中國電力系統(tǒng)低碳發(fā)展分析模型構建與轉型路徑比較
引用本文
張運洲, 張寧, 代紅才, 等. 中國電力系統(tǒng)低碳發(fā)展分析模型構建與轉型路徑比較[J]. 中國電力, 2021, 54(3): 1-11.
ZHANG Yunzhou, ZHANG Ning, DAI Hongcai, et al. Model construction and pathways of low-carbon transition of china's power system[J]. Electric Power, 2021, 54(3): 1-11.
1.研究背景
中國提出的碳達峰目標和碳中和愿景，對能源電力碳減排提出了更高要求，電力系統(tǒng)的清潔低碳化轉型路徑亟待探索。為此，本文立足于能源及電力行業(yè)在碳減排中的重要作用，針對電力近中期低碳發(fā)展形勢，構建考慮碳排放外部成本的規(guī)劃模型，并開展量化展望分析；針對遠期低碳發(fā)展情景，提出電-氫協(xié)同路徑和電-氫-碳協(xié)同路徑，構建適用于新能源多元化利用方式的全鏈條技術經濟評價模型，對氫氣、甲醇等終端產品的經濟競爭力進行評估。
2.論文所解決的問題及意義
本文首先從能源電力領域的碳排放現(xiàn)狀出發(fā)，明確了能源電力在碳減排中的定位。其次， 差異化地構建了適用于近中期的電力低碳發(fā)展源網荷儲協(xié)調規(guī)劃模型、適用于遠期的新能源多元化利用方式全鏈條技術經濟評價模型。在此基礎上，對近中期電力低碳化發(fā)展進行了量化分析，對遠期電力低碳化轉型提出了依靠電力系統(tǒng)自身、電-氫協(xié)同以及電-氫-碳協(xié)同助力新能源消納3種路徑，并展開優(yōu)劣勢分析，為我國電力低碳化轉型路徑提供重要參考。
3.論文重點內容
3.1 模型方法
為有效開展未來不同階段電力系統(tǒng)低碳化轉型研判，采用差異化的建模思路。對于近中期，采用電力系統(tǒng)源-網-荷-儲整體優(yōu)化規(guī)劃模型進行分析。以電力系統(tǒng)總成本凈現(xiàn)值最低為目標，以目標函數(shù)外部成本內部化和約束性指標方式處理低碳目標，計及電力電量平衡與系統(tǒng)靈活性等各類約束條件，求解滿足未來電力需求的各階段各區(qū)域的煤電、氣電、核電、水電、陸上風電、海上風電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、生物質能發(fā)電等各種電源與跨區(qū)輸電通道、需求響應、能效電廠與儲能等電力系統(tǒng)各組成元素的優(yōu)化發(fā)展規(guī)模。
對于遠期，新能源多元化利用方式將實現(xiàn)技術突破。為了解決多元化利用場景下環(huán)節(jié)考慮不全面的問題，本文提出了計及新能源發(fā)電、電力系統(tǒng)的靈活調節(jié)與安全穩(wěn)定運行、多能耦合轉換、存儲運輸與終端利用等環(huán)節(jié)的全鏈條技術經濟評價模型，有助于理清各環(huán)節(jié)之間的協(xié)同關系，為中遠期電力系統(tǒng)低碳化發(fā)展路徑的技術經濟性評估與比選提供量化分析工具。該模型的重點構成部分是低碳電力的平準化度電成本LCOLE（levelized cost of low-carbon electricity）計算模型和P2X終端產品的平準化成本LCOPP（levelized cost of P2X product）計算模型。
3.2 電力近中期低碳發(fā)展的量化分析
近中期中國新能源呈“倍增”式發(fā)展，各類電源之間呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢。“十四五”期間，新能源規(guī)模快速提升，年均增長1.0億~1.2億kW。2025年，新能源裝機規(guī)模達到11億kW左右，占比35%左右。在“十五五”初期，煤電裝機規(guī)模達到峰值，為12億~13億kW；新能源裝機規(guī)模進一步提升，2030年裝機容量達到17億kW左右，占比達到約44%。
電力系統(tǒng)碳排放達峰后穩(wěn)中有降。從總量來看，有望在2025年或稍后達峰，峰值控制在45億t以內，2035年降至34億t左右。從碳排放強度來看，未來中國度電二氧化碳排放持續(xù)下降，2025年下降至約460 g/(kW·h)，2035年降至280 g/(kW·h)左右。
3.3 電力遠期低碳發(fā)展的路徑探討
隨著新能源裝機規(guī)模的擴大，其出力波動范圍和波動速率也將迅速增大，電力系統(tǒng)的靈活調節(jié)能力與安全穩(wěn)定運行將成為制約新能源大規(guī)模發(fā)展的關鍵因素。圍繞高比例新能源消納問題，提出以下3種路徑探討未來電力低碳發(fā)展情景。
常規(guī)路徑下，新能源主要通過轉化為電力進行利用。為了提升系統(tǒng)對新能源的消納能力，在電源側激發(fā)多元電源的協(xié)同調節(jié)潛能；在電網側廣泛部署有功、無功補償裝置，提升系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定性，實現(xiàn)更加靈活優(yōu)化的運行方式；在負荷側推動需求響應常態(tài)化；在儲能側擴大儲能裝機規(guī)模并引導其參與系統(tǒng)調節(jié)。
在電-氫協(xié)同路徑下，充分發(fā)揮制氫負荷的靈活性，通過離網、并網等方式大規(guī)模部署電制氫設施，在源側和網側實時跟蹤新能源波動性出力，有效解決高比例新能源下電力系統(tǒng)的靈活調節(jié)問題。隨著電制氫技術的成熟以及規(guī)?；a的實現(xiàn)，“綠氫”的經濟性逐步增強，2060年成本下降至約7.2元/kg，預計2030—2040年時期綠氫的熱當量成本有望與油氣大致相當。
電-氫-碳協(xié)同路徑下，在發(fā)揮電制氫靈活調節(jié)性能的基礎上，通過在煤電機組加裝CCUS，一方面為系統(tǒng)保留了轉動慣量，另一方面，CCUS捕獲的二氧化碳可與綠氫反應制取甲烷或甲醇，可以在終端替代進口油氣，大幅降低中國能源對外依存度。從經濟性的角度來看，預計2030年前后中國加裝CCUS的度電增量成本在0.2元/(kW·h)左右，基本與新能源并網的度電系統(tǒng)成本持平。
總體來看，3種路徑各有千秋，未來電力系統(tǒng)低碳發(fā)展應當是多種路徑融合發(fā)展的結果。電力系統(tǒng)不斷提升自身對高比例新能源的消納能力，同時充分發(fā)揮電制氫的調節(jié)作用，并積極探索電制甲醇等P2X技術路線，共同支撐新能源的大規(guī)模發(fā)展。
4.研究結論
本文針對電力系統(tǒng)近中期和遠期的低碳發(fā)展問題，差異化地構建了電力低碳發(fā)展量化分析模型和新能源多元化利用方式的全鏈條技術經濟評價模型，并提出了依靠電力系統(tǒng)自身、電-氫協(xié)同、電-氫-碳協(xié)同消納高比例新能源三種遠期電力系統(tǒng)低碳轉型路徑。經過研究發(fā)現(xiàn)：“十四五”期間，新能源將呈“倍增”式發(fā)展，電力低碳轉型進程提速；“十五五”期間，電源結構進一步優(yōu)化，電力系統(tǒng)碳排放達峰后穩(wěn)中有降。遠期來看，隨著氫能和CCUS技術成熟度的提升和規(guī)模效應逐漸顯現(xiàn)，電-氫協(xié)同、電-氫-碳協(xié)同路徑將逐步具備經濟競爭力，未來電力系統(tǒng)低碳化轉型將呈現(xiàn)多種路徑融合發(fā)展態(tài)勢。
