中國儲能網(wǎng)訊:近日,清華大學核能與新能源技術(shù)研究院張希良教授、張達副教授團隊與清華大學環(huán)境學院魯璽教授團隊聯(lián)合美國加州大學圣迭戈分校(UCSD)邁克爾·戴維森(Michael R.Davidson)助理教授團隊、中國氣象科學研究院張小曳院士團隊,開發(fā)了具有高時空精度的可再生能源布局與電力系統(tǒng)優(yōu)化模型(Renewable Energy Siting and Power-system Optimization Model, RESPO),并使用該模型研究了我國未來長期碳中和目標下的可再生能源發(fā)展布局優(yōu)化。分析結(jié)果顯示,在我國2060年度電力需求為15.4萬億度的假設下,我國需要分別部署20億~40億千瓦的風電和光伏裝機,同時應重視發(fā)展儲能系統(tǒng)和擴大特高壓跨省傳輸網(wǎng)絡。
發(fā)展以風力和光伏發(fā)電為代表的可再生能源是推動我國電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)碳中和目標的重要途徑。建設高比例可再生能源的電力系統(tǒng),需要綜合考慮風光資源、地理特征、土地利用和電網(wǎng)消納能力等因素,以進行資源配置。長期以來,由于提升時空分辨率會增加電力系統(tǒng)優(yōu)化模型復雜度、帶來求解困難,因此,針對我國可再生能源發(fā)展的電力系統(tǒng)容量擴張和運行優(yōu)化模型在時空分辨率上精度有限,難以充分刻畫可再生能源發(fā)電在時間和空間兩個維度上的異質(zhì)性。
為此,聯(lián)合研究團隊開發(fā)了RESPO模型,首次實現(xiàn)了電力系統(tǒng)優(yōu)化模型同時在格點(約31km×25km)和全年8760小時逐小時級別對大區(qū)域尺度(中國內(nèi)地)的可再生能源容量擴張和運行調(diào)度進行優(yōu)化。
研究團隊使用RESPO模型針對我國未來長期碳中和目標下的可再生能源發(fā)展布局優(yōu)化開展研究,設計了涵蓋不同風電光伏投資成本、儲能建設成本、跨省傳輸線路建設成本、火力發(fā)電靈活性、電力系統(tǒng)負排放目標、土地利用政策嚴格程度和模型時空分辨率假設的34組情景進行分析比較。研究基準情景結(jié)果顯示,在我國2060年度電力需求為15.4萬億度的假設下,我國需要分別部署20億~40億千瓦的風電和光伏裝機,其中80%的光伏裝機和55%的風電裝機集中在電力負荷中心100公里范圍以內(nèi)(圖1)。
圖1.RESPO模型在2060年碳中和背景下的風電光伏布局優(yōu)化結(jié)果,(A)和(B):格點級風電與光伏的裝機容量;(C)和(D):風電和光伏接入到各用電負荷中心的裝機容量;(E)和(F):與接入的負荷中心距離—風電和光伏裝機容量累計分布
此外,發(fā)展儲能系統(tǒng)和擴大特高壓跨省傳輸網(wǎng)絡是提高電力系統(tǒng)的可再生能源消納和安全保供能力的重要發(fā)展方向?;鶞是榫敖Y(jié)果顯示,為了保障約60億千瓦規(guī)模的風光消納,需要建設超過5億千瓦的抽水蓄能和超過7億千瓦的電化學儲能裝機;當允許模型考慮部署以壓縮空氣儲能(20小時放電容量)和液流電池(10小時放電容量)為代表的長時儲能技術(shù)時,長時儲能裝機可能達到3億千瓦的規(guī)模。
圖2.不同情景下儲能的裝機容量
研究的基準情景結(jié)果還顯示,2060年的跨省傳輸容量將提高到2020年水平約3倍。其中,擴張幅度最大的區(qū)域線路為蒙西—山東(由約1000萬千瓦提高到9000萬千瓦);部分其他重要的南北方向電力傳輸通道也需要進一步加強,例如福建—浙江需要新增約7000萬千瓦容量將福建的海風發(fā)電輸送至浙江。圖3顯示了跨省電力傳輸(子圖A1)、總?cè)萘浚ㄗ訄DB1)與相對2020年的新增容量(子圖C1)情況。
圖3.2060年基準情景下特高壓傳輸網(wǎng)絡建設情況,(A):跨省凈電量流向;(B):區(qū)域間總的傳輸容量;(C):新建傳輸容量
為評估土地利用政策嚴格程度對于相關結(jié)果的影響,研究還分別針對風電和集中式光伏的可建設潛力設計了高、中、低三個情景,形成3×3共計九種情景。模型結(jié)果顯示,當可供集中式光伏建設用地假設更加保守時,分布式光伏將在一定程度上替代集中式光伏裝機;在高電力需求和農(nóng)業(yè)大省,能源與糧食的用地競爭更加明顯,一些東部省份將利用幾乎所有可供集中式光伏建設的土地。相比之下,不同土地利用假設對風電裝機結(jié)果影響有限。圖5顯示了不同土地利用情景下的裝機容量(子圖A)、平均供電成本(子圖B)、風光裝機(子圖C)、分電網(wǎng)區(qū)域裝機(子圖D)、跨省傳輸通道容量(子圖E)與儲能裝機容量(子圖F)情況。
圖4.不同土地利用政策嚴格程度下的優(yōu)化結(jié)果,(A):各發(fā)電技術(shù)最優(yōu)裝機容量;(B):電力系統(tǒng)(不含配電)度電平均成本構(gòu)成;(C):風電和光伏的裝機容量;(D):不同區(qū)域風電和光伏的裝機容量;(E):傳輸線路容量;(F):儲能裝機容量
2月26日,研究論文以“支撐碳中和目標的高精度土地利用和電力規(guī)劃模型”(Spatially Resolved Land and Grid Model of Carbon Neutrality in China)為題,在線發(fā)表于《美國科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences,PNAS)。魯璽和邁克爾·戴維森(Michael R.Davidson)為論文通訊作者,張達為論文第一作者。研究得到國家自然科學基金以及清華大學原創(chuàng)探索計劃的支持。