2020年9月22日，國家主席習近平在第75屆聯(lián)合國大會上宣布，我國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。其中，碳達峰是指承諾在2030年前二氧化碳的排放不再增長，達到峰值之后逐步降低；碳中和，是指通過植樹造林、節(jié)能減排等形式以抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量，實現(xiàn)二氧化碳“零排放”。我國成為全球主要排放國里首個設定碳中和目標期限的發(fā)展中國家，這也是我國在《巴黎協(xié)定》承諾的基礎上，在碳排放達峰時間和長期碳中和問題上自我加壓，設立的更高目標。我國2060碳中和目標的宣布，必將對電力行業(yè)未來40年的發(fā)展帶來深刻而巨大的影響。需要指出的是，當技術經(jīng)濟水平一定情況下，經(jīng)濟、可靠和清潔是不可能三角，在保持能源供應可靠的情況下，進行用能清潔化改革，難免要付出額外的經(jīng)濟代價，但是如何提高轉型路徑的性價比，是可以探討的問題。
碳中和如何影響電力行業(yè)
碳中和在現(xiàn)有技術經(jīng)濟條件下，不會改變我國大電網(wǎng)的基本格局，但是會對發(fā)、輸、配、售、用各環(huán)節(jié)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。
1、供給側將迎來可再生能源的倍速發(fā)展
據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計，截止2020年底，我國發(fā)電裝機為22億千瓦，其中煤電裝機為11億千瓦，風電、光伏裝機約5.3億千瓦。為在2030年實現(xiàn)碳達峰這一戰(zhàn)略目標，未來十年風電、光伏累計需要完成12億千瓦的目標，也就是說還需至少7.2億千瓦的增長。據(jù)此測算，風電、光伏接下來每年的新增裝機將不低于7200萬千瓦。而煤電機組則需要在未來40年逐步讓出空間給可再生能源發(fā)電，才能保證到2060年可再生能源發(fā)電量占比至少達到70%以上，以實現(xiàn)電力的真正低碳化。伴隨著高比例的可再生能源發(fā)展而來的是靈活調節(jié)資源稀缺化。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)平衡中通常只考慮負荷的變化率，靈活調節(jié)資源的配比非常容易得到滿足，但是高比例可再生能源電力系統(tǒng)中的“凈負荷”（用電負荷減去新能源發(fā)電出力，即常規(guī)電源的出力曲線）短時波動量、波動速率出現(xiàn)了量級的增加。在光伏裝機比較大的地區(qū)，由于光伏發(fā)電出力時段固定、同時率高、不可調節(jié)，“凈負荷”呈現(xiàn)“鴨型曲線”特性，在光伏發(fā)電出力曲線兩端短時間內系統(tǒng)凈負荷快速減少和增加的情況將十分明顯，系統(tǒng)中具備高速變出力能力、負荷靈活跟蹤能力的靈活調節(jié)資源變得十分稀缺。傳統(tǒng)的系統(tǒng)運行機制以電力平衡為核心，而高比例可再生能源并網(wǎng)的電力系統(tǒng)，其運行機制要求更具彈性，且將以靈活性資源供需平衡為核心，意味著隨著可再生能源的技術進步，其固定投資成本雖然會繼續(xù)降低，但是由靈活性資源和電網(wǎng)可靠性成本決定的消納成本將出現(xiàn)大幅上升。
2、大電網(wǎng)仍是現(xiàn)階段可再生能源的消納主要方式
風光發(fā)電出力不可控的波動性和隨機性造成風光發(fā)電出力曲線與電力系統(tǒng)負荷曲線不符甚至相反。為了有效解決風光新能源的波動影響用戶電力使用平穩(wěn)的問題，在日平衡的維度上，目前解決平衡消納的手段主要有大電網(wǎng)和儲能兩種。從儲能技術目前發(fā)展情況來看，除了尚不成熟的儲能技術，較為成熟就是抽水蓄能和化學電池儲能。兩種技術都存在投資成本過大和運行成本高的缺陷，抽水蓄能電站的綜合效率一般為65%至75%，而化學儲能目前的度電成本大致在0.6元至0.9元每千瓦時，且都不具備日以上的存儲能力。如果考慮季節(jié)性的電力電量平衡，儲能技術的經(jīng)濟性就更無法與大電網(wǎng)同日而語。考慮到儲能技術突破的周期通常為20至30年，達成“30·60目標”不能寄希望于儲能技術快速解決其經(jīng)濟劣勢。因此，現(xiàn)階段實現(xiàn)風光發(fā)電消納的唯一選擇仍是大電網(wǎng)方式的能量調配手段。
3、源-荷的角色劃分和界限更加模糊
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，接入配網(wǎng)的需求側一般不含有電源，也不含有正常運行狀態(tài)下直接接受系統(tǒng)指令的負荷設施。未來的電力系統(tǒng)，需求側將引入電力汽車、分布式儲能、需求響應等廣泛應用的設施和技術。借助于現(xiàn)代通信、量測和控制手段，需求側將出現(xiàn)大量可參與系統(tǒng)運行的資源，有利于進一步促進電網(wǎng)碳中和發(fā)展。近年來，面向碳中和的多元需求側資源參與系統(tǒng)運行的關鍵技術發(fā)展很快，通過分析需求側資源運行特性和碳排放特性，以碳中和為目標，研究電動汽車、需求側儲能、分布式電源以及柔性可調負荷等與系統(tǒng)交互的市場機制、互動策略和系統(tǒng)優(yōu)化方法，將為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的綠色發(fā)展提供有效的技術支撐，也使電力使用者和生產(chǎn)者的界限日益模糊。必須要看到的是，這些碳中和需要的需求側資源，依靠傳統(tǒng)固定時段和增減幅值的峰谷分時目錄電價難以發(fā)揮作用，需要直接反映即時供需形勢的電力現(xiàn)貨價格才能夠引導其發(fā)展。
綜上，隨著碳達峰和碳中和目標的落地，我國可再生能源裝機將持續(xù)增長，伴隨而來的是電力系統(tǒng)運行愈加多變和復雜，電力系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境也將發(fā)生巨大變化。原有計劃手段已難以應對，需要充分發(fā)揮電力市場發(fā)現(xiàn)價格信號的作用，調動更多的市場主體主動響應系統(tǒng)要求，例如通過需求側響應等方式增強消納能力，以應對可再生能源的波動性和不確定性。此外，從日前到日內再到實時，隨機性、波動性的新能源也需要傳統(tǒng)電源為其為其提供容量備用，特別是季節(jié)性的容量備用，有效容量的價值是傳統(tǒng)核價體系難于考慮的，必須結合電力現(xiàn)貨市場建設頂層設計統(tǒng)籌考慮。
碳中和進程對電價的影響因素
依靠大電網(wǎng)方式實現(xiàn)用能清潔化，保持用電足夠的可靠性，必然要在電能量的經(jīng)濟性上做出一定妥協(xié)，這是世界范圍一般性的經(jīng)濟規(guī)律。發(fā)達國家的用能綠色化的“模范生”和我國都將遵守這一規(guī)律。
1、以用能清潔化的“模范生”德國為例
看可再生能源增長對終端電價的影響
盡管電力現(xiàn)貨市場建設擠出了德國電力系統(tǒng)最后的低效成分，通過競爭選用了性價比最高的電力系統(tǒng)調節(jié)能力和容量備用，但是隨著十年風電光伏的發(fā)展速度明顯增快，在風光發(fā)電成本大幅降低的背景下，德國終端用戶（居民和小工業(yè)）電價仍然隨之明顯上升，在批發(fā)市場中日前市場的價格波動也更加劇烈，同時負電價及尖峰電價出現(xiàn)的概率隨之增大（如圖1、圖2所示）。
圖 1德國風光裝機變化與居民和小工業(yè)電價的變化情況（2008-2019）
圖 2 德國日前電力市場價格（2010-2021，單位：歐元/MWh）
圖3所示，德國近20年批發(fā)市場的基準價分別從2000年的每兆瓦時17.2歐元上漲到2019年的42.2歐元，尖峰價格更是在2008年沖到了129歐元，近十年基本保持在30至70歐元之間。從圖4可看出，從1998年至2019年電價78%的漲幅中，發(fā)電和輸電、配電成本只增長了11%，各種稅費上漲近293%。德國的居民電價里，各種稅費（再生能源補貼、增值稅、電力稅、公共土地費）貢獻了超過一半。其中，再生能源補貼就占了電價的21-23%，該項補貼從2006年的約0.8歐分/千瓦時增至2019年每千瓦時6.405歐分/千瓦時。
圖 3 德國近20年現(xiàn)貨市場基準價格及尖峰價格（單位：歐元/MWh）
圖 4 德國近20年電價變化
同時，電網(wǎng)的接入成本大幅上漲。德國四大電網(wǎng)運營商表示，考慮到2030年可再生能源將占德國電力結構的65%，這將導致成本的大幅上漲。主要來源于電網(wǎng)的接入成本，包括需要延伸至可再生能源站點的新電網(wǎng)（連接南部工業(yè)區(qū)和北部風電場的輸電線路）的建設費用。其中陸上新建線路的支出約為520億歐元，連接海上風電場約為180億~270億歐元。預計未來十二年內，電網(wǎng)費用將使德國消費者承擔700億~790億歐元的額外支出，該費用約占電費賬單的四分之一。
此外，系統(tǒng)平衡成本也在上漲。2016年德國的再調度措施約耗資2.226億歐元，到2018年再調度成本已達到3.88億歐元，雖然2019年較2018年減少了，但是系統(tǒng)總補償成本卻持續(xù)增加，從2016年的3.7億歐元增長到2019年的7.09億歐元。此外，電網(wǎng)還有一些額外的成本來自傳輸系統(tǒng)的數(shù)字化和地下線路的增加。
圖 5 德國近年系統(tǒng)平衡成本
2、可再生能源發(fā)展對我國電價的直接影響因素
盡管德國的市場化體制和程度與我國現(xiàn)狀有較大區(qū)別，但是風光快速發(fā)展對電價影響因素基本上是一樣的。電力價格按照電力生產(chǎn)經(jīng)營環(huán)節(jié)分為上網(wǎng)電價、輸配電價和銷售電價?？紤]我國現(xiàn)階段大部分用戶仍在執(zhí)行政府定價，即目錄電價，暫不考慮對銷售電價的影響（壓力尚無法傳導），只重點分析對電網(wǎng)側電價和電源側電價的影響，特別是電源側被強制承擔的成本，這也是我國調節(jié)性機組大面積虧損的根本原因。
從電網(wǎng)側來看，輸配電價即電網(wǎng)使用費率，應包括電源接入電網(wǎng)費用、電網(wǎng)輸電費用和配電網(wǎng)費用。相比以火電機組為主的電源結構，高比例的風電光伏將大幅度拉升電網(wǎng)的投資改造費用。由于新能源具有裝機規(guī)模小、分散接入等特點，相較于大型火電廠而言，相同裝機容量的新能源電站所需接入及改造費用相對常規(guī)火電機組來說存在“倍增效應”。除此之外，還涉及包括調度運行控制、安全保障、營銷計量采集等在內的多項技術支持系統(tǒng)改造費用。
從電源側來看，上網(wǎng)電價包括電源本身的成本，還應考慮為系統(tǒng)提供可靠性容量的成本。建立適應高比例可再生能源發(fā)展的新型電力系統(tǒng)，就需要有充足的可以提供容量備用的可靠電源類型，一方面在保證可再生能源發(fā)電出力充足的時候可以減少出力以保證其消納，另外一方面可以在可再生能源無法發(fā)電的時候為電力系統(tǒng)提供必要的電力。保持這樣穩(wěn)定的電力系統(tǒng)運行，電源側的成本必然會相應增加。主要涉及三個方面，一是靈活性調節(jié)電源投資成本。為適應新能源出力間歇性、波動性，保障電力安全可靠供應，必須要配置一定比例的靈活性調節(jié)電源作為重要支撐，這將進一步增加抽蓄、儲能、具有靈活性調節(jié)能力的火電等機組的投資，以及存量火電機組的靈活性改造成本，該部分機組不能依靠生產(chǎn)電力回收投資，必須額外給與補貼，即可再生能源隨著建造成本降低所降低的投資補貼，不會消失，而是轉移到了調節(jié)性電源的投資身上。二是因新能源裝機大幅增加導致火電機組的功能轉向提供調節(jié)能力，火電機組自然運行時間的負荷率下降，火電機組在低負荷工況下單位煤耗上升造成燃料成本的增加。三是為滿足實時發(fā)用電平衡，火電機組額外承擔了更多的調峰、調頻、備用等輔助服務任務，造成設備磨損而大幅增加的檢修成本。
3、碳中和背景下引起電價可能上漲的估算
由于考慮2060年技術發(fā)展的不確定性，根據(jù)電力系統(tǒng)消納風光發(fā)電相關技術的突破周期，可以假定2025年技術經(jīng)濟條件與目前相近，據(jù)此情景分析“十四五”由于可再生能源發(fā)展所增加的各項成本。
從電源側來看：一是新增投資成本。根據(jù)各機構對我國十四五期間電力需求的預測，預計2025年我國電力需求預計達9.5萬億千瓦時，年均增速4.7%。經(jīng)測算，如果按照2020年各類型裝機保持不再增長的情況下，煤電機組的利用小時由4000小時提高至5800小時，就可以滿足全社會用電量增長需求。因此，我們可以認為2025年新增的裝機都是為滿足電力系統(tǒng)綠色轉型和系統(tǒng)平衡所發(fā)生的額外成本。各類型電源新增裝機情況見表1。綜合考慮各類型電源目前和未來有可能降低的單位造價情況，這部分電源新增的投資總計約為3.2萬億元，如果按照20年投資回收期、8%回報率來計算，那么平均每年的額外新增成本是3259億。
二是由于新增裝機后電源出力不足而增加以及提供各類輔助服務的成本。按照煤電裝機75%出力煤耗上升10g和近10年環(huán)渤海動力煤平均價格590元/噸計算，那么每年新增的運行成本約為320億元。
從電網(wǎng)側來看：根據(jù)公開資料顯示，電網(wǎng)公司“十四五”期間投資約為6萬億，按照輸電網(wǎng)投資占50%計算是3萬億，這部分投資基本上認為是與可再生能源消納所需增加的輸電線路建設及相關費用，如果按照20年投資回收期、8%回報率來計算，那么平均每年的額外新增成本是3055億元。另據(jù)粗略測算，同等容量可再生能源的接入成本為常規(guī)能源接入成本的2到3倍，還將進一步推高電網(wǎng)投資。
如果將電源側和電網(wǎng)側新增的成本全部傳導至用戶側，那么必然會引起終端用戶電價的上漲。經(jīng)估算，到“十四五”末電價上漲約度電7分（不考慮通貨膨脹因素）。
電價上漲的影響與減緩措施
電力是支撐我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎性產(chǎn)業(yè)和公用事業(yè)。隨著過去幾十年國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，對電力的依賴程度也越來越高，電力行業(yè)的發(fā)展對我國經(jīng)濟的影響程度也是與日俱增。電價的上漲將會影響到國民經(jīng)濟到居民生活的方方面面。電力用戶主要有三類，居民、工商業(yè)者以及農業(yè)用電，對于以電力資源為生產(chǎn)要素的工商業(yè)，電價的上升將直接造成企業(yè)運營成本的提高，特別是對電力資源依賴較大的高耗能產(chǎn)業(yè)，巨大的成本壓力會使得企業(yè)面臨虧損的風險，并最終反映到終端商品價格中，導致成本推動型通貨膨脹，若經(jīng)濟發(fā)展趨勢承壓，電價上漲很有可能引起經(jīng)濟滯脹，此時通脹率不斷提高，而實際經(jīng)濟卻會處于下滑態(tài)勢。電力資源作為接下去幾十年間使用范圍最廣的基礎能源，其價格的波動將對實際通脹水平帶來較大的影響。同時，電價的波動也會直接導致居民的消費結構發(fā)生變化。但是從過去20年的經(jīng)驗來看，電價的上漲往往伴隨電力需求的增大，使得電力行業(yè)收益增加，利潤的提高促使電力投資加速。
盡管從世界范圍來看，隨著可再生能源占比提高，電力批發(fā)市場價格波動性增強，終端用戶電力價格不可避免的會上漲，但是我們仍然可以從三個方面采取措施來減緩電價上漲，盡量減少可再生能源快速發(fā)展對社會經(jīng)濟帶來的電價上漲壓力。
一是建立健全電力市場機制。首先是要完善可再生能源參與電力市場的頂層設計。在保證碳中和戰(zhàn)略目標落地的前提下，需要考慮對可再生能源發(fā)展政策的延續(xù)性，以積極穩(wěn)妥的方式推動可再生能源參與電力市場。以市場化的機制代替計劃手段支持可再生能源的發(fā)展，擠出可再生能源發(fā)展過程中的“水分”，避免“泥沙俱下”式的低效發(fā)展。其次要建立符合可再生能源運行特點的市場交易體系。進一步縮短交易周期、增加交易頻次，給可再生能源更多的調整空間，充分反映不同類型、不同可再生能源由于與供需曲線契合程度不同，產(chǎn)生的不同收益，建立適應可再生能源生產(chǎn)特性的交易體系，盡可能保護對用戶友好的可再生能源收益，鼓勵其發(fā)展，引導其向正確的方向努力。再次，要充分考慮電力系統(tǒng)可靠性的要求?，F(xiàn)有技術條件下，“煤電機組是保證電網(wǎng)穩(wěn)定可靠的“中流砥柱”，但是未來煤電機組將由電量提供主體向容量提供主體轉變，提供穩(wěn)定的容量將是未來煤電機組投資回收的主要渠道，因此應當制定出臺容量補償相關政策以保證系統(tǒng)容量的充裕性。最后，為適應高比例可再生能源的電力系統(tǒng)，應鼓勵有更多“性價比高”的可調節(jié)性電源存在。比如科學評判負荷中心煤電機組的服役年限，將滿足國家安全環(huán)保標準的煤電機組服役期盡可能延長。
二是運用科學手段做好規(guī)劃?！笆奈濉币?guī)劃需要在系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟性之間尋找最佳平衡。隨著電力市場化改革的推進，規(guī)劃工作應當考慮高可再生能源占比的電力系統(tǒng)所需要的系統(tǒng)可靠性，要比之前傳統(tǒng)能源為主的電力系統(tǒng)要求更高，維持這一可靠性標準的成本也就更高。從國外經(jīng)驗來看，分布式光伏的有效負荷帶載能力僅為其額定容量的8%，而集中式并網(wǎng)的光伏發(fā)電約為20%以下。由于地區(qū)間不同資源構成情況、不同地理位置的風光出力特性、電力負荷特性、風光在電力系統(tǒng)中的占比以及該區(qū)域輸電系統(tǒng)的輸電能力都是不同的，運用傳統(tǒng)的電力電量平衡已很難滿足規(guī)劃要求，典型場景法易忽視負荷和供應側的“灰犀?！焙汀昂谔禊Z”，極端場景法又容易造成經(jīng)濟代價過大，因此，應當采用8760小時連續(xù)仿真模型進行計算，確保在需要時建設新的發(fā)電資源并確保短期電源充裕度計劃，并且使總資源組合為性價比最高，以滿足清潔、可靠和經(jīng)濟三個目標的最優(yōu)“妥協(xié)”。
三是合理控制可再生電源投資節(jié)奏。實現(xiàn)2030年風電、光伏裝機累計達到12億千瓦的目標并不意味著要把7.2億的新增裝機平均分配到這十年。相反，考慮到技術進步會使風電和光伏造價進一步降低，因此新增裝機規(guī)模應當“先慢后快”，把更多的增長空間留給更低成本的可再生電源。此外，還要考慮電網(wǎng)輸電通道建設和經(jīng)濟性問題，以保證可再生能源的高質量發(fā)展的同時，將可再生能源建設的“人為成本”控制到合理和可承受的范圍內。
碳達峰、碳中和是我國對世界的莊嚴承諾。當清潔與可靠的目標已定，如何選擇最經(jīng)濟的實現(xiàn)路徑正在考驗著能源行業(yè)從業(yè)者的智慧與勇氣。不僅要對困難和風險有充分認識和準備，還要以冷靜和思辨的態(tài)度去進行決策，這都將有助于我國以最低的經(jīng)濟成本的實現(xiàn)“30·60目標”。相信通過不懈努力，我們一定能夠在電力市場化和清潔化的兩個考場上取得優(yōu)異成績。
參考資料：
彭博新能源財經(jīng)
Monitoring Energie Bundesnetzagentur
http://www.nengyuanjie.net/article/29862.html
