“雙碳”目標(biāo)的提出，對能源行業(yè)提出了更高的要求，電源結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生了根本性的變革，能源企業(yè)只有充分、深刻地認(rèn)識到“雙碳”目標(biāo)的重要性和緊迫性，才能找準(zhǔn)定位、認(rèn)清方向，真正落實好現(xiàn)階段“碳達(dá)峰”總體發(fā)展目標(biāo)。新能源在實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)過程中發(fā)揮了重要作用，2030年風(fēng)電、光伏12億千瓦裝機容量的發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)，能否適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟社會發(fā)展需求?各類電源又應(yīng)當(dāng)如何調(diào)整自身定位才能更好地助力“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)呢?
按現(xiàn)有發(fā)展速度，風(fēng)光12億千瓦裝機還夠不夠?
要回答這個問題，我們先來了解12億千瓦的風(fēng)電、光伏發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)是如何出現(xiàn)的。2020年12月12日，在氣候雄心峰會上，我國首次提出，“到2030年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達(dá)到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達(dá)到12億千瓦以上。”隨后，國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)新時代新能源高質(zhì)量發(fā)展的實施方案》等文件均將2030年新能源裝機目標(biāo)定為12億千瓦，由此，2030年12億千瓦風(fēng)電、光伏裝機的發(fā)展目標(biāo)廣為人知。
那么12億千瓦的風(fēng)光裝機目標(biāo)能否滿足發(fā)展需要呢?從能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的角度來看，未來非化石能源消費總量和比重仍將進(jìn)一步提高，低碳消費的能源結(jié)構(gòu)對可再生能源裝機提出了更高的需求，12億千瓦裝機容量已難以滿足能源結(jié)構(gòu)調(diào)整需要。2021年10月，國務(wù)院發(fā)布的《2030年前碳達(dá)峰行動方案》中明確，2025年非化石能源消費比重達(dá)到20%左右，2030年非化石能源消費比重進(jìn)一步提高到25%左右。當(dāng)前各研究機構(gòu)均對我國碳達(dá)峰一次能源消費總量進(jìn)行分析預(yù)測，研究顯示，我國一次能源消費量預(yù)計在2030年前后達(dá)峰，峰值約52.9億~61.4億噸標(biāo)煤，年均值55.7億噸標(biāo)煤，按60億噸標(biāo)準(zhǔn)煤一次能源需求峰值推測，我國2030年全社會總用電需求約為10.7萬億千瓦時，屆時非化石能源消費應(yīng)當(dāng)?shù)刃?4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤所提供的全社會能源消費水平，在不考慮實際約束的理想狀態(tài)下，相當(dāng)于非化石能源提供4.76萬億千瓦時電量，剔除水電、核電等電源裝機增長因素，預(yù)計風(fēng)電、光伏需提供約2.2萬億千瓦時電量，對應(yīng)新能源裝機容量遠(yuǎn)超12億千瓦。
從電力供給的角度來看，當(dāng)前制約風(fēng)電、光伏快速發(fā)展的成本因素(相同投資可獲得早期數(shù)倍的裝機容量)逐漸減弱，12億千瓦的目標(biāo)遠(yuǎn)非行業(yè)所能觸及的上限，行業(yè)發(fā)展有能力超越12億千瓦的裝機規(guī)劃目標(biāo)。截至2020年11月底，我國風(fēng)電、光伏裝機僅有4.7億千瓦，站在當(dāng)年的視角來看，10年時間中需保持年均9.8%的增長速度才能按期實現(xiàn)12億千瓦的裝機目標(biāo)，仍舊需要付出一定的努力。然而，在當(dāng)前為促進(jìn)新能源高質(zhì)量發(fā)展所執(zhí)行的電價政策和全額消納機制、科技突破帶來的造價快速下降、能源企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略及考核等多重因素激勵下，風(fēng)電、光伏裝機容量超預(yù)期增長。2021年新能源裝機容量同比增長37.6%，2022年這一數(shù)字增長到39.4%，而2023年則攀升到了76.2%，裝機增長速度遠(yuǎn)超其他電源類型，截至2024年5月底，風(fēng)電裝機4.6億千瓦，光伏裝機6.9億千瓦，占當(dāng)前電力系統(tǒng)總裝機容量的37.9%，總裝機容量達(dá)到11.5億千瓦，距離12億千瓦的裝機目標(biāo)僅一步之遙。
從電力需求和負(fù)荷變化的角度來看，未來一段時間電力負(fù)荷仍將持續(xù)增長，新增電源裝機必須堅持綠色低碳的發(fā)展方向，這對新能源裝機規(guī)模提出了更多的需求。我國自成功抗擊新冠肺炎疫情以來，國內(nèi)電力負(fù)荷持續(xù)快速增長，2023年度全社會用電量9.2241萬億千瓦時，同比增長6.7%，未來幾年即使以年均3%的電力消費增量保守估計，到2030年我國用電量都將達(dá)到11.34萬億千瓦時。而實際上，當(dāng)前我國新能源汽車、鋰電池、太陽能電池等外貿(mào)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)以及服務(wù)國家發(fā)展戰(zhàn)略的半導(dǎo)體行業(yè)、5G基站、大數(shù)據(jù)中心等新質(zhì)生產(chǎn)力代表性用戶均對電力供應(yīng)有較高需求，未來幾年我國用電負(fù)荷仍將持續(xù)增長。按新能源全國年均利用小時全額消納計算，新增投產(chǎn)1兆瓦風(fēng)電裝機能產(chǎn)生2200兆瓦時電量，1兆瓦光伏裝機僅能供應(yīng)1200兆瓦時電量，設(shè)備利用小時數(shù)低于常規(guī)電源。新增電源投產(chǎn)規(guī)劃在優(yōu)先考慮滿足系統(tǒng)新增負(fù)荷需求的前提下也要兼顧能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，為此新能源裝機投產(chǎn)規(guī)模增速必須快于負(fù)荷增速才能滿足“雙碳”目標(biāo)。
立足長遠(yuǎn)發(fā)展，可以預(yù)見12億千瓦的新能源裝機容量已無法滿足我國經(jīng)濟、社會高質(zhì)量發(fā)展需要。
實現(xiàn)碳達(dá)峰的可再生能源裝機，電力系統(tǒng)能承受嗎?
按照我國“雙碳”目標(biāo)遠(yuǎn)景規(guī)劃，2030年非化石能源消費比重應(yīng)當(dāng)在25%左右。然而近些年來，我國電力負(fù)荷持續(xù)快速增長，一次能源消費量峰值預(yù)計將達(dá)到62億噸左右，聚焦電力行業(yè)，按照碳達(dá)峰發(fā)展目標(biāo)要求，基于供電煤耗290克/千瓦時來測算，到2030年，全社會用電量中至少要有2.2萬億千瓦時由非水可再生能源提供才能滿足碳達(dá)峰發(fā)展目標(biāo)。假設(shè)風(fēng)電、光伏裝機增長速度相同，則需按照年均7.3%的增速持續(xù)增長;若僅考慮光伏裝機增長，則對應(yīng)的年均增長速度需達(dá)到16.6%，這兩個數(shù)字實際上均遠(yuǎn)低于2021~2023年間新能源裝機增速。
高比例光伏接入對系統(tǒng)的沖擊。新能源出力特性對系統(tǒng)調(diào)節(jié)帶來的矛盾在裝機快速增長的背景下將更加凸顯。光伏發(fā)電受晝夜、天氣、移動云層變化的影響，存在間歇性和波動性，且呈現(xiàn)一定的反調(diào)峰特性。電力系統(tǒng)面臨著更加嚴(yán)峻的可靠供電、安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行三大挑戰(zhàn)。新型電力系統(tǒng)中由于源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)高度電氣化，系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題會更加復(fù)雜。在經(jīng)濟、可靠和清潔這個“不可能三角”中，作為硬約束的可靠性是絕不能妥協(xié)和犧牲的，年均新增2億千瓦的風(fēng)電、光伏裝機將對系統(tǒng)消納和安全可靠運行提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，2023年全國多地在分布式光伏接入電網(wǎng)承載力評估中已被劃為紅區(qū)，光伏消納空間接近枯竭，未來新能源裝機規(guī)模的持續(xù)增長，對電力系統(tǒng)的沖擊將更加明顯，系統(tǒng)調(diào)節(jié)難度持續(xù)提高。
煤電運行技術(shù)的進(jìn)步無法滿足新能源高比例的滲透。在國家能源行業(yè)長遠(yuǎn)戰(zhàn)略規(guī)劃中，煤電作為電力安全保障的“壓艙石”，正在向基礎(chǔ)保障性和系統(tǒng)調(diào)節(jié)性電源并重轉(zhuǎn)型，我國“富煤貧油少氣”的能源資源稟賦決定了較長時間內(nèi)煤炭在能源供給結(jié)構(gòu)中仍將占有較高比例，仍是電力系統(tǒng)中的基礎(chǔ)保障性電源，2030年前煤電裝機和發(fā)電量仍將適度增長。近幾年因為極端天氣影響，部分地區(qū)發(fā)生限電事件，使各級政府部門高度重視電力供應(yīng)安全，地方政府作為煤電項目的審批方對煤電項目審批的支持力度也在加大。在裝機方面，中國煤電裝機容量由2018年的10.1億千瓦增長到2023年的11.6億千瓦，五年來凈增加1.5億千瓦。結(jié)合各地政策動態(tài)，預(yù)計2030年煤電裝機容量將達(dá)到15~18億千瓦之間。風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機容量，則由2018年的3.58億千瓦增長到了2023年的10.5億千瓦。若維持2018~2023年可再生能源裝機年均增速23.97%的蓬勃發(fā)展勢頭，新能源裝機增長顯著快于煤電裝機增長。理想情況下，即使煤電裝機容量不斷增長，并且通過設(shè)備改造和運行管理，具備一日兩次啟停的運行工況下，系統(tǒng)也只能新增3~6億千瓦的新能源消納空間，依舊無法解決全部新能源的消納問題。
大規(guī)模配建儲能難以達(dá)到保障系統(tǒng)可靠性要求的水平。新能源裝機的快速增長，無法為系統(tǒng)帶來有效且充足的可靠性，假設(shè)維持當(dāng)前煤電機組裝機總量不變，為提高系統(tǒng)運行可靠性只能更多采取儲能手段。但目前電力系統(tǒng)對容量的需求主要還是體現(xiàn)為對以煤電、水電等為代表的、能夠在寬時間尺度里提供有效容量的機組。電化學(xué)儲能由于其充放電限制，無法為系統(tǒng)提供長期有效的可靠性，實際運行過程中更多發(fā)揮的是平抑系統(tǒng)短時波動的作用。隨著儲能行業(yè)進(jìn)入新一輪淘汰期，疊加供需錯配、競爭加劇的背景，2023年以來儲能電池和系統(tǒng)銷售價格持續(xù)下降，儲能成本也在不斷下降，新型儲能行業(yè)的激烈競爭大多集中在以鋰電為主的短時儲能(儲能時長一般為2小時以內(nèi))上。截至2023年底，全國已投運新型儲能項目累計裝機規(guī)模達(dá)3139萬千瓦/6688萬千瓦時，平均儲能時長僅為2.1小時。若煤電等可靠性調(diào)節(jié)電源的體量無法滿足高峰負(fù)荷需求時，光伏、風(fēng)電裝機占比持續(xù)提升，其發(fā)電實時出力與終端電力需求的平衡問題將愈發(fā)嚴(yán)重，系統(tǒng)將需要儲能提供更多的容量服務(wù)和更長時間的能量時移做支撐，目前“4小時”已經(jīng)是儲能技術(shù)的瓶頸，若需要更長時間的儲能時長，則會帶來成本大增問題。許多儲能技術(shù)處于不同的開發(fā)和部署階段，很難預(yù)計這些儲能技術(shù)中的哪一種能夠大幅降低成本。能源時移套利是儲能獲利的主要方式，時長的增加必定會影響其經(jīng)濟性。
供需兩側(cè)齊發(fā)力堅持低碳長遠(yuǎn)路
國家能源局于2024年6月4日發(fā)布的《關(guān)于做好新能源消納工作保障新能源高質(zhì)量發(fā)展的通知》中明確“部分資源條件較好的地區(qū)可適當(dāng)放寬新能源利用率目標(biāo)，原則上不低于90%”。因此很多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，新能源利用率的下調(diào)，將進(jìn)一步驅(qū)動全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，國內(nèi)新能源新增裝機將繼續(xù)保持較高規(guī)模的發(fā)展。但如何高規(guī)模、高質(zhì)量地發(fā)展新能源、增強系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力就需要我們進(jìn)一步認(rèn)真思考。
一是抑制高耗能產(chǎn)業(yè)盲目增長。2021年國家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步深化燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價市場化改革的通知》(下稱《通知》)中明確指出，高耗能企業(yè)市場交易電價不受上浮20%的限制。這樣做的目的就是從用戶類別來區(qū)分交易電價，要讓用電多、能耗高的企業(yè)多付費，以此來遏制高耗能項目的盲目發(fā)展。但是全國僅有個別地區(qū)甄別確定了高耗能名單，而且都是參照國民經(jīng)濟行業(yè)分類的煤電、石化、化工、鋼鐵、有色金屬冶煉、建材等六個行業(yè)類別作為“兩高”的范圍，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行篩選甄別，但忽略了一些非傳統(tǒng)意義上的“高耗能”產(chǎn)業(yè)，如數(shù)據(jù)中心的電力成本占數(shù)據(jù)中心營運成本50%以上。國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2020年中國數(shù)據(jù)中心耗電量突破2000億千瓦時，耗能占全國全社會總用電量的2.7%，預(yù)計到2030年數(shù)據(jù)中心用電量可能在2020年基礎(chǔ)上增加一倍。光伏制造業(yè)主要包括晶硅提純、硅錠硅片、光伏電池和光伏組件四個環(huán)節(jié)，其中每個環(huán)節(jié)都需要消耗大量的電能，雖然國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)廠家不斷努力推進(jìn)自主技術(shù)研發(fā)，早已實現(xiàn)了清潔生產(chǎn)，但是從電能消耗角度來看，數(shù)據(jù)中心、光伏原材料生產(chǎn)企業(yè)完全可以看成“不冒煙的工廠”，耗電量與傳統(tǒng)高耗能的產(chǎn)業(yè)如鋼鐵、紡織等不相上下。所以高耗能產(chǎn)業(yè)名單遲遲不劃分不落實，無法從交易電價上推動其進(jìn)行節(jié)能，只能是變相鼓勵其用能。最終導(dǎo)致到2030年，可再生能源的電量占比可能不會達(dá)到人們的預(yù)期，因為高耗能項目無序的發(fā)展，必定會增加電力保供壓力。
二是光伏規(guī)劃需要改變傳統(tǒng)思路。光伏發(fā)電的問題主要依賴于光照，但光照的最大特點是隨著太陽的東升西落而變化，在時間上具有不連續(xù)性，這也導(dǎo)致了光伏發(fā)電的不連續(xù)。光伏機組的出力在正午前后達(dá)到高峰，而太陽落山后光伏機組完全無法出力，用電需求在這時卻迎來了晚間高峰，電網(wǎng)負(fù)荷迅速沖高。由于光伏發(fā)電的不連續(xù)性，電力系統(tǒng)凈負(fù)荷在午間陡降、晚間陡升，短時間內(nèi)波動劇烈，這就是為什么光伏裝機占比越大的地方，系統(tǒng)凈負(fù)荷越呈現(xiàn)出“鴨子型”“峽谷曲線”。如果按現(xiàn)有傳統(tǒng)模式安裝運維光伏組件，隨著光伏發(fā)電裝機持續(xù)增長，為保障電力系統(tǒng)實時供需平衡，只會對電網(wǎng)調(diào)峰能力提出更高的要求，但對系統(tǒng)的凈負(fù)荷曲線沒有任何彌補之用。但是我們也可以打破傳統(tǒng)思路，通過不同維度下光伏組件安裝傾角(光伏組件朝南布置，與水平地面之間的夾角)影響發(fā)電量來優(yōu)化發(fā)電曲線。緯度越低的地方，組件平鋪時發(fā)電量損失越少，但緯度越高的地方，垂直時發(fā)電量損失越少，且垂直時光伏機組發(fā)電曲線由原來“饅頭型”變成“雙駝峰型”，在解決系統(tǒng)調(diào)峰壓力的同時又保證了電量需求，還讓光伏實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。
三是風(fēng)電要在現(xiàn)有條件下煥發(fā)生機。選址一直都是風(fēng)電場設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，選址工作的好壞，直接影響了風(fēng)電場的收益情況。截至2023年12月31日，我國風(fēng)電裝機規(guī)模達(dá)到4.4134億千瓦，占我國電力總裝機的15%，其中陸上風(fēng)電4.434億千瓦，海上風(fēng)電3700萬千瓦。我國大陸海岸線長18400千米，擁有豐富的海上風(fēng)能資源，但因為我國海上風(fēng)力資源開發(fā)相對歐美國家起步較晚，導(dǎo)致我國海上風(fēng)電應(yīng)用時間較晚。所以從裝機規(guī)?？矗Ｉ巷L(fēng)電和陸上風(fēng)電相差甚遠(yuǎn)，但是隨著海上風(fēng)電裝備制造能力和建設(shè)運營能力的提高，海上風(fēng)力發(fā)電機組建設(shè)問題不斷得到解決，更為安全、高效的海上風(fēng)電機組也在逐步走向成熟，海上風(fēng)電完全可以乘“風(fēng)”而上。對于陸上風(fēng)電，早期風(fēng)電項目搶占的是“三北”地區(qū)等風(fēng)資源豐富的區(qū)域，年平均風(fēng)速能達(dá)7米/秒以上，但由于機組額定風(fēng)速高、單位千瓦掃風(fēng)面積較小、風(fēng)能利用率較低的機組占比高等因素，導(dǎo)致風(fēng)電機組容量系數(shù)、年利用小時數(shù)均偏低，在同等風(fēng)資源條件下，利用小時數(shù)遠(yuǎn)低于最新機型。早在2021年12月，國家能源局就發(fā)布了《風(fēng)電場改造升級和退役管理辦法(征求意見稿)》，隨后多個省區(qū)就開始老舊風(fēng)電場改造升級相關(guān)工作，但規(guī)模都比較小。2023年6月，國家能源局印發(fā)了正式文件《風(fēng)電場改造升級和退役管理辦法》(以下簡稱《管理辦法》)，對今后風(fēng)電市場健康有序發(fā)展提供了指導(dǎo)方案。據(jù)業(yè)內(nèi)測算，一座5萬千瓦的老風(fēng)電場更新后可獲得原有2~3倍容量、4~5倍的發(fā)電量。所以各地要落實《管理辦法》，打開國內(nèi)“以大代小、以新?lián)Q舊”市場，讓風(fēng)電機組在現(xiàn)有土地資源，風(fēng)資源的條件下脫胎換骨、涅槃重生。
四是燃機的供熱功能定位要轉(zhuǎn)變。在我國現(xiàn)有能源體系中，火電仍然是能源保供的絕對主力，除了人們熟悉的煤電外，天然氣發(fā)電也屬于火電的一種，也可以發(fā)揮其不可或缺的作用。從電源結(jié)構(gòu)上看，我國是需要天然氣發(fā)電廠的，但需要的是天然氣調(diào)峰電廠，而非天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)。雖然燃料成本劣勢導(dǎo)致氣電貴，但是氣電具有煤電沒有的清潔低碳屬性，且能與高比例的波動性可再生能源相匹配，以及提供確保電網(wǎng)穩(wěn)定運行的優(yōu)質(zhì)調(diào)峰調(diào)頻資源。隨著風(fēng)電、光伏等可再生能源規(guī)模迅速擴大，電網(wǎng)對于靈活性電源的需求越加迫切。熱電聯(lián)產(chǎn)燃?xì)鈾C組的電力是隨著供熱需求而變化的，“不由自己做主”，也就失去了靈活性優(yōu)勢。所以，其對電力沒有任何貢獻(xiàn)，反而因為熱電比等原因，在生產(chǎn)熱能的同時也生產(chǎn)了更多的電量，原本是為了幫助可再生能源上網(wǎng)，需要與風(fēng)電、光伏打配合的氣電，結(jié)果因為供熱原因，反而搶占了風(fēng)電、光伏發(fā)電位置。所以需要充分發(fā)揮燃?xì)鈾C組啟停靈活的特點，將發(fā)展調(diào)峰電源作為氣電主要發(fā)展方向。城市供熱可以建設(shè)城市熱網(wǎng)，不再由供熱鍋爐進(jìn)行互保供熱，而是由城市熱網(wǎng)進(jìn)行互保，燃?xì)鈾C組做好自己調(diào)峰的任務(wù)就可以。
五是煤電的運行方式要改變。隨著我國可再生能源裝機容量和發(fā)電量的不斷上升，煤電在降碳減碳的過程中平均發(fā)電利用小時數(shù)將會持續(xù)降低，煤電的角色也從主要的發(fā)電電源向調(diào)節(jié)性電源過渡，相較于其他調(diào)節(jié)型電源，煤電調(diào)峰具有明顯的體量和成本優(yōu)勢，電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源的保障要求煤電承擔(dān)起調(diào)節(jié)型電源主力軍作用。煤機根據(jù)啟動工況可以分為冷態(tài)啟動、溫態(tài)啟動、熱態(tài)啟動、極熱態(tài)啟動等，各工況下啟動時間不同，如燃煤機組停機時間1小時以內(nèi)為極熱態(tài)啟動，停機時間1小時至10小時為熱態(tài)啟動，停機時間10小時至72小時為溫態(tài)啟動，停機時間72小時以上為冷態(tài)啟動。從目前各地的凈負(fù)荷曲線和現(xiàn)貨運行情況可以看到真正需要火電進(jìn)行啟停調(diào)節(jié)的停機時間為2~4小時左右，此時對應(yīng)的機組狀態(tài)為熱態(tài)或極熱態(tài)，這就需要煤電機組在今后頻繁地啟停，通過煤電多次啟停的能力，充分發(fā)揮其隱藏的調(diào)節(jié)能力。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2024年10期
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