能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型中的氣象風(fēng)險(xiǎn)

范英，姚星*，樊偉

1 北京航空航天大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100191

2 北航低碳治理與政策智能教育部文科實(shí)驗(yàn)室，北京 100191

0 引言

在應(yīng)對(duì)全球氣候變化的行動(dòng)中，能源轉(zhuǎn)型是最重要和首要的內(nèi)容，這輪能源轉(zhuǎn)型的本質(zhì)是當(dāng)前以化石能源為主體的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)向以非化石能源為主體的低碳能源系統(tǒng)[1]。全球能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型主要依賴于大規(guī)模的可再生能源發(fā)展，而且終端用能的電氣化程度將逐漸提高[2-3]。在這個(gè)過程中，風(fēng)電和光伏等易受到氣象條件影響的能源技術(shù)與氣候氣象等自然現(xiàn)象密切相連，呈現(xiàn)頻繁的波動(dòng)性和不穩(wěn)定性，使得能源系統(tǒng)越來越多地暴露于氣象風(fēng)險(xiǎn)下；并且以化石能源為代表的傳統(tǒng)提供能源保供作用的設(shè)施規(guī)模將逐漸減少，使得能源供應(yīng)體系的受控程度進(jìn)一步下降，增加了能源系統(tǒng)在氣象風(fēng)險(xiǎn)中的脆弱性。

另一方面，我國(guó)可再生資源稟賦存在空間和時(shí)間上的錯(cuò)配，可能會(huì)擴(kuò)大氣象風(fēng)險(xiǎn)影響范圍并在特定季節(jié)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。盡管我國(guó)可再生資源儲(chǔ)量巨大，但在空間分布上與我國(guó)主要能源消費(fèi)中心呈現(xiàn)顯著的逆向分布，未來的能源系統(tǒng)極有可能需要依賴大規(guī)模能源傳輸體系，可能導(dǎo)致局部地區(qū)的氣象風(fēng)險(xiǎn)外溢向更大的空間范圍。同時(shí)，以風(fēng)電、太陽能發(fā)電為代表的主要可再生資源的季節(jié)性分布不均，在我國(guó)，夏季通常為一年中平均風(fēng)速最低的季節(jié)，而冬季通常為太陽輻射強(qiáng)度最低的季節(jié)，與我國(guó)“冬夏雙峰”的能源需求特征不符，易導(dǎo)致未來冬、夏季能源供應(yīng)緊張，在特定不利氣象條件下，可能引發(fā)嚴(yán)重的能源供應(yīng)短缺事件。

氣候變化的加劇將使得這一情況進(jìn)一步惡化。隨著大氣中溫室氣體濃度的持續(xù)增加，進(jìn)一步的氣候變化將不可避免，在這個(gè)過程中，全球極端氣象事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度都將顯著增加[4]。特定極端事件可能同時(shí)作用于能源生產(chǎn)、運(yùn)輸與消費(fèi)的多個(gè)環(huán)節(jié)，使得能源需求增加的同時(shí)減少能源供應(yīng)能力，在能源系統(tǒng)內(nèi)引發(fā)級(jí)聯(lián)效應(yīng)，極易造成嚴(yán)重的災(zāi)害性后果。

能源系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施具有覆蓋范圍廣、環(huán)境依附性強(qiáng)、暴露程度高等特點(diǎn)，潛在極端氣象事件會(huì)對(duì)能源系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)造成沖擊，帶來嚴(yán)重的氣象風(fēng)險(xiǎn)。從近30年的全球大停電事件來看，自然災(zāi)害成為了最重要的誘因，相關(guān)事件的占比高達(dá)56%[5]。在生產(chǎn)方面，災(zāi)害性天氣會(huì)對(duì)能源生產(chǎn)設(shè)施的正常運(yùn)行產(chǎn)生威脅，同時(shí)，溫度、風(fēng)速、光照、降水等的可變性，將導(dǎo)致風(fēng)電、光伏、水電等可再生能源發(fā)電能力的可控性較弱。在運(yùn)輸方面，暴雨、臺(tái)風(fēng)等極端天氣將對(duì)煤炭、石油、天然氣、電能的運(yùn)輸路線、輸送管道、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)造成沖擊。在消費(fèi)方面，消費(fèi)者的用能結(jié)構(gòu)、用能行為對(duì)相關(guān)氣象指標(biāo)，尤其是溫度的變化十分敏感。

本文梳理了極端氣象誘發(fā)的能源供應(yīng)短缺事件并分析其原因，討論能源供給側(cè)與需求側(cè)潛在的氣象風(fēng)險(xiǎn)，探索氣象風(fēng)險(xiǎn)對(duì)能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型路徑的影響并提出相關(guān)建議。

1 近年來的典型能源短缺事件

近年來，氣象因素特別是極端氣象條件對(duì)能源供應(yīng)系統(tǒng)的影響不斷加劇，已成為能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型中的重要問題之一。

1.1 澳大利亞南部臺(tái)風(fēng)引發(fā)停電事件

澳大利亞南部電網(wǎng)典型特征為可再生能源發(fā)電占比大，2016年9月28 日，澳大利亞南部電網(wǎng)出現(xiàn)極端天氣導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)，最終引發(fā)停電事件，這是世界上首次由極端天氣誘發(fā)新能源大規(guī)模脫網(wǎng)導(dǎo)致的局部電網(wǎng)大停電事件[6]。事發(fā)當(dāng)日，新能源發(fā)電出力占比超過45%，共有14 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)。臺(tái)風(fēng)、暴雨使得瞬時(shí)風(fēng)速嚴(yán)重超出線路的風(fēng)速承載范圍及風(fēng)電機(jī)組的切出風(fēng)速，造成六次線路故障，伴隨著9 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng)，電網(wǎng)面臨25%功率缺額，電網(wǎng)頻率瞬間跌落，致使全網(wǎng)崩潰停電。期間，兩次黑啟動(dòng)預(yù)案均失敗，最終經(jīng)過7.5 小時(shí)搶修，恢復(fù)了大部分用電，50 小時(shí)后恢復(fù)了全部用電。此次事件斷電持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣[6]。

南澳停電事故發(fā)生主要原因有：第一，氣象預(yù)測(cè)出現(xiàn)偏差。事發(fā)前氣象部門已經(jīng)發(fā)布極端天氣預(yù)警，但是實(shí)際狀況比預(yù)測(cè)狀況更加惡劣，超出電網(wǎng)承載范圍。第二，電力系統(tǒng)安全可靠性不足。在極端天氣狀況下電網(wǎng)安全裕度有限，一旦更壞情況出現(xiàn)將無法繼續(xù)安全運(yùn)行，調(diào)度計(jì)劃缺乏魯棒性。第三，系統(tǒng)慣量及備用不足。風(fēng)電、光伏裝機(jī)比例增加，燃煤、燃?xì)鈾C(jī)組退出運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)慣量下降，缺少備用支撐，氣象風(fēng)險(xiǎn)抵御能力下降。第四，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱。極端天氣情況出現(xiàn)時(shí)，線路承載能力較弱，最終喪失輸電能力。

1.2 美國(guó)得州極端寒潮引發(fā)停電事件

美國(guó)得克薩斯州發(fā)電裝機(jī)以天然氣和新能源為主，與外部電力互聯(lián)互濟(jì)能力薄弱，相對(duì)孤立。2021年2月，由于北極氣團(tuán)南下，美國(guó)中南部地區(qū)遭遇低溫寒潮天氣，受數(shù)年未遇的持續(xù)極寒、暴風(fēng)雪影響，得州出現(xiàn)了嚴(yán)重的大斷電事故。由于天然氣管道冰凍受堵，無法及時(shí)提供天然氣，燃?xì)鈾C(jī)組缺乏燃料供應(yīng)不得不停運(yùn)。此外，持續(xù)多日的極寒天氣增加了用戶取暖需求，電采暖負(fù)荷急劇上升。加之，風(fēng)電機(jī)組由于葉片覆冰，發(fā)電能力大幅下降。極寒天氣迫使得州電網(wǎng)超過40%的發(fā)電容量停運(yùn)，疊加迅速增加的電能負(fù)荷，并且缺乏外部電網(wǎng)支援，最終電力供需嚴(yán)重失衡，實(shí)時(shí)市場(chǎng)電力價(jià)格一度超過9 000 美元/MWh，停電人口達(dá)450 萬[7-8]。

得州停電事故發(fā)生主要原因有：第一，天然氣系統(tǒng)抵御極寒天氣能力薄弱。由于未采取有效的抗凍防護(hù)措施，天然氣井、管道被寒流凍結(jié)，在生產(chǎn)、加工和運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，裝機(jī)占比較高的燃?xì)鈾C(jī)組停機(jī)導(dǎo)致較大的電能缺口。第二，電力系統(tǒng)安全可靠性不足。風(fēng)電等可再生能源滲透率不斷提高，當(dāng)風(fēng)電受冰凍影響發(fā)電能力下降時(shí)，由于電力系統(tǒng)備用不足，沒有足夠的保供電源作為支撐。第三，獨(dú)立的市場(chǎng)機(jī)制缺乏互?；?jì)能力。在美國(guó)，得州是唯一一個(gè)擁有獨(dú)立于全國(guó)的電網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)該地區(qū)電網(wǎng)超負(fù)荷運(yùn)行、供電不足時(shí)，無法從其他地區(qū)獲得有力的電力支援。第四，需求響應(yīng)機(jī)制不完善。出現(xiàn)電能缺口后，調(diào)度機(jī)構(gòu)通過號(hào)召節(jié)電、輪流停電、強(qiáng)制限電等方式管控居民、商業(yè)等用電行為，但是可響應(yīng)容量規(guī)模較小。另外，天然氣缺失需求響應(yīng)機(jī)制的輔助調(diào)節(jié)，沒有實(shí)質(zhì)性的激勵(lì)措施來有效地削減天然氣負(fù)荷需求。

1.3 我國(guó)四川夏季極端高溫引發(fā)有序用電事件

我國(guó)四川省水力資源豐富，發(fā)電結(jié)構(gòu)以水電為主，2022年四川省水力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到9749 萬kW，發(fā)電量占全省總發(fā)電量的80%以上。2022年8月，遭遇有完整氣象觀測(cè)記錄以來最強(qiáng)的高溫天氣，高溫帶來空調(diào)用電需求激增，電負(fù)荷創(chuàng)歷史新高。并且入汛以來，四川省主要流域來水嚴(yán)重偏枯，多個(gè)水庫(kù)水位線嚴(yán)重下降逼近死水線，部分中小水庫(kù)幾近干涸，水電發(fā)電能力銳減，即使全部火電滿負(fù)荷運(yùn)行，仍存在較大的電力缺口，電力供需嚴(yán)重失衡。四川省面臨歷史同期最高氣溫、最少降雨、最高負(fù)荷、最大缺口的疊加局面，為此，四川啟動(dòng)三級(jí)保供電調(diào)控措施，緊急下達(dá)有序用電方案，“對(duì)四川電網(wǎng)有序用電方案中所有工業(yè)電力用戶(含白名單重點(diǎn)保障企業(yè))實(shí)施生產(chǎn)全停(保安負(fù)荷除外)”，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展受到較大沖擊。

四川應(yīng)急限電事件發(fā)生主要原因有：第一，電源裝機(jī)結(jié)構(gòu)單一有待優(yōu)化。四川省水電裝機(jī)占比在80%左右，缺乏充足的常規(guī)電源作為支撐，無法形成有效保供能力。第二，具有調(diào)節(jié)性能的水電裝機(jī)比例較低。四川省水電裝機(jī)主要為徑流式水電，徑流式水電按照來水量實(shí)時(shí)發(fā)電，不具備儲(chǔ)存、調(diào)節(jié)功能，無法提前蓄水為以后可能出現(xiàn)的枯期做準(zhǔn)備。第三，跨省跨區(qū)雙向互濟(jì)互備能力弱。四川省長(zhǎng)期承擔(dān)著“西電東送”任務(wù)，已建成的“六直八交”通道主要用于電力單向外送，省外受電通道容量有限，不能雙向互濟(jì)互保、互供互備，當(dāng)出現(xiàn)較大電能缺口時(shí)電力穩(wěn)定供應(yīng)面臨較大壓力。第四，負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)機(jī)制不完善。由于需求響應(yīng)實(shí)施效果不佳，用戶負(fù)荷調(diào)節(jié)潛力尚未充分挖掘，在高溫天氣下負(fù)荷激增，但是未得到有效削減，負(fù)荷過載引起線路及設(shè)備故障。

1.4 我國(guó)山西暴雨引發(fā)煤礦停產(chǎn)事件

山西長(zhǎng)期以來是我國(guó)煤炭生產(chǎn)的重要基地，截至2020年，山西省原煤產(chǎn)量占全國(guó)原煤產(chǎn)量的27.7%，超過內(nèi)蒙古重回產(chǎn)煤第一大省份。2021年10月2 日20 時(shí)至7 日8 時(shí)，山西大部分地區(qū)出現(xiàn)極端強(qiáng)降水天氣，全省最大降水量超過250 mm，是有氣象記錄以來當(dāng)?shù)?0月平均降水量的10 倍以上。此次暴雨累計(jì)降雨量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、降水極端性突出并伴有雷電、強(qiáng)對(duì)流和降溫，引發(fā)山洪和地質(zhì)災(zāi)害，部分河流出現(xiàn)險(xiǎn)情，防汛壓力較大。作為煤炭大省，多個(gè)煤礦處于受災(zāi)范圍之內(nèi)。

此次煤礦停產(chǎn)事件發(fā)生主要原因有：第一，連續(xù)降水和地質(zhì)災(zāi)害對(duì)當(dāng)?shù)孛禾可a(chǎn)帶來影響，煤礦涌水量增大且地下水位升高，為防止發(fā)生積水灌井和突水淹井等情況，煤礦不得不停產(chǎn)。第二，強(qiáng)降雨引發(fā)洪澇災(zāi)害，使得山西南部地區(qū)的煤礦外運(yùn)線路受阻，出現(xiàn)了頂倉(cāng)現(xiàn)象，對(duì)全國(guó)的煤炭保供以及電力供給方面造成短期沖擊。相關(guān)研究指出，此類強(qiáng)降雨事件與氣候變化的關(guān)系密切，隨著氣候變暖，大氣可容納水汽能力增加，導(dǎo)致極端強(qiáng)降水和極端干旱發(fā)生的可能性增大[9]。

2 碳中和轉(zhuǎn)型中的氣象風(fēng)險(xiǎn)

在能源系統(tǒng)的碳中和轉(zhuǎn)型中，供給側(cè)和需求側(cè)都存在較大的氣象風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 能源供給側(cè)的氣象風(fēng)險(xiǎn)

極端的氣象條件將對(duì)能源供給側(cè)產(chǎn)生重大影響，從影響機(jī)理來看具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

1)風(fēng)力發(fā)電能力主要受風(fēng)速水平影響，風(fēng)電機(jī)組發(fā)電需要風(fēng)速水平介于切入風(fēng)速與切出風(fēng)速之間。當(dāng)出現(xiàn)大氣靜穩(wěn)時(shí)，風(fēng)速低于切入風(fēng)速，風(fēng)機(jī)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)；而當(dāng)大風(fēng)天氣風(fēng)速超過切出風(fēng)速時(shí)，為了保護(hù)風(fēng)機(jī)安全，風(fēng)機(jī)需要收漿停機(jī)。同時(shí)，冰凍雨雪天氣易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)結(jié)冰脫網(wǎng)，上述氣象條件均有可能導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電的出力能力嚴(yán)重受限。

2)光伏發(fā)電能力主要受輻射強(qiáng)度和溫度影響，在雨雪天氣與陰霾天氣條件下地表接收的太陽輻射水平較低，積雪還有可能遮蔽光伏面板導(dǎo)致光伏發(fā)電能力受限。同時(shí)極端高溫將使得光伏組件效率下降，極端低溫也容易導(dǎo)致相關(guān)元器件故障損壞。

3)水力發(fā)電主要受流域徑流量影響，由高溫引發(fā)的干旱事件通常會(huì)導(dǎo)致降水量與徑流量的減少，從而影響水力發(fā)電能力，尤其對(duì)我國(guó)而言，夏季通常為汛期，一旦發(fā)生干旱事件對(duì)能源供給側(cè)影響更為嚴(yán)重。

4)氣象條件還將影響煤炭等主要化石能源的生產(chǎn)和運(yùn)輸，干旱將引起內(nèi)陸河水位下降，不利于煤炭水路運(yùn)輸，同時(shí)也增加了火力發(fā)電的取水難度。冬季的極端低溫也可能引發(fā)港口結(jié)冰，限制航運(yùn)、港口正常作業(yè)，影響煤炭運(yùn)輸。

5)變壓器、輸電線等能源基礎(chǔ)設(shè)施也同樣容易遭受惡劣天氣的影響，酸性雨水將造成此類設(shè)備金屬構(gòu)架表面腐蝕，冰凍凝結(jié)在輸電線路上將引起冰閃、脫冰跳躍等現(xiàn)象，臺(tái)風(fēng)、洪澇等災(zāi)害事件可能造成相關(guān)設(shè)施的永久性損壞，雷電不僅會(huì)對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，而且容易出現(xiàn)雷擊跳閘事故。

2.2 能源需求側(cè)的氣象風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)前，供暖與制冷能耗占全球能源消耗的50%左右，造成約40%的能源相關(guān)碳排放。這類能源消費(fèi)會(huì)直接受到氣象因素的影響，尤其受溫度的影響較大。氣象風(fēng)險(xiǎn)會(huì)通過影響晝夜交替和季節(jié)變更的供暖和制冷持續(xù)時(shí)間和需求規(guī)模來影響能源需求。大量文獻(xiàn)研究了氣象對(duì)全球或區(qū)域范圍內(nèi)供暖和制冷能源需求的影響，研究發(fā)現(xiàn)能源需求與溫度之間呈現(xiàn)顯著的“U”型關(guān)系，即當(dāng)溫度低于7 ℃時(shí)，每降低1 ℃能源需求將增加2.8%，當(dāng)溫度高于25 ℃時(shí)，每增加1 ℃能源需求將增加14.5%[10]。其中，居民用能受氣溫的影響最大，用能高峰期主要集中于夏季和冬季[11]，且這類用能需求的彈性較低[10]。

受到這一特征的影響，近年來，在能源供需過程中，滿足峰值需求的矛盾愈加突出。以電力部門為例，近年來最高用電負(fù)荷增長(zhǎng)率普遍高于全社會(huì)用電量的增長(zhǎng)率，相關(guān)研究指出，年均溫度每增加1 ℃將導(dǎo)致年電量增加9.2%，但峰值負(fù)荷將增加36.1%[10]。隨著未來終端用能電氣化率的逐漸提升，這一矛盾將進(jìn)一步凸顯。疊加氣候變化加劇的影響，即使能夠順利實(shí)現(xiàn)1.5 度目標(biāo)，極端高溫事件、強(qiáng)降水事件、干旱事件等發(fā)生的強(qiáng)度和頻率都將明顯增加[4]。極端氣象事件的級(jí)聯(lián)效應(yīng)，可能將能源供給與能源需求推至兩個(gè)極限，一方面造成能源供給能力的大幅受限，另一方面造成能源需求的急劇增加，給能源系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來重大挑戰(zhàn)。

3 氣象風(fēng)險(xiǎn)對(duì)我國(guó)能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的影響分析

可再生能源的利用方式以發(fā)電為主，因此能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的核心是電力部門的發(fā)電能源結(jié)構(gòu)向高比例可再生能源過渡。

3.1 我國(guó)電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的路徑

國(guó)際國(guó)內(nèi)多家權(quán)威機(jī)構(gòu)都對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析[12-21]，本研究整理分析如表1 和表2 所示。

表1 我國(guó)能源低碳轉(zhuǎn)型的發(fā)電量構(gòu)成(1012 kWh)Table 1 Composition of electricity generation for China’s low-carbon energy transition(trillion kWh)

表2 我國(guó)能源低碳轉(zhuǎn)型的發(fā)電裝機(jī)構(gòu)成(108 kW)Table 2 Composition of installed power generation capacity for low-carbon energy transition in China (100 million kW)

雖然各個(gè)文獻(xiàn)對(duì)面向碳中和的電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型路徑有所差異，但基本上都有以下共識(shí)。

首先，風(fēng)電與太陽能發(fā)電將迎來快速發(fā)展，逐漸成為裝機(jī)量與發(fā)電量的主體。盡管當(dāng)前我國(guó)風(fēng)電與太陽能發(fā)電占發(fā)電量結(jié)構(gòu)中的比重不足14%，但隨著未來風(fēng)電和太陽能發(fā)電的持續(xù)高速增長(zhǎng)，這一比重將升高到53.0%~72.0%，成為電力供應(yīng)體系的主體電源形式。其中，不同研究對(duì)于風(fēng)電和光伏未來具體的技術(shù)規(guī)模預(yù)計(jì)區(qū)間較大，存在一定分歧，相關(guān)研究預(yù)計(jì)未來電力系統(tǒng)中的風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模為(12.4~28.0)×108kW，年發(fā)電量(4.8~7.3)×1012kWh，太陽能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模為(14.1~45.0)×108kW，年發(fā)電量(2.2~6.1)×1012kWh。這類波動(dòng)性電源規(guī)模的增加擴(kuò)大了電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的需求，相關(guān)研究受建模視角、技術(shù)參數(shù)的差異影響，不同轉(zhuǎn)型方案認(rèn)為，儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模介于(2.7~15.9)×108kW。

其次，化石能源的角色定位將發(fā)生深刻變化，由基荷能源向調(diào)峰備用電源轉(zhuǎn)變[22]。當(dāng)前化石能源電力仍是我國(guó)電力供應(yīng)體系的主體電源，占總發(fā)電量比重超過60%，裝機(jī)規(guī)模超過12×108kW。未來化石能源占發(fā)電量的比重將大幅下降至3.7%~16.0%，并且機(jī)組利用率將大幅下降。然而，關(guān)于未來電力系統(tǒng)中所保留化石能源機(jī)組規(guī)模則存在一定分歧，一部分觀點(diǎn)認(rèn)為僅需保留4×108kW以下的化石能源機(jī)組，另一部分觀點(diǎn)則認(rèn)為仍需保留12×108kW以上的化石能源機(jī)組提供備用能力。

再次，未來水電、核電、生物質(zhì)發(fā)電等受限于資源潛力或建設(shè)條件約束，進(jìn)一步增長(zhǎng)空間有限。綜合上述研究，未來水電的裝機(jī)增量空間不超過3.9×108kW，在未來電力系統(tǒng)中的年發(fā)電規(guī)模不超過2.2×1012kWh，占總發(fā)電量比重小于14%。核電的裝機(jī)增量空間不超過3.7×108kW，在未來電力系統(tǒng)中的年發(fā)電規(guī)模不超過2.7×1012kWh，占總發(fā)電量比重小于18%。未來生物質(zhì)發(fā)電的裝機(jī)規(guī)模將維持在2.2×108kW以下，年發(fā)電規(guī)模不超過1.1×1012kWh，占總發(fā)電量比重小于6%。

最后， 以CCS (碳捕集與封存技術(shù)，Carbon Capture and Storage)技術(shù)為代表的碳移除技術(shù)成為電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的重要補(bǔ)充。以CCS技術(shù)為代表的碳移除技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)化石能源低碳化利用的唯一技術(shù)選擇，盡管部分研究未針對(duì)CCS技術(shù)進(jìn)行具體討論，但不可否認(rèn)在碳約束的目標(biāo)下，化石能源電力的持續(xù)使用與CCS技術(shù)密切相關(guān)，在不同轉(zhuǎn)型方案中，化石能源機(jī)組的CCS改造規(guī)模介于(0.1~8.3)×108kW。同時(shí)，CCS技術(shù)與生物質(zhì)發(fā)電結(jié)合后的BECCS (生物質(zhì)能源碳捕集與封存，Bio-Energy with CCS)技術(shù)，是電力部門實(shí)現(xiàn)凈負(fù)碳排放的重要來源。

綜合上述研究，在實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的過程中，“可再生能源+儲(chǔ)能”與“化石能源+CCS”是兩條重要的技術(shù)路徑，具有一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。不同研究規(guī)劃的轉(zhuǎn)型方案對(duì)于這兩條技術(shù)路徑選擇存在一定的擠出效應(yīng)，即往往當(dāng)轉(zhuǎn)型方案中可再生能源部署較多的情況下，儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模也更大，反之，當(dāng)轉(zhuǎn)型方案中保留的化石能源規(guī)模較大時(shí)，完成CCS改造的機(jī)組規(guī)模也較大。這意味著，未來儲(chǔ)能和CCS技術(shù)的成本與技術(shù)適用性將決定轉(zhuǎn)型過程中這兩條技術(shù)路徑的競(jìng)爭(zhēng)力水平，從而影響整體能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型路徑選擇。

3.2 低碳轉(zhuǎn)型方案的可信容量評(píng)估

氣象風(fēng)險(xiǎn)將大幅降低可再生能源機(jī)組的可信容量。可信容量指等可靠性前提下，各類電源可以視為常規(guī)機(jī)組的容量大小。容量可信度指可信容量占電源裝機(jī)容量的比例[23]?？尚湃萘颗c電力技術(shù)出力的時(shí)序特性、滲透率、容量需求等相關(guān)，可通過有效帶載能力(effective load carrying capacity，ELCC)、等效可靠容量(equivalent firm capacity，EFC)等方式量化各電力技術(shù)的可信容量。隨著能源系統(tǒng)碳中和轉(zhuǎn)型，電力系統(tǒng)中風(fēng)電和光伏等可再生能源逐漸成為主體電源。風(fēng)電和光伏具有波動(dòng)性、隨機(jī)性、間歇性，其發(fā)電功率和并網(wǎng)特性會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響，同等容量的風(fēng)電和光伏在可靠性方面無法與傳統(tǒng)火電相比。因此，非常有必要度量裝機(jī)規(guī)劃中各類電源對(duì)電力系統(tǒng)充裕性的貢獻(xiàn)度?？尚湃萘繉?duì)可再生能源為主體的電力系統(tǒng)規(guī)劃具有指導(dǎo)意義，是電力系統(tǒng)確定應(yīng)急電源規(guī)模，評(píng)估抗氣象風(fēng)險(xiǎn)能力的重要依據(jù)。

可再生能源為主導(dǎo)的布局增加了電力系統(tǒng)在氣象風(fēng)險(xiǎn)中的脆弱性，正確評(píng)估電力系統(tǒng)可信容量是有效應(yīng)對(duì)極端氣象的關(guān)鍵。從氣象風(fēng)險(xiǎn)角度來看，低碳轉(zhuǎn)型要求風(fēng)電、光伏的部署規(guī)模非常大，但由于其發(fā)電出力的不確定性，在可靠性分析中無法與相同容量的常規(guī)機(jī)組同等對(duì)待，導(dǎo)致系統(tǒng)總?cè)萘康目尚哦冉档?，在面臨極端氣象時(shí)容易出現(xiàn)能源供應(yīng)短缺問題。正確評(píng)估電力系統(tǒng)可信容量，特別是可再生能源可信容量，是有效應(yīng)對(duì)極端天氣的關(guān)鍵。本文參考了文獻(xiàn)16、24-26 中關(guān)于各技術(shù)的可信容量系數(shù)計(jì)算了表2 中各轉(zhuǎn)型方案的可信容量，并結(jié)合文獻(xiàn)16、20-21、27-28關(guān)于未來高峰負(fù)荷需求的預(yù)測(cè)結(jié)果，根據(jù)可信容量和負(fù)荷下限評(píng)估了電力盈余情況，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同規(guī)劃方案的電力盈余情況Fig.1 Power surplus situation of different planning schemes

上述方案的可信容量可能無法滿足未來的高峰負(fù)荷需求，當(dāng)氣象風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)后，系統(tǒng)將面臨電力平衡缺額。根據(jù)表2 的裝機(jī)規(guī)劃結(jié)果，各類電源實(shí)際裝機(jī)容量遠(yuǎn)高于最大高峰負(fù)荷需求，整體約為3 倍左右，但是容量可信度較低。風(fēng)電、光伏裝機(jī)規(guī)模普遍占總發(fā)電裝機(jī)容量的60%以上，但能提供的可信容量不足20%，對(duì)電力系統(tǒng)充裕性的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于相同容量的常規(guī)機(jī)組。雖然儲(chǔ)能技術(shù)的部署可以一定程度上提高風(fēng)電、光伏的等效可靠容量，但總體增量有限。所以除了方案7 外，大部分規(guī)劃方案的可信容量難以滿足電力高峰負(fù)荷需求。從圖1 可以看出，2050年和2060年電力系統(tǒng)面臨的可信容量缺口為(1.1~4.7)×108kW左右。如果再按照《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》，裝機(jī)增加2%~5%的負(fù)荷備用、10%的事故備用、5%檢修備用，電力平衡的缺口更大，因此方案7 保留了7×108kW以上的化石能源應(yīng)急機(jī)組。應(yīng)急電源在日常情況下停機(jī)作為備用，當(dāng)高溫、嚴(yán)寒、干旱等氣象風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致高峰負(fù)荷供電出現(xiàn)缺口時(shí)，應(yīng)急電源啟動(dòng)進(jìn)行保供，保供結(jié)束后仍恢復(fù)到停機(jī)備用狀態(tài)，能夠有效提升電力系統(tǒng)韌性。

3.3 提升應(yīng)對(duì)氣象風(fēng)險(xiǎn)能力的措施

能否抵御潛在氣象風(fēng)險(xiǎn)是能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型中面臨的嚴(yán)峻考驗(yàn)，確保電力系統(tǒng)供應(yīng)能力安全可靠是能源碳中和轉(zhuǎn)型核心環(huán)節(jié)。

儲(chǔ)能成為提升風(fēng)電和光伏容量可信度的關(guān)鍵，需要推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和完善商業(yè)模式。電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的顯著特征是新能源在裝機(jī)結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，增加了系統(tǒng)大范圍和長(zhǎng)周期電力電量平衡難度，對(duì)電網(wǎng)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。新能源與氣象強(qiáng)相關(guān)的出力特性導(dǎo)致容量可信度較低，風(fēng)電為8%~12%，光伏低于3%，若僅依賴風(fēng)電和光伏彌補(bǔ)可信容量缺口，將需要新增數(shù)十甚至數(shù)百億千瓦機(jī)組部署。儲(chǔ)能作為一種優(yōu)質(zhì)的靈活性調(diào)節(jié)資源可以平抑功率波動(dòng)，能夠有效提升風(fēng)電和光伏的可信容量，若依賴儲(chǔ)能彌補(bǔ)可信容量缺口，將需要增加(3~14)×108kW儲(chǔ)能裝機(jī)而不需要新增額外的風(fēng)光機(jī)組。因此，要根據(jù)風(fēng)電和光伏發(fā)展速度配套相應(yīng)規(guī)模的儲(chǔ)能設(shè)施，推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)低成本、高安全、長(zhǎng)壽命的發(fā)展，建立健全儲(chǔ)能的標(biāo)準(zhǔn)體系、市場(chǎng)機(jī)制、商業(yè)模式，促進(jìn)儲(chǔ)能與電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)等各個(gè)環(huán)節(jié)的深度融合發(fā)展，發(fā)揮儲(chǔ)能在提升風(fēng)電光伏容量可信度和保障電力系統(tǒng)安全低碳轉(zhuǎn)型等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

加快常規(guī)機(jī)組低碳化改造和靈活性改造，發(fā)揮其應(yīng)急備用作用，并需要同步調(diào)整價(jià)格機(jī)制和推動(dòng)低碳技術(shù)應(yīng)用。常規(guī)機(jī)組是提供可信容量的重要來源，增加(1.1~4.7)×108裝機(jī)即可彌補(bǔ)可信容量缺口，同時(shí)也是電力系統(tǒng)碳排放的主要來源，控制常規(guī)機(jī)組的發(fā)電量是實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)碳中和轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。但是，必要的煤電裝機(jī)是電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的重要保障，承擔(dān)著保障供電、調(diào)節(jié)頻率、支撐電壓的重任，特別是極端氣象出現(xiàn)，風(fēng)電、光伏、水電等出力水平較低情況下。煤電在短期內(nèi)難以被完全替代，因此需要加快高煤耗、高排放、難調(diào)節(jié)煤電機(jī)組的低碳化改造和靈活性改造，并控制發(fā)電量。煤電將逐步由提供電能向提供輔助服務(wù)轉(zhuǎn)變，發(fā)揮兜底保供、備用應(yīng)急的作用。煤電角色轉(zhuǎn)變導(dǎo)致利用小時(shí)數(shù)下降，單一電量的上網(wǎng)電價(jià)機(jī)制無法覆蓋裝機(jī)成本，無法體現(xiàn)容量?jī)r(jià)值，需要推動(dòng)建立電量電價(jià)+容量電價(jià)的兩部制電價(jià)機(jī)制。同時(shí)，受碳中和目標(biāo)約束，需要擴(kuò)大CCUS規(guī)模并降低成本，發(fā)揮CCUS對(duì)煤電機(jī)組的降碳潛力。

水電、核電、生物質(zhì)能有效提高電力系統(tǒng)可信容量，但受可開發(fā)規(guī)模有限需要技術(shù)的攻關(guān)突破。水電、核電、生物質(zhì)與火電相比等具有清潔、低碳優(yōu)勢(shì)，并且有一定的調(diào)節(jié)能力，在提供系統(tǒng)可信容量方面具有重要的價(jià)值。若通過其中某一種電源彌補(bǔ)可信容量缺口，水電、核電、生物質(zhì)裝機(jī)分別需要增加(1.3~5.8)×108kW、(1.1~4.7)×108kW、(1.1~4.7)×108kW。但是，水電、核電、生物質(zhì)未來可開發(fā)規(guī)模有限。水電隨著逐步開發(fā)，剩余可開發(fā)工程逐步向河流上游、高海拔地區(qū)深入，面臨位置偏遠(yuǎn)、條件惡劣、地址復(fù)雜、交通不便、施工困難、成本昂貴等問題。核電受泄露后果嚴(yán)重、選址條件嚴(yán)格、退役處置復(fù)雜等限制，其發(fā)展空間相對(duì)有限。生物質(zhì)發(fā)電建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)較高，產(chǎn)業(yè)體系薄弱，發(fā)電技術(shù)尚不成熟，難以形成規(guī)模效應(yīng)。因此，需要加快水電、核電、生物質(zhì)的技術(shù)攻關(guān)突破，增加電源結(jié)構(gòu)多元化，實(shí)現(xiàn)不同能源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，增強(qiáng)能源系統(tǒng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)抵御能力。

3.4 能源低碳轉(zhuǎn)型過程中的化石能源

雖然本輪能源轉(zhuǎn)型的目標(biāo)是非化石能源全面取代化石能源，但在轉(zhuǎn)型過程中，化石能源仍將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

煤炭是降幅最大的化石能源，但在能源轉(zhuǎn)型過程中將發(fā)揮重要的調(diào)峰和備用的作用。長(zhǎng)期以來煤炭一直是我國(guó)的主體能源，我國(guó)也是全球煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)量最大的國(guó)家。2020年，我國(guó)煤炭消費(fèi)量約占世界總量一半，其中大部分用于發(fā)電，僅燃煤發(fā)電帶來的碳排放量就占能源相關(guān)碳排放總量的45%以上。隨著能源低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)程的推進(jìn)，到2060年煤炭消費(fèi)量將驟減80%以上，是轉(zhuǎn)型過程中降幅最大的化石能源，剩余煤炭用量中約有60%用于發(fā)電廠，屆時(shí)，風(fēng)電、太陽能發(fā)電、生物能源、氫能等低碳能源技術(shù)及電氣化的大規(guī)模推廣，使得未采用減排措施的燃煤電廠和基于煤的工業(yè)過程基本被淘汰[21]。同時(shí)，值得注意的是，雖然燃煤發(fā)電大幅度下降，但考慮到氣象風(fēng)險(xiǎn)的存在，燃煤電廠在能源系統(tǒng)中保留的時(shí)間將長(zhǎng)于多數(shù)預(yù)測(cè)分析結(jié)果，在CCUS技術(shù)的協(xié)助下，煤炭將實(shí)現(xiàn)低碳化利用，對(duì)于支撐電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，增強(qiáng)極端天氣應(yīng)對(duì)能力，提高國(guó)家能源戰(zhàn)略安全保障能力具有積極的作用。

石油的能源屬性將被逐漸弱化，其進(jìn)程取決于液體替代燃料和電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步速度。當(dāng)前，我國(guó)是全球第二大石油消費(fèi)國(guó)，石油約占能源消費(fèi)總量的19%左右，由石油消費(fèi)引起的碳排放占能源相關(guān)碳排放總量的12%左右。隨著低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)程的推進(jìn)，終端用能的電氣化以及氫能、生物燃料等清潔能源的普及將使得作為能源的石油需求量逐漸下降，未來大部分石油將主要用于石化生產(chǎn)的原料。ⅠEA預(yù)測(cè)，到2060年我國(guó)的石油需求將下降約60%，屆時(shí)，液體生物燃料、氫基燃料和電力將分別滿足9%、25%和66%左右的交通運(yùn)輸能源需求[21]。

天然氣將扮演重要的過渡能源角色。自2000年后，我國(guó)天然氣需求量穩(wěn)步增加，截至2021年占能源消費(fèi)量總量的比重近9%，由天然氣消費(fèi)引起的碳排放占能源相關(guān)碳排放總量的6%左右。得益于較低的碳排放強(qiáng)度，天然氣將在能源轉(zhuǎn)型過程中成為重要的過渡能源，其消費(fèi)量將呈現(xiàn)緩慢上升后穩(wěn)步下降的趨勢(shì)。ⅠEA預(yù)測(cè)，我國(guó)天然氣消費(fèi)量將在2035年左右達(dá)峰，到2060年的消費(fèi)量將比當(dāng)前減少近45%[21]。屆時(shí)，天然氣將主要應(yīng)用于發(fā)電生產(chǎn)、水泥生產(chǎn)和制氫工業(yè)，在配合CCUS技術(shù)使用后，不會(huì)產(chǎn)生額外碳排放。尤其在電力系統(tǒng)中，天然氣機(jī)組是一種理想的備用機(jī)組，一定規(guī)模的天然氣機(jī)組部署可以提升電力系統(tǒng)應(yīng)對(duì)潛在氣象風(fēng)險(xiǎn)的能力。

4 啟示與建議

本文立足我國(guó)實(shí)際情況，從氣象風(fēng)險(xiǎn)角度重新審視我國(guó)的低碳能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型路徑，對(duì)部分碳中和轉(zhuǎn)型方案進(jìn)行評(píng)估分析，為有效防范潛在的氣象風(fēng)險(xiǎn)，避免轉(zhuǎn)型過程中可能出現(xiàn)的能源短缺情況，建議從以下5 個(gè)方面采取相應(yīng)措施。

(1) 強(qiáng)化氣候氣象預(yù)測(cè)能力，提高中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)精度。目前，針對(duì)短期的氣象預(yù)測(cè)精度較高，但中長(zhǎng)期氣候氣象預(yù)測(cè)能力尚不足以滿足應(yīng)對(duì)能源體系氣象風(fēng)險(xiǎn)的需求。提高中長(zhǎng)期氣候氣象預(yù)測(cè)的精度，有利于政府提前根據(jù)災(zāi)害特征做好應(yīng)急預(yù)案，對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行精細(xì)化管理與控制，削弱氣象因素對(duì)能源體系造成的不利影響。

(2) 確保相關(guān)能源設(shè)施的適度冗余，重視化石能源地位。在能源轉(zhuǎn)型規(guī)劃中，需要充分考慮潛在極端氣象事件中的供需矛盾，因地制宜地部署一定規(guī)模的備用能源設(shè)施，允許適度的能源設(shè)施冗余及可再生能源棄電率。轉(zhuǎn)型過程中充分重視化石能源在碳中和轉(zhuǎn)型過程中的托底保供作用，建議對(duì)特定地區(qū)退役的化石能源機(jī)組“關(guān)而不拆”，以較小的經(jīng)濟(jì)代價(jià)發(fā)揮化石能源技術(shù)在應(yīng)對(duì)氣象風(fēng)險(xiǎn)中的兜底保障作用。

(3) 建設(shè)完善的能源傳輸體系，形成靈活的智能調(diào)度能力。受到可再生資源逆向分布的影響，更大規(guī)模的能量傳輸體系是我國(guó)未來能源系統(tǒng)的重要組成部分，因此局部地區(qū)的氣象風(fēng)險(xiǎn)將有可能波及更大的空間范圍。需要構(gòu)建完善的能源傳輸體系，形成更大范圍內(nèi)能源傳輸網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。同時(shí)，全國(guó)范圍內(nèi)的能量傳輸過程需要有能力實(shí)現(xiàn)隨潛在氣象風(fēng)險(xiǎn)特征而實(shí)時(shí)變化的智能調(diào)度決策，從而利用區(qū)域互濟(jì)來應(yīng)對(duì)潛在的氣象風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 促進(jìn)能源技術(shù)多樣化發(fā)展，挖掘多能互補(bǔ)潛力。除少數(shù)災(zāi)害性氣象事件外，各類氣象風(fēng)險(xiǎn)往往僅對(duì)特定的能源技術(shù)過程產(chǎn)生影響，因此，在能源系統(tǒng)規(guī)劃中，不能僅以經(jīng)濟(jì)性為唯一目標(biāo)進(jìn)行能源技術(shù)的部署決策，應(yīng)當(dāng)充分考慮到潛在的氣象風(fēng)險(xiǎn)影響，給多種能源技術(shù)一定的發(fā)展空間，充分挖掘多能互補(bǔ)在應(yīng)對(duì)氣象風(fēng)險(xiǎn)中的潛力。例如對(duì)待光熱、氫儲(chǔ)能、CCUS等當(dāng)前成本相對(duì)過高的能源技術(shù)，應(yīng)當(dāng)在政策層面給予一定程度的支持，鼓勵(lì)技術(shù)研發(fā)與小規(guī)模試點(diǎn)示范。

(5) 形成適應(yīng)新型能源體系特征的價(jià)格機(jī)制。未來，價(jià)格機(jī)制在引導(dǎo)能源生產(chǎn)、消費(fèi)過程中將發(fā)揮關(guān)鍵作用，需要盡快研究出臺(tái)適應(yīng)新型能源體系特征的價(jià)格機(jī)制。例如形成能源上下游價(jià)格信號(hào)傳導(dǎo)的合理機(jī)制，通過明確的價(jià)格信號(hào)鼓勵(lì)V2G (車網(wǎng)融合，vehicle-to-grid)、用戶側(cè)儲(chǔ)能、虛擬電廠等新興業(yè)態(tài)的良性發(fā)展，加快推動(dòng)電能量市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)和容量市場(chǎng)等電力市場(chǎng)機(jī)制建設(shè)與銜接，保障火電機(jī)組由基荷電源向調(diào)峰輔助和容量備用電源的角色轉(zhuǎn)變，形成具備快速響應(yīng)能力的價(jià)格引導(dǎo)機(jī)制，價(jià)格機(jī)制可以作為應(yīng)對(duì)潛在氣象風(fēng)險(xiǎn)中，挖掘能源供需兩側(cè)的響應(yīng)能力及引導(dǎo)相關(guān)技術(shù)定位逐漸轉(zhuǎn)變的重要手段。