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报告全文|电力增长零碳化(2020–2030): 中国实现碳中和的必经之路

2021-01-22 15:02来源:落基山研究所,能源转型委员会作者:曹艺严、陈济、刘秉祺、Adair Turner 、朱思捷关键词:可再生能源光伏发电碳中和收藏点赞

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• 此外,工商业需求响应也潜力巨大,在分钟级、小时级和 日间进行调节有望得到提高,包括零售制冷系统、农业环 境控制电解铝和电解水制氢等其他新兴应用领域。 

要释放这些潜力的关键在于更细致的分时电价机制。考虑到多种选项的存在,即便非水可再生能源比例上升到远高于 50%的水平,并最终达到80%或更高,越来越多的人也相信日 内平衡挑战能够通过低成本手段来解决。 

(2)季节性供需平衡 季节性平衡指的是在数周或数月时间范围内的电力平衡供需 需求。这一需求又可细分为两个类别,即:

 • 可预测的长期不平衡,这来源于季节性需求的大幅变化与 供应能力变化不匹配。以未来的英国电力系统为例,住宅供 暖电气化可能导致冬季需求峰值比夏季水平高80%。幸运 的是与之相匹配,英国冬季的风力资源(英国最丰富的可再 生能源资源)也远比夏季丰富。但在其他国家,冬季可能存 在更高的用电需求,但风力发电量的增加并不足以弥补光 伏发电量的季节性减少。

• 更加难以预测的每周波动。即使系统供给和需求的季节性 变化正好一致,但天气的变化仍然可能造成每周出力出现 明显波动。如果欧洲西北部地区出现反气旋天气,常常会造 成冬季风电供应出现数日的骤减(极端情况下甚至会延续 数周),而这将成为英国未来最大的供需平衡挑战。 

随着非水可再生能源比例上升到“零碳投资情境”所示的28% 水平,以上两种季节性挑战仍可通过现有火电厂的灵活使用 来轻松解决。甚至在可再生能源比例较低的电力系统中,这些 季节性挑战常常比日内挑战更易于管理,因为它们不会出现下 午晚些时候因光伏发电供给下降(即使在光照水平中等情况 下)造成的需求量激增的情况。燃煤电厂可以通过调节运行水 平来满足不同季节、月或周的需求变化,甚至在需求过低时关 闭部分电厂,这比日内调频调峰的问题更容易解决。 

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然而,在更长时间范围,随着非水可再生能源比例达到比图2 所示的28%甚至更高,季节性平衡挑战将更艰巨,成本也会更 高。不过,在那之前,系统就已经出现经济可行的解决方案, 具体包括:

• 使用火电厂满足季节性变化,但运行小时数保持较低水平。 如果这些电厂通过提供的容量和峰荷时期的电量得到补 偿,这也是经济可行的。要实现完全零碳电力系统,长期来 看这些资产还需要配备碳捕捉与封存设施。 

• 燃气机组改造后可以燃烧氢能(或投资改造此类机组),而 这部分氢能可以利用低价的过剩可再生能源通过电解技术 生产。 

• 抽水蓄能可以满足多日时间尺度的灵活性需求,例如1-3天 的供应短缺。

 • 季节性/周的灵活性管理。与日内不同,这种管理不会过多 关注住宅供暖或电动汽车充电转移带来的潜力,而是更关 注如何让检修停机与工业生产计划相匹配以及根据预测的 季节性供需及电价变化来优化利用率。 

(3)总系统成本估算 在某些情况下,应用上述灵活性选项将会导致系统运行成本 的增加。但是这些额外的成本也将很大程度被低成本的零碳 电力所抵消。 

根据可再生能源资源分布的不同,各地电力系统的具体构成 将有很大的差别。在能源转型委员会的研究中(图20),针对 不同资源禀赋和气候特点的地区,对2035年建立几乎完全使 用可再生能源的电力系统的成本进行了测算。结果显示,大部 分系统都能实现约每千瓦时0.35-0.4元水平的总发电成本。但 在一些空间资源有限的国家,较高的发电成本会将总成本提 高至每千瓦时0.56元;而在资源有利地区,丰富的风能和太阳 能资源、低廉的发电成本和有限的季节性灵活性需求会使总 成本降低至每千瓦时0.22元。在多数国家,这些成本都会比继 续主要依赖于煤炭或天然气的电力系统的成本更低。 

因此,各国可以致力于更快地增加可再生能源和其他零碳发 电技术,相信在长期来看,系统总成本造成的影响将微不足 道,而减排的潜力则是巨大的。

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中国的具体挑战与解决方案 

在上文描述的全球背景下,每个国家发电结构和负荷特性不 同,面临的具体挑战也不同。在中国,用能特性并没有造成很 大的挑战,但中国能源禀赋和发电结构的两个明显特点会带 来一些挑战:一是对于煤电的依赖很高,而非天然气;二是水 电灵活性不足。但是,这些挑战是可以解决的。

 对标其他国家,中国的非水可再生能源渗透率也可以轻松达 到28%的目标(图2所示),并且不需要新建任何燃煤电厂。参 考其他国家的经验,即使中国实现了系统脱碳且非水可再生 能源比例远远超过50%,其长期系统总成本很可能会低于当 前以化石燃料为主的系统。 

(1)中国当前和2030年的用电需求形态 相较于一些非水可再生能源渗透率已经达到20%-35%的国 家,中国的日负荷和季节性负荷特性都相对稳定,并不会显著 增加供需平衡的难度。

 图21列出了甘肃、湖南和广东三省的典型日负荷曲线。以甘肃 为例,用电需求中大部分来自工业负荷(78%),因此负荷曲线 比较平缓。但在湖南和广东,由于商业办公和住宅用电需求比 例更高,它们的负荷曲线与图17和图18所示的情况更相似。用 电需求通常在午夜最低,上午7点至10点左右迅速上升,傍晚 迅速下降。 

然而,即使在这些省份,总体最大负荷与最小负荷的比值也低 于一些发达经济体。以英国为例,冬季和夏季典型日最大负 荷与最小负荷之比均约为1.71,而该比值在广东和湖南则分别 只有1.57和1.5。

中国不同省份之间的季节性负荷特性也存在显著差异 (图22)。在某个典型的北方省份,季节性变化并不明显。但 南方省份通常会出现因空调负荷造成的夏季用电高峰,而中部 和东部省份经常同时出现夏季空调和冬季供暖的双高峰。南 方省份夏季高峰月份的用电需求比冬季用电需求平均高出约 30%,其负荷曲线形状与加利福尼亚州相似(图23)。但东部/ 中部省份的变化则会更大一些。 

中国地域范围广阔且有包含多种气候带,因此相较于单个省 份,全国整体的负荷特性则更为平缓。如图24所示为全国的季 节性负荷特性,8月的全国用电峰值与5月和10月的全国用电 低谷差约30%。

 随着电气化进程的推进,中国的负荷特性也将随着时间的推 移而发生变化。基于对2030年用电需求增长的预测,商业和住宅建筑的用电比例将不断上升(主要受供暖、空调和计算机 设备的影响),这可能会在一定程度上增大日负荷、季节性负 荷的变化。但在一些有着更高非水可再生能源发展目标的国 家,也面临着季节性负荷波动更大的问题。例如,英国计划实 现大部分住宅供暖的电气化,同时其夏季空调需求量却很有 限, 那么到2050年,冬季与夏季平均日用电量的比例将从现在的1.5:1上升到1.7:1。

 因此,相比于其他同样在进行电力系统清洁转型的国家,中国 的负荷特性并不会造成系统平衡中明显的困难和挑战。


(2)中国电力供应灵活性的两大重要特点 在供给侧,中国电力供应的两大特点将会给提高非水可再生 能源比例带来挑战: 

投稿与新闻线索:陈女士 微信/手机:13693626116 邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#改成@)

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