李永紅

2019年我國二氧化碳排放量100億噸，其中發(fā)電占比40%，電力部門是最大的排放部門，很多機(jī)構(gòu)的研究表明，推動(dòng)電力系統(tǒng)向新能源大規(guī)模、高比例發(fā)展是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要保證。

中央提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，目前來看面臨著時(shí)間和空間平衡的挑戰(zhàn)，也就意味著原來的一次能源主體由可存儲(chǔ)、可運(yùn)輸?shù)幕茉崔D(zhuǎn)向不可存儲(chǔ)、不可運(yùn)輸，而且與氣象環(huán)境、資源分布高度相關(guān)的風(fēng)能和太陽能，一次能源供應(yīng)因此面臨高度不確定性。

多個(gè)機(jī)構(gòu)預(yù)測未來電力系統(tǒng)中新能源裝機(jī)占比80%，發(fā)電量占比超過60%。第一個(gè)觀點(diǎn)是2035年以后煤電會(huì)大量退役，實(shí)現(xiàn)碳中和則需要完全退出;風(fēng)光等可再生能源滲透率達(dá)到70.8%，電力系統(tǒng)以風(fēng)光可再生能源為主體（54.6億kW裝機(jī)）。第二個(gè)觀點(diǎn)是2030年以后煤電裝機(jī)和發(fā)電量逐步下降，一部分退出常規(guī)運(yùn)行作為應(yīng)急備用，遠(yuǎn)期加上CCUS（碳捕獲、利用與封存）設(shè)備，逐步增加近零脫碳技術(shù);2060年煤電裝機(jī)4億kW，氣電4億kW，風(fēng)光裝機(jī)46億kW;另外設(shè)置了內(nèi)陸也可以發(fā)展核電的情景，沿海及內(nèi)陸核電發(fā)展總規(guī)模4億kW。

電力系統(tǒng)分區(qū)模型（日總量角度）

從風(fēng)光資源潛力來說，根據(jù)國家氣侯中心等多個(gè)機(jī)構(gòu)的研究結(jié)論，100米高度風(fēng)電技術(shù)可開發(fā)量是44億kW，集中光伏26億kW，分布式光伏26億kW。我國水電技術(shù)可開發(fā)量5億kW，另外假設(shè)未來中國只發(fā)展沿海核電，沿海核電廠址的最大發(fā)展規(guī)模是2.06億kW。我國分為7個(gè)大的供電分區(qū)，分區(qū)統(tǒng)計(jì)風(fēng)電、光電、水電和核電的最大技術(shù)可開發(fā)能力可作為后續(xù)模型的輸入條件。我國已建成十交十四直的特高壓骨干網(wǎng)架，全國跨區(qū)跨省電力流總規(guī)模2.2億kW，輸送電量5318億度，可再生能源電量占46%。目前西北、西南、東北電網(wǎng)屬于典型的送端電網(wǎng)，華東、華北是受端電網(wǎng)，華中電網(wǎng)承擔(dān)區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度配置的樞紐功能。

預(yù)計(jì)中國在2050年電力消費(fèi)總量達(dá)13.8萬億kWh，日平均負(fù)荷19億kW。從各個(gè)大區(qū)全年電負(fù)荷曲線來看存在明顯的冬夏電力負(fù)荷雙高峰的情況。各可再生能源電力出力特性導(dǎo)致時(shí)間上和空間上的電力供需不匹配;水電存在比較大的季節(jié)差，從若干中國比較大的河流的年徑流量變化也可以看出夏多冬少的特點(diǎn)。風(fēng)光電也存在比較大的季節(jié)差，風(fēng)力60%集中在春冬，光伏60%集中在夏秋。另外從區(qū)域分布層面，風(fēng)光電出力也存在比較大的季節(jié)差，比如西北光伏發(fā)電最大利用小時(shí)數(shù)達(dá)1500小時(shí)，華中1000小時(shí);西北風(fēng)電最大利用小時(shí)數(shù)2500小時(shí)，華中光伏1800小時(shí)。

下面的模型可從日均電力供需平衡角度分區(qū)看火電調(diào)峰作用，主要表現(xiàn)在未來為新能源電力調(diào)峰保障的火電容量要保留多少，發(fā)電出力時(shí)間和空間上如何分布。電源和電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能技術(shù)從規(guī)模和時(shí)間尺度上分析，電池以及壓縮空氣儲(chǔ)能主要是日內(nèi)調(diào)節(jié)，抽水蓄能也是以日內(nèi)調(diào)節(jié)為主，個(gè)別配置比較大的水庫的水電可以做日間的調(diào)節(jié)，對于電制氫或合成氣則考慮季節(jié)性調(diào)峰。我國目前煤電達(dá)到10.8億kW，9億kW是高參數(shù)大容量的煤電機(jī)組，很多服役年限比較短，通過靈活性改造可以為電力系統(tǒng)提供支撐能力?；痣?CCUS相比電制氫氣及合成燃料方式可為日間及季節(jié)性調(diào)峰提供更好的經(jīng)濟(jì)性支撐。由于現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)可以解決日內(nèi)電力調(diào)峰，解耦了發(fā)電與用電之間的實(shí)時(shí)同步關(guān)系，可對風(fēng)、光電的出力和電負(fù)荷按日總量來構(gòu)建分區(qū)電力模型進(jìn)行分析。

情景方案研究

各供電分區(qū)風(fēng)、光、水、核電容量的確定，按不超過各區(qū)域最大資源開發(fā)量設(shè)置，風(fēng)、光電主要是考慮了總的棄風(fēng)光率，控制不超過15%，最終選擇了60 億kW 總裝機(jī)容量。情景方案研究主要針對風(fēng)光電的安裝區(qū)域以及容量比例設(shè)置了六個(gè)方案，方案一到方案三是優(yōu)先送端安裝的方案，各片區(qū)風(fēng)光容量資源約束條件下發(fā)電量最大，盡量放在資源比較豐富的三北和西部地區(qū)。方案四到方案五是優(yōu)先受端區(qū)域方案，華東、南方、華中區(qū)域按最大技術(shù)開發(fā)量安裝，減少跨區(qū)的長距離大規(guī)模輸電量。方案一到方案三和方案四到方案五總的風(fēng)、光電安裝容量比例分別按1：1.5、1：1.3 和1：1設(shè)定。從計(jì)算輸出的結(jié)果來看，各方案全國火電最大出力維持在8.5 億kW 左右，全國火電發(fā)電最大負(fù)荷小時(shí)數(shù)1500 ～2000 小時(shí)，其中三北火電最大出力2.2 億～4.5 億kW，最大負(fù)荷小時(shí)數(shù)1050～2300 小時(shí)。另外，從輸配上看，優(yōu)先送端方案輸配總電量3.7萬億～4.3萬億kWh，總的最大輸配電功率11億～13億kW，優(yōu)先受端方案在1.5萬億～1.6萬億kWh，受端方案總的最大輸配電功率6億～8億kW。

從各個(gè)方案投資和運(yùn)行費(fèi)的角度進(jìn)行比較分析，優(yōu)選推薦方案是方案四，優(yōu)先受端安裝按1 ：1.5 進(jìn)行風(fēng)光配置。計(jì)算投資包含風(fēng)電、光電、火電CCUS 以及跨區(qū)輸電投資，運(yùn)行費(fèi)是火電消耗燃料費(fèi)及CCUS費(fèi)用，計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)電煤耗取300gce/kWh，煤價(jià)800元/tce，CCUS發(fā)電效率降低10%，400元/t CO₂。在未來全社會(huì)用電量13.8萬億kWh情景下，推薦方案的電源總裝機(jī)75.5億kW，風(fēng)、光電裝機(jī)占比接近80%，總電量中風(fēng)光電量占比63%，火電占12.7%，火電的1/3 按生物質(zhì)考慮，則整個(gè)非化石能源的發(fā)電量占比超過90%以上。推薦方案全國火電最大發(fā)電出力8.4億kW，最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)2083 小時(shí)，發(fā)電量1.75萬億kWh，折算燃料5.2萬億tce，煤、氣、生物質(zhì)按各占1/3，二氧化碳排放量6.6萬t。

結(jié)論及建議

通過跨區(qū)域日平衡電力模型分析，未來構(gòu)建新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，電源結(jié)構(gòu)中仍需保留8.4億kW火電作為調(diào)峰保障，風(fēng)光電裝機(jī)規(guī)模60億kW，比例1：1.5。未來應(yīng)在優(yōu)先發(fā)展中東部分散風(fēng)電、海上風(fēng)電和分布式光伏就地消納的基礎(chǔ)上，再發(fā)展西部、北部的集中風(fēng)電、光伏基地。未來三北地區(qū)保留火電規(guī)模4.4億kW，最大負(fù)荷利用小時(shí)2350小時(shí)，余熱資源最大潛力52億GJ，結(jié)合跨季節(jié)儲(chǔ)熱等方式可以為北方地區(qū)建筑集中供熱做支撐。