碳约束条件下电力行业低碳转型路径研究

《中国电机工程学报》网络首发论文 题目：作者：DOI：网络首发日期：2021-05-11引用格式： 碳约束条件下电力行业低碳转型路径研究李政，陈思源，董文娟，刘培，杜尔顺，麻林巍，何建坤10.13334/j.0258-8013.pcsee.210671李政，陈思源，董文娟，刘培，杜尔顺，麻林巍，何建坤．碳约束条件下电力行业低碳转型路径研究．中国电机工程学报.https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.210671 网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。 出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。 碳约束条件下电力行业低碳转型路径研究 李政1,2，陈思源2，董文娟1，刘培2，杜尔顺1，麻林巍2，何建坤 （1．清华大学气候变化与可持续发展研究院，北京市海淀区100084；2．清华大学BP清洁能源研究与教育中心，北京市海淀区100084） LowCarbon Transition Pathway of Power Sector Under Carbon Emission Constraints LI Zheng1,2, CHEN Siyuan2, DONG Wenjuan1, LIUPei2, DU Ershun1, MA Linwei2, HE Jiankun1(1. Institute of Climate Change and Sustainable Development, Tsinghua University, Haidian District, Beijing100084, China; 2. Tsinghua-BP Clean Energy Research and Education Center, Tsinghua University, HaidianDistrict, Beijing 100084, China) 及支撑终端电气化发展的关键行业，在整体能源系统低碳转型中的角色至关重要。为此，本文建立了具有高时空分辨率和技术准确度的电力系统长期规划方法，形成了基于电力平衡的电力行业长期规划与短期运行联合优化模型。基于该模型，研究中国电力行业的低碳转型路径，将低碳排放目标作为碳约束条件，用倒逼的方式确定出各类发电技术随时间的发展规模、地域分布和投资成本。结果表明，电力行业若要实现气候目标，需要处理好几个关键问题，包括可再生能源的扩张、煤电的提前退出、碳捕集技术的应用以及转型投资的保障。本文通过将不同排放目标下的转型路径和成本进行细致的对比分析，为相关政策制定提供了科学支撑。 ABSTRACT:Inthecontextofcarbon peaking and carbonneutrality target, the energy system is facing tremendouspressure for low-carbon transition. As the largest source ofcarbonemissions and the key industry supportingelectrification, the power sector plays a crucial role in thelow-carbon transition of the overall energy system. In thispaper, a long-term power system planning method with highspatio-temporal resolution and technical accuracy isproposedand a joint optimization model for long-termplanning and short-term operation of the power sector isestablished. The low-carbon transition pathway of China’spower sector is studied based on thismodel. Taking thecarbon emission targets as constraints, the optimal scale,location and investment cost of different power generationtechnologies are determined. To achieve the climate targets,several key issues should be carefully addressed, includingrenewable energy expansion, premature retirement of coalplants,deployment of carbon capture technologies andguarantee of investment. By conducting detailed comparisonandanalysis of the pathways and costs under differentemission targets, this paper provides scientific support forpolicymaking. 关键词：电力行业；低碳转型；建模与优化 1引言 近年来，全球变暖趋势愈演愈烈，极端天气频发，气候变化给人类生存环境带来的负面影响日益凸显。温室气体减排逐渐成为国际社会的共识，世界各国通过国际谈判的形式不断推进应对气候变化的进程。2015年签署的《巴黎协定》是国际社会应对气候变化进程的里程碑，明确了全球气候变化治理的长期目标：将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5℃以内。 KEYWORDS：power sector;low-carbon transition;modelling and optimization 摘要：在碳达峰碳中和战略目标要求下，能源系统面临着巨大的低碳转型压力。电力行业作为最大的碳排放来源以 根据IPCC的测算[1]，若要实现《巴黎协定》中约定的1.5℃目标，全球剩余碳预算为420-580GtCO2。 若 要 实 现2℃ 目 标 ， 剩 余 碳 预 算 为1170-1500 GtCO2。然而，现有的化石燃料能源基础设施若按正常年限和使用方式运行，将累计排 放约658 GtCO2[2]，这已经超过1.5℃目标下的碳预算。这些排放量中，有超过一半来自电力行业（约358 GtCO2）。此外，由于从技术和经济角度而言相比其他行业更容易脱碳[3]，研究者一致认为电力行业应当是经济社会低碳转型的排头兵。因此，电力行业的低碳转型是应对气候变化实施深度减排的关键点，在电力发展规划中考虑深度减排的碳约束条件成为近年来研究的重点。为了探索电力行业实现深度减排的技术路径，国内外学者开展了很多的研究。尽管研究方法和研究范围有所不同，但这些文献也得出了一些一致的见解[4]。总体而言，研究表明电力行业实现深度减排的路径主要可以分为两大类：极高比例可再生能源的使用和多种低碳技术的组合使用。 第二类路径是指电力行业深度减排需要依赖更广泛的低碳技术，包括风能、太阳能以及“稳固”的电源，例如核能、地热能、生物质能和配备 碳 捕 获 和 存 储 （carbon capture and storage,CCS）的化石能源等。Clack et al.等[9]评价了上文中Jacobson的研究结果并指出其错误，例如未考虑电网空间分布、无视资源可用量和开发速度、选用了许多尚未成熟的技术选项、需求响应成本严重低估等。该研究认为，风光在低碳转型中大有可为，但是实现零排放十分困难，采用广泛的技术组合更有利于实现转型。Sepulveda et al.等[10]以美国为对象，考虑了多种低碳技术及成本参数的不确定性，共生成912个情景以全面分析实现零碳排放的供电成本。结果表明，相比于单纯依赖风光和储能，稳固的发电技术（核、煤、气）可显著降低减排成本。Sithole et al.等[11]研究了英国的2050年电力规划，每5年计算一次电力平衡，表明除了依赖可再生能源的发展，还需要气电来保障能源供应安全。张宁等[12]利用能源电力系统仿真模型，研究了中国到2050年的能源电力发展趋势。结果表明，在低碳转型的背景下，风电光伏将大力发展，2050年装机容量占比超过50%，2050年仍需保留7亿千瓦煤电作为支撑电源，以保障电力系统的电力电量平衡与调峰灵活性。 第一类路径是指电力行业需要使用极高比例的可再生能源（主要是风能和太阳能）来实现深度减排，这些波动性可再生能源的消纳由储能、需求侧灵活性以及大范围输电网的扩展来提供支持。Jacobson et al.等[5]提出了一种针对100%风、光、水可再生能源系统电网可靠性问题的低成本、无电力损失的解决方案。该研究建立了电力系统模型，以30s为时间步长，计算了2050—2055年的美国电力供需平衡。结果表明，能源系统只采用风、光、水、储能和需求侧响应耦合，即能够满足美国所有的终端能源需求。MacDonald etal.等[6]同样以美国为对象，使用高分辨率的气象数据模拟了其风光资源量，并采用所开发的电力规划模型National Electricity with Weather System(NEWS)计算得出未来满足电力需求和碳减排要求的最低成本电力技术组合。研究发现，大规模使用风、光电力资源可以相对于1990年的水平降低80%的碳排放且不增加度电成本。与此同时，通过在全国建设高压直流输电网络就可以消纳这些 波 动 性 可 再 生 能 源 而 无 需 储 能 技 术 。Schlachtberger et al.等[7]研究了欧洲的电力系统，以2011年数据做全年仿真，得到了类似的结果。结合高比例风光电力和欧洲的输电网络，可实现降低95%碳排放的目标。Turner et al.等[8]计算了零碳图景下中国2050年的电力供需平衡，指出风、光将成为主力电源，发电量占比达到70%。水电和核电分别贡献14%和10%的发电量，剩余的约7%发电量由火力发电提供，且基本全部是天然气发电，煤电需要全部退出。 综上所述，现有文献主要是采用综合评估模型来研究电力行业的脱碳路径，多以某一年的精细仿真或长周期的粗略规划为主，缺乏将长期规划和短期精细调度相结合的联合优化，因此对于低碳转型路径的技术可行性和经济性