為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的電力供應(yīng)成本上漲

整合間歇性可再生能源電力需要大量額外成本，其中成本來源包括靈活發(fā)電資源調(diào)度（如常規(guī)機(jī)組和儲能）、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)移帶來的平準(zhǔn)化能源成本（LCOE）上升，以及中國的減碳壓力較大，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)注中國和世界其他地區(qū)的風(fēng)能和太陽能潛力（自然資源稟賦）及其對可再生能源投資成本的影響，具體體現(xiàn)在對電力系統(tǒng)形態(tài)、各國發(fā)展比較、環(huán)境效益等。為了研究碳中和路徑對電力供應(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)建了我國電力系統(tǒng)中長期發(fā)展規(guī)劃所需數(shù)據(jù)庫，除了電力系統(tǒng)模型常見的投資成本、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)中長期轉(zhuǎn)型規(guī)劃（GTEP）模型來全面評估電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型成本。

 

在電力系統(tǒng)形態(tài)方面，未來的發(fā)電裝機(jī)容量將不斷增長，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)計成本較高，采用CCS的煤電在未來應(yīng)用并不廣泛。而對間歇性可再生能源而言，由于成本競爭力逐漸增強(qiáng)，風(fēng)電和光伏的裝機(jī)容量不斷增長，在基準(zhǔn)和碳中和情景下2050年發(fā)電占比為32.8%和72.8%。盡管未來間歇性可再生能源的每千瓦投資成本預(yù)計將持續(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)組的排放必須通過采用CCS 的生物質(zhì)能源發(fā)電(BECCS)實(shí)現(xiàn)的負(fù)排放來抵消。由于中國的天然氣和生物質(zhì)燃料供應(yīng)相對匱乏、成本較高，也將導(dǎo)致電力供應(yīng)成本增加。第二，儲能系統(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）和電池儲能（BESS）2種儲能系統(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，電池儲能主要在2030年以后部署。儲能系統(tǒng)和聚光太陽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長距離輸電的需求。碳中和情景下，中國將新建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年邊際價格達(dá)到1444.2元/噸（209.40美元/噸），而2020年中國碳市場實(shí)際碳市場出清價格僅為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。

 

接下來從供電成本組成角度來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和火電機(jī)組的退役，運(yùn)營成本的比例持續(xù)下降，維護(hù)和投資成本持續(xù)增長。到2050年，維護(hù)成本將超過運(yùn)營成本。具體而言，煤電的逐步淘汰導(dǎo)致運(yùn)營成本（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。第二，電力供應(yīng)成本變化表明應(yīng)確?？稍偕茉春碗姵貎δ芄?yīng)鏈的完整性和適當(dāng)?shù)恼呒畲胧５谌?，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、容量市場和輔助市場在內(nèi)的電力市場機(jī)制來反映電價的變化并公平分配相應(yīng)的利益。首先，現(xiàn)行行政定價方式僵化。例如，盡管可變可再生能源裝機(jī)容量增長了49.1%，但可再生能源附加費(fèi)1.9 元/千瓦時自2018 年以來一直沒有變化。其次，應(yīng)建立容量市場和輔助服務(wù)市場，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