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    观察 | 韩水:我国电源结构与布局优化研究

    | 超级管理员    阅读: 发稿时间:2019/12/28 19:06:25

    观察 | 韩水:我国电源结构与布局优化研究

    中国能源研究会

     前言 

           2019年12月4日-5日,中国能源研究会年会在京成功召开。本公众号选取演讲嘉宾的发言陆续进行摘登,以飨读者。


     

    我国电源结构与布局优化研究

    中国能源研究会特邀副理事长、国家能源局原总工程师  韩水


    研究的基础1经济与能源、电力需求

    十九大报告明确提出了两个“十五年”战略安排,即到2035年,基本实现社会主义现代化,到本世纪中叶,建成富强、民主、文明、和谐、美丽的社会主义现代化强国。能源为支撑经济的发展,要继续推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效的能源体系。我国能源消费总量呈逐年增长态势,但增速波动较大。2012年以来,我国进入经济新常态,产业结构调整和增速换挡对能源消费产生显著影响,能源消费总量年均增速逐年降低。

    2016年底,国家能源主管部门发布的《能源生产和消费革命战略(2016-2030)》,明确了我国未来发展不同时期的能源消费目标和非化石能源消费占比目标,到2020年、2030年非化石能源占一次能源消费总量的15%和20%。到2050年要达到能源消费总量基本稳定、非化石能源消费占比要超过50%。

    我国的能源供给结构正在向清洁低碳转型,2020年以前为过度培育期,清洁能源成为能源供应增量主体;2020-2035年为初步形成期,化石能源消费陆续达峰,到2030年要逐步形成增量全部由清洁能源替代,能源消费目标要不超过58亿吨的标准煤;2035-2050年为稳定成熟期,非化石能源陆续成为主体能源,并适当的要替代部分现存的化石能源。

    电力需求的需求将持续增加,经初步测算,2025年我国全社会用电量约9.4万亿千瓦时左右,2035年我国全社会用电量约12万亿千瓦时,2050年我国全社会用电量约13.6万亿千瓦时。电力需求增加的主要原因是我国将步入小康社会,人民的生活水平不断提高,人均用电量将有较大增长,同时我国将进一步实现工业化、城镇化,尽管产业结构的转型优化会使电量增速逐步下降,但整体电力需求仍处于增长态势。

    2各类电源发展分析

    水电方面,我国水力资源技术可开发量8.87亿千瓦,居世界首位,年发电量约3万亿千瓦时,集中分布于四川、云南及西藏等地区。我国抽水蓄能总站址资源约为1.8亿千瓦,其中60%左右在中东部和南方地区。

    核电方面,在保障安全性的前提下,综合各类因素研判,沿海和内陆站址规模约为2亿千瓦、1.6亿千瓦。内陆核电开发仍然面临较大不确定性,2050年核电规模预计在2.0~3.6亿千瓦之间。

        气电方面,受我国内外部环境、天然气保供等不确定因素影响,未来气电发展存在较大不确定性。短期内,我国天然气发电将以调峰为主,保证沿海地区高峰时段用电保障,远期条件成熟,可布局一定规模的气电。

    风电方面,我国陆上风能资源技术可开发量为48.9亿千瓦,海上风能资源技术可开发量为2.17亿千瓦。

    太阳能发电方面,我国太阳能发电潜力为37.6亿千瓦,其中集中式光伏电站25.37亿千瓦,分布式光伏9.13亿千瓦,光热发电3.08亿千瓦。

    生物质能方面,我国生物质能资源丰富,每年可作为能源利用的生物质资源主要以农业废弃物、林业废弃物为主,考虑速生林种植的可能,总量约4.6亿吨标准煤,预计可支撑2亿千瓦以上装机。

    3各类电源成本分析

    水电随着水电开发逐渐向上游推进,开发的难度和成本也将逐步增加,预计未来水电的开发成本12000~25000元/千瓦之间,运维成本在0.03元/kWh左右。抽水蓄能参照《水电发展“十三五”规划》,开发成本在2000-3000元/千瓦左右。

    核电未来的建造成本在的15000元/千瓦左右,新建的核电主要以第三代核电技术为主,成本将较第二代核电技术有明显上升。

    风电随着科技进步与风电项目大规模发展造价将会继续降低。预计2025年风电投资成本相对于2015年水平下降约15%。运维成本一般为上网电价的3~5%。

    国际可再生能源署预测到2025年,光伏发电投资成本相对2015年水平下降57%,约为5000元/千瓦左右,2035年在4000元/千瓦左右, 2050年在2500元/千瓦左右,运维成本一般为上网电价的5%。

    光热发电成本仍然较高,工程造价在2.53万元/kW。参照风电、光伏等新能源的发展经验,我国光热项目成本的下降速度将会快于国外的速度。

    电储能成本对新能源发展非常重要,为电力系统提供削峰填谷,快速调频、动态供应等多种服务,是配合波动性可再生能源的理想设施。综合各个机构的相关预测,两小时的储能的建设成本在1500-3000元/千瓦之间,运维成本为3%左右。

    4生态环境成本分析

    除了各类电源的建设、运行成本之外,还需要分析生态环境成本。生态环境成本大致分为水污染成本,大气污染成本,土壤污染成本,温室气体造成的气候变化成本,生态保护及修复成本。与能源系统相关的主要生态环境成本为碳排放以及大气污染物。

    碳排放的价格根据预计2030年以后,我国的碳价格在每吨100-200元左右。综合考虑大气污染物的社会代价、治理成本以及现实基础,预计2030年大气污染物综合成本在50元/kg左右。

    电源结构优化方法1电源结构优化技术

    伴随着电力系统的发展,我国的电力结构不断复杂,规划研究方法也不断更新升级,亟需创新电源结构优化技术,支撑未来电力系统的发展研究。电源的优化办法很多。发展初期,纯火电系统可运用传统的电力电量平衡分析方法;互联时期,大规模的水电系统投入后,电源结构逐渐的复杂化,用考虑水电随机性的生产模拟方法进行结构优化;能源转型时期,大规模的新能源电源接入系统,随着不可控电源的大量接入,以及市场化逐步的推进,要采用系统工程的电源结构和布局优化方法进行优化。

    2算法流程(略)3优化模型(略)多场景电源结构与布局优化
    1拟定发展场景的基本原则基本原则是力求覆盖2025、2035及2050年可能出现的多种发展情景,以检验各类电源的总量、结构和布局的变化。2全国电源结构及布局

    电源装机容量经优化计算2025年装机容量达到28.34亿千瓦;2035年全国装机容量达到34.53亿千瓦;2050年全国装机容量达到40.2亿千瓦。发电量经优化计算2025年全国发电量达到9.41万亿千瓦时,2035全国发电量达到12.21万亿千瓦时,2050年全国发电量达到13.6万亿千瓦时。非化石能源占能源消费总量经优化计算2025年达17.3%,2035年达24.2%,2050年达40.1%。

    各类电源结构,根据优化的结果水电从2025年以前总装机4亿千瓦,到2035年4.4亿千瓦,到2050年总装机在5.2亿千瓦,占总装机容量14%左右,增量主要集中在南方和西南地区。核电在2025年前,考虑沿海各地在建及路条核电项目全部建成投产,装机0.73亿千瓦,占比为3%;2035年前,除环渤海地区外,考虑沿海各地在建及路条核电项目全部建成投产,装机1.56亿千瓦,占比为4%;2050年,全国沿海核电站址全部开发完毕,装机达到2亿千瓦,占比为5%。风电未来继续持增长态势,2025年装机达5.1亿千瓦,占比为18%,2035年装机达到5.5亿千瓦,占比为15%,2050年装机达到9亿千瓦,占比为21%。光伏发电由于其度电成本高于风电及无法提供电力支撑,在资源丰富的区域将弱于风电发展,特别是在退坡之后,它的成本还是偏高,另外,风电和储能的耦合发展可能更加的具有优势。根据我国能源禀赋,预计未来我国煤电规模仍持继续增长的态势,2025年装机达到13.5亿千瓦,占比为48%;2035年以后煤电装机达到14亿千瓦,占比为41%,到2050年一直保持着这个规模,占比下降为35%。

    清洁的可调节电源随着新能源的大量接入发展较快,抽蓄、储能、气电都有一定规模的增长。抽蓄、储能、气电到2025年装机达到3.7亿千瓦,占比为12%;2035年达到6亿千瓦,占比为16%,到2050年达到7.1亿千瓦,占比为16%为20%。

    3新能源高速发展场景分析

    我们认为上述优化结果,离清洁能源高比例发展的目标还有一定的差距,因此,我们做了新能源高速发展情景分析。考虑远景年新能源发电核心装备技术取得重大进展,风电、太阳能发电等新能源的综合成本大幅降低;大规模集中储能应用技术取得关键突破。在该情景下,新能源能源发电装机将快速提高,并依此做电源结构优化。

    优化计算结果,2035年全国装机容量达到38.4亿千瓦;2050年全国装机容量达到46.6亿千瓦,均有较大规模的增加。风电实现在东中西部的全面持续高速的发展,2035年装机达到10.4亿千瓦,占比为27%,2050年装机达到15.1亿千瓦,占比为32%,风电可以为全国提供20%左右的电量。太阳能发电也是我国可再生能源发展的主力,在2035年和2050年装机容量均有增长,占比可达6~8%,主要集中在西北地区。随着新能源的高速发展,其他电源同时进行调整。水电装机容量在减少,主要原因是其开发成本已远高于风电和光伏;煤电到2035年以后,保持着11亿千瓦左右的装机容量,占比降到29%以下,利用小时数也在逐步下降。

    4以西北区域为例的灵敏度分析

    电量需求灵敏度的分析认为,随着电量需求不断增加,煤电的利用小时数也随之增加,电源结构基本保持不变;到一定数值时,煤电受制于碳排放总量控制,不能再通过增加煤电利用小时满足用电需求,需要通过结构调整,发展水电、风电及储能来满足调峰和用电需求。最大负荷灵敏度的分析认为,随着最大负荷不断增加,优先增加煤电装机;到一定数值时,受制于非化石能源占比控制,需要通过发展风电、抽蓄和储能来满足最大负荷增长的需要。非化石能源占比灵敏度的分析认为,随着非化石能源占比增加,煤电装机逐渐降低,需要发展清洁能源发电来满足用电需求。天然气价格灵敏度的分析认为,西部地区气电竞争力不强,原因是其天然气价格无法与其他可再生能源竞争,只有在气价低于1元/立方米的时候,才有少量的气电建设。电煤成本灵敏度的分析认为,只有煤价高于1155元/吨的时候,电源结构才发生了明显变化,说明西部地区的煤电很有竞争力,主要是电煤的成本比较低。光伏建设成本灵敏度的分析认为,如取消补贴,现在的光伏建设成本竞争不过风电,只有在光伏建设成本不断降低到5500元/千瓦以下的时候,将将能与风电竞争。光热发电度电成本灵敏度的分析认为,光热发电度电成本偏高,无法与风电、光伏发电竞争,只有在光热发电度电成本低于0.5元/千瓦时才能参与竞争。

    5全国电源布局优化

    我国的电力资源跨省(区)配置主要以“西电东送”为主,目前,“西电东送”规模(送电能力)已达到约2.44亿千瓦。电源的布局优化主要是从资源优化配置为目标,以输电和输煤比较、新能源集中式和分布式发电比较为核心,在全国范围内进行了优化。

    优化的结果表明:要尽量发挥现有输电线路的作用,使电源全国的电源结构和布局更加优化;此外,还要适当增加“西电东送、北电南送”的规模,充分发挥西部地区可再生能源的资源富集优势,推动能源结构转型。优化前和优化后的比较,主要是总装机容量减少了,增加了水电外送,这个优化结果还是相对客观的。

    本次研究采用的模型和方法能够快速对我国的电源结构和布局的总趋势性进行判断,可用于全国电源规划研究分析。本次只拟定了2025年、2035年、2050年三种发展情景,并对各情境下电源结构及布局进行了优化计算,计算结果可供制定规划参考。后续根据需要可在模型当中增加负荷侧和电网侧的优化模型,使优化更加客观实际。

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