净零碳基础设施投资与技术

EU-CHINA EnergyCooperationPlatform中国-欧盟能源合作平台 净零碳基础设施投资与技术 2023年10月 欧盟对外政策工具资助项目 本报告由以下人员编写: PeterBørreEriksen、LarsMøllenbachBregnbækEaEnergyAnalysesLuisBoscán、NinaDupont、LarsPauliBornakEaEnergyAnalyses KaareSandholt中国宏观经济研究院能源研究所中国能源转型项目首席国际专家代红才、张宁、李江涛国网能源研究院 张琳、雷晓蒙、董博、李艺中国电力企业联合会 HelenaUhde中欧能源合作平台 感谢以下研究人员给予的贡献和支持： 张丝钰、张希凤、吴潇雨国网能源研究院 中欧能源合作平台（ECECP）网站：http://www.ececp.eu 电子邮件：info@ececp.eu 中欧能源合作平台于2019年5月15日启动，旨在支持和落实《关于落实中欧能源合作的联合声明》中的举措。ECECP平台的总体目标是加强中欧能源合作。根据《欧洲绿色协议》、欧洲能源联盟、《全欧洲人共享清洁能源倡议》、气候变化《巴黎协议》和欧盟《全球战略》，通过加强合作，增进欧盟与中国之间的互信和理解，为推动全球能源向清洁能源转型，建立可持续、可靠和安全能源系统的共同愿景做出贡献。ECECP二期项目由ICF国际咨询公司和中国国家发展和改革委员会能源研究所共同实施。 免责声明 本报告中所述信息和观点均为作者观点，并不一定反映欧盟、中国国家能源局或ECECP的官方意见。欧盟、中国国家能源局或ECECP均不对本研究相关数据的准确性负责。欧盟、中国国家能源局、ECECP或其任何个人代表概不对报告信息的使用负责。有关ECECP的更多信息，请访问官方网站(http://www.ececp.eu)。 ©欧盟2023。版权所有。 英文编辑：HelenFarrell，中文编辑：赤洁乔 执行摘要 中国和欧盟分别制定了雄心勃勃的目标，旨在到2060年和2050年实现净零碳排放。许多研究指出，高比例的可变可再生能源（VRE）和终端耗能行业的电气化是脱碳的关键，而电力多元转换（P2X）和碳捕集、利用和封存（CCUS）则是难以减排行业（钢铁、水泥、重型交通等）的关键技术。 电力系统面临的一个主要挑战是，如何在化石能源发电量极低的情况下，整合大量的可再生能源并确保系统的充裕性。此外，电力系统的模型需要更多考虑消费侧（包括CCUS和P2X）的情况。因此，需要协同优化电力、天然气、绿色气体和液体燃料基础设施。建模分析对于确保成功的部门整合和能源载体之间的最佳协调至关重要。 本报告是中欧能源合作平台（ECECP）项目B2.6《净零碳基础设施投资与技术》的最终报告。该项目旨在促进欧盟与中国在实现净零碳目标方面的合作。项目认为，只有通过合作才能将促进能源系统的碳中和转型。 该项目介绍了在自由化市场条件下中国电力和天然气行业的综合模型。根据建模结果，评估了系统整合（通过部门耦合、P2X和氢来加强能源储存）对碳中和目标的影响/益处。 项目首先对以下方面进行了评估和比较，作为建立中国能源系统综合模型的背景信息： •欧洲和中国碳中和能源系统情景； •中国和欧洲的发电规划； •中国和欧洲的CCUS、P2X和氢能部署。背景研究的启示如下： •中国和欧洲的情景设定都聚焦二氧化碳的净零排放（中国是在2060年，欧洲是在2050年）。 •未来的一个关键挑战是如何平衡可变可再生能源（风能和太阳能）发电与灵活需求之间的关系；在以可变可再生能源为主的系统中，系统的充裕性至关重要。 •P2X和CCUS是难以减排的经济领域（直接电气化难以实现）脱碳的必要技术；这些技术必须在中国和欧盟迅速大规模部署。在此过程中，合作至关重要。 中国电力与天然气行业综合建模——建模方法 鉴于整合可再生能源拥有诸多益处，本研究探讨了对多个能源领域进行整合的协同效应和潜在的机会。通过采用这种综合性的建模方法，强化部门耦合的潜力将得以释放，从而有利于促进可再生能源的无缝整合，并最大限度地提高能源系统的整体效率。 为了了解综合建模的影响，本报告考虑了以下几种情景: •情景0：该情景基于不考虑天然气管道基础设施的前提，其中天然气消费（在供热和电力领域）根据省级外生价格进行优化。这意味着各省之间二氧化碳和X燃料（电制甲醇、氨和氢）的运输是基于单位燃料单位距离的可变运输成本，而不受管道容量的限制。 •情景1：综合考虑天然气基础设施与第三国相连的进出口管道、LNG终端，以及各省之间的管道容量限制，但不考虑二氧化碳和X燃料管道基础设施，即二氧化碳和X燃料的运输与CETO2023基于CNS2的参考情景0一样。这一情景不涉及对天然气基础设施进行额外投资，而只涉 3 及对二氧化碳、电制甲醇、氨和氢能基础设施的投资。这是因为情景假设从一开始便认为由于碳中和要求，化石燃料天然气的消费正在减少。 •情景2：二氧化碳、电制甲醇、氨和氢的省间运输受到管道容量的限制。建设额外的管道容量被确定为一种内在的投资选择，然而，与不使用管道的经济成本相比，使用管道的经济成本在优化过程中基本可以忽略不计，因为管道一旦建成，利用率可能会非常高。天然气管道基础设施如场景0所示。 •情景3：考虑与天然气、二氧化碳和P2X相关的传输基础设施。与情景1一样，此情景不涉及对天然气基础设施进行额外投资，只涉及对二氧化碳、电制甲醇、氨和氢能基础设施进行投资。 情景假设的目的是为了研究不同建模方法的具体影响。首先，通过比较情景1和情景0，可以单独看出仅增加考虑天然气管道基础设施对建模方法的影响。其次，通过比较情景2和情景0，可以看出考虑管道容量和投资对二氧化碳、电制甲醇、氨和氢的利用和运输的影响。第三，通过比较完整基础设施的情景3与情景0，可以看出考虑管道容量和投资对天然气以及二氧化碳、电甲醇、氨和氢的利用和运输的影响。 建模的主要成果 本项目的一期合作研究报告题为“ENTSO-E中国电网规划建模演示”，重点关注在中国电网规划过程中使用ENTSO-E的方法进行成本效益分析。在一期研究成果的基础上，本项目扩展了综合能源系统方法的概念，以突显综合系统建模方法的影响。 鉴于对可再生能源整合潜在优势的认可，本研究通过对诸多能源领域的整合来探讨协同效应和机会。通过采用综合方法，增强部门耦合的潜力得以释放，从而促进可再生能源的无缝整合，并最大限度地提高整体系统效率。通过综合全面的分析，报告旨在为优化能源系统规划过程，实现更加可持续和更具韧性的能源未来提供有价值的见解。 正如研究结果所示，综合能源系统的方法可以提高系统运行效率，促进可再生能源整合，提高系统的灵活性和韧性，实现部门耦合和电气化，优化成本，并为协调的政策和规划提供支撑，从而有助于我们更快速地实现净零排放目标。 通过将考虑物理传输基础设施的情景（SC1、SC2、SC3）与不考虑物理天然气和X-管道的情景（SC0）进行比较，突出了采用综合建模方法的优势。 从建模的结果中我们可以看到管道表象反映了不同形式能源商品运输之间的竞争。完整基础设施情景（SC3）下的输电容量低于仅考虑电网作为基础设施进行优化的情景（SC0），我们可以看到在西北适合建造更多的氢气管道，而华北的氢气管道建设则相对较少，这显示出具有高可变可再生能源潜力的省份，如新疆、青海和甘肃，是氢能基础设施部署的理想选址，既可以满足本地需求，还能够供应给北京、河北和天津等能耗较高的地区。 结果表明，在考虑物理传输基础设施的情况下，X管道的利用率明显更高。原因是，一旦管道建成，其后续使用几乎是免费的。这一点可以从对青海省的建模结果中得到证明，不同情景的建模结果显示了不同情景之间存在着显著差异。在2030年到2060年期间，在考虑基础设施的情景（SC2、SC3）中，氢气管道的容量和利用率明显高于未考虑氢能基础设施的情景（SC0）。 同时，在是否考虑天然气管道基础设施的两种不同情景下，模型中用于发电的天然气消费量有很大不同。在考虑天然气管道（SC1和SC3）的情况下，天然气用于发电的比例更高，因为只要现有的天然气基础设施仍然在排放限制范围内，就可以继续使用且这样有利于节约成本。 在所有的模型中，二氧化碳捕集和封存设施将主要安装在到2060年仍有碳排放的重工业地区。此外， 4 捕集技术也可以用于生物质发电厂。捕集的二氧化碳可被封存或进一步利用，从而实现负排放。投资建造的管道可将捕集的二氧化碳与具有碳封存潜力的地区相连。 总体上，二氧化碳输入和捕集量大的省份具有较高的封存潜力。显然，华中，华北和南方地区的高负荷省份主要以二氧化碳输入为主，而东北和西北省份则以输出为主。 这些例子表明，采用综合系统建模方法能够更好地展示现有资源并确保它们能够得到有效利用，助力能源系统的低成本转型，以达到净零排放目标。 在追求净零排放目标的过程中，能源建模通常聚焦电力部门，这是因为人们对如何减少电力系统碳排放以及相关的成本和挑战都已有了明确的认知和理解。然而，对于那些难以减排的部门，则需要综合考虑能源供应链、资源、技术、系统效率和部门耦合。 如分析所示，P2X和CCUS只有在投入成本低、价值流整合的情况下才具有成本效益。碳捕集和封存被视为电力部门负排放的主要解决情景，但成本高昂且能源密集。然而，这些方法为也提供了灵活的机会来支持能源转型，即使经常被忽视。 为了以合理的经济成本实现零碳能源系统，关键能源基础设施的优化使用和发展至关重要。为此，需要联合优化天然气和电力基础设施，以使现有设施得到更有效的利用，并促进天然气作为过渡燃料的使用。要建立零碳能源系统，将需要大量新的基础设施和投资来实现。 本研究通过展示中国电力、天然气和P2X行业的综合建模方法，旨在加深人们对未来能源基础设施投资、运营规划和更协调的监管等方面的理解。 中欧能源合作平台（ECECP）发布的B2.6“净零碳基础设施投资与技术”最终报告，不仅展示了综合能源系统建模的实施路径，更是代表了欧洲和中国之间在能源建模方面的一次成功合作。项目揭示，只有通过紧密合作才能成功实现能源系统向气候中和的方向转型。 然而，实现净零碳能源系统的时间非常有限，如果每个国家都独自开发技术，将很难达成目标。没有中国的参与，欧盟将难以实现其气候目标；同样，中国在实现碳中和目标的道路上也不可能独善其身。 5 目录 1.概述1 2.中国实现碳中和的主要概念2 3.中国和欧盟碳中和能源系统情景13 3.1中国能源系统情景13 3.2欧洲能源系统情景：ENTSO-TYNDP及欧盟委员会情景28 4.碳中和与电力市场改革背景下的发电规划33 4.1能源转型背景下的电力安全33 4.2中国的发电规划35 4.3中国能源系统面临的主要挑战46 4.4欧洲的发电规划51 4.5欧盟发电充裕性评估57 4.6可比性/讨论62 5.CCUS、P2X、氢能在中国和欧盟的应用65 5.1碳捕集、利用和封存（CCUS）65 5.2P2X82 5.3中国能源转型展望中的P2X和CCUS92 6.中国净零碳基础设施的建模与规划97 6.1目标97 6.2CETO2023和ECECP净零碳基础设施项目中的建模97 6.3结果104 7.讨论和结论113 附件115 缩略词115 图片目录116 表格目录120 1.概述 本报告是中欧能源合作平台（ECECP）B2.6项目“净零碳基础设施投资与技术”的最终报告。项目的背景情况概述如下： •中国和欧盟都致力于实现碳中和和气候中和的宏伟目标。 •要实现这一目标需要对能源基础设施、规划和监管进行改革。 •显然，未来能源基础设施的开发和运营需要加强不同能源载体和部门之间的协调。 •建模分析对于确保成功的部门整合和能源载体之间的最佳协调至关重要。 在此背景下，本项目的目标是透过协调的能源系统建模和情景模拟，来加强对未来更加协调的能