報告：中國實現(xiàn)碳中和的必經(jīng)之路——電力增長零碳化（2020–2030）
1.碳中和加速電力增長零碳化進程2020年9月22日舉行的聯(lián)合國大會上，習近平主席承諾中國將在2030年前實現(xiàn)碳排放達峰，并在2060年前實現(xiàn)碳中和。1 這 是全球應(yīng)對氣候變化工作的一項重大進展，顯示了中國作為 負責任大國承擔起全球領(lǐng)導(dǎo)力的決心。我們認為，中國能夠在2060年前，甚至有可能在2050年實現(xiàn)碳中和，并全面發(fā)展成為一個發(fā)達經(jīng)
可再生能源成本的進一步下降將對現(xiàn)有煤電產(chǎn)生威脅
光伏和風電已經(jīng)或即將成為中國最具經(jīng)濟性的的新建發(fā)電電 源。此外，據(jù)彭博新能源財經(jīng)估計，到2020年代末，新建風電 和光伏的發(fā)電成本將低于許多現(xiàn)有燃煤電廠（或聯(lián)合循環(huán)燃 氣輪機）的運行成本，使現(xiàn)有煤電資產(chǎn)不再具備經(jīng)濟效益（圖 12）。現(xiàn)有燃煤發(fā)電的產(chǎn)能過剩更加劇了這一風險——目前中 國燃煤發(fā)電廠的平均利用率僅為56%。這一風險已經(jīng)在可再 生能源資源較為豐富的中國西北和西南等地區(qū)成為了現(xiàn)實， 當?shù)氐娜济弘姀S的平均利用率僅為35%，造成了巨大的經(jīng)濟 損失和資產(chǎn)擱淺。
核電和水電成本具備競爭力
彭博新能源財經(jīng)預(yù)計，中國核電成本可以達到每千瓦時0.36- 0.48元，而當前的實際上網(wǎng)電價也符合這一估算。這使得核電 作為基荷電力完全具備與煤電競爭的能力。中國水力發(fā)電成 本同樣非常具有競爭性。水電的邊際成本低，其市場化交易價 格通常在每千瓦時0.3元左右，有些甚至低至每千瓦時0.2元。 在中國，水電是普遍認為成本最低的發(fā)電方式。
明確的量化目標可進一步提速成本下降
中國過去的零碳電力發(fā)展成果矚目：現(xiàn)有風電和光伏裝機總 量已超過400GW，引領(lǐng)全球可再生能源項目開發(fā)。這反映了過 去政策的成功，即早期補貼與量化目標促進了產(chǎn)業(yè)的快速擴 張，并推動成本大幅下降。通過明確量化裝機增長速度，實現(xiàn) 了規(guī)模經(jīng)濟和學習曲線效應(yīng)，促成了中國乃至全球成本的大 幅下降。 然而，零碳電力目前的并網(wǎng)速度并不足以達到2030目標，尤其是風電部署的速度。據(jù)估算，要實現(xiàn)2030目標，中國仍必 須新增大約650GW光伏、600GW陸上風電、60GW海上風 電、113GW水電和66GW核電裝機（圖2）。 2020年，中國核準的光伏項目裝機總量目前是59GW，達到 了實現(xiàn)2030年目標所需的年新增量，其中平價項目裝機量為 33GW。核電方面，考慮到目前大約12GW正在建設(shè)中，以及 約22GW已確定開工日期——66GW的新增目標看起來是可以 實現(xiàn)的。約40GW的在建項目和超過20GW的計劃項目也是提供了實現(xiàn)110GW新建水電裝機目標的可能性。但是，相對于 2030年目標水平，目前新增風電項目的速度還達不到要求。隨 著風電補貼的逐步退坡，已獲核準的的11GW平價風電的開發(fā) 速度顯然無法滿足未來電力需求。
如果合適的政策得到落實，每年55GW新增風電的投資速度無 疑是可以實現(xiàn)的：在2016和2017年，各有30GW新增風電裝機 獲得核準，提前實現(xiàn)十三五規(guī)劃目標。未來幾年，隨著風電開 發(fā)商和風機制造商逐漸完成積壓的項目訂單，新項目申報和 核準的速度大概率會加快。但依然存在的主要風險在于，未來 幾年的投資速度過于緩慢，新增煤電投資會填補這一空缺， 從而造成不必要的成本投入，導(dǎo)致未來的資產(chǎn)擱淺。
合適的政策制定需要明確風電（和光伏）項目新增裝機數(shù)量， 從而確保實現(xiàn)成本和價格的下降。其他國家的經(jīng)驗表明，隨 著光伏和風電成本接近或低于化石燃料發(fā)電成本并消除對補 貼的依賴后，為可再生能源發(fā)電企業(yè)提供大部分發(fā)電量的價 格保障依然是十分重要的，因為這可以降低可再生能源項目 的開發(fā)風險，從而降低成本和所需的價格收益要求。
實現(xiàn)這些的途徑可以是設(shè)定可再生能源占總電量比例的目標 （如中國的可再生能源配額制），和/或繼續(xù)根據(jù)預(yù)先確定的 可再生能源發(fā)電裝機規(guī)模進行競價。在競價機制引導(dǎo)下，未來 一到兩年內(nèi)可再生能源競價報價就有望低于火電發(fā)電價格。
例如，英國首相最近宣布英國將在2030年前建造40GW海上 風電項目viii，并將通過競價機制確保采購到最低成本的電力 供應(yīng)。這些競價將以“差價合約”和批發(fā)市場電力價格進行核 算，在某些情況下可能造成可再生能源發(fā)電企業(yè)向電網(wǎng)支付 費用的情況（如果競價價格低于未來批發(fā)電價）。但由于這種 合約提供了價格確定性，對于發(fā)電企業(yè)仍然非常具有吸引力。
本報告第四章節(jié)將深入討論推動快速發(fā)展所需的政策。只要 這些政策得到落實，可再生能源發(fā)電成本將保持快速下降 勢頭，不但能夠以低于新建煤電項目的成本提供新增電力供 應(yīng)，還能在2030年前下降至低于許多現(xiàn)有燃煤電廠運營成本 的水平。
與全球許多其他市場一樣，中國目前面臨的關(guān)鍵問題已不再 是可再生能源和其他零碳發(fā)電技術(shù)是否具備成本競爭力，而是 電網(wǎng)接納高比例非水可再生能源面臨的技術(shù)和經(jīng)濟性挑戰(zhàn)。
3.瞬時電力平衡管理技術(shù)已然成熟
中國非水可再生能源裝機目前占總裝機容量的21%，貢獻了 10.2%的發(fā)電量。這些比例都將繼續(xù)上升，并且如第二章節(jié)所 述示，其電力供應(yīng)的成本也將更具競爭力。但中國電力系統(tǒng)一 直以來存在的觀點和顧慮是，從某種意義上說，將可再生能 源比例在當前基礎(chǔ)上大幅提高，在技術(shù)上是不可能的，或者說 其高昂的成本是系統(tǒng)無法承擔的。
放眼全球許多其他國家，當非水可再生能源增長到類似階段 時往往也出現(xiàn)同樣的顧慮。但是有些國家的非水可再生能源 占能源供應(yīng)的比例在一些時候已經(jīng)超過了50%，峰值時段占 比甚至更高。
在德國，可再生能源電力占凈電力供應(yīng)的比例在2019年4月22 日當天高達70%，其中風電40%，光伏20%，其他17%。18 在 整個歐盟，可再生能源電力占總發(fā)電量比例在2020年5月11日 和24日分別達到了54%和55%。19 在美國加利福尼亞州，風電 和光伏發(fā)電量占電力需求總量的比例在2017年3月23日上午 11:20時刻達到了49.2%。20 而英國在2020年8月26日凌晨 1:30，風力發(fā)電占電力供應(yīng)總量的比例幾乎達到了60%。
這些例子充分說明運行一個非水可再生能源比例遠高于中國 當前水平，甚至高于“零碳投資情景”下28%水平的電力系統(tǒng) 在技術(shù)上是完全可行的。同時，這也有力地證明了當前有足夠 的方案來解決以下在討論提高非水可再生能源比例問題時經(jīng) 常被提起的四大技術(shù)性挑戰(zhàn)：
頻率控制
電壓控制
故障穿越
遠距離高壓直流輸電線路的利用
頻率控制
一些中國行業(yè)專家表示的最大擔憂是，非水可再生能源比例 的不斷上升將增大頻率控制的難度。但其他國家已經(jīng)開發(fā)了一 系列解決方案來確保高比例非水可再生能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定 運行。
穩(wěn)定的系統(tǒng)運行需要供需的瞬時平衡以維持頻率在可接受的 范圍內(nèi)。如果供需嚴重不平衡，頻率偏差就會導(dǎo)致發(fā)電機組脫 網(wǎng)。在傳統(tǒng)以火電為主的系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)動慣量提供了一種靈活的 手段來減緩頻率波動，直調(diào)電廠也可以靈活地快速調(diào)整出力 以跟蹤負荷變化。
相反，非水可再生能源不具備隨意調(diào)度的能力，并且無法準確 預(yù)測其未來出力。因此，隨著非水可再生能源比例的上升，頻 率控制的難度會越來越大。但這些挑戰(zhàn)可以通過以下四種方式的結(jié)合來解決：
1.提高對可再生能源出力的預(yù)測
非水可再生能源出力的不確定性越大，對備用容量和靈活性 資源的需求就越大，這樣才能應(yīng)對預(yù)料之外的出力波動。如果 能夠提高預(yù)測的準確性，即便非水可再生能源比例增加，對 “調(diào)節(jié)能力”（即快速增加或減少出力的能力）或備用容量的 需求也會降低。
以加利福尼亞州獨立系統(tǒng)運營商（CAISO）為例，非水可再生 能源發(fā)電比例在2015-2019年間從12.2%上升到了20.9%，22 但 由于日前和實時預(yù)測的平均絕對百分誤差（MAPE）顯著改善， 對調(diào)節(jié)能力和備用容量的需求基本上沒有發(fā)生變化（圖13）。
中國目前的日前預(yù)測平均絕對百分誤差（約10%-20%）遠高 于CAISO（4%-6%）。因此，提高預(yù)測準確性是當前的優(yōu)先任 務(wù)。
以下信息框A 提供了一些關(guān)鍵的最佳實踐做法。
2. 預(yù)測并減少短期可再生出力極端變化 即便預(yù)測準確性得到改善，但突發(fā)性或不可預(yù)知的天氣變化仍 會造成非水可再生能源發(fā)電量的迅速變化，特別是對風電而 言。這種情況對頻率控制造成的危險可通過以下方式規(guī)避：
大規(guī)模功率變化事件的探測與預(yù)測。例如，德克薩斯州電 力管理委員會（ERCOT）開發(fā)了ERCOT大型功率變化警報系 統(tǒng)（ERLAS），生成不同嚴重程度和不同持續(xù)時間的功率變 化事件的概率分布，可每15分鐘提供未來六小時內(nèi)區(qū)域性 和整個系統(tǒng)范圍的天氣預(yù)測。這可以用來警告系統(tǒng)運營商 風電發(fā)電量可能發(fā)生大幅度快速變化。
降低風電功率變化產(chǎn)生的影響。可以通過調(diào)整風機的設(shè)計 和操作方式來避免因風速的瞬間變化而造成出力同等幅度 的突然變化。多家系統(tǒng)運營商都要求風電場限制風機功率 變化的最大速度（圖14）。
3. 使用非水可再生能源和其他非火電資源來提供頻率
控制服務(wù)
包括中國在內(nèi)的許多國家，非水可再生能源提供一次頻率調(diào) 節(jié)已成為一種常見要求，但中國目前仍依賴火電廠提供二次 頻率調(diào)節(jié)（也稱為自動發(fā)電控制服務(wù)）。然而，在其他國家，逆 變器或管理系統(tǒng)的變化現(xiàn)在已經(jīng)使非水可再生能源能夠提供 自動發(fā)電控制。例如，美國科羅拉多州的Xcel Energy公司現(xiàn) 在要求風機具備自動發(fā)電控制能力，而在該公司運營的地區(qū) 內(nèi)，有三分之二的風電場已經(jīng)具備了這種能力。電廠的經(jīng)驗還表明，光伏電站可以通過結(jié)合使用智能逆變器和先進的控制策略來提供自動發(fā)電控制。CAISO已對此進行了測試，并證明是可行的。
作者： 來源：落基山研究所 責任編輯：jianping
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