為實現碳中和目標的電力供應成本上漲

整合間歇性可再生能源電力需要大量額外成本，其中成本來源包括靈活發電資源調度（如常規機組和儲能）、負荷中心和可再生能源發電中心的地理不匹配、隨著裝機容量增加從風光資源較好地區向較差地區轉移帶來的平準化能源成本（LCOE）上升，以及中國的減碳壓力較大，在可再生能源成本完全下降前就需要大量投資。已有研究主要關注中國和世界其他地區的風能和太陽能潛力（自然資源稟賦）及其對可再生能源投資成本的影響，具體體現在對電力系統形態、各國發展比較、環境效益等。為了研究碳中和路徑對電力供應成本的影響，卓振宇、張寧等人研究了高滲透率可再生能源情景下的電力系統供應成本變化，該論文以Cost increase in the electricity supply to achieve carbon neutrality in China為題，發表在Nature communications上。

 

本研究全面構建了我國電力系統中長期發展規劃所需數據庫，除了電力系統模型常見的投資成本、負荷數據，還包括可再生能源潛力、地理特征和人類活動數據。并基于此建立了考慮可再生能源資源稟賦的電力系統中長期轉型規劃（GTEP）模型來全面評估電力系統的轉型成本。

 

在電力系統形態方面，未來的發電裝機容量將不斷增長，碳中和情景下，2050年總裝機容量將是目前容量的3.7倍。從裝機容量結構和發電結構來看，碳減排目標主要影響煤電和可再生能源的選擇。具體而言，在沒有排放約束的基準情景中，煤電裝機容量從2020年1104.5GW增長至2050年1409.4GW，發電占比保持在43.9%；相比之下，在碳中和情景中，煤電在2035年之后開始大規模大幅縮減，并于2050年幾乎完全淘汰。值得一提的是，由于碳捕獲的預計成本較高，采用CCS的煤電在未來應用并不廣泛。而對間歇性可再生能源而言，由于成本競爭力逐漸增強，風電和光伏的裝機容量不斷增長，在基準和碳中和情景下2050年發電占比為32.8%和72.8%。盡管未來間歇性可再生能源的每千瓦投資成本預計將持續下降，但隨著總裝機容量不斷擴張，供電成本將增加。

 

供電成本增加的來源主要包括以下三部分：第一，整合間歇性可再生能源需要靈活發電資源的輔助服務。目前，此類服務主要由煤電提供；隨著碳中和目標下煤電的強制退出，碳排放強度較低、靈活性較高的天然氣機組將提供輔助服務。在碳中和情景中，燃氣機組的排放必須通過采用CCS 的生物質能源發電(BECCS)實現的負排放來抵消。由于中國的天然氣和生物質燃料供應相對匱乏、成本較高，也將導致電力供應成本增加。第二，儲能系統（ESS）在適應高可再生能源滲透率和確保系統安全方面發揮著關鍵作用。模型中考慮了抽水蓄能（PHS）和電池儲能（BESS）2種儲能系統。由于早期間歇性可再生能源滲透率較低且電池投資成本較高，電池儲能主要在2030年以后部署。儲能系統和聚光太陽能電廠的投資成本反映了整合間歇性可再生能源所需的外部成本，這將在電力供應成本中占據相當大的比例。第三，高滲透率的間歇性可再生能源也增加了對長距離輸電的需求。碳中和情景下，中國將新建378.3GW交流和409.9GW直流線路用于省際輸電，2050年省際輸電量達到6052.73TWh，是2020年的3.79倍，占全年總需求的40.7%。在電力交換格局上，潮流分布延續了目前“自西向東”、“自北向南”的格局。輸電的增加也會增加供電成本。

 

需要在低碳目標和總成本之間進行權衡。碳中和情景和基準情景下的電力系統邊際碳價格反映了不同排放限額下的碳減排成本。在碳中和要求下，碳中和情景下2050年邊際價格達到1444.2元/噸（209.40美元/噸），而2020年中國碳市場實際碳市場出清價格僅為49元/噸（7.1美元/噸）。隨著減排要求趨向嚴格，同等減排量將導致減排成本快速增加。

 

接下來從供電成本組成角度來解釋供電成本的變化。供電成本主要由投資成本、運行成本、維護成本三部分組成。投資成本指建造新發電和輸電設備所產生的一次項費用，按設備壽命攤銷；運營成本指可變成本，包括燃料成本和可變運維成本；維護成本指固定運維成本，即無論是否發電都要產生的運行和維護成本。由于可再生能源的增長和火電機組的退役，運營成本的比例持續下降，維護和投資成本持續增長。到2050年，維護成本將超過運營成本。具體而言，煤電的逐步淘汰導致運營成本（特別是燃料成本）下降，而間歇性可再生能源裝機容量擴增及其引起的電力系統靈活性改造和跨區輸電網絡擴張則提升了投資成本和維護成本。所以，即使可再生能源的單位度電投資成本不斷下降，單位供電成本也會增加。

 

本研究有以下幾點政策啟示：第一，省際輸電網絡應逐步從單向輸電通道轉變為不同發電資源之間雙向能源共享平臺。第二，電力供應成本變化表明應確?？稍偕茉春碗姵貎δ芄湹耐暾院瓦m當的政策激勵措施。第三，快速的容量和結構變化導致電力供應成本大幅增加。迫切需要一整套包括現貨市場、容量市場和輔助市場在內的電力市場機制來反映電價的變化并公平分配相應的利益。首先，現行行政定價方式僵化。例如，盡管可變可再生能源裝機容量增長了49.1%，但可再生能源附加費1.9 元/千瓦時自2018 年以來一直沒有變化。其次，應建立容量市場和輔助服務市場，將可再生能源高滲透率的外部成本內部化，并將利益公平分配給這些靈活機組。

 

原文信息：Zhuo, Z., Du, E., Zhang, N., Nielsen, C.P., Lu, X., Xiao, J., Wu, J. and Kang, C., 2022. Cost increase in the electricity supply to achieve carbon neutrality in China. Nature communications, 13(1), p.3172. https://doi.org/10.1038/s41467-022-30747-0