謝國輝，李娜娜，元博

我國新能源開發(fā)路線圖分析方法及模型

謝國輝，李娜娜，元博

（國網(wǎng)能源研究院有限公司，北京市 昌平區(qū) 102209）

為科學(xué)制定我國中長期新能源發(fā)展規(guī)劃，需要開展新能源開發(fā)路線圖研究。根據(jù)我國能源發(fā)展戰(zhàn)略和新能源發(fā)展的特點(diǎn)，建立了開發(fā)總量規(guī)模測算、開發(fā)時序編制、開發(fā)布局優(yōu)化相應(yīng)的分析模型，提出了涵蓋新能源資源潛力評估、開發(fā)總量規(guī)模、開發(fā)時序、開發(fā)布局的一整套開發(fā)路線圖分析方法，并實(shí)證分析了2030/2050年我國風(fēng)電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電的開發(fā)總量、時序和布局。研究結(jié)果表明：未來我國新能源仍將加快大規(guī)模發(fā)展，2030年后新能源將從替代能源向主導(dǎo)電源轉(zhuǎn)變，風(fēng)電布局將主要集中在“三北”地區(qū)，太陽能發(fā)電呈現(xiàn)出集中式開發(fā)和分布式利用相結(jié)合的特點(diǎn)。

新能源；開發(fā)路線圖；開發(fā)總量；開發(fā)時序

0 引言

黨的十八大以來，我國新能源發(fā)展取得顯著成績，新能源裝機(jī)占電源總裝機(jī)比重由2012年的5.6%提升至目前的20%[1]，實(shí)現(xiàn)了由“補(bǔ)充電源”向“替代電源”轉(zhuǎn)變的跨越式發(fā)展。截至2019年年底，我國新能源裝機(jī)容量達(dá)4.1億kW，連續(xù)6年位居世界第一。然而，隨著新能源規(guī)模越來越大，規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)行消納、市場機(jī)制等方面的矛盾與不足也愈發(fā)突出[2-6]。如何統(tǒng)籌做好新能源發(fā)展規(guī)劃，引導(dǎo)新能源合理開發(fā)和有效消納，成為未來我國新能源發(fā)展迫切需要解決的重大問題。

當(dāng)前，國家能源主管部門啟動了“十四五”新能源發(fā)展規(guī)劃研究，涉及到新能源開發(fā)總量規(guī)模、時序和布局研究等關(guān)鍵問題研究。本文根據(jù)我國能源發(fā)展戰(zhàn)略要求和新能源發(fā)展的特點(diǎn)，提出了涵蓋新能源資源潛力評估、開發(fā)總量規(guī)模、開發(fā)時序、開發(fā)布局的一整套開發(fā)路線圖分析方法，構(gòu)建了相應(yīng)的分析模型，并實(shí)證分析了2030/2050年我國風(fēng)電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電的開發(fā)總量、時序和布局，為我國中長期新能源發(fā)展規(guī)劃提供參考依據(jù)。

1 新能源開發(fā)路線圖的關(guān)鍵要素

制定我國科學(xué)合理的新能源開發(fā)路線圖，關(guān)鍵是研究新能源資源開發(fā)潛力、新能源開發(fā)總量規(guī)模、新能源開發(fā)時序和開發(fā)布局4個基本要素。因此，本文圍繞這4個要素開展研究，針對每個要素分析其影響因素及需要解決的關(guān)鍵問題，并依托或建立新能源資源評估模型、一次能源消費(fèi)總量預(yù)測模型、新能源開發(fā)經(jīng)濟(jì)性分析模型、新能源消納能力分析模型、新能源開發(fā)布局分析 模型等支撐關(guān)鍵問題研究，總體研究框架如圖1所示。

首先，新能源資源潛力需要明確風(fēng)電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電等新能源開發(fā)潛力，需要根據(jù)各類新能源資源條件、地形地貌等因素綜合確定，重點(diǎn)解決東中部地區(qū)分布式新能源開發(fā)潛力問題；其次，確定我國2030、2050年新能源開發(fā)總量規(guī)模，需要充分結(jié)合國家能源戰(zhàn)略目標(biāo)，以及水電、核電裝機(jī)規(guī)模發(fā)展趨勢等，研究提出風(fēng)電、太陽能發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電開發(fā)總量的底線需求；再次，新能源開發(fā)時序?qū)⒃诳偭磕繕?biāo)確定基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮新能源行業(yè)的發(fā)展規(guī)律、發(fā)展節(jié)奏、技術(shù)成熟度等因素，提出逐年風(fēng)電、太陽能發(fā)電開發(fā)合理規(guī)模；最后，新能源開發(fā)布局需要充分考慮不同地區(qū)新能源資源條件、開發(fā)經(jīng)濟(jì)性、市場消納等因素，明確不同年份期間風(fēng)電、太陽能發(fā)電區(qū)域布局，給出未來“三北”地區(qū)和東中部地區(qū)新能源開發(fā)規(guī)模占比。

圖1 我國新能源開發(fā)路線圖分析框架

2 分析方法和模型

2.1 開發(fā)規(guī)模測算方法

結(jié)合國家非化石能源戰(zhàn)略目標(biāo)、用電需求、水電/核電開發(fā)進(jìn)程、新能源規(guī)劃目標(biāo)等約束條件測算2030、2050年新能源開發(fā)總量的底線需求，分析風(fēng)電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等新能源裝機(jī)結(jié)構(gòu)，分析不同裝機(jī)構(gòu)成對全系統(tǒng)運(yùn)營成本、全社會補(bǔ)貼可承受能力等方面的影響，提出新能源合理的裝機(jī)結(jié)構(gòu)，具體方法流程如 圖2所示。

2.2 開發(fā)時序分析方法

新能源開發(fā)時序受新能源消納、新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用、新能源補(bǔ)貼需求、常規(guī)電源發(fā)展進(jìn)程等因素的影響。根據(jù)我國實(shí)際情況，2020年之前，我國新能源開發(fā)時序主要受新能源消納、新能源補(bǔ)貼的影響；2020年之后，隨著新能源消納問題逐步緩解，新能源開發(fā)時序主要受新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用、成本趨勢、常規(guī)電源發(fā)展進(jìn)程等因素 影響。

1）新能源消納。

近年來，我國新能源消納狀況明顯改善，2019年，全國累計(jì)新能源棄電率3.3%，比2016年同期下降12.4個百分點(diǎn)。后續(xù)需要進(jìn)一步判斷近、中、遠(yuǎn)期“三北”地區(qū)風(fēng)電、太陽能發(fā)電消納情況，為合理制定風(fēng)電、太陽能發(fā)電逐年開發(fā)規(guī)模提供可靠依據(jù)。

圖2 新能源發(fā)電開發(fā)總量測算方法

2）新能源技術(shù)應(yīng)用和成本趨勢。

技術(shù)成熟度是新能源實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)利用的關(guān)鍵因素，目前風(fēng)電、光伏發(fā)電技術(shù)相對成熟，市場應(yīng)用前景廣闊；光熱發(fā)電技術(shù)尚不完全成熟，成本較高，總體上仍處于商業(yè)化應(yīng)用的初期[7]。隨著新能源大規(guī)模開發(fā)利用，需要綜合考慮新能源發(fā)電成本，以及新能源并網(wǎng)引起的系統(tǒng)成本增加等因素。

3）新能源補(bǔ)貼需求。

此前我國新能源依靠高補(bǔ)貼政策實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？焖侔l(fā)展，導(dǎo)致全國可再生能源補(bǔ)貼資金存在較大缺口。未來隨著平價上網(wǎng)政策的推廣實(shí)施，需要考慮在無補(bǔ)貼情況下新能源開發(fā)規(guī)模和布局。

4）常規(guī)電源發(fā)展進(jìn)程。

我國當(dāng)前以燃煤火電為主的電源結(jié)構(gòu)客觀上決定了火電發(fā)展進(jìn)程將對新能源開發(fā)時序帶來重要影響。從目前趨勢來看，煤電裝機(jī)容量預(yù)計(jì)在2025年前出現(xiàn)峰值，其后進(jìn)入總量遞減階段，非化石能源成為系統(tǒng)主導(dǎo)電源將在2030年左右實(shí)現(xiàn)，因此新能源進(jìn)一步大規(guī)模發(fā)展預(yù)計(jì)出現(xiàn)在2030年之后。

我國新能源開發(fā)時序影響因素如圖3所示。

圖3 我國新能源開發(fā)時序影響因素

在影響因素作用范圍分析的基礎(chǔ)上，確定新能源總體開發(fā)時序，據(jù)此進(jìn)一步分析風(fēng)電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電開發(fā)節(jié)奏，明確中遠(yuǎn)期我國新能源優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。

2.3 開發(fā)布局優(yōu)化模型

在全國新能源開發(fā)總量目標(biāo)既定的情景下，按照存量和增量目標(biāo)分解思路測算新能源開發(fā)布局。結(jié)合上述新能源開發(fā)布局的基本原則，將全國分品種新能源新增開發(fā)總量目標(biāo)分解至區(qū)域和各省。建立全國分品種新能源開發(fā)目標(biāo)分解模型。

新能源總量規(guī)模平衡約束為

式中C為第年新能源新增的開發(fā)總量規(guī)模。

資源和可支撐規(guī)模約束為

式中：r,i、g,i分別為第年區(qū)域或分省的新能源技術(shù)可開發(fā)量、可支撐新能源開發(fā)規(guī)模的上限。

最低開發(fā)規(guī)模約束為

式中P,i為第年區(qū)域或分省底線開發(fā)規(guī)模。

新能源開發(fā)布局計(jì)算流程如圖4所示。

圖4 新能源開發(fā)布局計(jì)算流程

3 新能源開發(fā)路線圖

3.1 我國新能源資源開發(fā)潛力

根據(jù)中國氣象局風(fēng)能、太陽能資源詳查和評價結(jié)果[8-9]，整理“三北”地區(qū)、東中部和南方地區(qū)分品種新能源資源開發(fā)潛力。如表1所示，全國風(fēng)電、太陽能發(fā)電開發(fā)潛力分別超過35億kW、61億kW。其中，“三北”地區(qū)可開發(fā)的風(fēng)電、光伏發(fā)電總量上限超過86億kW，占全國總開發(fā)量的89%，是東中部和南方地區(qū)開發(fā)上限的8.5倍。

表1 分區(qū)域新能源資源潛力測算結(jié)果

3.2 新能源開發(fā)總量分析

3.2.1 邊界條件分析

1）非化石能源消費(fèi)占比。

根據(jù)最新國家能源戰(zhàn)略，2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到25%；2050年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重超過50%。

2）一次能源消費(fèi)總量。

2030年我國一次能源消費(fèi)控制在60億t標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi)；根據(jù)相關(guān)研究成果，我國一次能源消費(fèi)將在2040年前達(dá)到峰值[10]，2050年預(yù)計(jì)回落到55億t標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi)。

3）非化石能源總量需求測算。

按照25%非化石能源消費(fèi)占比目標(biāo)測算，2030年非化石能源供應(yīng)總量需求15億t標(biāo)準(zhǔn)煤；按照非發(fā)電利用的非化石能源總規(guī)模將達(dá)到約2億t標(biāo)準(zhǔn)煤測算，發(fā)電利用的非化石能源總量需求達(dá)到約13億t標(biāo)煤；2050年發(fā)電利用的非化石能源總量需求達(dá)到約25.4億t標(biāo)準(zhǔn)煤。

4）水電裝機(jī)規(guī)模預(yù)測。

2030年，西南地區(qū)金沙江上游、雅礱江上游、怒江、雅魯藏布江水電進(jìn)一步開發(fā)，全國水電規(guī)模有望達(dá)到4億kW左右。2050年，水電裝機(jī)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到5.4億kW左右[11]。

5）核電裝機(jī)規(guī)模預(yù)測。

預(yù)計(jì)2021—2030年，我國核電仍會保持批量、規(guī)模化建設(shè)的步伐，到2030年全國核電裝機(jī)規(guī)模有望超過1億kW，2050提高到2.2億kW[11]。

3.2.2 測算結(jié)果

按照上述邊界條件測算，2030年新能源發(fā)電總裝機(jī)規(guī)模至少要達(dá)到14.7億kW，其中風(fēng)電裝機(jī)容量為6億kW，光伏發(fā)電裝機(jī)容量為8億kW，光熱發(fā)電裝機(jī)容量為0.2億kW，生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量為0.5億kW，如表2所示。2050年新能源發(fā)電總裝機(jī)規(guī)模至少要達(dá)到29億kW，其中風(fēng)電13億kW，光伏發(fā)電14億kW，光熱發(fā)電1億kW，生物質(zhì)發(fā)電1億kW，如表3所示。

3.3 新能源開發(fā)時序分析

3.3.1 風(fēng)電開發(fā)時序

1）2021—2030年風(fēng)電開發(fā)時序。

根據(jù)2030年全國風(fēng)電總量目標(biāo)6億kW，2021—2030年累計(jì)新增風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模接近3.5億kW。根據(jù)技術(shù)成熟度研究結(jié)論[12]，風(fēng)電技術(shù)預(yù)計(jì)在2024年左右達(dá)到成熟，預(yù)計(jì)2025—2030年期間我國風(fēng)電將呈現(xiàn)加快發(fā)展態(tài)勢。綜合考慮這些因素變化，預(yù)計(jì)2021—2030年期間風(fēng)電開發(fā)總體呈現(xiàn)加快發(fā)展態(tài)勢，并且在最后5年增長速度更快。

表2 2030年新能源發(fā)電裝機(jī)測算的底線需求

表3 2050年新能源發(fā)電裝機(jī)測算的底線需求

2）2030年后風(fēng)電開發(fā)時序。

2030年后我國非化石能源將接棒化石能源逐步成為電力系統(tǒng)的主導(dǎo)能源，風(fēng)電在2031—2040年期間仍將加快發(fā)展，而后受資源開發(fā)條件約束，增長速度有所放緩，進(jìn)入平穩(wěn)增長期。至2050年，全國風(fēng)電裝機(jī)容量預(yù)計(jì)達(dá)到13億kW。圖5為風(fēng)電開發(fā)時序圖。

3.3.2 光伏發(fā)電開發(fā)時序

1）2021—2030年光伏發(fā)電開發(fā)時序。

根據(jù)2030年全國光伏發(fā)電總量目標(biāo)8億kW，2021—2030年累計(jì)新增光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模接近6億kW。根據(jù)技術(shù)成熟度研究結(jié)論，光伏發(fā)電技術(shù)預(yù)計(jì)在2030年左右達(dá)到成熟，預(yù)計(jì)2021—2030年期間光伏發(fā)電開發(fā)總體上呈現(xiàn)加快發(fā)展態(tài)勢。

圖5 風(fēng)電開發(fā)時序

2）2030年后光伏發(fā)電開發(fā)時序。

2030年后光伏發(fā)電技術(shù)全面成熟，并且光伏發(fā)電受太陽能資源約束比風(fēng)電小，預(yù)計(jì)2030年后光伏發(fā)電將進(jìn)入規(guī)?；铀侔l(fā)展階段。至2050年，全國光伏發(fā)電裝機(jī)容量預(yù)計(jì)達(dá)到14億kW。圖6為光伏發(fā)電開發(fā)時序圖。

圖6 光伏發(fā)電開發(fā)時序

3.4 新能源開發(fā)布局分析

3.4.1 風(fēng)電開發(fā)布局

受風(fēng)電紅色預(yù)警政策影響，“十三五”期間“三北”地區(qū)風(fēng)電開發(fā)總體放緩，隨著“三北”地區(qū)開發(fā)成本不斷下降、市場消納問題緩解，風(fēng)能資源優(yōu)勢充分體現(xiàn)，2021—2030年期間“三北”地區(qū)風(fēng)電開發(fā)力度逐步加大，新增風(fēng)電裝機(jī)占比也隨之上調(diào)。2030年后，東中部地區(qū)受資源條件約束，分散式風(fēng)電裝機(jī)受限，“三北”地區(qū)風(fēng)電開發(fā)占比將進(jìn)一步提高。

3.4.2 光伏發(fā)電開發(fā)布局

近年來，受“三北”地區(qū)光伏電站消納影響，以及中東部地區(qū)分布式光伏快速發(fā)展，2020年“三北”地區(qū)光伏發(fā)電累計(jì)新增開發(fā)規(guī)模占比“十二五”期間有所下降；隨著“三北”地區(qū)開發(fā)成本下降、局部地區(qū)市場消納問題緩解，太陽能資源優(yōu)勢充分體現(xiàn)，2030年“三北”地區(qū)光伏發(fā)電開發(fā)力度逐步提高，新增光伏發(fā)電裝機(jī)占比隨之上調(diào)?？紤]到東中部地區(qū)分布式光伏開發(fā)潛力較大，消納市場空間充足[13]，預(yù)計(jì)東中部地區(qū)光伏開發(fā)占比在2030年之后將持續(xù)提高。

4 結(jié)論

針對中長期我國新能源開發(fā)路線圖的關(guān)鍵問題展開研究，提出了涵蓋新能源資源潛力評估、開發(fā)總量規(guī)模、開發(fā)時序、開發(fā)布局的一整套開發(fā)路線圖分析方法，建立了相應(yīng)的分析模型。通過實(shí)證分析，得到以下結(jié)論：

1）我國新能源資源開發(fā)潛力較大，全國風(fēng)電、太陽能發(fā)電開發(fā)潛力分別超過35億、61億kW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)前的開發(fā)規(guī)模。

2）我國能源戰(zhàn)略目標(biāo)決定了未來新能源仍將加快大規(guī)模發(fā)展，2030年后新能源從替代能源向主導(dǎo)能源轉(zhuǎn)變，2050年新能源發(fā)電裝機(jī)占比將超過60%。

3）綜合考慮資源條件、技術(shù)水平、消納市場等因素，從開發(fā)布局來看，風(fēng)電布局將主要集中在“三北”地區(qū)，太陽能發(fā)電呈現(xiàn)出集中式開發(fā)和分布式利用相結(jié)合的特點(diǎn)。

[1]國網(wǎng)能源研究院．中國新能源發(fā)電分析報(bào)告[M]．北京：中國電力出版社，2019：32-35．

State Grid Energy Research Institute．China's new energy power generation analysis report[M]．Beijing：China Electric Power Press，2019：32-35．

[2]國家電網(wǎng)有限公司．國家電網(wǎng)有限公司服務(wù)新能源發(fā)展報(bào)告[R]．北京：國家電網(wǎng)有限公司，2019．

State Grid Corporation of China. State grid service new energy development report[R]．Beijing：State Grid Corporation of China，2019．

[3]張運(yùn)洲，劉俊，張晉芳，等．中國新能源“后補(bǔ)貼時期”發(fā)展分析[J]．中國電力，2019，52(4)：1-7．

ZHANG Y Z，LIU J，ZHANG J F，et al．Study on the development of renewable energy during “post-subsidy period” in China[J]．Electric Power，2019，52(4)：1-7．

[4]弭轍，張晉芳，劉俊，等．面向促進(jìn)新能源消納的源網(wǎng)荷貢獻(xiàn)度分解算法[J]．發(fā)電技術(shù)，2019，40(6)： 509-515．

MI Z，ZHANG J F，LIU J，et al．Decomposition algorithm of source-grid-load contribution for promoting renewable energy accommodation[J]．Power Generation Technology，2019，40(6)：509-515．

[5]劉德旭，劉艷，潘永旗，等．基于可再生能源發(fā)電優(yōu)先消納的電力電量平衡模型研究[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2020，36(1)：64-71．

LIU D X，LIU Y，PAN Y Q，et al．Research on power balance model based on priority consumption of renewable energy power generation[J]．Power System and Clean Energy，2020，36(1)：64-71．

[6]劉瑞豐，王睿，劉慶，等．促進(jìn)新能源發(fā)展的西北電力調(diào)峰容量市場機(jī)制初探[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2020，36(9)：93-99．

LIU R F，WANG R，LIU Q，et al. Research on the mechanism of peak-regulating capacity market in northwest China to promote the development of new energy[J]．Power System and Clean Energy，2020，36(9)：93-99．

[7]謝國輝，樊昊．太陽能光熱發(fā)電技術(shù)成熟度預(yù)測模型[J]．山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2017，47(6)：32-37．

XIE G H，F(xiàn)AN H．Prediction model of concentrating solar power technology maturity[J]．Journal of Shandong University (Engineering Science)，2017，47(6)：32-37．

[8]中國氣象局．中國風(fēng)能資源評估報(bào)告[M]．北京：氣象出版社，2017：114．

China Meteorological Administration．China wind energy resource assessment report[M]．Beijing：China Meteorological Press，2017：114．

[9]中國氣象局．太陽能資源評估報(bào)告[M]．北京：氣象出版社，2017：125-126．

China Meteorological Administration．Solar energy resource assessment report[M]．Beijing：China Meteorological Press，2017：125-126．

[10]程路，張運(yùn)洲，辛頌旭．能源消費(fèi)基數(shù)增加后實(shí)現(xiàn) 2020 年非化石能源占比15%目標(biāo)分析[J]．中國電力，2015，48(9)：5-8．

CHENG L，ZHANG Y Z，XIN S X．Analysis on the target of achieving 15% non-fossil energy by 2020 after increasing the energy consumption base [J]．Electric Power，2015，48(9)：5-8．

[11]國網(wǎng)能源研究院．中國能源電力發(fā)展展望[M]．北京：中國電力出版社，2018：124-125．

State Grid Energy Research Institute．China’s energy and electricity development prospects[M]．Beijing：China Electric Power Press，2018：124-125．

[12]劉志超，王洪彬，沙浩，等．我國風(fēng)電利用技術(shù)現(xiàn)狀及其前景分析[J]．發(fā)電技術(shù)，2019，40(4)：389-394．

LIU Z C，WANG H B，SHA H，et al. Status and prospect analysis of wind power utilization technology in China[J]．Power Generation Technology，2019，40(4)：389-394．

[13]鄧忻依，艾欣．分布式光伏儲能系統(tǒng)綜合效益評估與激勵機(jī)制[J]．發(fā)電技術(shù)，2018，39(1)：30-36．

DENG X Y，AI X．Comprehensive benefit assessment and incentive mechanism of distributed photovoltaic energy storage system[J]．Power Generation Technology，2018，39(1)：30-36．

Analysis Methods and Model of New Energy Developing Roadmap in China

XIE Guohui, LI Nana, YUAN Bo

(State Grid Energy Research Institute Co., Ltd., Changping District, Beijing 102209, China)

Studying on new energy developing roadmap helps to provide the important reference for the formulation of medium and long-term development plan of new energy in China. This paper put forward a set of analysis methods and models of development roadmap involving resources evaluations, total capacity, developing sequences and layout according to energy development strategy and characteristics of new energy development in China. The wind, photovoltaic and photothermal power generation developing capacity sequences and layout in 2030 and 2050 were also studied. The results show that there will be a rapid speed for China’s new energy development, pushing the new energy to become the dominated power after 2030. Wind power will be concentered in “Three North” areas, while the solar power presents a combination of centralized development and distributed utilization.

new energy; developing road map; developing capacity; developing sequence

10.12096/j.2096-4528.pgt.19174

TK 81; TM 73

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71471058)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (71471058).

2020-05-20。

(責(zé)任編輯 辛培裕)