碳中和论文｜中国电力供应成本增加以实现碳中和

　　当前，我国政府已经为全社会的能源低碳转型设定了明确的“3060目标”，即2030年前实现碳达峰，争取2060年前实现全社会碳中和。我国电力系统目前的年碳排放占到全社会总碳排放量的40%以上。虽然我国电力系统中的可再生能源装机容量目前已经位居全球第一，但要实现电力系统的碳中和仍然要求其形态结构在未来30~40年内有跨越式的转变。2030年短期规划要求风光总装机要达到12亿千瓦以上。实现电力系统的高比例可再生能源渗透将成为全社会实现碳中和道路上的重要组成部分。

　　该研究针对碳中和目标下电力系统形态结构与供电成本变化进行实证分析。研究基于考虑可再生能源赋的电力系统“源-网-储”联合优化规划模型展开。规划模型整体结构如图1所示，包含数据库平台、数学优化建模求解、输出结果分析三个部分。数据库平台作为输入，提供我国电力系统的当前状况和未来发展的边界，包括可再生能源资源赋、电源电网现状、当前技术经济性参数及其未来变化预测、负荷曲线与增长预测等等。数学优化模型是一个多时段电源电网扩展优化规划模型（Generation and transmission expansion planning, GTEP)。GTEP 综合输入数据，对全国各省可再生能源资源储量，风光能源供给曲线类输电线路设备特性在模型中精细化建模。同时考虑惯性、系统装机备用、碳排放限制等多项高比可再生能源渗透电力系统的关键约束。

　　图2展示了GTEP模型优化计算得到的2050年各碳排放情景电源装机结构和与发电结构。对于实现完全碳中和的CN2050场景，2050年的总装机容量将达到2020年水平的3.7倍，电源组成发生结构性改变。碳减排目标主要影响煤电和可再生能源之间的投资决策。在没有碳排放约束的BAU场景中，2050年煤电装机容量从2020年的1104.5GW增加到1409.4GW,仍占发电总量的43.9%，依然属于主体电源。相比之下CN2050场景中，煤电在2035年后开始大规模降低利用小时数运行或直接退役。在NDC和GM2.0场景下，2050年煤电装机容量分别保持有910.0GW和155.9GW。

　　以光伏和风能为代表的VRE机组，在碳中和与其他减排场景中将作为主要的电源补充煤电机组退出所带来的电量缺额。即使在BAU场景下，由于VRE在规划阶段后期的投资成本已经足够低，其在后期也将大量开发，到2050年风光总容量将达到2485.9 GW，其发电量将占到总发电量的 32.8%。碳减排目标将推动VRE提前大量地建设。到2050年， 对于CN2050场景， VRE电量渗透率在2050年达到72.8%, 光伏和风电装机容量之和将达到2020年VRE容量的10倍。

　　图3展示了CN2050情景下2050年各省的电源装机结构，据此可以直观看到VRE机组在全国地理上的分布情况。由于经济可开发容量大、LCOE较低，陆上风电规模较大的地区包括甘肃、新疆、内蒙古，东北三省等地。另有少数陆上风电分布在沿海省份。海上风电集中分布在山东、长三角、珠三角等三大沿海负荷中心地区，海上风电占总风电装机的11.3%。相对于风电，光伏机组在全国各省的LCOE成本差别较小且各地可开发容量普遍较大，因此各省光伏装机容量的差异并不像风电那样显著，主要负荷省份均有大量光伏装机。集中式光伏装机容量较大的省份主要分布在我国第一阶梯高海拔地区，例如新疆、宁海、四川、内蒙、云南等。在华中与华东地区，虽然光伏资源质量相对较差，但仍有大量分布式光伏机组投建。CN2050场景中，集中式与分布式光伏的比例约为2.89：1。

　　图4展示了CN2050情景下供电成本的构成变化。与形态结构变化的主体一致，供电成本的结构变换源于可再生能源装机容量的增长和煤电的减量运行与逐步退役。由于煤电发电占比的下降，供电成本中的运行成本占比持续下降，而维护和投资成本不断增长，2050年运维成本在供电成本中的数值超过了运行成本。

　　图5展示了不同因素对供电成本变化的贡献。由图可知，这些变化主要由三个因素驱动：煤电的减量运行与逐步退役导致的相关成本下降、风光可再生能源装机增加以及相关外部成本导致的成本增加。促使供电成本下降的所有因素共带来了25.8CNY/kWh的成本下降，其中大部分与煤电运行成本和投资成本下降有关，前者占主导大约为18.8CNY/kWh。

　　风电和光伏发电是驱动低碳减排的主要因素。由于两者运行成本为零，其装机容量增长不会导致运行成本的增加。然而，由于风电和光伏发电的低容量因数(即低利用小时数)，实现碳中和需要超过5.8TW的可再生能源装机，相比2020需要近10倍的装机容量增长。因此，即使可再生能源单位投资成本按目前预测趋势下降，在供电成本中其对应的投资和运维成本也将增加。在高比例可再生能源渗透的电力系统中，保障系统安全和稳定需要配备额外的灵活发电资源和区域间网络传输通道。供电成本结构中新增天然气发电、生物质发电、储能系统、CSP和线路扩建将导致共同导致供电成本增加18.4CNY/kWh。这一数值反映了间歇性可再生能源接入带来的外部成本，考虑到可再生能源的时空不平衡和低惯量特性，电力系统规划和运行将必然导致结果成本增加。