电力增长零碳化（2020-2030）：中国实现碳中和的必经之路

电力增长零碳化（2020–2030）：中国实现碳中和的必经之路执行摘要落基山研究所, 能源转型委员会 作者曹艺严，陈济，刘秉祺，Adair Turner (能源转型委员会)，朱思捷* 作者姓名按姓氏首字母顺序排列。除非另有说明，所有作者均来自落基山研究所。其他作者Koben Calhoun, 李婷联系方式曹艺严： ycao@rmi.org 引用建议曹艺严，陈济，刘秉祺，Adair Turner，朱思捷，电力增长零碳化（2020-2030）：中国实现碳中和的必经之路，落基山研究所，2021年1月*除特别注明，本报告中所有图片均来自iStock。作者与鸣谢鸣谢本报告作者特别感谢以下机构和个人对本报告撰写提供的洞见观点与宝贵建议。Clyde Loutan, California ISOLouise Clark, UK National GridMark Dyson, 落基山研究所团队要感谢能源转型委员会成员对本次工作的积极参与。特别感谢Angela Wright Bennett Foundation、Bloomberg Philanthropies、ClimateWorks Foundation、Quadrature Climate Foundation、Sequoia Climate Fund 和 The William and Flora Hewlett Foundation 对本报告的支持。*按机构首字母顺序排列作者与鸣谢 关于我们落基山研究所（ROCKY MOUNTAIN INSTITUTE）落基山研究所（Rocky Mountain Institute, RMI) 是一家于1982年创立的专业、独立、以市场为导向的智库。我们与政府部门、企业、科研机构及创业者协作，推动全球能源变革，以创造清洁、安全、繁荣的低碳未来。落基山研究所致力于借助经济可行的市场化手段，加速能效提升，推动可再生能源取代化石燃料的能源结构转变。落基山研究所在北京、美国科罗拉多州巴索尔特和博尔德、加州奥克兰、纽约市及华盛顿特区设有办事处。 能源转型委员会 （ENERGY TRANSITIONS COMMISSION）能源转型委员会（ETC）汇集了全球能源领域中各行各业的领导者，其中包括能源 生产商、能源密集型产业、设备供应商、金融机构和环保领域的非政府机构。我们 的使命是打造一个既能够确保发展中国家达到发达世界生活水平，又能够将全球 气温上升限制在 2°C 以内，并尽可能趋近1.5°C的全球经济。要实现这一目标，我 们的世界需要在世纪中叶前后实现温室气体净零排放。 4 | 落基山研究所2020年9月22日举行的联合国大会上，习近平主席承诺中国将力争在2030年前实现碳排放达峰，努力争取2060年前实现碳中和。1 这是全球应对气候变化工作的一项重大进展，彰显了中国作为负责任大国发挥全球领导力的决心。我们认为，中国能够在2060年前，甚至有可能在2050年实现碳中和，并全面发展成为一个发达经济体。中国碳中和目标正加速推动电力增长的零碳化进程。实现碳中和目标的关键在于尽早（远早于目标日期）完成尽可能多部门的电气化，并确保几乎所有电力来源于零碳资源。2020年执行摘要图 1在零碳投资情景下，中国2030年的发电量和发电装机构成中国2019年和2030年发电装机构成对比中国2019年和2030年发电量构成对比 燃煤发电 海上风电 天然气发电 水电 光伏 生物质能 陆上风电 核电装机容量 (GW)4,0003,5003,0002,5002,0001,5001,000500020302019发电量 (TWh)12,00010,0008,0006,0004,0002,00002030201912月12日，习近平主席在气候雄心峰会上除重申了碳中和目标外，还提出到2030年，中国风电、太阳能发电总装机容量将达到1200 GW以上的目标，充分展示了国家领导人对电力零碳增长对于实现碳中和目标重要性的肯定。因此，为与实现碳中和目标、推进中国电力部门全面脱碳等长期目标相一致，此研究设定了“零碳投资2030情景”（图1）。该情境预期到2030年，中国电力需求将达约11万亿千瓦时，煤电装机控制在2019年水平 ，非 水 可 再 生 能 源 发 电 装 机 达 到 1 6 5 0 G W ，非 化 石 燃 料 发 电占比达到53%。 电力增长零碳化（2020–2030）：中国实现碳中和的必经之路 执行摘要 | 5执行摘要图 2潜在技术挑战及解决方案(一) 中国实现零碳电力增长的经济性日益显著2019年的竞价结果显示，中国光伏上网电价与2018年的标杆电价相比已下降30%，而2020年的结果在2019年基础上进一步下降20%。2020年平均光伏补贴金额下降至每千瓦时0.033元，最低补贴金额仅为每千瓦时0.0001元。2 预计2021年可实现的上网电价将在几乎所有省份显著低于标杆煤电电价，在许多省份甚至低于煤电市场化交易价格。陆上风电即将低于煤电，海上风电成本有望在未来十年具备竞争力。其他的零碳电源如水电与核电的成本目前已经基本可以作为基荷与煤电竞争，并且水电是普遍认为成本最低的发电方式。我们预计，到2020年代末，新建风电和光伏的发电成本将低于许多现有火类型挑战 解决方案频率控制非水可再生能源不具备随意调度的能力，并且难以准确预测其未来出力。如果供需严重不 平 衡 ，频 率 偏 差 就 会 导 致 发 电 机 组 脱 网 。• 提高对可再生能源出力的预测• 预测并减少短期可再生能源出力的极端变化• 使用非水可再生能源和其他非火电资源来提供频率控制服务• 以新的方式来提供监测并调节系统转动惯量电压控制无功功率需要即时得到本地补偿，以保持功率因数在允许范围内。部署静止无功补偿器（SVC）、静止无功发生器（SVG）、静止同步补偿 器（ S T A T C O M ）或 晶 闸 管 控 制 串 联 电 容 器（ T C S C ）等 设 备 。谐波不可避免地会影响电压的稳定性。采用滤波器处理电压中的谐波，提高电能质量。故障穿越发电机组必须具备穿越电压扰动的能力。对现有电厂进行改造以满足高电压穿越标准，以及对所有未来的非水可再生能源机组落实这些标准。远距离高压直流输电线路的利用通过HVDC线路外送非水可再生能源会引起传输功率波动、导致某些时刻出现较低的线路利用率，需要火力发电来 “填充线路”来保持利用率。高压直流线路并非必须以相对固定的功率运行，且目前中国部署的高压直流输电线路的最小利用率要求仅约为铭牌容量的10%。扰动会增加直流电流并导致电力传输的暂时中断，即“换相失败”。适用于提供频率调节和电压调节的同一套技术解决方案（例如，同步调相机、电池储能、非火电的转动惯量提供者和无功功率补偿器等）也可以降低换相失败的影响。 此外，现在的新一代电压源换流器高压直流输电（VSC –HVDC）技术能够提供很好的电压调节能力，同时消除了换相失败风险，并降低了对发电和用电省份的技术要求。电项目的运行成本，现有煤电资产将不再具备经济效益。目前继续新增煤电投资将更加加剧资产搁浅的风险。(二) 瞬时电力平衡管理技术已然成熟虽然经济性优势有利于快速扩大非水可再生的规模，但一些电网运营商认为，随着非水可再生能源渗透率不断增高会给系统带来潜在的技术挑战，包括频率控制、电压控制、故障穿越和高压直流（HVDC）输电线路的利用。通过分析一些非水可再生能源比例可达50%以上（甚至接近100%）的有关国家经验和案例，我们认为上述所有挑战都有技术可行的解决方案（ 图 2 ）。 6 | 落基山研究所执行摘要(三) 高比例可再生能源电力系统带来的时-日-季节供需平衡挑战可以解决对于像中国这样以火电和水电为主的电力系统，随着可再生能源上网比例的增加，电力供需平衡的难度也将增大。目前多个国家的经验表明，可再生能源比例在20%-30%的水平时，大部分问题是可以通过现有火电（燃气或燃煤）更灵活的运行来解决的。例如，在德国2020年8月的一周中，硬煤机组出力在1.4GW到6.5GW之间调整以（79%变化量）满足系统平衡。3 随着可再生能源比例的进一步提高，其他灵活性资源，如抽水蓄能、电池储能和需求侧资源也将发挥越来越大的作用。尽管灵活性资源将会增加系统运行成本，但随着零碳电力成本的持续下降，系统成本也将很大程度被抵消。能源转型委员会的一份研究表明，到2035年，在一些情景下，非水可再生能源占比达到85%的电力系统的成本可实现比以煤炭或天然气为主的系统成本更低。4 中国各地区的用电负荷特征与其他国家相比并无本质性区别，系统平衡的挑战主要是由于供给侧的以下两个特征带来的：一是对于煤电的依赖很高，而非天然气；二是水电灵活性不足。同时，目前省间交易的不灵活也会给平衡带来进一步的挑战。然而，这些挑战都并非不可攻克。在实现全国范围调度、省间充分互连的情景下，即使核电和水电出力在日内完全不具备灵活性，中国能够实现2030年零碳投资情境中非水可再生能源占比28%的目标。图3展示了零碳投资情境中2030年夏季和冬季典型日的全国供需平衡模拟图。考虑所有非灵活调度的资源出力后，火电将在下午时段降低出力，傍晚和夜间提高出力来帮助平衡太阳能发电。通过抽水蓄能将小部分夜间发电需求转移到白天，结合灵活性较高的燃气发电来满足晚上和夜间的部分调峰需求，可进一步减少对煤电的灵活性需求。即使在现有的煤电厂灵活性水平 下 ，也 完 全 可 以 实 现 系 统 的 平 衡 。除了（图3）所示的每小时可预测的需求和供应变化外，该系统还必须对风电和光伏出力的随机波动做出响应，即使这样的波动能够被全国范围内的整合大大减少。但同时，在现实运营中，水电是可以实现短时快速调节来提供灵活性的，尽管在i 图3展示了对2030年典型的夏季和冬季日全国负荷情况的预期，并根据2030年零碳投资情境中的装机量和典型分时出力系数模拟了太阳能和风电的发电出力曲线。核电、水电和生物质出力采用最保守的假设，即日内维持恒定出力。因此，负荷曲线和这些非灵活调度资源间的空白部分则为火电等灵活调度电源需要满足的发电需求。图 32030年中国典型冬季和夏季全国电力供需平衡模拟结果i夏季典型日冬季典型日1,8001,6001,4001,2001,00080060040020001,8001,6001,4001,2001,0008006004002000GWGW 核电 水电 生物质及其他 光伏 风电 负荷曲线1 2 3 4 5 6 7 8 9 101 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 2311 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 电力增长零碳化（2020–2030）：中国实现碳中和的必经之路 执行摘要 | 7电力增长零碳化（2020–2030）：中国实现碳中和的必经之路 执行摘要 | 7执行摘要图 4中国2030电力系统灵活性发电需求ii 天然气 煤电 化石能源净出力 化石能源净出力（考虑了抽水蓄能调节） 煤电可用装机容量系统平衡所需的可调节资源出力-夏季典型日系统平衡所需的可调节资源出力-冬季典型日1,2001,00080060040020001,2001,0008006004002000GWGW11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 2311 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 231 2 3 4 5 6 7 8 9 101 2 3 4 5 6 7 8 9 10较长时间尺度的调节能力相对有限。在更为现实的以省为主体的多级调度机制情景中，通过提升既有火电、水电以及省间电力交易的灵活性，中国也能在2030年非水可再生能源占比达到28%的电力系统中实现供需平衡。中国目前的现实情况是电力调