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楊帆 夏榮立 楊威 | “雙碳”背景下新能源發展瓶頸與趨勢研究
發布日期:2021-09-15 作者:楊帆 夏榮立 楊威 信息來源:中咨研究 訪問次數: 字號:[ ]

編者按:我國力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和,是黨中央經過深思熟慮作出的重大戰略決策,事關中華民族永續發展和構建人類命運共同體。能源領域碳排放總量大、占比高,是實現綠色低碳轉型和高質量發展的關鍵。公司能源業務部成立了以張宗玟等部門領導為核心、以青年黨員為骨干的“3060”研究小組,貫徹新發展理念和能源安全新戰略,對以新能源為主體的新型電力系統、碳排放和水電、新能源、核電、儲能、煤炭等方面高質量發展進行了探索性研究,以推動構建清潔低碳安全高效的能源體系。為促進研究成果的應用,本公眾號將核心研究成果以系列文章的形式陸續刊發,供業界同仁參考。

“雙碳”背景下新能源發展瓶頸與趨勢研究

楊帆 夏榮立 楊威

摘要:我國新能源在“十三五”時期發展成效顯著,到“十四五”時期增長潛力依舊巨大,將成為我國新增能源供給的主要力量。本文分析了新能源在國土空間、并網消納、技術創新、系統成本等方面的問題與挑戰,研究了新能源在開發布局、存儲消納、創新研發、市場機制等方面的發展趨勢,通過新能源的大規模發展實現碳達峰、碳中和目標。


 習近平總書記在第75屆聯合國大會上宣布,我國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和的“雙碳”目標。能源活動是我國二氧化碳的主要排放源,接近總排放量的50%。為實現“雙碳”目標,“十四五”時期我國應持續推動能源供給革命,準確把握“雙碳”背景下新能源(本文主要指風力發電及光伏發電)的發展瓶頸與趨勢,理順發展體制機制,為新能源大規模發展創造空間。

一、研究背景

自2006年《可再生能源法》頒布實施以來,新能源開發利用規模顯著擴大。根據國家能源局統計數字,2006年我國新能源裝機220萬千瓦,占全球比例不到3%,2020年我國新能源裝機超過5.3億千瓦,占全球比例為37%,高居世界第一。我國在新能源領域產業規模全球領先,根據中國光伏行業協會統計,光伏產業鏈中多晶硅、硅片、電池片和組件等主要環節在2020年全球市場平均占有率達到70%以上;風電整機國產品牌在全球前15名風機整機制造企業中占據10席。

為最終實現碳中和,我國將在2030年實現非化石能源占一次能源消費比重達到25%的目標,預計屆時新能源裝機將達到14~16億千瓦,新能源電力占總發電量比例達到約26%,比2020年提升約17個百分點;在未來10年,新能源年均新增裝機需要達到1億千瓦左右,成為新增能源供應的主要形式,并加快構建以新能源為主體的新型電力系統。

二、新能源大規模發展存在瓶頸

在新能源規模化發展的背景下,如何解決國土空間、并網消納、技術創新、系統成本等方面的問題與挑戰,是實現“雙碳”目標的關鍵因素。

(一)國土空間利用現狀和規劃體系難以支撐新能源大規模發展

與其他發電形式相比,新能源發電能量密度低,單位裝機容量用地需求較大。然而,新能源規劃與國土空間規劃未能有效銜接,土地利用現狀和地類性質不一致,各地方出臺的土地、林草等法律政策未充分結合實際保護現狀,“一刀切”限制了新能源項目利用土地資源。

西部地區風光資源豐富,人均土地面積較大,通過合理規劃,適合開發建設風光大基地。但西部地區自然環境較為脆弱,部分地區承載多種生態保護功能,新能源項目無法在該類區域落地。以內蒙古自治區為例,全區總面積118萬平方公里,草原面積76萬平方公里,其中80%為基本草原,也是我國北方面積最大、種類最全的生態功能區。因此,西部地區需要在生態保護和新能源開發中尋找平衡點,打破各部門各自為政的情況。

中東部地區用電負荷大,人均土地面積較小,適合開發中小型新能源基地及分散式接入項目。風光發電項目建設過程中對山體、林地擾動較大,運營期會對周邊居民產生噪聲、光影閃爍等影響。此外,光伏發電占地面積較大,單位土地產值較低,經濟發達地區政府開發意愿不強。浙江、福建等東部省區從自身發展階段出發,積極推進人居生態環境保護,修復環境質量,維護優質耕地,出臺了一系列土地、林地使用政策,客觀上限制了新能源項目的開發。

沿海地區風能資源較好,適宜規模化開發海上風電,但海上風電場區及電纜走廊與漁業養殖區、主航道、動物保護區、軍事敏感區等存在較大范圍重疊情況,導致規劃調整頻繁,增加了場區離岸距離,在增加投資成本的同時縮減了開發規模。

(二)新能源發電的固有波動性帶來消納困難和系統穩定性問題

新能源發電出力具有波動性、間歇性的特點,與用電負荷變化趨勢差異顯著,功率預測難度較大。由于缺乏相應的市場回報機制,電力系統中靈活性電源的比例偏低;受煤電產能調控、電網安全約束等因素影響,部分跨區輸電通道利用率不高;我國電力負荷曲線尖峰化特征明顯,5%峰荷持續時間不超過48小時[1]。一系列因素造成電力實時平衡的難度加大,影響新能源電力的消納。

隨著新能源大規模發展,電力系統呈現出高比例可再生能源、高比例電力電子設備的“雙高”特征。從電氣特性看,電力系統等值轉動慣量大幅度降低,系統抗擾動能力大幅削弱;從故障特性看,故障從局部向全局形成連鎖反應沖擊,新的故障形態、擾動形式已經出現;從穩定特性看,系統穩定形態愈發復雜,易出現系統無功不足、電壓失穩、頻率越限等問題[2]。

(三)新能源發電設備及技術快速更新迭代,國內企業技術研發實力不足

經過15年左右的發展,新能源行業規模持續擴大,技術快速更新迭代,國內企業技術積累較為豐富,設備可靠性和能量轉換效率處于世界領先水平。在光伏領域,我國通過技術引進、消化吸收、集成創新,實現技術和生產線的升級迭代,多次刷新并保持著商業化晶硅電池轉換效率的世界紀錄,經國家光伏質檢中心測試,單晶PERC電池(Passivated Emitterand Rear Cell)達到24%的轉換效率。我國風電整機已形成達到國際先進水平的雙饋、直驅、半直驅多條成熟技術路線,低風速風機技術處于國際領先水平,推出了10兆瓦級海上風電機組。

在“雙碳”進程中,科技創新將成為新能源產業高質量發展的根本動力,而國內對基礎理論研究不充分,企業研發實力及動力不足,新能源產業的可持續發展存在隱憂,主要表現在以下方面:國內高校在基礎理論研究領域落后于企業發展需求,研究路線主要依賴國外熱點,原創技術探索較少,產學研轉化通路不暢;專利數量較多,但大多數是產業應用的專利技術,而基礎創新的關鍵專利仍被國外掌握;國內對關鍵技術的知識產權保護尚不完善,執行體系不健全,技術與人才流失現象嚴重,影響了企業創新研發的積極性,2020年新能源企業研發投入比僅為約3%。在新能源大規模發展的背景下,企業以擴大產能及搶占市場份額為優先發展方向,會出現產業整體規模持續擴大,但能量轉換效率提升緩慢,設備可靠性下降的情況。

(四)新能源發電系統性綜合成本進一步增加

新能源發電投資中,土地使用、電網接入、開發費用、資金成本及稅費等非技術成本將在今后一個時期內保持較高水平。大規模發展新能源使度電成本持續下降,根據國際可再生能源署統計,2010年我國風電度電成本為0.48元/千瓦時,2020年為0.29元/千瓦時,下降了40%;2010年我國光伏度電成本為2.08元/千瓦時,2020年為0.36元/千瓦時,下降了83%。隨著新能源發電比例的增加,會進一步提升電力系統中靈活性電源改造、系統調節運行、電網建設方面的投資,增加全系統消納成本。在美國實施可再生能源配額制12年后,新能源電量比例提高5%,電價提高了17%;2019年德國新能源發電占比突破40%,電價比2015年增長約8%[3]。初步估算,我國風電和光伏發電量占比上升到20%時,帶來全社會度電成本增加約0.03元;上升到30%時,帶來系統成本增加0.06元;當占比達到50%時候,儲能等靈活性調節電源將會呈非線性增加趨勢,導致系統成本大幅增加。

三、新能源發展趨勢判斷

“十四五”及今后一段時期是世界能源轉型的關鍵期,全球能源將加速向低碳方向發展,新能源將逐步成長為主力能源。我國新能源發展面臨新任務新要求,機遇前所未有,2021年7月風力發電和光伏發電等新能源被納入我國基礎設施公募REITs試點范圍,高質量躍升發展任重道遠,處于大有可為的戰略機遇期。綜合判斷,“十四五”時期我國新能源發展將進入新階段,呈現以下幾個特征:

(一)優化布局促進規模化發展

“十四五”時期,新能源發電將形成大規模集中利用與分布式就地生產消納的平衡發展態勢。

“三北”地區風光資源儲量豐富,適于大規模集中開發。通過實行統一規劃、統一建設和統一運營,發揮規模效應,有效分攤開發、建設及運營成本,降低電價成本。“十四五”時期,將充分挖掘已建特高壓外送輸電通道的傳輸效率,推進內蒙古、甘肅、青海、新疆等區域風光大基地建設,提高外送新能源電量比重。

中東部地區可結合資源稟賦、土地儲備、負荷特性等因素,發展分布式接入、就地消納的新能源項目。創新采用“風電+”“光伏+”開發模式,利用沉陷區、荒山丘陵、建筑屋頂、公路鐵路邊坡等土地空間資源開展建設。通過土地入股等方式增加村鎮社區的參與度,推進農光、漁光互補開發模式,與電信基站、大數據中心等信息產業融合發展。

西南地區,依托金沙江、瀾滄江、大渡河等河流水電調節能力,充分挖掘現有外送通道輸送能力,開展周邊風光資源勘查、建設條件摸排,適時啟動水風光綜合基地的開發建設,有序安排水電和新能源開發時序,明確新能源消納市場。

“十三五”時期,海上風電成本逐步下降,但受裝備制造和建設難度等因素影響,發電成本仍然較高,初步預計“十四五”末期可實現平價上網。“十四五”時期海上風電發展仍需要補貼支持,依據項目風能資源及建設條件,結合沿海各省經濟發展水平,合理確定發展規模、補貼方式和強度。海上風電以發展規模化近海項目為主,穩步推進離岸遠距離項目建設,探索長距離柔性直流輸電送出方式,研究深遠海一體化漂浮式風電關鍵技術。

(二)發展儲能促進高比例消納

根據國家能源局統計數據,截至2020年底,我國抽水蓄能裝機容量達到3210萬千瓦,新型儲能裝機容量達到290萬千瓦。隨著非水可再生能源占比的提高,電力系統對于儲能的需要也將上升。據預測,為滿足電力系統調節需求,2030年需配備抽水蓄能裝機容量2億千瓦、新型儲能裝機容量8000萬千瓦。2060年需配備抽水蓄能裝機容量4.2億千瓦、新型儲能裝機容量6億千瓦。對于抽水蓄能而言,受制于場址條件及負荷距離,我國抽水蓄能站址資源有限。對于新型儲能而言,電池系統能量密度較低、成本較高、安全性存在巨大隱患,影響行業快速發展。

為實現新能源的高比例消納目標,需大力提升儲能調節規模。對于抽水蓄能電站,開展省級抽水蓄能資源調查行動,明確抽水蓄能電站的建設規模和布局,加快條件成熟的大型抽水蓄能電站開工建設,加快新建項目前期工作并力爭開工。對于電化學等新型儲能,積極推進電源側、電網側、用戶側儲能建設,并合理安排建設布局;開展儲能關鍵技術研發,提升電池制造水平,實現電池大容量、高密度、低成本、高安全、長壽命的目標;建立完善各地方儲能建設運行要求,明確儲能備案并網流程。

(三)新能源領域創新研發力度持續增強

對于新能源領域基礎科學和關鍵設備的技術攻關,需加大資金資助力度。改進現有研發評價體系,借鑒美國、丹麥、德國的經驗,建立中國可再生能源實驗室,以此為樞紐整合創新研發資源,開展基礎研究和前沿技術研發。按照“應用一代、研發一代、儲備一代”的原則,廣泛征求業界意見,設定中長期技術發展路線圖及產業應用目標,實施國家新能源重大科技專項,調動產學研創新單元聯合參與全產業鏈技術創新。加強知識產權保護法律建設,打造完善健全的知識產權保護執行體系,提升企業創新研發的積極性。鼓勵支持轉化效率高的項目增加保障小時數或優先上網,通過建設技術先進的新能源工程項目,促進轉化效率高的產品應用,推進產業升級。

(四)破除體制障礙,建立市場決定電價的機制

通過加強基礎研究及應用平臺建設,提升新能源出力的預測精度。豐富電力市場品種,按時間長短分解中長期及現貨交易,實現市場連續交易。積極推動新能源設施開展公募REITs試點,穩妥地處理中央財政補貼資金應收賬款,通過盤活存量資產帶動新增投資建設。建立競爭有序的輔助服務市場,完善價格形成及交易機制,為儲能大規模參與系統運行調節提供基礎。加快全國市場建設,擴大市場交易范圍,實現大用戶和發電企業跨省跨區直接交易,打破省間壁壘。建立綠證、碳排放權市場化交易平臺,實行自愿認購與強制交易相結合,通過價格機制體現新能源的綠色低碳屬性。

四、結束語

“十三五”時期,我國新能源發展成效顯著,新能源已經從補充能源進入到主力能源的發展階段,但也面臨國土空間、并網消納、技術創新、系統成本等方面的問題與挑戰。“十四五”時期,新能源將優化布局促進大規模發展,發展儲能促進高比例消納,開展REITs試點促進投資良性循環,持續增強創新研發力度,建立市場決定電價的機制,為實現碳達峰、碳中和目標提供主力支撐。

參考文獻

[1]  康重慶,姚良忠.高比例可再生能源電力系統的關鍵科學問題與理論研究框架[J]. 電力系統自動化,2017(09).

[2]  袁小明,程時杰,胡家兵.電力電子化電力系統多尺度電壓功角動態穩定問題[J].中國電機工程學報, 2016(19).

[3]  Heptonstall, P.J., Gross, R.J.K. A systematic review of the costs and impacts of integrating variable renewables into power grids. Nat Energy 6, 72–83 (2021).

注:原文載自《中國工程咨詢》2021年第9期,本文有改動。




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