绿电拼图：“碳中和”目标下电源结构的重构
近日来源:天工开物TGCW作者:杨萌2021/5/17 15:06:01我要投稿
关键词: 碳达峰碳中和电源结构风电
“碳中和”目标的提出，对能源行业提出了更高的要求，电源结构也将发生根本性的变革。这就要求不仅要关注电源的经济性，更需要将环保性和灵活性放在同样的高度统筹考虑，而不同电源之间呈现在这三方面出不同的互补特性。通过对当前和未来场景下，电源拼图的重构，本文对“碳中和”场景下的电源构成进行了展望。通过能源市场体系的建立，充分体现出市场参与者三方面的价值，将实现“不可能三角”向“价值三角”的转变，促进我国甚至全球的绿色发展。
01碳中和指引新发展
从2020年9月的第七十五届联合国大会一般性辩论到2020年12月举行的气候雄心峰会，我国多次表示，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。2020年12月闭幕的中央经济工作会议将做好碳达峰、碳中和工作列入2021年要抓好的8大重点任务之一。
“碳中和”目标的提出与践行，是国家深思熟虑之下的战略布局，社会各界，尤其是能源企业要有充分深刻的认识，才能摆清位置、找准方向，真正落实好“碳中和”总体目标下分解到行业和地区个体的具体任务。首先。“碳中和”指的是碳“净零排放”，而非“零排放”，是长期低碳发展战略的具体呈现，发展仍然是首要任务。其次，旗帜鲜明的提出“碳中和”的定量指标，为各行各业提供了共同的发展导向，随着逐级细化分解，将分别形成明确的具体量化要求，形成绿色低碳循环和可持续的发展路径。再次，尽管“碳中和”的高要求带来了新的挑战，但更是新的机遇。在工业时代跨入信息时代的开端，通过绿色转型带动新基建，引导新技术，既是我国长期低碳发展的保障，也是在新时代走向海外的必占先机。在全球关注环保的大趋势下，通过广阔的国内市场培育出适应“碳中和”要求的技术、标准、模式、机制，将成为我国未来在国际市场上的新名片。
02从“不可能三角”到“价值三角”
作为实现“碳中和”的先锋，能源行业势必最先迎来深刻的变革。根据清华大学气候变化与可持续发展研究院公布的研究成果：我国能源消费总量将在2035年左右达到峰值，到2050年将比峰值消费量下降20%以上；到2050年非化石能源占一次能源消费比重应超过70%，非化石能源电力将占总发电量的约90%，基本形成以新能源为主体的近零碳排放能源体系。以风电、光伏为代表的新能源目前看来将成为非化石能源发电的主力，但其自身间歇性发电的特性决定了电力系统传统的容量配置方式将不再适用。在以火电、水电为代表的传统能源为主的电力系统中，电源可控性强，可以随时追踪负荷变化，因此容量配置仅需要满足最大负荷和一定备用裕度即可，但间歇性电源为主的电力系统则需要高冗余的装机规模，以及电力系统整体的智能化来实现电力供需的实时平衡，保持电力系统运行的可靠性。
“既有能源用，又没有污染，价格还便宜”的能源革命目标，体现了灵活性、环保性和经济性三方面的要求。对于电力系统而言，灵活性表示从长期到短期不同时间尺度下，不同位置的电力供给均可满足需求的能力；环保性表示覆盖电力设备全寿命周期的污染物排放的受控能力，以及对特定资源禀赋的独立性；经济性表示电力设备建设和运维对应固定成本和变动成本的节约能力。
这本质上是一个多目标优化问题，虽然单独的每个目标看似都不难实现，但融合在一起要同时达到每个目标的理想值却几乎不可能，被行业专家称为“不可能三角”。只能在能源革命的三个目标之间进行协调和折中处理，使各个子目标都尽可能地达到最优化。与单目标优化问题的本质区别在于：多目标优化问题的解并非唯一，而是存在一组由众多帕累托最优解组成的最优解集合。
目前所开展的能源市场化改革，其重大意义正在于通过市场竞争，体现不同电力市场参与者的灵活性、经济性和环保性价值差异，并引导其发挥各自优势，扬长避短实现互补。其中，电力现货市场价格集中体现了电力实时平衡约束下的电力经济价值；电力辅助服务市场体现不同调节性资源的短期灵活性，长期灵活性则需通过特定的容量补偿机制予以激励；碳市场和绿证市场则将反映出不同生产消费部门的环保价值。通过市场体系的建立，充分体现出市场参与者三方面的价值，将实现“不可能三角”向“价值三角”的转变。
03多元电源的定性价值评估
将经济性、灵活性和环保性价值分为三档，分别表征三个价值从低到高的定性评价。下面分别对火电、水电、核电、新能源和储能进行价值评估，评估结果如图 1所示。图中用不同填充颜色表征能源类型，用黄色边框表示经济性价值，用蓝色边框表示灵活性价值，用绿色边框表示环保性价值。各种能源类型按三个价值的不同，可以绘制出如图1所示的形状，类似于一个个“俄罗斯方块“，通过电力系统将其拼接配合，将形成直观的电源结构基本格局。
图 1 不同能源类型的定性价值评估
（一） 经济性评估
火电的经济性适中，既有初始投资的固定成本，也有燃料成本为主的变动成本，将其作为经济性的中值参考基准；水电虽然初始投资仍比较大，但由于不需要燃料，变动成本优势明显，是高经济性的代表；核电初始投资成本昂贵，尤其是三代核电机组的投运，相对成本差异更为明显，其经济性次于火电；新能源以风电、光伏为代表，建设成本略高于火电，但变动成本很低，加之需要平衡调节支撑，经济性可粗略认为与火电持平；储能主要包括抽水蓄能和电储能装置等，但目前单位容量造价仍居高不下，加之不能生产电能，且有转换能效损失，总体经济性甚至低于核电。
（二）灵活性评估
火电作为目前我国辅助服务市场的主力参与资源，能够提供几乎全部品种的辅助服务，但受到启停状态、最小运行出力和爬坡速度等限制，可设定为灵活性适中的标杆基准；水电的运行约束较为宽松，调节速度也相对更快，因此灵活性要高于火电；核电并不适合进行频繁调节，但在必要时也可以进行较为平缓的出力调整，灵活性较低；新能源长期以来被认为是不能参与辅助服务的，其实风电、光伏也具备一定调节能力，如通过可以发挥其控制手段来完成一些二次调频的功能，但在满发时仅能提供单向调节，灵活性较低；储能的灵活性是最高的，可利用充放状态的切换实现正负双向的调节，且电储能装置的爬坡和响应速度远高于传统发电机组。
（三）环保性评估
火电由于需要燃烧化石能源，气体排放是环境治理的重点，环保性相对较低，但可以通过超低排放技术进行改善；水电开发受水电资源分布的限制，目前我国水电资源开发已较为充分，大型水电项目增量空间有限，因此作为环保性的中值参考基准；核电受限于安全性的考虑，以及核废料的处理，在内陆核电解禁之前选址空间有限，环保性也评估为中值；新能源分布广泛，资源储量大，多数可在生命周期内提前实现自我碳中和，环保性最佳；储能技术中，抽蓄电站受限于选址，而电化学储能则存在生产和回收过程的污染物处理问题，目前尚无完善的废旧电池回收处理方案，因此其环保性最低。
04“碳中和”目标下电源拼图的重构
从不同电源经济性、灵活性和环保性价值的分析可以直观的体现出多能互补的必要性。考虑到能源转型所需的时间周期规律，2030年碳达峰仍需基于现有电源结构进行优化调整，而2060年碳中和则需要电源结构的革命性重构。笔者将不同能源类型板块拼接得到如图 2所示电源结构拼图。“碳达峰”场景下，火电和水电比例约为3:1，辅以一定比例的核电、新能源以及储能，主要是对当前电源机构的补充和优化。“碳中和”场景下，新能源占主要比例，核电装机规模大幅扩张，火电装机规模显著下降，仅保留小部分作为调节性电源维持系统安全运行，水电规模保持稳定，储能规模相应配置。
(a) “碳达峰”电源结构优化拼图
(b) “碳中和”电源结构重构拼图
图 2 “碳达峰”、“碳中和”场景的电源结构拼图
05坚持高质量发展道路
在向“碳中和”目标前进的征途上，我国新能源产业将成为主力军，不仅要在产量上满足规模增长的需要，更需要不断迭代升级技术装备，全面提高新能源的价值，实现对传统电源的有效替代。构建公平开放的能源市场体系，通过有序竞争发挥多元能源的互补优势，是破解能源行业“不可能三角”的必然选择。此外，能源行业要牢记历史使命，不断探索领先技术，通过国内市场孵化出具有国际竞争力的产品体系，用中国制造的能源装备为世界绿色发展赋能。（本文作者来自金风设计研究院。）
