未來(lái)中國(guó)碳中和電力系統(tǒng)分區(qū)展望

李永紅

2019年我國(guó)二氧化碳排放量100億噸，其中發(fā)電占比40%，電力部門是最大的排放部門，很多機(jī)構(gòu)的研究表明，推動(dòng)電力系統(tǒng)向新能源大規(guī)模、高比例發(fā)展是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要保證。

中央提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，目前來(lái)看面臨著時(shí)間和空間平衡的挑戰(zhàn)，也就意味著原來(lái)的一次能源主體由可存儲(chǔ)、可運(yùn)輸?shù)幕茉崔D(zhuǎn)向不可存儲(chǔ)、不可運(yùn)輸，而且與氣象環(huán)境、資源分布高度相關(guān)的風(fēng)能和太陽(yáng)能，一次能源供應(yīng)因此面臨高度不確定性。

多個(gè)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)未來(lái)電力系統(tǒng)中新能源裝機(jī)占比80%，發(fā)電量占比超過(guò)60%。第一個(gè)觀點(diǎn)是2035年以后煤電會(huì)大量退役，實(shí)現(xiàn)碳中和則需要完全退出;風(fēng)光等可再生能源滲透率達(dá)到70.8%，電力系統(tǒng)以風(fēng)光可再生能源為主體（54.6億kW裝機(jī)）。第二個(gè)觀點(diǎn)是2030年以后煤電裝機(jī)和發(fā)電量逐步下降，一部分退出常規(guī)運(yùn)行作為應(yīng)急備用，遠(yuǎn)期加上CCUS（碳捕獲、利用與封存）設(shè)備，逐步增加近零脫碳技術(shù);2060年煤電裝機(jī)4億kW，氣電4億kW，風(fēng)光裝機(jī)46億kW;另外設(shè)置了內(nèi)陸也可以發(fā)展核電的情景，沿海及內(nèi)陸核電發(fā)展總規(guī)模4億kW。

電力系統(tǒng)分區(qū)模型（日總量角度）

從風(fēng)光資源潛力來(lái)說(shuō)，根據(jù)國(guó)家氣侯中心等多個(gè)機(jī)構(gòu)的研究結(jié)論，100米高度風(fēng)電技術(shù)可開(kāi)發(fā)量是44億kW，集中光伏26億kW，分布式光伏26億kW。我國(guó)水電技術(shù)可開(kāi)發(fā)量5億kW，另外假設(shè)未來(lái)中國(guó)只發(fā)展沿海核電，沿海核電廠址的最大發(fā)展規(guī)模是2.06億kW。我國(guó)分為7個(gè)大的供電分區(qū)，分區(qū)統(tǒng)計(jì)風(fēng)電、光電、水電和核電的最大技術(shù)可開(kāi)發(fā)能力可作為后續(xù)模型的輸入條件。我國(guó)已建成十交十四直的特高壓骨干網(wǎng)架，全國(guó)跨區(qū)跨省電力流總規(guī)模2.2億kW，輸送電量5318億度，可再生能源電量占46%。目前西北、西南、東北電網(wǎng)屬于典型的送端電網(wǎng)，華東、華北是受端電網(wǎng)，華中電網(wǎng)承擔(dān)區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度配置的樞紐功能。

預(yù)計(jì)中國(guó)在2050年電力消費(fèi)總量達(dá)13.8萬(wàn)億kWh，日平均負(fù)荷19億kW。從各個(gè)大區(qū)全年電負(fù)荷曲線來(lái)看存在明顯的冬夏電力負(fù)荷雙高峰的情況。各可再生能源電力出力特性導(dǎo)致時(shí)間上和空間上的電力供需不匹配;水電存在比較大的季節(jié)差，從若干中國(guó)比較大的河流的年徑流量變化也可以看出夏多冬少的特點(diǎn)。風(fēng)光電也存在比較大的季節(jié)差，風(fēng)力60%集中在春冬，光伏60%集中在夏秋。另外從區(qū)域分布層面，風(fēng)光電出力也存在比較大的季節(jié)差，比如西北光伏發(fā)電最大利用小時(shí)數(shù)達(dá)1500小時(shí)，華中1000小時(shí);西北風(fēng)電最大利用小時(shí)數(shù)2500小時(shí)，華中光伏1800小時(shí)。

下面的模型可從日均電力供需平衡角度分區(qū)看火電調(diào)峰作用，主要表現(xiàn)在未來(lái)為新能源電力調(diào)峰保障的火電容量要保留多少，發(fā)電出力時(shí)間和空間上如何分布。電源和電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能技術(shù)從規(guī)模和時(shí)間尺度上分析，電池以及壓縮空氣儲(chǔ)能主要是日內(nèi)調(diào)節(jié)，抽水蓄能也是以日內(nèi)調(diào)節(jié)為主，個(gè)別配置比較大的水庫(kù)的水電可以做日間的調(diào)節(jié)，對(duì)于電制氫或合成氣則考慮季節(jié)性調(diào)峰。我國(guó)目前煤電達(dá)到10.8億kW，9億kW是高參數(shù)大容量的煤電機(jī)組，很多服役年限比較短，通過(guò)靈活性改造可以為電力系統(tǒng)提供支撐能力。火電+CCUS相比電制氫氣及合成燃料方式可為日間及季節(jié)性調(diào)峰提供更好的經(jīng)濟(jì)性支撐。由于現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)可以解決日內(nèi)電力調(diào)峰，解耦了發(fā)電與用電之間的實(shí)時(shí)同步關(guān)系，可對(duì)風(fēng)、光電的出力和電負(fù)荷按日總量來(lái)構(gòu)建分區(qū)電力模型進(jìn)行分析。

情景方案研究

各供電分區(qū)風(fēng)、光、水、核電容量的確定，按不超過(guò)各區(qū)域最大資源開(kāi)發(fā)量設(shè)置，風(fēng)、光電主要是考慮了總的棄風(fēng)光率，控制不超過(guò)15%，最終選擇了60 億kW 總裝機(jī)容量。情景方案研究主要針對(duì)風(fēng)光電的安裝區(qū)域以及容量比例設(shè)置了六個(gè)方案，方案一到方案三是優(yōu)先送端安裝的方案，各片區(qū)風(fēng)光容量資源約束條件下發(fā)電量最大，盡量放在資源比較豐富的三北和西部地區(qū)。方案四到方案五是優(yōu)先受端區(qū)域方案，華東、南方、華中區(qū)域按最大技術(shù)開(kāi)發(fā)量安裝，減少跨區(qū)的長(zhǎng)距離大規(guī)模輸電量。方案一到方案三和方案四到方案五總的風(fēng)、光電安裝容量比例分別按1：1.5、1：1.3 和1：1設(shè)定。從計(jì)算輸出的結(jié)果來(lái)看，各方案全國(guó)火電最大出力維持在8.5 億kW 左右，全國(guó)火電發(fā)電最大負(fù)荷小時(shí)數(shù)1500 ～2000 小時(shí)，其中三北火電最大出力2.2 億～4.5 億kW，最大負(fù)荷小時(shí)數(shù)1050～2300 小時(shí)。另外，從輸配上看，優(yōu)先送端方案輸配總電量3.7萬(wàn)億～4.3萬(wàn)億kWh，總的最大輸配電功率11億～13億kW，優(yōu)先受端方案在1.5萬(wàn)億～1.6萬(wàn)億kWh，受端方案總的最大輸配電功率6億～8億kW。

從各個(gè)方案投資和運(yùn)行費(fèi)的角度進(jìn)行比較分析，優(yōu)選推薦方案是方案四，優(yōu)先受端安裝按1 ：1.5 進(jìn)行風(fēng)光配置。計(jì)算投資包含風(fēng)電、光電、火電CCUS 以及跨區(qū)輸電投資，運(yùn)行費(fèi)是火電消耗燃料費(fèi)及CCUS費(fèi)用，計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)電煤耗取300gce/kWh，煤價(jià)800元/tce，CCUS發(fā)電效率降低10%，400元/t CO₂。在未來(lái)全社會(huì)用電量13.8萬(wàn)億kWh情景下，推薦方案的電源總裝機(jī)75.5億kW，風(fēng)、光電裝機(jī)占比接近80%，總電量中風(fēng)光電量占比63%，火電占12.7%，火電的1/3 按生物質(zhì)考慮，則整個(gè)非化石能源的發(fā)電量占比超過(guò)90%以上。推薦方案全國(guó)火電最大發(fā)電出力8.4億kW，最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)2083 小時(shí)，發(fā)電量1.75萬(wàn)億kWh，折算燃料5.2萬(wàn)億tce，煤、氣、生物質(zhì)按各占1/3，二氧化碳排放量6.6萬(wàn)t。

結(jié)論及建議

通過(guò)跨區(qū)域日平衡電力模型分析，未來(lái)構(gòu)建新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，電源結(jié)構(gòu)中仍需保留8.4億kW火電作為調(diào)峰保障，風(fēng)光電裝機(jī)規(guī)模60億kW，比例1：1.5。未來(lái)應(yīng)在優(yōu)先發(fā)展中東部分散風(fēng)電、海上風(fēng)電和分布式光伏就地消納的基礎(chǔ)上，再發(fā)展西部、北部的集中風(fēng)電、光伏基地。未來(lái)三北地區(qū)保留火電規(guī)模4.4億kW，最大負(fù)荷利用小時(shí)2350小時(shí)，余熱資源最大潛力52億GJ，結(jié)合跨季節(jié)儲(chǔ)熱等方式可以為北方地區(qū)建筑集中供熱做支撐。