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碳中和目標(biāo)下,中國風(fēng)能太陽能開發(fā)的優(yōu)化布局
日期:2022-01-14   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_zhuzelin 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
2020年9月22日, 國家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國大會(huì)上宣布,中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2021年3月15日,中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議又明確提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。踐行碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略,能源是主戰(zhàn)場,電力是主力軍。據(jù)國內(nèi)多家權(quán)威機(jī)構(gòu)測算,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和,中國的風(fēng)電、太陽能裝機(jī)容量將超過50-60億千瓦,是2020年新能源裝機(jī)容量的十余倍。如此大規(guī)模的開發(fā)利用,究竟該如何優(yōu)化布局尚未明晰。鑒于此,國家氣候中心聯(lián)合北京大學(xué)、中科院青藏所、金風(fēng)科技、國網(wǎng)能源院和發(fā)改委能源所等單位,對上述問題開展了系統(tǒng)性研究。論文成果以“Potential contributions of wind and solar power to China’s carbon neutrality”為題發(fā)表在《Resources, Conservation & Recycling》雜志上,IF:10.2。

摘要

由于風(fēng)能、太陽能具有間歇性和波動(dòng)性特征,構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)極具挑戰(zhàn)。本研究基于中國長時(shí)間序列高時(shí)空分辨率風(fēng)能、太陽能資源數(shù)據(jù)庫和高分辨率土地利用數(shù)據(jù)庫,分省逐小時(shí)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)庫等資料,構(gòu)建了風(fēng)光電力供需與空間優(yōu)化模型,探討了2050年中國風(fēng)能、太陽能開發(fā)對實(shí)現(xiàn)碳中和的潛在貢獻(xiàn)及其優(yōu)化布局。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)情景下,到2050年,如果風(fēng)電裝機(jī)25億千瓦、光伏裝機(jī)26.7億千瓦,按照全國小時(shí)級的電力電量互動(dòng)平衡,不考慮儲(chǔ)能和需求響應(yīng),僅靠風(fēng)光就可以滿足全國約67%的電量需求,同時(shí)棄電率小于7%(約6.33%)。屆時(shí),中國風(fēng)光新能源年發(fā)電量將達(dá)10.39億千瓦時(shí)/年,每年減少SO2排放208萬噸, NOx排放197萬噸。

正文

2020年9月,在第75屆聯(lián)合國大會(huì)上,作為世界上最大的發(fā)展中國家,煤炭消費(fèi)國和碳排放國,中國宣布了一個(gè)雄心勃勃的減排目標(biāo),即二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

2021年3月15日,中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議又明確提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

過去十年,全球風(fēng)能、太陽能的開發(fā)利用成本快速下降,為能源綠色低碳轉(zhuǎn)型奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。資料顯示,2010-2019年,全球太陽能光伏(PV)、陸上風(fēng)電和海上風(fēng)電的加權(quán)平均平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)分別下降了82%、39%和29%。

可變可再生能源(風(fēng)能、太陽能)的大規(guī)模接入給當(dāng)前需要穩(wěn)定靈活供電的電力系統(tǒng)帶來了重大挑戰(zhàn)。本研究綜合考慮了風(fēng)能、太陽能發(fā)電的時(shí)空變化和瞬時(shí)電力平衡,構(gòu)建了風(fēng)光電力供需與間優(yōu)化模型,比較了8種風(fēng)光資源開發(fā)利用情景下,中國高比例風(fēng)光電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性、經(jīng)濟(jì)性和氣候-環(huán)境指標(biāo)的差異。

在電源側(cè),模型僅考慮風(fēng)光電力供給。這主要基于以下3個(gè)理由,(1)研究聚焦于以新能源為主體的新型電力系統(tǒng);(2)國家《可再生能源法》要求風(fēng)電、光伏優(yōu)先入網(wǎng);(3)風(fēng)電和光伏發(fā)電的邊際成本幾乎為0。模型的約束條件是風(fēng)電、光伏可開發(fā)區(qū)(網(wǎng)格點(diǎn))的技術(shù)裝機(jī)容量大于等于零,小于等于最大可裝機(jī)容量。目標(biāo)函數(shù)是風(fēng)光耦合發(fā)電量與電力負(fù)荷之間的偏差(絕對值)最小。

換言之,模型要求風(fēng)光發(fā)電最大程度地滿足電力負(fù)荷,同時(shí)要求棄風(fēng)棄光率最低。為了簡化計(jì)算,我們將電網(wǎng)視為銅板模型,即電力傳輸沒有損失或限制。研究使用混合整數(shù)線性規(guī)劃和IBM CPLEX求解器,來確定不同情景下風(fēng)電場和光伏電站的最優(yōu)開發(fā)位置和裝機(jī)容量。

研究使用國家氣候中心研制的長時(shí)間序列(2007-2014年)高時(shí)空分辨率風(fēng)能、太陽能資源數(shù)據(jù)庫(水平分辨率15公里,時(shí)間分辨率1小時(shí))來計(jì)算逐小時(shí)的風(fēng)電和光伏發(fā)電量。
研究首先給出了中國省域(不考慮省與省之間的電力傳輸)尺度的風(fēng)光滲透率(風(fēng)光發(fā)電量滿足電力需求的比例)結(jié)果。圖1A 顯示,中國西北地區(qū)的風(fēng)能-太陽能發(fā)電潛力豐富(>3000 TWh),東部和南部省份風(fēng)能-太陽能發(fā)電潛力較?。?lt;800 TWh)。

就大多數(shù)省份而言,太陽能發(fā)電潛力大于風(fēng)能。資源稟賦較好的區(qū)域遠(yuǎn)離負(fù)荷中心(圖1B)。預(yù)計(jì)2050年,中國東部和南部省份的電力需求較高(>1000 TWh),西北地區(qū)較?。?lt;600 TWh)。

若新能源可開發(fā)區(qū)的資源全被利用,風(fēng)電、光伏的潛在年發(fā)電量將達(dá)77.9萬億千萬時(shí),約為 2050年全國電力需求(15.4萬億千瓦時(shí))的5倍??傮w上,風(fēng)光資源稟賦越好,且電力需求越小的區(qū)域,其新能源滲透率越高。例如,西藏、新疆、青海、甘肅和內(nèi)蒙等省的新能源滲透率大于80%。然而,在風(fēng)能太陽能資源匱乏,且電力需求較大的沿海和中部省份,新能源的滲透率小于50%(圖1C)。2050年,全國平均的風(fēng)光滲透率為51.5%,風(fēng)光發(fā)電量為8.5萬億千瓦時(shí)。


 
 
圖1、中國風(fēng)電光伏發(fā)電潛力、2050年各省用電需求以及2050年中國不同省份的風(fēng)光滲透率
 
接下來,研究考慮了三種促進(jìn)風(fēng)能-太陽能利用的策略(即區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)、技術(shù)進(jìn)步和需求響應(yīng)),并量化了它們對風(fēng)能-太陽能滲透率的潛在影響。區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)情景意味著,模型考慮連接區(qū)域電網(wǎng)(如西北電網(wǎng))內(nèi)的省域電網(wǎng),并在區(qū)域電網(wǎng)尺度上進(jìn)行空間優(yōu)化和模型求解;就技術(shù)進(jìn)步情景而言,我們提高風(fēng)機(jī)輪轂高度,即使用140m高度的風(fēng)機(jī)替代100m高度的風(fēng)機(jī);同時(shí),采用跟蹤式光伏支架替代固定式光伏支架。已有研究表明,與固定式光伏支架相比,采用跟蹤式光伏支架,可以提高20%-40%的光伏發(fā)電量。就需求響應(yīng)情景而言,我們在需求側(cè)調(diào)整負(fù)荷曲線,使其更好地與新能源供給曲線相匹配。具體地,我們將需求響應(yīng)的潛力設(shè)為10%。我們評估了每種策略的影響,以及多種策略組合的綜合影響,共計(jì)8種情景。

結(jié)果發(fā)現(xiàn),就單一策略來說,區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)對于提高新能源滲透率的作用最大。實(shí)施電網(wǎng)互聯(lián)后,所有區(qū)域電網(wǎng)的新能源滲透率均增加,其中西南電網(wǎng)和華北電網(wǎng)的新能源滲透率增加最顯著(圖2)。區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)后,西南電網(wǎng)的風(fēng)光滲透率從33.62%增加到81.62%,華北電網(wǎng)的風(fēng)光滲透率從49.81%增加到82.62%。該情景下,2050年全國平均的風(fēng)光滲透率為67%,其中東北、華北、西北和西南電網(wǎng)的新能源滲透率高于80%,華中電網(wǎng)低于50%。2050年全國的風(fēng)電裝機(jī)量約25億千瓦,光伏裝機(jī)量約26.7億千瓦,新能源棄電率為6.33%。

在不包含區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的情景下,風(fēng)能-太陽能的滲透率變化不大(圖2)。單獨(dú)的技術(shù)進(jìn)步本身并不能明顯增加風(fēng)光滲透率。單獨(dú)的需求響應(yīng)策略也僅使得風(fēng)光滲透率增加了1.97%。


 
圖2. 8種風(fēng)光資源開發(fā)情景下,風(fēng)電、光伏發(fā)電滿足2050 年電力需求的比例

另外,區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)也會(huì)改變風(fēng)光新能源的開發(fā)格局。區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)促使新能源開發(fā)向資源稟賦好的地區(qū)集中。與基礎(chǔ)情景相比,實(shí)施電網(wǎng)互聯(lián)后,華北電網(wǎng)和西南電網(wǎng)的風(fēng)電、光伏安裝格局出現(xiàn)了較為明顯的變化。其中,華北電網(wǎng)風(fēng)電和光伏安裝格局向風(fēng)光資源條件較好的蒙西地區(qū)集中。電網(wǎng)連接后,蒙西風(fēng)電裝機(jī)容量為477.4GW,為基礎(chǔ)情景下(18.3GW)的約26倍。同時(shí),幾乎所有的光伏裝機(jī)從北京、天津、河北、山西和山東移除,大約一半的光伏裝機(jī)重新安裝在蒙西地區(qū)(約290GW)。

區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)也將改變新能源開發(fā)的數(shù)量和結(jié)構(gòu)特征。與基礎(chǔ)情景相比,區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)大大提高了風(fēng)電裝機(jī)容量(16億千瓦VS25億千瓦 ),略微降低了光伏裝機(jī)容量(27.7億千瓦VS26.7億 千瓦)。


 
圖3. 基礎(chǔ)情景和區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)情景下的2050年風(fēng)光資源開發(fā)空間格局

接下來,我們選取4種風(fēng)光滲透率大約60%的情景(即區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)前景、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)+技術(shù)進(jìn)步情景、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)+需求響應(yīng)情景、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)+技術(shù)進(jìn)步+需求響應(yīng)情景),并重點(diǎn)分析了這些情景對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性和氣候環(huán)境指標(biāo)的差異(表1)。這里的經(jīng)濟(jì)成本包括發(fā)電成本(用平準(zhǔn)化度電成本LCOE衡量)和輸電成本。研究發(fā)現(xiàn),區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)+技術(shù)進(jìn)步情景下,系統(tǒng)的總成本和平均成本最低(總發(fā)電成本:3.55萬億元;新能源平均度電成本(包括發(fā)電成本和輸電成本):0.33元/千瓦時(shí)),投資回報(bào)最高(即滿足總電力需求的1%僅需534億元人民幣)。在氣候和環(huán)境效益方面,我們評估了減少碳排放和減少空氣污染的貢獻(xiàn)。根據(jù)其他研究成果,為實(shí)現(xiàn)1.5°C溫控目標(biāo),中國的風(fēng)能、太陽能發(fā)電需要在2050年達(dá)到約5.4–9.7 PWh。對應(yīng)每年排放的CO2減少4.54–8.15 Gt。我們的結(jié)果表明,以上四種方案都可以提供>10 PWh的綠色電力供應(yīng),完全可以滿足這一要求。在上述四種方案中,區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)+需求響應(yīng)方案產(chǎn)生的綠色電力量最大,為10.39 PWh。該情景下,污染物減少最多,二氧化硫和氮氧化物的排放量每年分別減少208萬噸和197萬噸。


 
表1、風(fēng)光綠色電力帶來的經(jīng)濟(jì)成本和氣候環(huán)境指標(biāo)的差異

科學(xué)規(guī)劃是最大的節(jié)約。

原標(biāo)題:碳中和目標(biāo)下,中國風(fēng)能太陽能開發(fā)的優(yōu)化布局
 
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