“碳中和”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)也將發(fā)生根本性的變革。這就要求不僅要關(guān)注電源的經(jīng)濟(jì)性，更需要將環(huán)保性和靈活性放在同樣的高度統(tǒng)籌考慮，而不同電源之間呈現(xiàn)在這三方面出不同的互補(bǔ)特性。通過對當(dāng)前和未來場景下，電源拼圖的重構(gòu)，本文對“碳中和”場景下的電源構(gòu)成進(jìn)行了展望。通過能源市場體系的建立，充分體現(xiàn)出市場參與者三方面的價(jià)值，將實(shí)現(xiàn)“不可能三角”向“價(jià)值三角”的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)我國甚至全球的綠色發(fā)展。
01碳中和指引新發(fā)展
從2020年9月的第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論到2020年12月舉行的氣候雄心峰會(huì)，我國多次表示，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2020年12月閉幕的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議將做好碳達(dá)峰、碳中和工作列入2021年要抓好的8大重點(diǎn)任務(wù)之一。
“碳中和”目標(biāo)的提出與踐行，是國家深思熟慮之下的戰(zhàn)略布局，社會(huì)各界，尤其是能源企業(yè)要有充分深刻的認(rèn)識(shí)，才能擺清位置、找準(zhǔn)方向，真正落實(shí)好“碳中和”總體目標(biāo)下分解到行業(yè)和地區(qū)個(gè)體的具體任務(wù)。首先。“碳中和”指的是碳“凈零排放”，而非“零排放”，是長期低碳發(fā)展戰(zhàn)略的具體呈現(xiàn)，發(fā)展仍然是首要任務(wù)。其次，旗幟鮮明的提出“碳中和”的定量指標(biāo)，為各行各業(yè)提供了共同的發(fā)展導(dǎo)向，隨著逐級細(xì)化分解，將分別形成明確的具體量化要求，形成綠色低碳循環(huán)和可持續(xù)的發(fā)展路徑。再次，盡管“碳中和”的高要求帶來了新的挑戰(zhàn)，但更是新的機(jī)遇。在工業(yè)時(shí)代跨入信息時(shí)代的開端，通過綠色轉(zhuǎn)型帶動(dòng)新基建，引導(dǎo)新技術(shù)，既是我國長期低碳發(fā)展的保障，也是在新時(shí)代走向海外的必占先機(jī)。在全球關(guān)注環(huán)保的大趨勢下，通過廣闊的國內(nèi)市場培育出適應(yīng)“碳中和”要求的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、模式、機(jī)制，將成為我國未來在國際市場上的新名片。
02從“不可能三角”到“價(jià)值三角”
作為實(shí)現(xiàn)“碳中和”的先鋒，能源行業(yè)勢必最先迎來深刻的變革。根據(jù)清華大學(xué)氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究院公布的研究成果：我國能源消費(fèi)總量將在2035年左右達(dá)到峰值，到2050年將比峰值消費(fèi)量下降20%以上；到2050年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重應(yīng)超過70%，非化石能源電力將占總發(fā)電量的約90%，基本形成以新能源為主體的近零碳排放能源體系。以風(fēng)電、光伏為代表的新能源目前看來將成為非化石能源發(fā)電的主力，但其自身間歇性發(fā)電的特性決定了電力系統(tǒng)傳統(tǒng)的容量配置方式將不再適用。在以火電、水電為代表的傳統(tǒng)能源為主的電力系統(tǒng)中，電源可控性強(qiáng)，可以隨時(shí)追蹤負(fù)荷變化，因此容量配置僅需要滿足最大負(fù)荷和一定備用裕度即可，但間歇性電源為主的電力系統(tǒng)則需要高冗余的裝機(jī)規(guī)模，以及電力系統(tǒng)整體的智能化來實(shí)現(xiàn)電力供需的實(shí)時(shí)平衡，保持電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
“既有能源用，又沒有污染，價(jià)格還便宜”的能源革命目標(biāo)，體現(xiàn)了靈活性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性三方面的要求。對于電力系統(tǒng)而言，靈活性表示從長期到短期不同時(shí)間尺度下，不同位置的電力供給均可滿足需求的能力；環(huán)保性表示覆蓋電力設(shè)備全壽命周期的污染物排放的受控能力，以及對特定資源稟賦的獨(dú)立性；經(jīng)濟(jì)性表示電力設(shè)備建設(shè)和運(yùn)維對應(yīng)固定成本和變動(dòng)成本的節(jié)約能力。
這本質(zhì)上是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題，雖然單獨(dú)的每個(gè)目標(biāo)看似都不難實(shí)現(xiàn)，但融合在一起要同時(shí)達(dá)到每個(gè)目標(biāo)的理想值卻幾乎不可能，被行業(yè)專家稱為“不可能三角”。只能在能源革命的三個(gè)目標(biāo)之間進(jìn)行協(xié)調(diào)和折中處理，使各個(gè)子目標(biāo)都盡可能地達(dá)到最優(yōu)化。與單目標(biāo)優(yōu)化問題的本質(zhì)區(qū)別在于：多目標(biāo)優(yōu)化問題的解并非唯一，而是存在一組由眾多帕累托最優(yōu)解組成的最優(yōu)解集合。
目前所開展的能源市場化改革，其重大意義正在于通過市場競爭，體現(xiàn)不同電力市場參與者的靈活性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性價(jià)值差異，并引導(dǎo)其發(fā)揮各自優(yōu)勢，揚(yáng)長避短實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。其中，電力現(xiàn)貨市場價(jià)格集中體現(xiàn)了電力實(shí)時(shí)平衡約束下的電力經(jīng)濟(jì)價(jià)值；電力輔助服務(wù)市場體現(xiàn)不同調(diào)節(jié)性資源的短期靈活性，長期靈活性則需通過特定的容量補(bǔ)償機(jī)制予以激勵(lì)；碳市場和綠證市場則將反映出不同生產(chǎn)消費(fèi)部門的環(huán)保價(jià)值。通過市場體系的建立，充分體現(xiàn)出市場參與者三方面的價(jià)值，將實(shí)現(xiàn)“不可能三角”向“價(jià)值三角”的轉(zhuǎn)變。
03多元電源的定性價(jià)值評估
將經(jīng)濟(jì)性、靈活性和環(huán)保性價(jià)值分為三檔，分別表征三個(gè)價(jià)值從低到高的定性評價(jià)。下面分別對火電、水電、核電、新能源和儲(chǔ)能進(jìn)行價(jià)值評估，評估結(jié)果如圖 1所示。圖中用不同填充顏色表征能源類型，用黃色邊框表示經(jīng)濟(jì)性價(jià)值，用藍(lán)色邊框表示靈活性價(jià)值，用綠色邊框表示環(huán)保性價(jià)值。各種能源類型按三個(gè)價(jià)值的不同，可以繪制出如圖1所示的形狀，類似于一個(gè)個(gè)“俄羅斯方塊“，通過電力系統(tǒng)將其拼接配合，將形成直觀的電源結(jié)構(gòu)基本格局。
圖 1 不同能源類型的定性價(jià)值評估
（一） 經(jīng)濟(jì)性評估
火電的經(jīng)濟(jì)性適中，既有初始投資的固定成本，也有燃料成本為主的變動(dòng)成本，將其作為經(jīng)濟(jì)性的中值參考基準(zhǔn)；水電雖然初始投資仍比較大，但由于不需要燃料，變動(dòng)成本優(yōu)勢明顯，是高經(jīng)濟(jì)性的代表；核電初始投資成本昂貴，尤其是三代核電機(jī)組的投運(yùn)，相對成本差異更為明顯，其經(jīng)濟(jì)性次于火電；新能源以風(fēng)電、光伏為代表，建設(shè)成本略高于火電，但變動(dòng)成本很低，加之需要平衡調(diào)節(jié)支撐，經(jīng)濟(jì)性可粗略認(rèn)為與火電持平；儲(chǔ)能主要包括抽水蓄能和電儲(chǔ)能裝置等，但目前單位容量造價(jià)仍居高不下，加之不能生產(chǎn)電能，且有轉(zhuǎn)換能效損失，總體經(jīng)濟(jì)性甚至低于核電。
（二）靈活性評估
火電作為目前我國輔助服務(wù)市場的主力參與資源，能夠提供幾乎全部品種的輔助服務(wù)，但受到啟停狀態(tài)、最小運(yùn)行出力和爬坡速度等限制，可設(shè)定為靈活性適中的標(biāo)桿基準(zhǔn)；水電的運(yùn)行約束較為寬松，調(diào)節(jié)速度也相對更快，因此靈活性要高于火電；核電并不適合進(jìn)行頻繁調(diào)節(jié)，但在必要時(shí)也可以進(jìn)行較為平緩的出力調(diào)整，靈活性較低；新能源長期以來被認(rèn)為是不能參與輔助服務(wù)的，其實(shí)風(fēng)電、光伏也具備一定調(diào)節(jié)能力，如通過可以發(fā)揮其控制手段來完成一些二次調(diào)頻的功能，但在滿發(fā)時(shí)僅能提供單向調(diào)節(jié)，靈活性較低；儲(chǔ)能的靈活性是最高的，可利用充放狀態(tài)的切換實(shí)現(xiàn)正負(fù)雙向的調(diào)節(jié)，且電儲(chǔ)能裝置的爬坡和響應(yīng)速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組。
（三）環(huán)保性評估
火電由于需要燃燒化石能源，氣體排放是環(huán)境治理的重點(diǎn)，環(huán)保性相對較低，但可以通過超低排放技術(shù)進(jìn)行改善；水電開發(fā)受水電資源分布的限制，目前我國水電資源開發(fā)已較為充分，大型水電項(xiàng)目增量空間有限，因此作為環(huán)保性的中值參考基準(zhǔn)；核電受限于安全性的考慮，以及核廢料的處理，在內(nèi)陸核電解禁之前選址空間有限，環(huán)保性也評估為中值；新能源分布廣泛，資源儲(chǔ)量大，多數(shù)可在生命周期內(nèi)提前實(shí)現(xiàn)自我碳中和，環(huán)保性最佳；儲(chǔ)能技術(shù)中，抽蓄電站受限于選址，而電化學(xué)儲(chǔ)能則存在生產(chǎn)和回收過程的污染物處理問題，目前尚無完善的廢舊電池回收處理方案，因此其環(huán)保性最低。
04“碳中和”目標(biāo)下電源拼圖的重構(gòu)
從不同電源經(jīng)濟(jì)性、靈活性和環(huán)保性價(jià)值的分析可以直觀的體現(xiàn)出多能互補(bǔ)的必要性。考慮到能源轉(zhuǎn)型所需的時(shí)間周期規(guī)律，2030年碳達(dá)峰仍需基于現(xiàn)有電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，而2060年碳中和則需要電源結(jié)構(gòu)的革命性重構(gòu)。筆者將不同能源類型板塊拼接得到如圖 2所示電源結(jié)構(gòu)拼圖?！疤歼_(dá)峰”場景下，火電和水電比例約為3:1，輔以一定比例的核電、新能源以及儲(chǔ)能，主要是對當(dāng)前電源機(jī)構(gòu)的補(bǔ)充和優(yōu)化?！疤贾泻汀眻鼍跋拢履茉凑贾饕壤?，核電裝機(jī)規(guī)模大幅擴(kuò)張，火電裝機(jī)規(guī)模顯著下降，僅保留小部分作為調(diào)節(jié)性電源維持系統(tǒng)安全運(yùn)行，水電規(guī)模保持穩(wěn)定，儲(chǔ)能規(guī)模相應(yīng)配置。
(a) “碳達(dá)峰”電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化拼圖
(b) “碳中和”電源結(jié)構(gòu)重構(gòu)拼圖
圖 2 “碳達(dá)峰”、“碳中和”場景的電源結(jié)構(gòu)拼圖
05堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展道路
在向“碳中和”目標(biāo)前進(jìn)的征途上，我國新能源產(chǎn)業(yè)將成為主力軍，不僅要在產(chǎn)量上滿足規(guī)模增長的需要，更需要不斷迭代升級技術(shù)裝備，全面提高新能源的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)電源的有效替代。構(gòu)建公平開放的能源市場體系，通過有序競爭發(fā)揮多元能源的互補(bǔ)優(yōu)勢，是破解能源行業(yè)“不可能三角”的必然選擇。此外，能源行業(yè)要牢記歷史使命，不斷探索領(lǐng)先技術(shù)，通過國內(nèi)市場孵化出具有國際競爭力的產(chǎn)品體系，用中國制造的能源裝備為世界綠色發(fā)展賦能。（本文作者來自金風(fēng)設(shè)計(jì)研究院。）
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