为实现碳中和目标的电力供应成本上涨

整合间歇性可再生能源电力需要大量额外成本，其中成本来源包括灵活发电资源调度（如常规机组和储能）、负荷中心和可再生能源发电中心的地理不匹配、随着装机容量增加从风光资源较好地区向较差地区转移带来的平准化能源成本（LCOE）上升，以及中国的减碳压力较大，在可再生能源成本完全下降前就需要大量投资。已有研究主要关注中国和世界其他地区的风能和太阳能潜力（自然资源禀赋）及其对可再生能源投资成本的影响，具体体现在对电力系统形态、各国发展比较、环境效益等。为了研究碳中和路径对电力供应成本的影响，卓振宇、张宁等人研究了高渗透率可再生能源情景下的电力系统供应成本变化，该论文以Cost increase in the electricity supply to achieve carbon neutrality in China为题，发表在Nature communications上。

 

本研究全面构建了我国电力系统中长期发展规划所需数据库，除了电力系统模型常见的投资成本、负荷数据，还包括可再生能源潜力、地理特征和人类活动数据。并基于此建立了考虑可再生能源资源禀赋的电力系统中长期转型规划（GTEP）模型来全面评估电力系统的转型成本。

 

在电力系统形态方面，未来的发电装机容量将不断增长，碳中和情景下，2050年总装机容量将是目前容量的3.7倍。从装机容量结构和发电结构来看，碳减排目标主要影响煤电和可再生能源的选择。具体而言，在没有排放约束的基准情景中，煤电装机容量从2020年1104.5GW增长至2050年1409.4GW，发电占比保持在43.9%；相比之下，在碳中和情景中，煤电在2035年之后开始大规模大幅缩减，并于2050年几乎完全淘汰。值得一提的是，由于碳捕获的预计成本较高，采用CCS的煤电在未来应用并不广泛。而对间歇性可再生能源而言，由于成本竞争力逐渐增强，风电和光伏的装机容量不断增长，在基准和碳中和情景下2050年发电占比为32.8%和72.8%。尽管未来间歇性可再生能源的每千瓦投资成本预计将持续下降，但随着总装机容量不断扩张，供电成本将增加。

 

供电成本增加的来源主要包括以下三部分：第一，整合间歇性可再生能源需要灵活发电资源的辅助服务。目前，此类服务主要由煤电提供；随着碳中和目标下煤电的强制退出，碳排放强度较低、灵活性较高的天然气机组将提供辅助服务。在碳中和情景中，燃气机组的排放必须通过采用CCS 的生物质能源发电(BECCS)实现的负排放来抵消。由于中国的天然气和生物质燃料供应相对匮乏、成本较高，也将导致电力供应成本增加。第二，储能系统（ESS）在适应高可再生能源渗透率和确保系统安全方面发挥着关键作用。模型中考虑了抽水蓄能（PHS）和电池储能（BESS）2种储能系统。由于早期间歇性可再生能源渗透率较低且电池投资成本较高，电池储能主要在2030年以后部署。储能系统和聚光太阳能电厂的投资成本反映了整合间歇性可再生能源所需的外部成本，这将在电力供应成本中占据相当大的比例。第三，高渗透率的间歇性可再生能源也增加了对长距离输电的需求。碳中和情景下，中国将新建378.3GW交流和409.9GW直流线路用于省际输电，2050年省际输电量达到6052.73TWh，是2020年的3.79倍，占全年总需求的40.7%。在电力交换格局上，潮流分布延续了目前“自西向东”、“自北向南”的格局。输电的增加也会增加供电成本。

 

需要在低碳目标和总成本之间进行权衡。碳中和情景和基准情景下的电力系统边际碳价格反映了不同排放限额下的碳减排成本。在碳中和要求下，碳中和情景下2050年边际价格达到1444.2元/吨（209.40美元/吨），而2020年中国碳市场实际碳市场出清价格仅为49元/吨（7.1美元/吨）。随着减排要求趋向严格，同等减排量将导致减排成本快速增加。

 

接下来从供电成本组成角度来解释供电成本的变化。供电成本主要由投资成本、运行成本、维护成本三部分组成。投资成本指建造新发电和输电设备所产生的一次项费用，按设备寿命摊销；运营成本指可变成本，包括燃料成本和可变运维成本；维护成本指固定运维成本，即无论是否发电都要产生的运行和维护成本。由于可再生能源的增长和火电机组的退役，运营成本的比例持续下降，维护和投资成本持续增长。到2050年，维护成本将超过运营成本。具体而言，煤电的逐步淘汰导致运营成本（特别是燃料成本）下降，而间歇性可再生能源装机容量扩增及其引起的电力系统灵活性改造和跨区输电网络扩张则提升了投资成本和维护成本。所以，即使可再生能源的单位度电投资成本不断下降，单位供电成本也会增加。

 

本研究有以下几点政策启示：第一，省际输电网络应逐步从单向输电通道转变为不同发电资源之间双向能源共享平台。第二，电力供应成本变化表明应确保可再生能源和电池储能供应链的完整性和适当的政策激励措施。第三，快速的容量和结构变化导致电力供应成本大幅增加。迫切需要一整套包括现货市场、容量市场和辅助市场在内的电力市场机制来反映电价的变化并公平分配相应的利益。首先，现行行政定价方式僵化。例如，尽管可变可再生能源装机容量增长了49.1%，但可再生能源附加费1.9 元/千瓦时自2018 年以来一直没有变化。其次，应建立容量市场和辅助服务市场，将可再生能源高渗透率的外部成本内部化，并将利益公平分配给这些灵活机组。

 

原文信息：Zhuo, Z., Du, E., Zhang, N., Nielsen, C.P., Lu, X., Xiao, J., Wu, J. and Kang, C., 2022. Cost increase in the electricity supply to achieve carbon neutrality in China. Nature communications, 13(1), p.3172. https://doi.org/10.1038/s41467-022-30747-0