西北地区电力系统低碳转型探索：打造零碳电力系统的青海样本

打造零碳电力系统的青海样本 西北地区电力系统低碳转型探索 —— 2022.11 关于落基山研究所（RMI） 落基山研究所(RMI)，是一家于1982年创立的专业、独立、以市场为导向的智库。我们与政府部门、企业、科研机构及创业者协作，推动全球能源变革，以创造清洁、安全、繁荣的低碳未来。落基山研究所致力于借助经济可行的市场化手段，加速能效提升，推动可再生能源取代化石燃料的能源结构转变。落基山研究所在北京、美国科罗拉多州巴索尔特和博尔德、纽约市、加州奥克兰及华盛顿特区设有办事处。 作者与鸣谢 作者 落基山研究所：陈梓浩，高硕，刘雨菁，刘子屹，周勤北京清大科越股份有限公司：陈燮明 其他作者 落基山研究所：李婷，姚远 北京清大科越股份有限公司：程翠，倪晖 作者姓名按姓氏首字母顺序排列。 联系方式 刘雨菁，yujingliu@rmi.org；刘子屹，zliu@rmi.org 版权与引用 刘雨菁，刘子屹，周勤等.西北地区电力系统低碳转型探索——打造零碳电力系统的青海样本，落基山研究所，2022 鸣谢 本报告作者特别感谢以下来自企业和研究机构的专家对报告撰写提供的洞见与建议。 李洛，中国电建集团青海省电力设计院有限公司李剑，国家电网青海省电力公司 李明全，北京航空航天大学经济管理学院李宁君，中国水电工程顾问集团有限公司金建祥，浙江可胜技术股份有限公司 章颢缤，浙江可胜技术股份有限公司 特别感谢ClimateWorksFoundation对本报告的支持。 本报告所述内容不代表以上专家和所在机构，以及项目支持方的观点。 目录 8 导言6 一、青海省建设零碳电力系统的雄心与优势..................................... 1.1青海电力系统转型目标8 1.2青海电力系统转型的供给侧优势11 14 1.3青海连续绿电试点的经验及潜力11 二、建成零碳电力系统的挑战....................................................... 2.1实现大规模可再生电力的生产消纳和外送14 2.2满足高比例可再生电力系统的灵活性需求14 2.2.1时间维度灵活性不足14 2.2.2空间维度灵活性不足16 18 2.3高比例可再生电力系统的运行挑战17 三、建成零碳电力系统的技术路径...................................................... 3.1技术趋势与情景设计18 3.1.1新型零碳调节技术的现状与展望19 3.1.2模型情景设计23 3.2仿真结果分析与对比25 3.2.1基准政策情景下的潜在挑战25 3.2.2不同储能配比情景26 3.2.3光热规模化开发情景28 3.2.4氢能替代零碳情景30 3.2.5外购电碳强度的敏感性分析33 3.3总结与建议34 3.3.1波动性和调节型新能源需均衡发展34 3.3.2建设多元储能体系是保障系统灵活性的关键35 3.3.3寻求外送曲线的主动权和调整灵活性38 3.3.4积极引导煤电角色转变降低资产搁浅风险39 40 四、支撑零碳电力系统的电力市场建设.................................... 4.1建设电力市场的必要性40 4.2完善中长期交易市场42 4.2.1新增交易品种及交易周期42 4.2.2完善中长期市场交易机制42 4.3加速建设省内现货市场43 4.3.1现货市场模式设计43 4.3.2现货市场主体44 4.3.3现货市场网络模式44 4.3.4现货市场价格机制45 4.4多元化发展省内辅助服务市场45 4.4.1调整及丰富省内辅助服务市场机制45 4.4.2辅助服务市场设计主要原则48 4.5探索容量补偿机制及容量市场49 4.6积极参与省间现货市场51 4.7零碳电力系统市场机制的实施路径54 4.7.1“十四五”时期：全面建设适应高比例清洁电力的市场机制56 4.7.2“十五五”时期：进一步完善青海电力市场体系56 五、结语58 参考文献60 导言 随着2021年《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动方案》的出台，“双碳”工作完成了政策层面的顶层设计，各地区、各行业陆续出台具体的实施意见和实施方案，推动了碳达峰和碳中和工作进程从理念探索转向具体行动。 在地区层面，西北地区幅员辽阔，风、光等可再生能源资源丰富，是国家风电与光伏基地开发的重点地区。“十四五”期间重点发展的七个新能源基地中，新疆、黄河上游、河西走廊、黄河几字弯共四个新能源基地地处西北地区，凸显了西北地区在“双碳”进程中的区位优势和重要性。 在行业层面，电力行业在“双碳”进程，尤其是碳中和进程中扮演着至关重要的作用。在电力、工业、交通、建筑等重点碳排放行业中，电力行业向近零碳、零碳方向转型的路径相对清晰，技术成熟度也相对较高。同时，低碳电力的大规模发展也为其他终端用能部门通过电气化迈向碳中和提供了可行的路径支撑。 落基山研究所在近期的研究中，已经针对西北地区和电力行业的低碳转型进行了诸多探讨。《电力增长零碳化 （2020-2030）：中国实现碳中和的必经之路》和《电力市场与电价改革：通向零碳电力增长和新型电力系统的必由之路》两份报告在全国层面探讨了零碳电力增长在技术与机制方面面临的挑战和应对措施。《西北地区碳中和：路径与系统性转型探索》和《西北地区电力系统低碳转型探索——以陕西省2021-2030年转型路径为例》两份报告分别就西北地区的中远期能源转型路径和重点省份的近中期电力转型路径进行了分析阐释和仿真模拟。 在《西北地区电力系统低碳转型探索——以陕西省2021-2030年转型路径为例》报告中，我们聚焦于西北区域煤炭资源禀赋高、煤电装机比例最大的陕西省，基于现状与预测，依靠仿真分析等量化手段，借鉴国内外电力行业发展的经验，阐释了2020年代陕西省电力系统转型情景，探讨了政策与市场双轨支撑的关键方面，同时为煤电依存度较高省份和地区的“先立后破”转型路径提供思路和方案。 与之相对，本报告将重点关注西北地区乃至全国范围内清洁能源发展水平最高的省份——青海省，探索高比例可再生能源电力系统向零碳电力系统转型中的挑战与解决方案。 青海是全国清洁电力发展的领跑者。青海2021年清洁电力发电电源占比已达90.8%，电量占比已达到85.5%，在各省、自治区中位列第一，也处于全球领先水平。自2017年起，青海在每年的丰水期都开展了全清洁能源供电示范，供电时间不断延长，从最初的“绿电7日”，逐渐发展至2022年的连续35日清洁供电。 青海建设零碳电力系统具有得天独厚的优势。依托优异的清洁电力资源，青海省在开发风力发电、太阳能发电电源方面有着巨大潜力，水电在中短期内进一步开发的潜力也相当可观。青海省在过去几年的全清洁能源连续供电示范，也帮助西北电网和青海省网积累了在超高比例可再生能源条件下调度运行的宝贵经验。 得益于此，青海省人民政府会同国家能源局提出将青海打造成为国家清洁能源产业高地，并在全国范围内率先提出了“打造零碳电力系统”“实现煤电电量清零”等目标，成为了碳中和目标下电力系统零碳转型的先行者。青海的零碳电力转型实践不仅有利于本地区低碳发展，更会通过大规模清洁电力外送，帮助中东部省份实现电力消费低碳化。 行百里者半九十，虽然青海省清洁电力装机与发电量占比均已达到九成左右，但在实现完全脱碳的道路上仍需应对诸多更具挑战性的难题。事实上，无论从经济角度还是技术角度，未来十年打造零碳电力系统的过程都将 比既往高比例可再生能源发展过程更具复杂性和挑战性，这也凸显了青海打造零碳电力系统样本对全国乃至全球的意义。 为了更好地助力青海电力系统向近零碳和零碳方向转型，本报告立足于青海电力系统发展现状，以既有的政策目标为导向，系统性地识别了可再生能源电力生产消纳、电力供需的时空间灵活性和高比例可再生电力系统安全稳定运行的三个层面的挑战。本报告借助定量化系统建模与场景仿真和结构化的定性分析方法，综合技术、市场、政策和社会经济视角，重点从电源发展和电力市场发展两个维度，面向上述挑战提出针对性的解决方案。 在电源和储能发展方面，本研究结合青海实际，充分考虑青海可再生能源的资源优势，依托年度8760小时仿真运行模拟，对光热发电、氢电耦合和大规模储能等具有地方发展潜力的解决方案进行了前瞻性分析。在电力市场方面，本报告以2025年和2030年作为标志性时间节点，勾勒了电力市场建设和完善两个阶段的着力点和关键内容，并重点阐释了辅助服务和容量价格机制的多元化发展在高比例可再生能源电力系统中的应用方式与意义。 综合定量与定性的分析与讨论，我们认为从现在到2030年，以下四个方面有的放矢的举措，将帮助青海更经济、更可靠地构建零碳电力系统。 •充分发挥自身优势，均衡发展波动型与调节型新能源：在既有风电、光伏波动性电源发展的基础上，结合自身气候和土地优势，推进包括光热在内的调节型新能源电源建设，依托地方补贴、优惠或试点激励等措施，引导调节型新能源电源的投资，促进其规模化应用，提升系统灵活性。 •建立多元化储能体系，兼顾不同时间尺度的差异化灵活性需求：适度提高电化学储能规模，提升风电、光伏日内调节能力，降低弃风弃光水平，平滑日内电力生产曲线；引导发展氢能技术，依托氢作为分子燃料的储运优势，借助绿氢制备技术和氢燃机技术，支持长时间、跨季度的灵活性需求。 •推动省内电力价格机制改革，建设与零碳电力系统需求相匹配的电力市场：构建“中长期交易+现货+辅助服务+容量”的市场体系，基于新能源电源的投资与运营特性，重点推进多年中长期交易合约、辅助服务（ 调频、备用、转动惯量、灵活爬坡）交易和技术中性的容量交易机制以支持新能源发展、系统灵活性和系统充裕性。 •优化省间电力交换机制，充分激发零碳电力跨省流动活力：汇集政策、技术、市场的合力，寻求灵活主动的外送协议、推进零碳电力输电通道建设、参与和优化省间电力市场，全方位提升青海与外部电力交换的弹性，助力零碳电力在更大地理尺度的优化利用。 本报告希望以青海电力系统发展为样本，探索近零碳和零碳能源条件下支持电力系统安全、经济运行的解决方案，为实现全国电力系统低碳发展、支撑国家和省区新型电力系统建设提供有益的经验，助力国家“双碳”目标的实现，同时也为全球电力系统转型提供可借鉴的“中国方案”。 1.青海省建设零碳电力系统的雄心与优势 2020年9月，中国国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”，在2021年3月的中央财经委员会第九次会议提出“实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统”，对能源及电力行业的发展提出了更深入且具体的要求。 在国家中长期目标的定位之下，各省（自治区/直辖市）的计划与行动是切实推动碳达峰、碳中和目标落实的重要保障。一方面，省级电网是中国电力系统运行的核心单元，是电力系统规划、系统供需平衡、频率控制和电力市场建设的最主要模块。另一方面，各地区或省份拥有不同的经济结构、增长动力、资源禀赋等条件，在电力系统低碳转型的共同目标下面临着差异显著的挑战与机遇。 青海省作为我国清洁电力发电占比最高的省份之一，率先提出了打造国家清洁能源产业高地的雄心，特别明确了要在2030年前“基本建成零碳电力系统”、“煤电电量清零”等目标。若该目标达成，青海电网将是国内率先实现煤电电量清零的省级电网之一，这不仅为青海省自身的能源系统转型打下坚实基础，也将通过跨省区的外送通道为我国中东部地区省份提供更强有力的清洁能源支撑。 青海省建设零碳电力系统具有得天独厚的资源禀赋，也已经积累了初步的系统和市场运行经验。从电力供给侧看（详见1.2部分），依靠优异的清洁电力