能源的進化,由技術(shù)迭代和政策變遷共振而來,而重中之重,在于對“系統(tǒng)”與“體系”的深刻理解,在于如何把新型電力系統(tǒng)鑲嵌于現(xiàn)代能源體系之中,并充分發(fā)揮其應有作用。
為應對氣候變化,我國明確提出實現(xiàn)“雙碳”目標的時間表: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。新形勢下,電力行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展亟須解決新定位、新路徑等重點問題,并從工作方法、目標統(tǒng)籌層面創(chuàng)新破題。
新型電力系統(tǒng)構(gòu)建之思
“雙碳“目標下,電力行業(yè)需要明確在新的歷史進程中的新定位,籌謀低碳新路徑。目前,電力行業(yè)二氧化碳排放占比約為40%,這是因為長期以來我國能源消費以煤炭為主,2021年煤炭消費占一次能源消費總量的比重仍高達56%,比國際平均水平高出約30%,其中煤炭50%以上用于發(fā)電。按照國際經(jīng)驗,動力煤集中用于發(fā)電和供熱是相對高效清潔的利用方式,同時各行各業(yè)電氣化水平持續(xù)提升是大勢所趨。因此,電力行業(yè)的碳減排既要考慮逐步減少發(fā)電用煤用氣燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳減量問題,還要考慮其他行業(yè)二氧化碳排放轉(zhuǎn)移到電力行業(yè)的影響。
去年以來,國內(nèi)各類研究機構(gòu)紛紛開展電力行業(yè)“雙碳”目標及路徑研究,也取得了一些階段性成果。我在參與中國工程院重大咨詢專項《我國碳達峰碳中和戰(zhàn)略及路徑研究》電力行業(yè)子課題論證過程中,經(jīng)過一年多的收資、研討和量化分析,取得以下幾點認識:
準確研判電力行業(yè)在“雙碳”戰(zhàn)略中的定位十分重要。電力行業(yè)排放總量大是客觀事實,但其碳減排節(jié)奏和路徑應當算總賬、算大賬,也就是說,電力行業(yè)碳減排進程應取決于國家如何以較低的代價實現(xiàn)“雙碳”全局目標的總體部署。這需要科學的頂層設(shè)計。中央于2021年10月發(fā)布了“雙碳”政策體系的綱領(lǐng)性文件,下一步還要將碳減排總量目標按時間進度分解到各行業(yè)各地區(qū),并建立嚴謹?shù)姆椒ㄕ?,同步推進統(tǒng)計核算與動態(tài)監(jiān)測考核,從而形成閉環(huán)體系。實踐已證明,電力行業(yè)碳減排不等于簡單地去煤電,新能源增長需要與電源組合、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)布局調(diào)整以及負荷的能動性相匹配,電力的清潔低碳轉(zhuǎn)型絕不可能一蹴而就,而需要經(jīng)歷一個漸進的過程。未來相當長時期內(nèi),電力行業(yè)要承擔其他行業(yè)電氣化帶來的碳排放轉(zhuǎn)移,新增電能需求難以完全由非化石能源發(fā)電滿足,電力行業(yè)排放達峰滯后于其他行業(yè)更符合規(guī)律,也有助于全社會提前達峰。
合理調(diào)整以煤電為主的發(fā)電量結(jié)構(gòu)是最大難題。煤炭的供需平衡和煤電的穩(wěn)定運行事關(guān)我國能源安全及電力供應安全。國際上正經(jīng)歷去煤化的浪潮,目前我國煤電發(fā)電量占比超過60%,整體上也面臨逐步減量的壓力。由于新能源發(fā)電的間歇性和波動性特征,電力系統(tǒng)高峰時段的電力電量平衡問題異常突出,煤電承擔靈活調(diào)節(jié)和電力平衡的功能越來越顯著。在電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型過程中,穩(wěn)妥處理好煤電發(fā)電量逐步消減和電力保供的關(guān)系至關(guān)重要。新能源發(fā)電量對煤電發(fā)電量的平穩(wěn)替代方案必須經(jīng)過全方位謹慎分析論證。2021年下半年,國內(nèi)由于缺煤停機而產(chǎn)生限電現(xiàn)象,歐洲由于新能源發(fā)電量不足疊加油氣供應短缺不得不增發(fā)煤電,這些均表明傳統(tǒng)化石能源的減量退出必須以保障能源電力供應安全為前提。
電力行業(yè)碳減排采用“先慢后快”路徑總體更優(yōu)。按照2060年電力系統(tǒng)實現(xiàn)碳中和目標考慮,假設(shè)碳減排存在“先慢后快”“勻速下降”和“先快后慢”三種路徑,在碳預算總量不變的情況下,經(jīng)過比較論證,結(jié)果顯示:“先慢后快”路徑的技術(shù)經(jīng)濟綜合評價相對更好。
原因有三點: 一是電力行業(yè)碳減排的節(jié)奏必須以確保電力供應安全為先決條件,我們對新能源的高速增長帶來的正反兩方面效應,現(xiàn)階段的認知還不夠清晰;二是新型電力系統(tǒng)需要的低碳技術(shù)尚處于攻克突破階段,比如CCUS(碳捕集利用與封存)技術(shù)、規(guī)?;滦蛢δ芗夹g(shù)、大規(guī)模波動綠電制氫技術(shù)、大容量柔性直流輸電和組網(wǎng)技術(shù)、電力系統(tǒng)基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)運行控制集成技術(shù)等,這些技術(shù)要么不成熟,要么應用推廣成本令企業(yè)不堪重負;三是制約電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的體制機制因素也不容忽視,相關(guān)政策的效果還需要實踐檢驗。
推進供需兩端多元化發(fā)展是兼顧電力保供和低碳轉(zhuǎn)型的良方妙藥。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)要發(fā)輸供用瞬時平衡,維持頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和功角穩(wěn)定。近年來,為應對新能源出力不穩(wěn)定的新概念不斷涌現(xiàn),譬如,高彈性電網(wǎng)、高韌性電網(wǎng)、發(fā)電與用電解耦等。經(jīng)過研究我認為,在電力供應側(cè),除了大力發(fā)展新能源,還必須強調(diào)存量和增量匹配、各類發(fā)電組合優(yōu)化。積極推進剩余水電資源開發(fā),安全有序發(fā)展核電,因地制宜發(fā)展氣電,合理統(tǒng)籌抽水蓄能和新型儲能發(fā)展,這些舉措一個都不能少。
需要強調(diào)的是,2030年前,需要建設(shè)一批高參數(shù)且具備深度調(diào)節(jié)能力的煤電機組,還要抓緊對規(guī)模龐大的煤電機組分類實施靈活高效的技術(shù)改造。電網(wǎng)環(huán)節(jié),應進一步加強區(qū)域和省間的電力交換能力,擴大西電東送規(guī)模。同時,配電網(wǎng)與新能源融合發(fā)展空間巨大,應調(diào)整過去的發(fā)展思路,促進新能源和新業(yè)態(tài)融合發(fā)展、同步增長。
面向需求端,我們一定要轉(zhuǎn)變觀念。過去相當長時期內(nèi),全社會都把重點放在擴展供應能力上。今后進入高質(zhì)量發(fā)展階段,應對新能源的波動性需要多管齊下,采用市場化辦法充分調(diào)動用戶端資源參與電力電量平衡,不失為投入產(chǎn)出效益較佳的選擇。預計2030年、2060年需求側(cè)可利用規(guī)模將分別達到系統(tǒng)最大負荷的6%、15%以上。在需求側(cè)響應資源中,空調(diào)負荷和部分工業(yè)生產(chǎn)負荷應被優(yōu)先調(diào)用,通過電價等經(jīng)濟激勵信號促進用戶改變用能計劃,有效降低負荷峰值。“十四五”期間,一方面應加快需求響應的市場機制建設(shè);另一方面還要做好有序用電預案保底,以此應對極端天氣和新能源連續(xù)低出力所引發(fā)的大規(guī)模缺電風險。
規(guī)劃方法創(chuàng)新之策
過去我們常說,規(guī)劃的節(jié)約是最大的節(jié)約,規(guī)劃的浪費是最大的浪費,對于電力規(guī)劃而言更是如此。電力行業(yè)是裝備密集型產(chǎn)業(yè),具有建設(shè)周期長、技術(shù)要求高、資金投入大的特點。電力發(fā)展容易產(chǎn)生路徑依賴和沉沒成本,一旦規(guī)劃出現(xiàn)較大偏差,損失不可低估。
新形勢下,傳統(tǒng)的電力規(guī)劃方法存在局限性。傳統(tǒng)的電力規(guī)劃方法的 核心要義是研究在規(guī)劃期內(nèi),基于一定的邊界條件,在滿足系統(tǒng)電力電量平衡要求和發(fā)用電可靠性要求的情況下,優(yōu)化確定總成本最低的電源電網(wǎng)擴展方案。從規(guī)劃周期看,我國中長期規(guī)劃一般為5~15年,政府發(fā)布的往往是五年規(guī)劃。
在能源轉(zhuǎn)型和市場經(jīng)濟環(huán)境雙重疊加下,傳統(tǒng)的電力規(guī)劃方法存在不適應性。
一是新能源大發(fā)展使得傳統(tǒng)確定性規(guī)劃方法面臨新難題。做好電力規(guī)劃的基礎(chǔ)工作在于電力電量平衡,大部分傳統(tǒng)電源都是確定性電源,均是可調(diào)可控的,即使是水電,其發(fā)電過程也可按照豐水、平水、枯水期分別考慮參加電力電量平衡。但新能源大量并網(wǎng)后的情況不一樣了,新能源的出力隨機性強,在規(guī)劃階段的年出力只能依據(jù)歷史數(shù)據(jù)和預測模型給出概率性判斷,尤其是風電年出力曲線存在很大的不確定性。規(guī)劃與調(diào)度運行的最大不同是規(guī)劃決定裝機增量,調(diào)度運行決定存量和增量機組如何使用。新能源的電量價值遠高于容量價值,意味著按照備用率指標或可靠性指標,在安排大規(guī)模新能源裝機的同時,不得不配置參與電力平衡的常規(guī)機組和儲能設(shè)施。這種配置和組合很難用確定性方法進行量化分析。
二是電力市場發(fā)展會對傳統(tǒng)的電力規(guī)劃方法造成一定影響。傳統(tǒng)的電力規(guī)劃方法是根據(jù)專家經(jīng)驗,擬訂滿足目標要求的幾種方案,在規(guī)劃期內(nèi)將各類發(fā)電裝機、輸配電工程的固定成本和運行維護成本集合歸算到基準年總費用,一般情況下推薦總費用最低的規(guī)劃方案。上述計算是通過規(guī)劃與生產(chǎn)模擬軟件工具完成的,起關(guān)鍵作用的是假定的基礎(chǔ)邊界參數(shù)。隨著電力市場的建立健全,發(fā)電機組的上網(wǎng)電價和發(fā)電量由過去的指令性計劃安排逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌鰶Q定,有的專業(yè)人士開始懷疑當初確定的規(guī)劃方案是否合理。我認為,規(guī)劃方案考慮的系統(tǒng)運行方式屬于典型的運行方式,沒有必要也不可能涵蓋市場運行和調(diào)度運行方式的千變?nèi)f化。但在規(guī)劃方案中確有必要考慮市場化因素,比如電價與成本的關(guān)系、短期邊際成本競爭與輸電能力匹配的關(guān)系、需方響應功率與最高負荷預測的關(guān)系,進而進行敏感性校核,那么規(guī)劃選擇的電源電網(wǎng)配置方案的偏差就會大幅縮小。
新形勢下做好電力規(guī)劃,首先要考慮電力規(guī)劃方法的探索創(chuàng)新。應當把握好以下兩點。
第一,電力規(guī)劃要從過去的確定性方法調(diào)整為確定性方法與概率性方法并重。過去,規(guī)劃設(shè)計單位開展電力規(guī)劃研究時,只有負荷曲線是不確定的。一般按照最高負荷需求,考慮合理的各類備用后優(yōu)化安排各類新增裝機規(guī)模,同時輸電網(wǎng)按照適度超前電源的原則安排擴展規(guī)模,這是確定性規(guī)劃方法的基本內(nèi)核。有的機構(gòu)也采用發(fā)電系統(tǒng)可靠性方法(LOLP值)對系統(tǒng)裝機充裕度進行校核。今后,隨著新能源裝機比例持續(xù)上升,需要創(chuàng)新方法工具研究規(guī)劃方案。目前,風電可用出力一般按裝機規(guī)模的10%~15%考慮,光伏按零出力考慮(晚高峰時段光伏零出力),算出的規(guī)劃方案比較保守,可能會損失一定的經(jīng)濟性。國際上越來越多的研究表明,基于概率性指標,提出新能源在高峰時段參加電力平衡的出力波動范圍,這樣可以有效地發(fā)揮新能源的容量支撐功能,適度減少其他新增的調(diào)節(jié)電源,從而達到電力規(guī)劃方案的充裕性、可靠性和經(jīng)濟性的平衡。下一步重點是在實踐中開發(fā)迭代升級相應的規(guī)劃設(shè)計軟件工具。
第二,“雙碳”背景下的電力規(guī)劃要做到多重目標的統(tǒng)籌兼顧。首先,面對新形勢,電力發(fā)展的任務必須滿足幾個目標,一是安全保供,二是低碳轉(zhuǎn)型,三是向用戶提供可承受的電價,四是滿足用戶多樣性個性化需求。在發(fā)展的不同階段,這幾個目標的重要性和約束性也是不同的。比如,近中期,安全保供將成為突出矛盾。受新冠肺炎疫情持續(xù)肆虐和地緣政治沖突影響,電力安全保供面臨一系列風險與挑戰(zhàn),包括一次能源供應不穩(wěn)定、價格上漲,包括新能源發(fā)電的不可預期和極端天氣造成的電力設(shè)施損壞,還包括政府、企業(yè)及社會預警應急的協(xié)同能力不足等。其次,國內(nèi)專業(yè)機構(gòu)研究表明,隨著新能源裝機比例上升,至少在2030年前國內(nèi)電力系統(tǒng)的總體成本是上升的,近年來德國和英國的實踐經(jīng)驗也佐證了這一點。成本上升問題也是近中期規(guī)劃難點,政府部門應遵循電能的商品屬性原則,在終端電價中適時疏導成本。最后,伴隨著分布式新能源的蓬勃興起,大電網(wǎng)與微電網(wǎng)并行融合是大趨勢,一批“產(chǎn)消者(Prosumer )”用戶應運而生。綜上所述,低碳轉(zhuǎn)型的目標是一個長期目標,急不得也等不得。新形勢下研究電力發(fā)展方案,面臨的目標函數(shù)是多元復雜的,必須統(tǒng)籌兼顧,分清主次,通過多因素敏感性分析給出各種方案的選擇要點。
(作者系國網(wǎng)能源研究院原院長,本文僅代表個人觀點)
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