中国间歇性新能源投资的低碳环境协同效益评估

中国间歇性新能源投资的低碳环境协同效益评估 EnvironmentalandclimatebenefitofChina’sinvestmentonintermittentrenewableenergy 南京大学清华大学2023.06.30 关于作者 张炳南京大学教授/博导 于洋清华大学助理教授/博导徐忠雯南京大学博士后 王思懿南京大学硕士研究生宋强南京大学硕士研究生陈琳清华大学博士研究生张耀予清华大学博士研究生 ABOUTTHEAUTHORS BingZhang,Professor/doctoralSupervisor,NanjingUniversity YangYu,AssistantProfessor/PhDSupervisoratTsinghuaUniversityZhongwenXu,Postdoctoralfellow,NanjingUniversity SiyiWang,Mastercandidate,NanjingUniversityQiangSong,Mastercandidate,NanjingUniversityLinChen,Ph.Dcandidate,TsinghuaUniversityYaoyuZhang,Ph.Dcandidate,TsinghuaUniversity 致谢 本研究由南京大学和清华大学统筹撰写，由能源基金会提供资金支持。 ACKNOWLEDGEMENT ThisreportisaproductofNanjingUniversityandTsinghuaUniversityandisfundedbyEnergyFoundationChina. 执行摘要 当前中国经济增长仍高度依赖化石能源，电力供应过程中产生大量温室气体和空气污染物，对气候和环境造成严重威胁。为了实现中国双碳目标，发展风电光伏为代表的间歇性零碳新能源发电技术是最主要技术路径。间歇性新能源的蓬勃发展对电力系统运行方式和适应性是一大新的挑战，对电力系统低碳转型而言提出了更严峻的要求。此外，不合理的新能源空间布局将不利于引导2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。需要考虑各区域、各时间阶段新能源的碳减排效果，分析当前的投资格局与未来发展趋势。 在建设以零碳能源为主的新型电网这一背景下，由南京大学和清华大学和能源基金会支持，组织相关学者完成了《中国间歇性新能源投资的低碳环境协同效益评估》研究报告，旨在以中国区域电力系统为研究对象，识别间歇性新能源的低碳环境协同效益的时空异质性，提出中国区域新能源投资空间布局；识别新能源减排风险和影响机制，探究如何通过电力市场化改革和储能投资提升间歇性新能源的减排效益，为推动全球化石能源替代、零碳能源为主的新型电力系统构建贡献中国智慧。 报告以中国电力数据为基础，在电改背景下分析中国新型电力系统碳减排的时空分布特征，在新能源投资环境价值评估基础上，重新构建中国区域新能源装机和协同减排目标实现之间的关系，针对不同的新能源资源进行差异化的鼓励政策设计。最后，在此基础上探究储能技术对促进新能源高效利用的影响，识别中国新能源高比例渗入面临的挑战并提出政策优化方案。 因此，能源转型过程中必须要找准定位，处理好区域异质性、间歇性新能源出力不确定性等问题。不同区域在面临政策变迁和市场化改革时也存在着明显的区别。为推进新能源高效、有序转型，本研究提出加快构建基于差异化的新能源低碳环境减排能力的低碳战略和政策体系，确保新型电力系统供应安全底线、支撑低碳转型。 I 目录 执行摘要I 1间歇性新能源发展的机遇与挑战1 1.1中国间歇性新能源发展困境4 1.2市场化改革、储能发展对间歇性新能源发展的影响8 2新能源低碳和环境协同效益评估及布局优化11 2.1基于新能源碳减排价值的布局优化建模12 2.2中国新能源碳减排效益的异质性分析25 2.3碳减排角度风光投资分析36 2.4新能源低碳环境协同减排效益41 2.5小节与政策建议44 3基于区域异质性的新能源碳减排不确定性评估48 3.1间歇性新能源碳减排风险评估模型49 3.2中国间歇性新能源碳减排风险的异质性分析54 3.3间歇性新能源碳减排风险的区域异质性58 3.4小节与政策建议63 4电力市场改革对新能源协同低碳环境效益的影响评估67 4.1电力市场改革前后电力系统调度模型68 4.2电改对新能源低碳环境协同减排价值的影响77 4.3电力市场改革对新能源减排风险的影响80 4.4电力市场化改革对新能源投资的影响81 4.5小节与政策建议86 5基于储能调节的新能源投资的低碳环境协同效益评估88 5.1储能嵌入电网的新能源碳减排效益评估模型89 5.2储能对新能源碳减排效益的影响92 5.3储能投资的经济环境价值97 5.4小节与政策建议104 6结论与政策建议107 6.1结论107 6.2政策建议111 6.3研究展望114 7参考文献115 1间歇性新能源发展的机遇与挑战 气候变化是当前世界各国经济社会可持续发展面对的共同风险，全球能源格局加速重塑，低碳转型任务艰巨。随着全球经济的快速发展和世界各国工业化进程的不断加深，各国为了追求经济快速发展而忽视了环境问题，导致如今全球温室效应日益严重，能源供应也面临着短缺的挑战。从全球一次能源结构历史变化来看，2010年以来，煤炭等化石能源仍然是全球范围内主要消费能源，除2020年因疫情原因出现大幅回落外，全球一次能源消费总量近10年保持约2%的年均增长率（图1-1）。全球一次能源消费总量持续增长，引发的气候、环境问题是当今研究热点。全球一次能源消耗的碳排放由2010年的324亿吨增加至2020年的354亿吨；中国作为能源消耗大国，能源消耗带来的碳排放达到102亿吨（图1-2）。 图1-11971-2020年全球煤炭、能源供需变化（数据来源：IEA） 图1-21990-2018年全球化石燃料燃烧的碳排放（数据来源：IEA） 推动以化石能源为主的能源结构转型是关键的低碳发展路径。自上世纪90年代以来，世界各国开始重视全球气候问题，重视能源在经济发展中的地位，追求低碳经济的发展模式，追求在经济增长的同时能有效利用能源资源和降低环境污染。大量研究探讨了为实现温室气体削减目标，全球各国所应采取的能源转型路径、速度和制定的能源环境政策，各国政府期望能有效的降低本国经济的碳排放强度、实现碳排放总量的下降。这些研究探讨了煤炭退役、新能源发展在气候变化减缓和能源转型中的作用，分析了各国所需要的能源转型速度。具体措施包括燃煤电厂退役和推进风光为主的新能源投资。 一方面，世界各国共同倡议减少对传统化石能源的消费，提高对低碳新能源的使用。在《联合国气候变化框架公约》第26次缔约方会议（COP26）上，气候协议首次明确提及化石燃料，呼吁各国逐步减少煤炭的使用。46个国家以及32家企业和其他机构签署《全球煤炭向清洁能源转型的声明》，承诺将逐步淘汰现有燃煤电厂。29个国家签署《清洁能源转型国际公共支持声明》，承诺除特定情况外2022年底前终止对国际无减排措施化石能源项目的公共支持。 另一方面，发展风电、光伏发电等新能源替代技术，通过能源转型构建起清洁、低碳、高效、智能的新型能源供应体系，保障可持续发展。进入21世纪，主要发达国家十分重视能源安全和构建绿色能源体系。奥巴马政府近年提出“新能源计划”，欧盟强调低碳发展路线，日本出台阳光计划等政策，大力推动新能源与节能科技发展。发展中国家积极参与全球能源治理和清洁化进程，积极参与全球能源治理已成为发展中国家的能源外交战略重点。中国也积极响应巴黎协定，设置自主贡献目标。2021年3月，习总书记在中央财经委员会第九次会议上进一步提出构建新型电力系统的战略，指出“要着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革。2021年10月，中共中央、国务院相继印发《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》、《2030年前碳达峰行动方案》，严控煤电装机规模，推动煤电向基础性和系统调节性电源并重转型。 以新能源主导的新型电力系统建设旨在发挥低碳和环境协同减排作用。风电和光伏等新能源技术代替传统化石能源技术，是降低碳强度、提升能源使用效率、减缓二氧化碳排放增长速率的主要技术路径，能够为实现全球1.5℃温控的目标提供技术支撑。因为煤电和天然气发电技术在发电过程中会造成大量的二氧化硫、氮氧化物、颗粒物和温室气体的排放；而风电和光伏为代表的新能源技术则不会造成大气污染和碳排放。由于新能源装机的增加，电力系统中火电总发电产生的碳排放总量的增加速度低于总电力需求增长的速度，电力系统的碳排放强度呈现逐年降低态势（图1-3）。 图1-32000-2020年全球发电的碳排强度（数据来源：IEA） 在全球控制升温1.5摄氏度背景下，电力系统中可再生能源正在蓬勃发展。2010年以来，全球非可再生能源发电量在总发电量的占比由79.7%逐年下降到2020年的71.4%，可再生能源发电占比则从20.3%上升到28.6%。根据国际能源署（IEA）预测，未来20年电力需求的增长速度超过能源需求总量增长速度的两倍，在2025年，新能源在发电结构中的占比就将超过煤炭，并且市场份额将出让给风电、光伏等可再生能源等清洁能源。预计到2040年，新能源在总发电量中的占比将从2020年的28.6%增加到44%；2050年占全球发电装机比重分别为29%和48%（图1-4）。 图1-42020-2050年全球发电结构演变（数据来源：IEA） 1.1中国间歇性新能源发展困境 全球新能源发电快速发展，装机和发电量占比持续提升，但不同国家和地区的新能源接入水平存在较大差异（图1-5）。在新能源渗透率、新能源接入率、电源装机绿色水平和发电量绿色水平等多个指标方面，欧盟表现出领先优势，超越了中国和美国。尽管中国在新能源接入率和电源装机水平两个指标上领先美国，但在新能源渗透率和发电量绿色水平两个指标上，美国占据领先地位。中国需要进一步提升新能源发电量和渗透水平，以实现新能源有效装机。 自《可再生能源法》颁布以来，中国非化石能源实现跨越式发展，水电、风电、光伏装机容量合计突破9.0亿千瓦。2020年中国稳居风电、光伏装机容量第一。不仅装机容量在增加，而且，2021年新能源发电量达到了1万亿千瓦时。未来，在可再生能源的多样性和丰富性以及可再生能源发电技术投资成本下降的支持下，风、光等非化石能源将逐步从能源增量主体，进入存量化石能源替代，最终成为主力能源。预计到2030年，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。到2050年，我国风电和光伏发电累计装机将会超过50亿千瓦。然而，不合理的新能源空间布局将不利于引导2030 年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。如何在中国各区域电网上部署风电和光伏发电机成为关键问题。 图1-52020全球可再生能源发电占比（数据来源：UN-Energy） 间歇性新能源资源禀赋与电力需求存在地理不均衡矛盾，导致新能源电力消纳问题较为突出，需合理布局新能源在各地装机规模。中国的可再生能源分布存在着地理不均衡问题，并非都集中在能源碳强度高、电力需求高的省份。三北地区地势平坦，风能资源集中，是中国陆上风力发电量最多的区域。据统计，2006-2020年间，内蒙古自治区、河北省、新疆维吾尔自治区、甘肃省和ft东省5个省的风力发电量占全国近一半（49.5%），三北地区的风电需要通过特高压输电线路输送到东部沿海城市和工业区，但输送过程中存在着诸多问题，省际区域壁垒难以破除，风电的不稳定性导致了其只能根据电力情况进行部分消纳，不能全额消纳，西北地区弃风率较高，2021年新疆、甘肃和蒙西的弃风率分别为10.3%、6.4%和7%。并且，在国内原有电力系统计划体制下，电力平衡以省为单位，难以破除的省际壁垒将国内电力市场切割成30多个独立的省级电力市场，这就在客观上要求风电立足省内电力市场进行消纳，空间极其有限。此外，西北、华东和华北是我国光伏发电量最高的地区。由于