洪博文
國(guó)網(wǎng)能源研究院有限公司
國(guó)家電網(wǎng)有限公司能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)研究院
MIKETA Asami，GIELEN Dolf
國(guó)際可再生能源署創(chuàng)新與技術(shù)中心
引文信息
洪博文, MIKETA Asami, GIELEN Dolf, 等. 基于可再生能源的全球電氣化路徑與遠(yuǎn)景分析[J]. 中國(guó)電力, 2020, 53(3): 159-166.
HONG Bowen, MIKETA Asami, GIELEN Dolf, et al. Global Renewable-Based Electrification Pathways and Its Long-Term Scenario Analysis[J]. Electric Power, 2020, 53(3): 159-166.
研究背景
當(dāng)前，全球能源面臨巨大的轉(zhuǎn)型壓力，以電氣化、數(shù)字化和分散化發(fā)展為特征的技術(shù)創(chuàng)新已成為全球能源轉(zhuǎn)型的新驅(qū)動(dòng)。隨著基于可再生能源的電氣化(簡(jiǎn)稱(chēng)“可再生能源電氣化”)的不斷推進(jìn)，未來(lái)可再生能源與電力在終端能源消費(fèi)中的占比將不斷提升，如何建設(shè)既清潔低碳又安全高效的能源系統(tǒng)成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。
可再生能源電氣化在帶來(lái)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展重大機(jī)遇的同時(shí)，也給能源系統(tǒng)帶來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)，包括大量波動(dòng)性可再生能源接入帶來(lái)的能源供需平衡壓力和系統(tǒng)性成本上升等。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，降低轉(zhuǎn)型成本并加快轉(zhuǎn)型步伐，需要進(jìn)一步提升軟件、硬件、服務(wù)等基礎(chǔ)條件，同時(shí)結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新探尋可再生能源電氣化的有效策略。考慮能源轉(zhuǎn)型的復(fù)雜性和長(zhǎng)期性，通過(guò)能源遠(yuǎn)景模擬和分析可再生能源電氣化的路徑、前景和成本效益，無(wú)疑是當(dāng)前和未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)期研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。
論文所解決的問(wèn)題及意義
可再生能源電氣化的路徑選擇是一個(gè)長(zhǎng)期的、階段性的發(fā)展過(guò)程。沒(méi)有一種簡(jiǎn)單的技術(shù)組合方式可以適用于所有場(chǎng)景，而且考慮不同國(guó)家地區(qū)的政策目標(biāo)和市場(chǎng)環(huán)境的差異，在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)技術(shù)組合和資源配置的優(yōu)化也很困難。因此，全球能源遠(yuǎn)景分析具有重要意義，但卻是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，技術(shù)種類(lèi)多，通常包含數(shù)百種技術(shù)類(lèi)型可供選擇。其成本下降的趨勢(shì)也難以準(zhǔn)確判斷，并且存在量變到質(zhì)變的可能，而且受不同地區(qū)資源、負(fù)荷和電力等基礎(chǔ)條件、能源政策和地緣政治的影響較大，存在較大的不確定性。
基于上述考慮，本文在研究中使用了全球范圍的大量可再生能源資源、技術(shù)和成本數(shù)據(jù)，并針對(duì)不同部門(mén)、不同技術(shù)類(lèi)型做了大量的簡(jiǎn)化假設(shè)，試圖描繪一幅基于可再生能源電氣化的藍(lán)圖，全面闡述可再生能源電氣化的路徑及其特征，并結(jié)合大量應(yīng)用案例分析其在工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)，并結(jié)合相關(guān)研究中提出的能源轉(zhuǎn)型場(chǎng)景，評(píng)估不同技術(shù)路徑的應(yīng)用前景和效益，提出政策、技術(shù)和市場(chǎng)方面的措施建議。
論文重點(diǎn)內(nèi)容
可再生能源電氣化的挑戰(zhàn)主要來(lái)自波動(dòng)性可再生能源占比持續(xù)上升給電力部門(mén)帶來(lái)的沖擊和挑戰(zhàn)。例如，按不同的終端能源應(yīng)用領(lǐng)域考慮，工業(yè)部門(mén)由于其特有的對(duì)傳統(tǒng)化石能源燃料和生產(chǎn)原料的依賴(lài)，成為可再生能源電氣化挑戰(zhàn)最大的部門(mén)；建筑部門(mén)的主要挑戰(zhàn)來(lái)自熱電氣耦合系統(tǒng)的運(yùn)行，尤其是在遠(yuǎn)離赤道的冬季嚴(yán)寒地區(qū)，建筑電氣化將推升冬季的負(fù)荷需求高峰；而交通部門(mén)主要的挑戰(zhàn)來(lái)自電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間、地點(diǎn)和方式的不確定性，因此電動(dòng)汽車(chē)的充電策略成為其對(duì)能源系統(tǒng)影響的關(guān)鍵因素。此外，重型工業(yè)和運(yùn)輸業(yè)還存在大量難以直接電氣化的環(huán)節(jié)。
按照終端消費(fèi)部門(mén)，可再生能源電氣化考慮的范圍包括：交通電氣化、工業(yè)電氣化、建筑電氣化。另外還包括利用可再生能源電力的間接電氣化，例如可再生能源電力制氫在交通或者工業(yè)部門(mén)的應(yīng)用。考慮可再生能源電氣化的未來(lái)能源圖景如圖1所示。
圖1 可再生能源電氣化的未來(lái)能源系統(tǒng)
以交通電氣化策略為例，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型的主要技術(shù)路徑包括但不限于：1）增加道路交通中電動(dòng)汽車(chē)的比例；2）可再生能源電力制氫支持燃料電池汽車(chē)和軌道列車(chē)的遠(yuǎn)距離行駛；3）使用可再生能源電力生產(chǎn)合成氣或者合成油來(lái)替代交通化石燃料。
各個(gè)部門(mén)的電氣化路徑也并非彼此獨(dú)立，相反，任何一種技術(shù)路徑都可能對(duì)整個(gè)能源系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，不同部門(mén)之間也會(huì)因此產(chǎn)生更為緊密的聯(lián)系，進(jìn)而形成相互耦合、相互影響的綜合能源系統(tǒng)。例如，電制氫及相關(guān)技術(shù)可為間接的可再生能源電氣化提供支撐，特別是對(duì)電氣化困難較大的行業(yè)產(chǎn)生重要影響，使終端用能部門(mén)的深度脫碳成為可能，如圖2所示。
圖2 基于電制氫技術(shù)對(duì)可再生能源電氣化路徑的影響
本文考慮可再生能源電氣化的主要技術(shù)路徑如表1所示。其中，直接電氣化包括前面介紹的各種可再生能源電力在終端用能部門(mén)的應(yīng)用。
表1 2050能源轉(zhuǎn)型場(chǎng)景中的可再生能源電氣化技術(shù)路徑
基本研究思路：首先，以當(dāng)前各國(guó)現(xiàn)狀及政策為基礎(chǔ)，得到2050年能源發(fā)展遠(yuǎn)景作為參考場(chǎng)景；基于參考場(chǎng)景，為實(shí)現(xiàn)巴黎協(xié)議2°C溫升要求下碳減排70%以上的目標(biāo)，結(jié)合對(duì)各地區(qū)可再生能源電氣化潛力的分析判斷，對(duì)參考場(chǎng)景下不同地區(qū)、不同部門(mén)的技術(shù)應(yīng)用水平進(jìn)行調(diào)整，最終得到2050年能源轉(zhuǎn)型場(chǎng)景；最后，對(duì)2種場(chǎng)景下的成本和效益進(jìn)行分析，其中成本主要考慮低碳技術(shù)及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施等的投資運(yùn)行成本，效益則包括經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益等。
研究結(jié)論
（1）不同部門(mén)可再生能源電氣化的路徑和前景差異較大。例如，交通部門(mén)隨著電動(dòng)汽車(chē)的普及電力占比從2015年的1%增加至2050年的33%，同時(shí)可再生能源占比從同期的4%增加到48%，是可再生能源電氣化潛力最大的部門(mén)；建筑部門(mén)由于熱泵和電炊具等的普及2050年電力占比將達(dá)56%，可再生能源占比將達(dá)77%，是除電力部門(mén)外可再生能源電氣化水平最高的部門(mén)。如表2所示。
表2 2050能源轉(zhuǎn)型場(chǎng)景下終端用能部門(mén)的可再生能源電氣化水平與低碳投資需求(2015—2050)
（2）可再生能源電氣化實(shí)現(xiàn)2050年的2°C溫升目標(biāo)，不僅可行而且經(jīng)濟(jì)。2050年，可再生能源電力和電氣化將聯(lián)合貢獻(xiàn)超過(guò)40%的全球能源碳減排，與可再生能源的直接利用和能效手段結(jié)合，共同實(shí)現(xiàn)2°C溫升目標(biāo)所要求的70%以上的碳減排。盡管與維持現(xiàn)狀的參考場(chǎng)景相比，需要增加近30%的低碳技術(shù)投資，但其總量相當(dāng)于全球每年投入其GDP的2%，在經(jīng)濟(jì)可承擔(dān)的范圍之內(nèi)。如果考慮環(huán)境、就業(yè)、健康和GDP增長(zhǎng)等綜合效益，可再生能源電氣化帶來(lái)的效益將數(shù)倍于其成本的增加。如圖3所示。
圖3 可再生能源和電氣化對(duì)全球低碳需求的貢獻(xiàn)度
建議：
（1）制定能源遠(yuǎn)景規(guī)劃。明確可再生能源電氣化的角色和作用，包括各項(xiàng)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的新建或擴(kuò)展規(guī)劃，如輸配電網(wǎng)規(guī)劃、電動(dòng)汽車(chē)充電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、氫生產(chǎn)和輸送管網(wǎng)規(guī)劃以及區(qū)域供熱系統(tǒng)規(guī)劃等。
（2）積極推動(dòng)管理水平提升。包括采用分時(shí)電價(jià)等市場(chǎng)引導(dǎo)機(jī)制、通過(guò)補(bǔ)貼和激勵(lì)促進(jìn)熱泵、電鍋爐和智能電表等；提高建筑能效，加強(qiáng)建筑隔熱保溫；擴(kuò)大智能充電設(shè)施規(guī)模，做好電力設(shè)施需求評(píng)估和規(guī)劃，克服電網(wǎng)尤其是配電網(wǎng)的發(fā)展瓶頸。
（3）針對(duì)交通部門(mén)，通過(guò)智能充電和V2G技術(shù)充分利用電動(dòng)汽車(chē)的靈活性潛力，避免由于電動(dòng)汽車(chē)無(wú)序充電導(dǎo)致配電網(wǎng)改造成本快速增加；針對(duì)工業(yè)部門(mén)，可充分發(fā)揮公共政策對(duì)產(chǎn)品制造業(yè)的引導(dǎo)作用；針對(duì)建筑部門(mén)，應(yīng)著力避免因冬季峰值負(fù)荷增長(zhǎng)帶來(lái)的配網(wǎng)改造成本大幅攀升。關(guān)鍵的措施包括加強(qiáng)建筑的保溫隔熱以提升建筑能效和通過(guò)智能家居的靈活調(diào)節(jié)減少建筑用能等。
主要作者介紹
第一作者：洪博文，男，博士，高級(jí)工程師，通信作者，從事分布式電源和微電網(wǎng)的政策、管理及規(guī)劃研究。
第二作者：MIKETA Asami，女，博士，高級(jí)項(xiàng)目主管，從事能源轉(zhuǎn)型遠(yuǎn)景分析、能源規(guī)劃、能源經(jīng)濟(jì)及相關(guān)政策研究。
團(tuán)隊(duì)介紹
國(guó)家電網(wǎng)有限公司能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)研究院是國(guó)家電網(wǎng)公司2019年設(shè)立的研究機(jī)構(gòu)，目前與國(guó)網(wǎng)能源研究院一體化運(yùn)作，下設(shè)政策研究中心、商業(yè)經(jīng)濟(jì)研究中心、運(yùn)營(yíng)機(jī)制研究中心，主要研究領(lǐng)域包括能源互聯(lián)網(wǎng)政策、商業(yè)模式、經(jīng)濟(jì)特性及相關(guān)法規(guī)研究、能源大數(shù)據(jù)及其增值服務(wù)創(chuàng)新研究、能源效能和經(jīng)濟(jì)效益分析等。
國(guó)際可再生能源署創(chuàng)新與技術(shù)中心(IRENA Innovation and Technology Centre，IITC)是IRENA最早成立的部門(mén)，也是IRENA的三個(gè)主要研究機(jī)構(gòu)之一，主要提供可再生能源創(chuàng)新與技術(shù)方面的尖端信息，探索面向未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的全球能源轉(zhuǎn)型路徑。IITC中心不斷更新可再生能源技術(shù)成本數(shù)據(jù)，支持相關(guān)能源技術(shù)規(guī)劃、項(xiàng)目開(kāi)發(fā)、能效策略制定和能源技術(shù)創(chuàng)新等，為IRENA成員國(guó)提供實(shí)踐指導(dǎo)和決策支持。中心每年公開(kāi)出版大量研究報(bào)告，包括：《可再生能源容量統(tǒng)計(jì)年報(bào)（Renewable Capacity Statistics）》以及與國(guó)網(wǎng)能源研究院聯(lián)合開(kāi)展的可再生能源電氣化研究（Electrification with Renewables: Driving the transformation of energy services）等。
