美国和中国电力行业的脱碳报告（英）

取消电力部门在美国和中国 取消美国和中国的权力部门 MikeO'Boyle，能源创新*MaxDupuy,监管援助项目* *仅出于从属关系目的而指出组织。本文代表作者的观点，而不一定代表其机构的观点。 关键问题和趋势 2020年，美国和中国的电力系统共排放了57.8亿吨二氧化碳当量（CO2e），约占两国的36％，占世界年度碳排放量的17％（国际能源署2022年）。科学界的共识正在增长，即大多数基于可再生能源的电力系统超过80％的无碳可以可靠且低成本地运行，而无需开发新技术（Abhyaar等人。2022年；麦克唐纳等人。2016；Novachec，Brima和Porro2018；NREL2012；Phade等人。2020）。TheU.S.尽管经济和体制条件不同，但中国在改变电力部门方面面临着类似的物质和政策挑战。向基于可再生能源的电力系统的过渡对于通过电气化实现最终用途的脱碳也至关重要，例如建筑物的运输和供暖。 根据《联合国气候变化框架公约》，两国的国家自主贡献（NDC）包括重要的电力部门承诺。 数据来源：气候观察（https://www.climatewatchdata.org/ghg-emissions?end_year=2019&regions=CHN%2CUSA&sectors= 图1|2000-2019年美国和中国电力部门温室气体排放量。 电力-热力&start_year=1990） 然而，鉴于这两个国家对2030年NDC的承诺都不足以支持1.5摄氏度的道路，并且鉴于电力部门对脱碳工作的中心地位，两国都必须考虑加倍努力减少电力部门的排放。好消息是，适用于两国的理解良好且可行的政策路径可以提高可靠性并帮助降低成本，同时加快电力部门的转型。 TheU.S.最近承诺到2030年将整个经济的温室气体净排放量比2005年的水平减少50%，到2035年实现零碳电力部门，到2050年实现净零排放经济。TheU.S.到2030年，电力部门必须将排放量比2005年的水平减少约80％，以实现2030年的国家目标（Abhyaar等人。2021年；Larse等人。2021年；Larso等人。2021)。而U.S.电力部门的排放量从2005年的峰值大幅减少，目前40%无碳，2030年达到80%无碳，2035年达到100%，这将代表清洁能源部署和化石退役的急剧加速。行业专家普遍认为，实现这些目标是可能的，将显着改善公共卫生，创造新的就业机会，甚至可能降低消费者的电力成本（Abhyaar等人。2022年）。但是 ，这样做将需要额外的政策，包括新的联邦法规和地方行动。 美国在联邦和国家以下各级的努力正在发展。21个州加上哥伦比亚特区和波多黎各，占发电量的三分之一，已经设定了100％清洁电力的目标，尽管其中许多是2050年的目标，而不是美国国家承诺的2035年。1美国41家最大的公用事业公司中有39家S.已公开承诺到本世纪中叶实现净零排放(Esposito和Jeffrey2022)。TheU.S.2021年通过了一项重大基础设施法案，其中包括为最终用途能源效率和输电项目提供资金 （以及支持输电选址授权的规定），这些项目将支持可再生项目开发和可再生能源整合。2022年8月，美国S.通过了一系列历史性的联邦政策，以支持整个经济的脱碳。2该一揽子计划包括针对风能，太阳能，能源效率，能源存储以及运输，建筑和其他最终用途的电气化的财务激励措施。TheU.S.能源部估计，到2030年，该计划将使整个经济的排放量比2005年的水平减少40％。在州一级政策的额外贡献下，美国S.全经济2030年NDC目标(比2005年2030年的水平低50-52%)将触手可及。3 2020年9月，中国政府更新了NDC目标，在2030年之前达到碳排放峰值，并在2060年之前实现碳中和 （被称为双重碳承诺）。政府还设定了一个目标，即到2030年，非化石燃料将达到总能源消耗的25％ ，2030年电力部门的目标是超过1,200吉瓦（GW）的风能和太阳能发电总容量（中华人民共和国2021年）。同时，根据“十四五”规划，到2025年，非化石发电将达到总发电量的39%。虽然风能和太阳能投资的快速发展意味着中国正在超越2030年风能和太阳能产能目标，但仍需要持续的电力部门改革 ，以支持将大量新的可再生能源纳入电网并实现长期脱碳目标。 机会和挑战 为了充分利用清洁能源机会并实现脱碳目标，美国的政策制定者S.中国和世界各地都在考虑一系列大致相似的电力部门问题，重点是确保具有高水平风能和太阳能发电的可靠电网。幸运的是，这一挑战是可控的 。有了精心设计的政策、市场和监管框架，人们可以期待一个非常可靠的电力部门，即使是在风能和太阳能发电非常高的情况下。越来越多的国际经验-包括来自美国的经验S.和中国-证明了这一点。在这里，我们总结了两国面临的共同机遇和挑战的几个关键方面。 1有关这些州的列表，请参阅清洁能源州联盟。https://www.cesa.org/projects/100-clean-energy-collaborative/ 2该软件包是2022年《通货膨胀减少法案》的一部分。有关摘要，请参见https://www.democrits.senate.gov/imo/media/doc/summary _of_the_energy_security_and_climate_change_invests_in_the_通货膨胀_reduction_act_of_2022.pdf 3美国能源部，“减少通货膨胀法案推动了大幅减少排放并使美国实现我们的气候目标”，2022年8月。https://www.energy.gov/sites/default/files/2022-08/8.18％20通货膨胀减少法案_Factsheet_Final.pdf。 可靠性挑战 两者都是U.S.而中国最近一直在为地区电力部门的可靠性而苦苦挣扎。在这两个国家，一些利益相关者认为，基于清洁能源的电力系统与电力部门可靠性和能源安全等其他目标之间存在权衡。这些论点对能源转型的步伐构成威胁。然而，有证据表明，电力部门的改革，如下面建议的改革，可以提高电力部门的可靠性，同时加快清洁能源转型，以较低的（甚至降低）成本（Abhyaar等人。2022年；能源研究所2022年；Geocaris2022年）。 在2020-2021年，美国最大的两个S.加利福尼亚州和德克萨斯州面临极端天气条件，并经历了滚动停电。在加利福尼亚州，极端的区域性高温和野火威胁影响了区域性化石车队，输电系统和风力输出的可靠性，迫使滚动停电。在德克萨斯州，极端寒冷关闭了大量的天然气产能，并导致在危及生命的天气条件下延长停电时间。2022年，国家电网可靠性管理局警告说，极端高温将威胁美国大部分地区的夏季可靠性。S.电网，理由是煤炭退役速度快于预期，而且未能迅速取代该产能(NERC2022)。虽然2022年没有发生这样的中断，但在可再生能源份额高的地区，有几个接近的电话。 2021年，中国经历了一系列影响全国大部分地区的电力危机，数百万消费者经历了停电。2022年夏季带来了严重的热浪，严重的干旱，水力发电显着减少，并且重新出现了电力可靠性问题，特别是在该国中部地区。 燃煤发电能力的控制与淘汰 煤电是排放最密集的能源之一，占美国大部分S.和中国电力部门的排放。政府间气候变化专门委员会在2022年4月的报告中指出，“将全球变暖限制在2摄氏度或以下，需要迅速摆脱煤炭消费。这将需要取消新的煤电项目，并加快现有煤电厂的退役。“（IPCC2022）。煤炭还通过空气和水污染造成巨大的公共卫生成本。 幸运的是，越来越清楚的是，新的煤电是不需要负担得起的，可靠的电力。在国际上，精心设计的市场和规划机制不再将新的煤炭发电能力确定为满足电力系统需求的最佳解决方案，原因有几个。首先，在美国S.、中国和许多其他国家，太阳能和风力发电的平级成本现在接近或低于燃煤和燃气发电厂的燃料成本，这意味着建造新的太阳能和风力发电机的成本可以比运行现有的热电厂更便宜(IRENA2022)。这种可再生能源成本优势因2021年和2022年许多国家的煤炭价格上涨而得到加强。其次，与水力，需求响应，储能和燃气发电相比，煤电设备相对不足，无法提供产量的快速变化，以补充低成本的风能和太阳能发电（Li等人。2022年；L等人。2019)。 TheU.S.在过去的十年中，已经在减少煤炭发电和淘汰燃煤发电厂方面取得了重大进展。自2007年达到峰值以来，煤炭发电量下降了55%。到2030年结束有增无减的煤电是可以实现的，尽管可能需要采取额外的国家和国家以下各级行动来消除许多最后的有增无减的煤电厂。在美国某些地区，煤炭开采和煤炭发电在文化，经济和政治上仍然很重要。S.此外，与整个社会隔离(例如Procedre，健康)煤炭成本，以及搁浅的资产担忧，导致一些公用事业公司推迟煤炭退役。在美国，在当地开发低成本清洁能源组合以取代退休煤炭的机会几乎无处不在。S.（Gimo，Myers和O'Boyle2021）2021年《基础设施投资和就业法案》和2022年《降低通货膨胀法案》为依赖煤炭的社区提供了赠款和激励措施，以投资清洁能源制造，并为公用事业行业提供低成本融资，以从煤炭向清洁基础设施过渡。 在中国，其中许多因素也是相关的。一套精心设计的“科学”的市场和规划机制，例如目前在电力部门改革的旗帜下推行的机制，可能会找到比新的化石发电容量更好、成本更低的解决方案，以支持电网的可再生能源数量不断增加。这些改革后的机制也可能会拒绝用更高效的新煤厂“削减和取代”旧煤厂的提议。用更清洁，更灵活的资源（包括需求响应和能源存储）取代旧的燃煤电厂，可能会降低成本并提高可靠性。 区域一体化 当实时优化电网上的需求和供应时以及当规划新的传输和新的资源时,扩大地理操作平衡区域是有益的。这种区域性方法可以成为提高系统可靠性并支持风能和太阳能发电集成的有效且低成本的方法（IRENA2019）。跨广泛地区的实时经济调度指导可调度的化石资源（通过购买和燃烧燃料而产生成本）根据零边际成本风能和太阳能的互补来源的可用性来调整产量，降低成本并增加可再生能源在发电组合中的份额。在广泛的地理区域内统一这种调度功能，利用了风能和太阳能输出的多样性，增加了风能和太阳能的可靠性贡献，降低了可再生的集成成本，并减少了对化石储量的需求。两者都是U.S.中国在这方面取得了重大进展，但还有更多机会利用区域一体化的好处。 美国的区域传输组织(RTO)S.在大型地理区域内实时展示竞争性市场和电力经济调度，并展示区域协调的实质性记录。大约三分之二的美国S.由这些市场服务。美国的东南部和西部S.目前缺乏RTO，尽管美国西部S.逐步朝着这个方向发展，并建立了临时的区域市场机制。东南部落后了，尽管该地区正在进行新的努力以加强区域协调。使用RTO的地区已经看到了巨大的好处，包括降低消费者成本和减少排放。在这些市场中，可再生能源投资和低天然气价格加剧了煤电的竞争压力，促使煤炭迅速退役。然而，不断增加的可再生能源投资已经测试了RTO和各州充分规划和部署新输电的能力，以整合应用于电网互连的1,000吉瓦清洁能源资源。 中国的电力系统在吸收快速增长的风能和太阳能方面取得了令人印象深刻的进步。如在美国S.然而，要确保电网能够整合更高份额的可变可再生能源发电，还有很多工作要做。对该国输电网络的大量投资帮助连接了广阔的地理区域，并平衡了远距离的可变供需。中国的政策制定者还推出了包括市场在内的新政策，以帮助确保这一现代电网网络的有效运行。2022年1月关于“国家统一电力市场体系”的政策是向前迈出的非常重要的一步，尽管改善这一愿景并确保成功实施的机会仍然存在。 系统灵活性 随着风能和太阳能发电量的增加，保持可靠性需要在各种时间尺度上管理增加的可变性。由于对天气模式的依赖，风能和太阳能发电增加了可变性，它们需要能够调整产量的资源来补偿这种可变性—