)電量。
研究首先給出了中國(guó)省域（不考慮省與省之間的電力傳輸）尺度的風(fēng)光滲透率（風(fēng)光發(fā)電量滿足電力需求的比例）結(jié)果。圖1A 顯示，中國(guó)西北地區(qū)的風(fēng)能-太陽(yáng)能發(fā)電潛力豐富（>3000 TWh），東部和南部省份風(fēng)能-太陽(yáng)能發(fā)電潛力較小（<800 TWh）。就大多數(shù)省份而言，太陽(yáng)能發(fā)電潛力大于風(fēng)能。資源稟賦較好的區(qū)域遠(yuǎn)離負(fù)荷中心（圖1B）。預(yù)計(jì)2050年，中國(guó)東部和南部省份的電力需求較高（>1000 TWh），西北地區(qū)較?。?lt;600 TWh）。若新能源可開(kāi)發(fā)區(qū)的資源全被利用，風(fēng)電、光伏的潛在年發(fā)電量將達(dá)77.9萬(wàn)億千萬(wàn)時(shí)，約為 2050年全國(guó)電力需求（15.4萬(wàn)億千瓦時(shí)）的5倍。總體上，風(fēng)光資源稟賦越好，且電力需求越小的區(qū)域，其新能源滲透率越高。例如，西藏、新疆、青海、甘肅和內(nèi)蒙等省的新能源滲透率大于80%。然而，在風(fēng)能太陽(yáng)能資源匱乏，且電力需求較大的沿海和中部省份，新能源的滲透率小于50%（圖1C）。2050年，全國(guó)平均的風(fēng)光滲透率為51.5%，風(fēng)光發(fā)電量為8.5萬(wàn)億千瓦時(shí)。
圖1、中國(guó)風(fēng)電光伏發(fā)電潛力、2050年各省用電需求以及2050年中國(guó)不同省份的風(fēng)光滲透率
接下來(lái)，研究考慮了三種促進(jìn)風(fēng)能-太陽(yáng)能利用的策略（即區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)、技術(shù)進(jìn)步和需求響應(yīng)），并量化了它們對(duì)風(fēng)能-太陽(yáng)能滲透率的潛在影響。區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)情景意味著，模型考慮連接區(qū)域電網(wǎng)（如西北電網(wǎng)）內(nèi)的省域電網(wǎng)，并在區(qū)域電網(wǎng)尺度上進(jìn)行空間優(yōu)化和模型求解；就技術(shù)進(jìn)步情景而言，我們提高風(fēng)機(jī)輪轂高度，即使用140m高度的風(fēng)機(jī)替代100m高度的風(fēng)機(jī)；同時(shí)，采用跟蹤式光伏支架替代固定式光伏支架。已有研究表明，與固定式光伏支架相比，采用跟蹤式光伏支架，可以提高20%-40%的光伏發(fā)電量。就需求響應(yīng)情景而言，我們?cè)谛枨髠?cè)調(diào)整負(fù)荷曲線，使其更好地與新能源供給曲線相匹配。具體地，我們將需求響應(yīng)的潛力設(shè)為10%。我們?cè)u(píng)估了每種策略的影響，以及多種策略組合的綜合影響，共計(jì)8種情景。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，就單一策略來(lái)說(shuō)，區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)對(duì)于提高新能源滲透率的作用最大。實(shí)施電網(wǎng)互聯(lián)后，所有區(qū)域電網(wǎng)的新能源滲透率均增加，其中西南電網(wǎng)和華北電網(wǎng)的新能源滲透率增加最顯著（圖2）。區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)后，西南電網(wǎng)的風(fēng)光滲透率從33.62%增加到81.62%，華北電網(wǎng)的風(fēng)光滲透率從49.81%增加到82.62%。該情景下，2050年全國(guó)平均的風(fēng)光滲透率為67%，其中東北、華北、西北和西南電網(wǎng)的新能源滲透率高于80%，華中電網(wǎng)低于50%。2050年全國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)量約25億千瓦，光伏裝機(jī)量約26.7億千瓦，新能源棄電率為6.33%。
在不包含區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的情景下，風(fēng)能-太陽(yáng)能的滲透率變化不大（圖2）。單獨(dú)的技術(shù)進(jìn)步本身并不能明顯增加風(fēng)光滲透率。單獨(dú)的需求響應(yīng)策略也僅使得風(fēng)光滲透率增加了1.97%。
圖2. 8種風(fēng)光資源開(kāi)發(fā)情景下，風(fēng)電、光伏發(fā)電滿足2050 年電力需求的比例
另外，區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)也會(huì)改變風(fēng)光新能源的開(kāi)發(fā)格局。區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)促使新能源開(kāi)發(fā)向資源稟賦好的地區(qū)集中。與基礎(chǔ)情景相比，實(shí)施電網(wǎng)互聯(lián)后，華北電網(wǎng)和西南電網(wǎng)的風(fēng)電、光伏安裝格局出現(xiàn)了較為明顯的變化。其中，華北電網(wǎng)風(fēng)電和光伏安裝格局向風(fēng)光資源條件較好的蒙西地區(qū)集中。電網(wǎng)連接后，蒙西風(fēng)電裝機(jī)容量為477.4GW，為基礎(chǔ)情景下（18.3GW）的約26倍。同時(shí)，幾乎所有的光伏裝機(jī)從北京、天津、河北、山西和山東移除，大約一半的光伏裝機(jī)重新安裝在蒙西地區(qū)（約290GW）。
區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)也將改變新能源開(kāi)發(fā)的數(shù)量和結(jié)構(gòu)特征。與基礎(chǔ)情景相比，區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)大大提高了風(fēng)電裝機(jī)容量（16億千瓦VS25億千瓦 ），略微降低了光伏裝機(jī)容量（27.7億千瓦VS26.7億 千瓦）。
圖2. 基礎(chǔ)情景和區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)情景下的2050年風(fēng)光資源開(kāi)發(fā)空間格局
接下來(lái)，我們選取4種風(fēng)光滲透率大約60%的情景（即區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)前景、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)+技術(shù)進(jìn)步情景、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)+需求響應(yīng)情景、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)+技術(shù)進(jìn)步+需求響應(yīng)情景），并重點(diǎn)分析了這些情景對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性和氣候環(huán)境指標(biāo)的差異（表1）。這里的經(jīng)濟(jì)成本包括發(fā)電成本（用平準(zhǔn)化度電成本LCOE衡量）和輸電成本。研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)+技術(shù)進(jìn)步情景下，系統(tǒng)的總成本和平均成本最低（總發(fā)電成本：3.55萬(wàn)億元；新能源平均度電成本（包括發(fā)電成本和輸電成本）：0.33元/千瓦時(shí)），投資回報(bào)最高（即滿足總電力需求的1%僅需534億元人民幣）。在氣候和環(huán)境效益方面，我們?cè)u(píng)估了減少碳排放和減少空氣污染的貢獻(xiàn)。根據(jù)其他研究成果，為實(shí)現(xiàn)1.5°C溫控目標(biāo)，中國(guó)的風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電需要在2050年達(dá)到約5.4–9.7 PWh。對(duì)應(yīng)每年排放的CO2減少4.54–8.15 Gt。我們的結(jié)果表明，以上四種方案都可以提供>10 PWh的綠色電力供應(yīng)，完全可以滿足這一要求。在上述四種方案中，區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)+需求響應(yīng)方案產(chǎn)生的綠色電力量最大，為10.39 PWh。該情景下，污染物減少最多，二氧化硫和氮氧化物的排放量每年分別減少208萬(wàn)噸和197萬(wàn)噸。
表1、風(fēng)光綠色電力帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)成本和氣候環(huán)境指標(biāo)的差異
科學(xué)規(guī)劃是最大的節(jié)約。
