整合間歇性可再生能源電力需要大量額外成本，其中成本來(lái)源包括靈活發(fā)電資源調(diào)度（如常規(guī)機(jī)組和儲(chǔ)能）、負(fù)荷中心和可再生能源發(fā)電中心的地理不匹配、隨著裝機(jī)容量增加從風(fēng)光資源較好地區(qū)向較差地區(qū)轉(zhuǎn)移帶來(lái)的平準(zhǔn)化能源成本（LCOE）上升，以及中國(guó)的減碳?jí)毫^大，在可再生能源成本完全下降前就需要大量投資。已有研究主要關(guān)注中國(guó)和世界其他地區(qū)的風(fēng)能和太陽(yáng)能潛力（自然資源稟賦）及其對(duì)可再生能源投資成本的影響，具體體現(xiàn)在對(duì)電力系統(tǒng)形態(tài)、各國(guó)發(fā)展比較、環(huán)境效益等。為了研究碳中和路徑對(duì)電力供應(yīng)成本的影響，卓振宇、張寧等人研究了高滲透率可再生能源情景下的電力系統(tǒng)供應(yīng)成本變化，該論文以Cost increase in the electricity supply to achieve carbon neutrality in China為題，發(fā)表在Nature communications上。

 

本研究全面構(gòu)建了我國(guó)電力系統(tǒng)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃所需數(shù)據(jù)庫(kù)，除了電力系統(tǒng)模型常見(jiàn)的投資成本、負(fù)荷數(shù)據(jù)，還包括可再生能源潛力、地理特征和人類活動(dòng)數(shù)據(jù)。并基于此建立了考慮可再生能源資源稟賦的電力系統(tǒng)中長(zhǎng)期轉(zhuǎn)型規(guī)劃（GTEP）模型來(lái)全面評(píng)估電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型成本。

 

在電力系統(tǒng)形態(tài)方面，未來(lái)的發(fā)電裝機(jī)容量將不斷增長(zhǎng)，碳中和情景下，2050年總裝機(jī)容量將是目前容量的3.7倍。從裝機(jī)容量結(jié)構(gòu)和發(fā)電結(jié)構(gòu)來(lái)看，碳減排目標(biāo)主要影響煤電和可再生能源的選擇。具體而言，在沒(méi)有排放約束的基準(zhǔn)情景中，煤電裝機(jī)容量從2020年1104.5GW增長(zhǎng)至2050年1409.4GW，發(fā)電占比保持在43.9%；相比之下，在碳中和情景中，煤電在2035年之后開(kāi)始大規(guī)模大幅縮減，并于2050年幾乎完全淘汰。值得一提的是，由于碳捕獲的預(yù)計(jì)成本較高，采用CCS的煤電在未來(lái)應(yīng)用并不廣泛。而對(duì)間歇性可再生能源而言，由于成本競(jìng)爭(zhēng)力逐漸增強(qiáng)，風(fēng)電和光伏的裝機(jī)容量不斷增長(zhǎng)，在基準(zhǔn)和碳中和情景下2050年發(fā)電占比為32.8%和72.8%。盡管未來(lái)間歇性可再生能源的每千瓦投資成本預(yù)計(jì)將持續(xù)下降，但隨著總裝機(jī)容量不斷擴(kuò)張，供電成本將增加。

 

供電成本增加的來(lái)源主要包括以下三部分：第一，整合間歇性可再生能源需要靈活發(fā)電資源的輔助服務(wù)。目前，此類服務(wù)主要由煤電提供；隨著碳中和目標(biāo)下煤電的強(qiáng)制退出，碳排放強(qiáng)度較低、靈活性較高的天然氣機(jī)組將提供輔助服務(wù)。在碳中和情景中，燃?xì)鈾C(jī)組的排放必須通過(guò)采用CCS 的生物質(zhì)能源發(fā)電(BECCS)實(shí)現(xiàn)的負(fù)排放來(lái)抵消。由于中國(guó)的天然氣和生物質(zhì)燃料供應(yīng)相對(duì)匱乏、成本較高，也將導(dǎo)致電力供應(yīng)成本增加。第二，儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）在適應(yīng)高可再生能源滲透率和確保系統(tǒng)安全方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。模型中考慮了抽水蓄能（PHS）和電池儲(chǔ)能（BESS）2種儲(chǔ)能系統(tǒng)。由于早期間歇性可再生能源滲透率較低且電池投資成本較高，電池儲(chǔ)能主要在2030年以后部署。儲(chǔ)能系統(tǒng)和聚光太陽(yáng)能電廠的投資成本反映了整合間歇性可再生能源所需的外部成本，這將在電力供應(yīng)成本中占據(jù)相當(dāng)大的比例。第三，高滲透率的間歇性可再生能源也增加了對(duì)長(zhǎng)距離輸電的需求。碳中和情景下，中國(guó)將新建378.3GW交流和409.9GW直流線路用于省際輸電，2050年省際輸電量達(dá)到6052.73TWh，是2020年的3.79倍，占全年總需求的40.7%。在電力交換格局上，潮流分布延續(xù)了目前“自西向東”、“自北向南”的格局。輸電的增加也會(huì)增加供電成本。

 

需要在低碳目標(biāo)和總成本之間進(jìn)行權(quán)衡。碳中和情景和基準(zhǔn)情景下的電力系統(tǒng)邊際碳價(jià)格反映了不同排放限額下的碳減排成本。在碳中和要求下，碳中和情景下2050年邊際價(jià)格達(dá)到1444.2元/噸（209.40美元/噸），而2020年中國(guó)碳市場(chǎng)實(shí)際碳市場(chǎng)出清價(jià)格僅為49元/噸（7.1美元/噸）。隨著減排要求趨向嚴(yán)格，同等減排量將導(dǎo)致減排成本快速增加。

 

接下來(lái)從供電成本組成角度來(lái)解釋供電成本的變化。供電成本主要由投資成本、運(yùn)行成本、維護(hù)成本三部分組成。投資成本指建造新發(fā)電和輸電設(shè)備所產(chǎn)生的一次項(xiàng)費(fèi)用，按設(shè)備壽命攤銷；運(yùn)營(yíng)成本指可變成本，包括燃料成本和可變運(yùn)維成本；維護(hù)成本指固定運(yùn)維成本，即無(wú)論是否發(fā)電都要產(chǎn)生的運(yùn)行和維護(hù)成本。由于可再生能源的增長(zhǎng)和火電機(jī)組的退役，運(yùn)營(yíng)成本的比例持續(xù)下降，維護(hù)和投資成本持續(xù)增長(zhǎng)。到2050年，維護(hù)成本將超過(guò)運(yùn)營(yíng)成本。具體而言，煤電的逐步淘汰導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本（特別是燃料成本）下降，而間歇性可再生能源裝機(jī)容量擴(kuò)增及其引起的電力系統(tǒng)靈活性改造和跨區(qū)輸電網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張則提升了投資成本和維護(hù)成本。所以，即使可再生能源的單位度電投資成本不斷下降，單位供電成本也會(huì)增加。

 

本研究有以下幾點(diǎn)政策啟示：第一，省際輸電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)逐步從單向輸電通道轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌l(fā)電資源之間雙向能源共享平臺(tái)。第二，電力供應(yīng)成本變化表明應(yīng)確保可再生能源和電池儲(chǔ)能供應(yīng)鏈的完整性和適當(dāng)?shù)恼呒?lì)措施。第三，快速的容量和結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致電力供應(yīng)成本大幅增加。迫切需要一整套包括現(xiàn)貨市場(chǎng)、容量市場(chǎng)和輔助市場(chǎng)在內(nèi)的電力市場(chǎng)機(jī)制來(lái)反映電價(jià)的變化并公平分配相應(yīng)的利益。首先，現(xiàn)行行政定價(jià)方式僵化。例如，盡管可變可再生能源裝機(jī)容量增長(zhǎng)了49.1%，但可再生能源附加費(fèi)1.9 元/千瓦時(shí)自2018 年以來(lái)一直沒(méi)有變化。其次，應(yīng)建立容量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)，將可再生能源高滲透率的外部成本內(nèi)部化，并將利益公平分配給這些靈活機(jī)組。

 

原文信息：Zhuo, Z., Du, E., Zhang, N., Nielsen, C.P., Lu, X., Xiao, J., Wu, J. and Kang, C., 2022. Cost increase in the electricity supply to achieve carbon neutrality in China. Nature communications, 13(1), p.3172. https://doi.org/10.1038/s41467-022-30747-0