中國儲能網訊：2月26日，《美國國家科學院院刊》發(fā)布了最新研究報告《中國碳中和的空間解析土地和網格模型》。該研究由加州大學圣地亞哥分校和清華大學的學者共同完成。他們的模擬發(fā)現(xiàn)，如果中國要實現(xiàn)2060年前碳中和目標，需要擁有2TW的風電裝機容量和3.9TW的光伏裝機容量，大約是2022年裝機容量的10倍。
風光發(fā)展的潛力和區(qū)域
該研究指出，2TW的風電裝機和3.9TW的光伏裝機分別能夠產出6PWh和5.3PWh的發(fā)電量。預計將占2060年全國總發(fā)電量的65%。
其中，新增發(fā)電將會集中在中部和東部地區(qū)，以減少輸電線路的擁堵。另外，研究指出，中國2060年海上風電裝機將會達到416GW，成為東部發(fā)達地區(qū)減排的主力。
2060 年陸上、海上風電和光伏（公用事業(yè)規(guī)模 + 分布式光伏）的優(yōu)化部署。風電 ( A ) 和光伏 ( B ) 的規(guī)劃容量（GW，新建+現(xiàn)有）。連接到特定負載中心的風電 ( C ) 和光伏（ D ） 總容量。連接風電 ( E ) 和光伏 ( F ) 電池（按計劃容量加權）到相應負荷中心的支線和干線總距離（公里）的累積分布（分布式光伏以零連接距離建模）?！盁o約束特高壓擴張”情景中風電和光伏的土地利用設置是基本情況。
相較之下，3.9TW的光伏裝機則會更多地集中在東部地區(qū)。這意味著屆時光伏裝機將會占據(jù)東部地區(qū)絕大部分適宜開發(fā)的土地資源。
例如，安徽（99%）、浙江（98%）、江蘇（86%）和上海（80%）的光伏占據(jù)了80%以上的適宜土地。一些新的集中式光伏也出現(xiàn)在負荷中心較少、土地約束也較少的省份，例如新疆、甘肅和內蒙古西部。
盡管之前的研究表明，基于土地和輻照度，中國光伏裝機的物理潛力最高可達141 TW，主要集中在西北和內蒙古西部。但該分析發(fā)現(xiàn)，中國華北、華中和華東地區(qū)是大多數(shù)負荷中心的所在地。即使在輻照度略有降低的情況下也能容納大部分光伏裝機（58%）。
假設分布式光伏的投資成本較高，但去除了集中式光伏的長距離輸電成本，在東部地區(qū)分布式光伏依然具有很強的經濟競爭力。
離負荷更近還是離資源更近？
在研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，負荷中心要么由長期規(guī)劃確定，要么由特高壓的終端確定。2060年的風電（68%）和光伏（67%）裝機將主要集中在華北、華中、華東和華南等主要負荷服務地區(qū)，合計占總需求的82%。
盡管事實上西北和東北地區(qū)擁有較好的風電和光伏資源，大型風電、光伏基地大多位于新疆、甘肅、內蒙古東西部，但研究認為集中式新能源也更優(yōu)先選擇接入省內電網而不是通過特高壓外送。
全國范圍內，超過80%的光伏和55%的風電建設在距主要負荷中心100公里以內，超過80%的風電和光伏資源位于距負荷中心200公里以內
2060年各省容量（固定發(fā)電機和風電、光伏、抽蓄、電化學儲能）和峰值負荷。峰值負荷是指全年的最大需求。
上圖的結果顯示，風電、光伏和儲能部署規(guī)模較大，而固定的低碳電源相對于需求而言較小。在全國范圍內，我們假設2060年中國存在以下穩(wěn)定的低碳電源：248GW的熱電聯(lián)產 (CHP) 煤炭及碳捕集與封存（CCS），110GW的生物能源（BECCS），218 GW核電、580 GW水電和320 GW天然氣發(fā)電+CCS (NG-CCS)。
這些容量和空間分布假設是基于中國容量規(guī)劃的評估，其中包括成本和非成本組成部分：根據(jù)資源或選址限制（例如水電和核電）最大限度地利用大型設施，利用沉沒基礎設施來降低成本與其他部門的有效耦合，考量空氣污染、電網靈活性資源等因素。
例如，在研究中，安徽省只有2GW的固定電源，但安裝了118GW風電、200 GW光伏、28 GW抽水蓄能和42 GW電池存儲。而四川的峰值需求相當，但水電資源豐富，因此只安裝了6 GW風電、45 GW光伏、15 GW抽蓄和350MW電池存儲。
在國家層面，抽蓄的裝機容量為538GW（8小時存儲），電化學儲能容量為740GW（4小時存儲），約占風電和光伏總裝機容量的22%，與之前關于風電和光伏的研究結果相當。
研究指出，2060年全國棄風率和棄光率分別為9.2%和16.0%，各省間差異顯著：例如，棄風率最高的是東北部的吉林（22.3%），棄光率最高的是西內陸地區(qū)的蒙古和西藏（30%）。棄風率和棄光率最低的分別是江西2.8%和重慶4.4%。
對發(fā)電、容量、輸電、限電和成本的敏感性分析。( A ) 年調度電量 (PWh)。( B ) 發(fā)電裝機容量 (GW)。( C ) 按電網劃分的 VRE（風電和光伏）容量 (GW)。( D ) 高壓輸電容量(TW-km)。( E ) 儲能容量（GW）。( F ) 年度風電和光伏棄電率。( G ) 平均電費（元/千瓦時）。
顯然，研究結果顯示的2060年棄風棄光率要顯著高于目前的棄風棄光率。在風光裝機爆炸性增長的情況下，全額保障性消納顯然不再現(xiàn)實。這直接導致了棄風棄光率的上升。
研究指出，棄電的增加主要發(fā)生在秋季和冬季的中午，此時光照充足，光伏發(fā)電成為發(fā)電量主力。另外，即使增加了風電和光伏裝機容量，在負荷中心較多的地區(qū)（華北、華中、華東和華南）的風電（66%）和光伏（61%）裝機容量份額幾乎保持不變。
緊張的土地資源
該研究還探討了模型結果對可再生能源開發(fā)土地利用政策變化的敏感性。
土地利用假設。( A ) 發(fā)電機容量（GW）。（B）平均電費（元/千瓦時）。( C ) 中國各電網地區(qū)的 VRE 容量（GW）。( D ) 風電（陸上+海上）和光伏（公用事業(yè)規(guī)模+分布式）容量（GW）。( E ) 高壓輸電容量（TW-km）。( F ) 儲能容量（GW）。
研究發(fā)現(xiàn)在不同的土地利用情景下，裝機總發(fā)電量可能會有所不同（變化從-15.2%至+3.3%），而系統(tǒng)成本變化程度較?。?.6%至+2.1%）。
最保守的土地利用方案下，風電裝機容量增加175GW，但光伏裝機容量減少890 GW。與風電土地利用場景相比，光伏土地利用場景在光伏和風電總容量及其地理分布方面顯示出更大的變化。
隨著集中式光伏選址變得更加保守，分布式光伏在高需求和土地競爭更加明顯的農業(yè)大省更大程度地取代了集中式光伏：例如河南、山西、山東和安徽等省。較低的光伏裝機會導致較大的區(qū)域間傳輸和較低的存儲容量。相比之下，風力發(fā)電對土地利用假設不太敏感，這或許可以表明風機建設不太收到土地條件制約。
結論
除以上內容外，該研究還對風光成本下降、技術演變、低碳動力等相關內容進行了分析研究。研究在結論部分指出為了實現(xiàn)2060年碳中和目標，中國需要對電力行業(yè)進行大規(guī)模轉型。綜合考慮經濟、土地等因素，分布式光伏會在各類低碳技術中更具成本效益。
盡管中國已經建成了世界上最大的特高壓輸電網絡，但從2060年的需求來看，還需要更多的電網建設。不過隨著輸電對發(fā)電成本更加敏感，電網需要根據(jù)市場變化來制定靈活的輸電計劃。
實現(xiàn)2060體系效益的先決條件是中國電力行業(yè)的市場、規(guī)劃和運營改革取得進展。2015年，中國啟動了新一輪改革，旨在提高效率、容納可再生能源和減少排放。首先，優(yōu)先考慮風電和光伏等零邊際成本發(fā)電而不是化石能源發(fā)電的調度需要市場和運營的進一步發(fā)展以考慮經濟調度。其次，為了解決可再生能源的地理多樣性問題，必須對目前主要基于長期合同和不經常改變的固定流向相對嚴格的長距離輸電線路運營進行改進。第三，必須修改目前基于總流量的輸電成本監(jiān)管，以激勵線路的高單向利用率，以實現(xiàn)向許多新走廊系統(tǒng)提供的大規(guī)模可再生能源的平衡效益。
