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2020年9月22日, 國家主席習近平在第75屆聯(lián)合國大會上宣布，中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(xiàn)碳中和。2021年3月15日，中央財經(jīng)委員會第九次會議又明確提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。踐行碳達峰、碳中和戰(zhàn)略，能源是主戰(zhàn)場，電力是主力軍。據(jù)國內(nèi)多家權威機構(gòu)測算，2060年前實現(xiàn)碳中和，中國的風電、太陽能裝機容量將超過50-60億千瓦，是2020年新能源裝機容量的十余倍。如此大規(guī)模的開發(fā)利用，究竟該如何優(yōu)化布局尚未明晰。鑒于此，國家氣候中心聯(lián)合北京大學、中科院青藏所、金風科技、國網(wǎng)能源院和發(fā)改委能源所等單位，對上述問題開展了系統(tǒng)性研究。論文成果以“Potential contributions of wind and solar power to China’s carbon neutrality”為題發(fā)表在《Resources, Conservation & Recycling》雜志上，IF：10.2。

摘要

由于風能、太陽能具有間歇性和波動性特征，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)極具挑戰(zhàn)。本研究基于中國長時間序列高時空分辨率風能、太陽能資源數(shù)據(jù)庫和高分辨率土地利用數(shù)據(jù)庫，分省逐小時電力負荷數(shù)據(jù)庫等資料，構(gòu)建了風光電力供需與空間優(yōu)化模型，探討了2050年中國風能、太陽能開發(fā)對實現(xiàn)碳中和的潛在貢獻及其優(yōu)化布局。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)情景下，到2050年，如果風電裝機25億千瓦、光伏裝機26.7億千瓦，按照全國小時級的電力電量互動平衡，不考慮儲能和需求響應，僅靠風光就可以滿足全國約67%的電量需求，同時棄電率小于7%（約6.33%）。屆時，中國風光新能源年發(fā)電量將達10.39億千瓦時/年，每年減少SO2排放208萬噸， NOx排放197萬噸。

正文

2020年9月，在第75屆聯(lián)合國大會上，作為世界上最大的發(fā)展中國家，煤炭消費國和碳排放國，中國宣布了一個雄心勃勃的減排目標，即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(xiàn)碳中和。

2021年3月15日，中央財經(jīng)委員會第九次會議又明確提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

過去十年，全球風能、太陽能的開發(fā)利用成本快速下降，為能源綠色低碳轉(zhuǎn)型奠定了堅實基礎。資料顯示，2010-2019年，全球太陽能光伏（PV）、陸上風電和海上風電的加權平均平準化度電成本（LCOE）分別下降了82%、39%和29%。

可變可再生能源（風能、太陽能）的大規(guī)模接入給當前需要穩(wěn)定靈活供電的電力系統(tǒng)帶來了重大挑戰(zhàn)。本研究綜合考慮了風能、太陽能發(fā)電的時空變化和瞬時電力平衡，構(gòu)建了風光電力供需與間優(yōu)化模型，比較了8種風光資源開發(fā)利用情景下，中國高比例風光電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性、經(jīng)濟性和氣候-環(huán)境指標的差異。

在電源側(cè)，模型僅考慮風光電力供給。這主要基于以下3個理由，（1）研究聚焦于以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)；（2）國家《可再生能源法》要求風電、光伏優(yōu)先入網(wǎng)；（3）風電和光伏發(fā)電的邊際成本幾乎為0。模型的約束條件是風電、光伏可開發(fā)區(qū)（網(wǎng)格點）的技術裝機容量大于等于零，小于等于最大可裝機容量。目標函數(shù)是風光耦合發(fā)電量與電力負荷之間的偏差（絕對值）最小。

換言之，模型要求風光發(fā)電最大程度地滿足電力負荷，同時要求棄風棄光率最低。為了簡化計算，我們將電網(wǎng)視為銅板模型，即電力傳輸沒有損失或限制。研究使用混合整數(shù)線性規(guī)劃和IBM CPLEX求解器，來確定不同情景下風電場和光伏電站的最優(yōu)開發(fā)位置和裝機容量。

研究使用國家氣候中心研制的長時間序列（2007-2014年）高時空分辨率風能、太陽能資源數(shù)據(jù)庫（水平分辨率15公里，時間分辨率1小時）來計算逐小時的風電和光伏發(fā)電量。
研究首先給出了中國省域（不考慮省與省之間的電力傳輸）尺度的風光滲透率（風光發(fā)電量滿足電力需求的比例）結(jié)果。圖1A 顯示，中國西北地區(qū)的風能-太陽能發(fā)電潛力豐富（>3000 TWh），東部和南部省份風能-太陽能發(fā)電潛力較?。?lt;800 TWh）。

就大多數(shù)省份而言，太陽能發(fā)電潛力大于風能。資源稟賦較好的區(qū)域遠離負荷中心（圖1B）。預計2050年，中國東部和南部省份的電力需求較高（>1000 TWh），西北地區(qū)較?。?lt;600 TWh）。

若新能源可開發(fā)區(qū)的資源全被利用，風電、光伏的潛在年發(fā)電量將達77.9萬億千萬時，約為 2050年全國電力需求（15.4萬億千瓦時）的5倍。總體上，風光資源稟賦越好，且電力需求越小的區(qū)域，其新能源滲透率越高。例如，西藏、新疆、青海、甘肅和內(nèi)蒙等省的新能源滲透率大于80%。然而，在風能太陽能資源匱乏，且電力需求較大的沿海和中部省份，新能源的滲透率小于50%（圖1C）。2050年，全國平均的風光滲透率為51.5%，風光發(fā)電量為8.5萬億千瓦時。

接下來，研究考慮了三種促進風能-太陽能利用的策略（即區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)、技術進步和需求響應），并量化了它們對風能-太陽能滲透率的潛在影響。區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)情景意味著，模型考慮連接區(qū)域電網(wǎng)（如西北電網(wǎng)）內(nèi)的省域電網(wǎng)，并在區(qū)域電網(wǎng)尺度上進行空間優(yōu)化和模型求解；就技術進步情景而言，我們提高風機輪轂高度，即使用140m高度的風機替代100m高度的風機；同時，采用跟蹤式光伏支架替代固定式光伏支架。已有研究表明，與固定式光伏支架相比，采用跟蹤式光伏支架，可以提高20%-40%的光伏發(fā)電量。就需求響應情景而言，我們在需求側(cè)調(diào)整負荷曲線，使其更好地與新能源供給曲線相匹配。具體地，我們將需求響應的潛力設為10%。我們評估了每種策略的影響，以及多種策略組合的綜合影響，共計8種情景。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，就單一策略來說，區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)對于提高新能源滲透率的作用最大。實施電網(wǎng)互聯(lián)后，所有區(qū)域電網(wǎng)的新能源滲透率均增加，其中西南電網(wǎng)和華北電網(wǎng)的新能源滲透率增加最顯著（圖2）。區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)后，西南電網(wǎng)的風光滲透率從33.62%增加到81.62%，華北電網(wǎng)的風光滲透率從49.81%增加到82.62%。該情景下，2050年全國平均的風光滲透率為67%，其中東北、華北、西北和西南電網(wǎng)的新能源滲透率高于80%，華中電網(wǎng)低于50%。2050年全國的風電裝機量約25億千瓦，光伏裝機量約26.7億千瓦，新能源棄電率為6.33%。

在不包含區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的情景下，風能-太陽能的滲透率變化不大（圖2）。單獨的技術進步本身并不能明顯增加風光滲透率。單獨的需求響應策略也僅使得風光滲透率增加了1.97%。

圖2. 8種風光資源開發(fā)情景下，風電、光伏發(fā)電滿足2050 年電力需求的比例

另外，區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)也會改變風光新能源的開發(fā)格局。區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)促使新能源開發(fā)向資源稟賦好的地區(qū)集中。與基礎情景相比，實施電網(wǎng)互聯(lián)后，華北電網(wǎng)和西南電網(wǎng)的風電、光伏安裝格局出現(xiàn)了較為明顯的變化。其中，華北電網(wǎng)風電和光伏安裝格局向風光資源條件較好的蒙西地區(qū)集中。電網(wǎng)連接后，蒙西風電裝機容量為477.4GW，為基礎情景下（18.3GW）的約26倍。同時，幾乎所有的光伏裝機從北京、天津、河北、山西和山東移除，大約一半的光伏裝機重新安裝在蒙西地區(qū)（約290GW）。

區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)也將改變新能源開發(fā)的數(shù)量和結(jié)構(gòu)特征。與基礎情景相比，區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)大大提高了風電裝機容量（16億千瓦VS25億千瓦 ），略微降低了光伏裝機容量（27.7億千瓦VS26.7億 千瓦）。

圖3. 基礎情景和區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)情景下的2050年風光資源開發(fā)空間格局

接下來，我們選取4種風光滲透率大約60%的情景（即區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)前景、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)+技術進步情景、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)+需求響應情景、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)+技術進步+需求響應情景），并重點分析了這些情景對應的經(jīng)濟性和氣候環(huán)境指標的差異（表1）。這里的經(jīng)濟成本包括發(fā)電成本（用平準化度電成本LCOE衡量）和輸電成本。研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)+技術進步情景下，系統(tǒng)的總成本和平均成本最低（總發(fā)電成本：3.55萬億元；新能源平均度電成本（包括發(fā)電成本和輸電成本）：0.33元/千瓦時），投資回報最高（即滿足總電力需求的1%僅需534億元人民幣）。在氣候和環(huán)境效益方面，我們評估了減少碳排放和減少空氣污染的貢獻。根據(jù)其他研究成果，為實現(xiàn)1.5°C溫控目標，中國的風能、太陽能發(fā)電需要在2050年達到約5.4–9.7 PWh。對應每年排放的CO2減少4.54–8.15 Gt。我們的結(jié)果表明，以上四種方案都可以提供>10 PWh的綠色電力供應，完全可以滿足這一要求。在上述四種方案中，區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)+需求響應方案產(chǎn)生的綠色電力量最大，為10.39 PWh。該情景下，污染物減少最多，二氧化硫和氮氧化物的排放量每年分別減少208萬噸和197萬噸。

表1、風光綠色電力帶來的經(jīng)濟成本和氣候環(huán)境指標的差異

科學規(guī)劃是最大的節(jié)約。

原標題：碳中和目標下，中國風能太陽能開發(fā)的優(yōu)化布局