“雙碳”目標的提出，對能源行業(yè)提出了更高的要求，電源結構也隨之發(fā)生了根本性的變革，能源企業(yè)只有充分、深刻地認識到“雙碳”目標的重要性和緊迫性，才能找準定位、認清方向，真正落實(shí)好現階段“碳達峰”總體發(fā)展目標。新能源在實(shí)現“雙碳”目標過(guò)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)展規劃目標，能否適應當前經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展需求?各類(lèi)電源又應當如何調整自身定位才能更好地助力“雙碳”目標的實(shí)現呢?
按現有發(fā)展速度，風(fēng)光12億千瓦裝機還夠不夠?
要回答這個(gè)問(wèn)題，我們先來(lái)了解12億千瓦的風(fēng)電、光伏發(fā)展規劃目標是如何出現的。2020年12月12日，在氣候雄心峰會(huì )上，我國首次提出，“到2030年，中國單位國內生產(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(yáng)能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上。”隨后，國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見(jiàn)》，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)新時(shí)代新能源高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)施方案》等文件均將2030年新能源裝機目標定為12億千瓦，由此，2030年12億千瓦風(fēng)電、光伏裝機的發(fā)展目標廣為人知。
那么12億千瓦的風(fēng)光裝機目標能否滿(mǎn)足發(fā)展需要呢?從能源結構調整的角度來(lái)看，未來(lái)非化石能源消費總量和比重仍將進(jìn)一步提高，低碳消費的能源結構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(mǎn)足能源結構調整需要。2021年10月，國務(wù)院發(fā)布的《2030年前碳達峰行動(dòng)方案》中明確，2025年非化石能源消費比重達到20%左右，2030年非化石能源消費比重進(jìn)一步提高到25%左右。當前各研究機構均對我國碳達峰一次能源消費總量進(jìn)行分析預測，研究顯示，我國一次能源消費量預計在2030年前后達峰，峰值約52.9億~61.4億噸標煤，年均值55.7億噸標煤，按60億噸標準煤一次能源需求峰值推測，我國2030年全社會(huì )總用電需求約為10.7萬(wàn)億千瓦時(shí)，屆時(shí)非化石能源消費應當等效為14億噸標準煤所提供的全社會(huì )能源消費水平，在不考慮實(shí)際約束的理想狀態(tài)下，相當于非化石能源提供4.76萬(wàn)億千瓦時(shí)電量，剔除水電、核電等電源裝機增長(cháng)因素，預計風(fēng)電、光伏需提供約2.2萬(wàn)億千瓦時(shí)電量，對應新能源裝機容量遠超12億千瓦。
從電力供給的角度來(lái)看，當前制約風(fēng)電、光伏快速發(fā)展的成本因素(相同投資可獲得早期數倍的裝機容量)逐漸減弱，12億千瓦的目標遠非行業(yè)所能觸及的上限，行業(yè)發(fā)展有能力超越12億千瓦的裝機規劃目標。截至2020年11月底，我國風(fēng)電、光伏裝機僅有4.7億千瓦，站在當年的視角來(lái)看，10年時(shí)間中需保持年均9.8%的增長(cháng)速度才能按期實(shí)現12億千瓦的裝機目標，仍舊需要付出一定的努力。然而，在當前為促進(jìn)新能源高質(zhì)量發(fā)展所執行的電價(jià)政策和全額消納機制、科技突破帶來(lái)的造價(jià)快速下降、能源企業(yè)發(fā)展戰略及考核等多重因素激勵下，風(fēng)電、光伏裝機容量超預期增長(cháng)。2021年新能源裝機容量同比增長(cháng)37.6%，2022年這一數字增長(cháng)到39.4%，而2023年則攀升到了76.2%，裝機增長(cháng)速度遠超其他電源類(lèi)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，占當前電力系統總裝機容量的37.9%，總裝機容量達到11.5億千瓦，距離12億千瓦的裝機目標僅一步之遙。
從電力需求和負荷變化的角度來(lái)看，未來(lái)一段時(shí)間電力負荷仍將持續增長(cháng)，新增電源裝機必須堅持綠色低碳的發(fā)展方向，這對新能源裝機規模提出了更多的需求。我國自成功抗擊新冠肺炎疫情以來(lái)，國內電力負荷持續快速增長(cháng)，2023年度全社會(huì )用電量9.2241萬(wàn)億千瓦時(shí)，同比增長(cháng)6.7%，未來(lái)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到11.34萬(wàn)億千瓦時(shí)。而實(shí)際上，當前我國新能源汽車(chē)、鋰電池、太陽(yáng)能電池等外貿優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)以及服務(wù)國家發(fā)展戰略的半導體行業(yè)、5G基站、大數據中心等新質(zhì)生產(chǎn)力代表性用戶(hù)均對電力供應有較高需求，未來(lái)幾年我國用電負荷仍將持續增長(cháng)。按新能源全國年均利用小時(shí)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(shí)電量，1兆瓦光伏裝機僅能供應1200兆瓦時(shí)電量，設備利用小時(shí)數低于常規電源。新增電源投產(chǎn)規劃在優(yōu)先考慮滿(mǎn)足系統新增負荷需求的前提下也要兼顧能源結構轉型，為此新能源裝機投產(chǎn)規模增速必須快于負荷增速才能滿(mǎn)足“雙碳”目標。
立足長(cháng)遠發(fā)展，可以預見(jiàn)12億千瓦的新能源裝機容量已無(wú)法滿(mǎn)足我國經(jīng)濟、社會(huì )高質(zhì)量發(fā)展需要。
實(shí)現碳達峰的可再生能源裝機，電力系統能承受嗎?
按照我國“雙碳”目標遠景規劃，2030年非化石能源消費比重應當在25%左右。然而近些年來(lái)，我國電力負荷持續快速增長(cháng)，一次能源消費量峰值預計將達到62億噸左右，聚焦電力行業(yè)，按照碳達峰發(fā)展目標要求，基于供電煤耗290克/千瓦時(shí)來(lái)測算，到2030年，全社會(huì )用電量中至少要有2.2萬(wàn)億千瓦時(shí)由非水可再生能源提供才能滿(mǎn)足碳達峰發(fā)展目標。假設風(fēng)電、光伏裝機增長(cháng)速度相同，則需按照年均7.3%的增速持續增長(cháng);若僅考慮光伏裝機增長(cháng)，則對應的年均增長(cháng)速度需達到16.6%，這兩個(gè)數字實(shí)際上均遠低于2021~2023年間新能源裝機增速。
高比例光伏接入對系統的沖擊。新能源出力特性對系統調節帶來(lái)的矛盾在裝機快速增長(cháng)的背景下將更加凸顯。光伏發(fā)電受晝夜、天氣、移動(dòng)云層變化的影響，存在間歇性和波動(dòng)性，且呈現一定的反調峰特性。電力系統面臨著(zhù)更加嚴峻的可靠供電、安全穩定和經(jīng)濟運行三大挑戰。新型電力系統中由于源網(wǎng)荷儲各環(huán)節高度電氣化，系統安全穩定問(wèn)題會(huì )更加復雜。在經(jīng)濟、可靠和清潔這個(gè)“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、光伏裝機將對系統消納和安全可靠運行提出嚴峻挑戰，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，光伏消納空間接近枯竭，未來(lái)新能源裝機規模的持續增長(cháng)，對電力系統的沖擊將更加明顯，系統調節難度持續提高。
煤電運行技術(shù)的進(jìn)步無(wú)法滿(mǎn)足新能源高比例的滲透。在國家能源行業(yè)長(cháng)遠戰略規劃中，煤電作為電力安全保障的“壓艙石”，正在向基礎保障性和系統調節性電源并重轉型，我國“富煤貧油少氣”的能源資源稟賦決定了較長(cháng)時(shí)間內煤炭在能源供給結構中仍將占有較高比例，仍是電力系統中的基礎保障性電源，2030年前煤電裝機和發(fā)電量仍將適度增長(cháng)。近幾年因為極端天氣影響，部分地區發(fā)生限電事件，使各級政府部門(mén)高度重視電力供應安全，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(cháng)到2023年的11.6億千瓦，五年來(lái)凈增加1.5億千瓦。結合各地政策動(dòng)態(tài)，預計2030年煤電裝機容量將達到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(cháng)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(cháng)顯著(zhù)快于煤電裝機增長(cháng)。理想情況下，即使煤電裝機容量不斷增長(cháng)，并且通過(guò)設備改造和運行管理，具備一日兩次啟停的運行工況下，系統也只能新增3~6億千瓦的新能源消納空間，依舊無(wú)法解決全部新能源的消納問(wèn)題。
大規模配建儲能難以達到保障系統可靠性要求的水平。新能源裝機的快速增長(cháng)，無(wú)法為系統帶來(lái)有效且充足的可靠性，假設維持當前煤電機組裝機總量不變，為提高系統運行可靠性只能更多采取儲能手段。但目前電力系統對容量的需求主要還是體現為對以煤電、水電等為代表的、能夠在寬時(shí)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(wú)法為系統提供長(cháng)期有效的可靠性，實(shí)際運行過(guò)程中更多發(fā)揮的是平抑系統短時(shí)波動(dòng)的作用。隨著(zhù)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(lái)儲能電池和系統銷(xiāo)售價(jià)格持續下降，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(shí)儲能(儲能時(shí)長(cháng)一般為2小時(shí)以?xún)?上。截至2023年底，全國已投運新型儲能項目累計裝機規模達3139萬(wàn)千瓦/6688萬(wàn)千瓦時(shí)，平均儲能時(shí)長(cháng)僅為2.1小時(shí)。若煤電等可靠性調節電源的體量無(wú)法滿(mǎn)足高峰負荷需求時(shí)，光伏、風(fēng)電裝機占比持續提升，其發(fā)電實(shí)時(shí)出力與終端電力需求的平衡問(wèn)題將愈發(fā)嚴重，系統將需要儲能提供更多的容量服務(wù)和更長(cháng)時(shí)間的能量時(shí)移做支撐，目前“4小時(shí)”已經(jīng)是儲能技術(shù)的瓶頸，若需要更長(cháng)時(shí)間的儲能時(shí)長(cháng)，則會(huì )帶來(lái)成本大增問(wèn)題。許多儲能技術(shù)處于不同的開(kāi)發(fā)和部署階段，很難預計這些儲能技術(shù)中的哪一種能夠大幅降低成本。能源時(shí)移套利是儲能獲利的主要方式，時(shí)長(cháng)的增加必定會(huì )影響其經(jīng)濟性。
供需兩側齊發(fā)力堅持低碳長(cháng)遠路
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可適當放寬新能源利用率目標，原則上不低于90%”。因此很多業(yè)內人士認為，新能源利用率的下調，將進(jìn)一步驅動(dòng)全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，國內新能源新增裝機將繼續保持較高規模的發(fā)展。但如何高規模、高質(zhì)量地發(fā)展新能源、增強系統靈活性調節能力就需要我們進(jìn)一步認真思考。
一是抑制高耗能產(chǎn)業(yè)盲目增長(cháng)。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(jià)市場(chǎng)化改革的通知》(下稱(chēng)《通知》)中明確指出，高耗能企業(yè)市場(chǎng)交易電價(jià)不受上浮20%的限制。這樣做的目的就是從用戶(hù)類(lèi)別來(lái)區分交易電價(jià)，要讓用電多、能耗高的企業(yè)多付費，以此來(lái)遏制高耗能項目的盲目發(fā)展。但是全國僅有個(gè)別地區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(lèi)的煤電、石化、化工、鋼鐵、有色金屬冶煉、建材等六個(gè)行業(yè)類(lèi)別作為“兩高”的范圍，在此基礎上進(jìn)行篩選甄別，但忽略了一些非傳統意義上的“高耗能”產(chǎn)業(yè)，如數據中心的電力成本占數據中心營(yíng)運成本50%以上。國家能源局數據顯示，2020年中國數據中心耗電量突破2000億千瓦時(shí)，耗能占全國全社會(huì )總用電量的2.7%，預計到2030年數據中心用電量可能在2020年基礎上增加一倍。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(gè)環(huán)節，其中每個(gè)環(huán)節都需要消耗大量的電能，雖然國內多晶硅生產(chǎn)廠(chǎng)家不斷努力推進(jìn)自主技術(shù)研發(fā)，早已實(shí)現了清潔生產(chǎn)，但是從電能消耗角度來(lái)看，數據中心、光伏原材料生產(chǎn)企業(yè)完全可以看成“不冒煙的工廠(chǎng)”，耗電量與傳統高耗能的產(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(shí)，無(wú)法從交易電價(jià)上推動(dòng)其進(jìn)行節能，只能是變相鼓勵其用能。最終導致到2030年，可再生能源的電量占比可能不會(huì )達到人們的預期，因為高耗能項目無(wú)序的發(fā)展，必定會(huì )增加電力保供壓力。
二是光伏規劃需要改變傳統思路。光伏發(fā)電的問(wèn)題主要依賴(lài)于光照，但光照的最大特點(diǎn)是隨著(zhù)太陽(yáng)的東升西落而變化，在時(shí)間上具有不連續性，這也導致了光伏發(fā)電的不連續。光伏機組的出力在正午前后達到高峰，而太陽(yáng)落山后光伏機組完全無(wú)法出力，用電需求在這時(shí)卻迎來(lái)了晚間高峰，電網(wǎng)負荷迅速沖高。由于光伏發(fā)電的不連續性，電力系統凈負荷在午間陡降、晚間陡升，短時(shí)間內波動(dòng)劇烈，這就是為什么光伏裝機占比越大的地方，系統凈負荷越呈現出“鴨子型”“峽谷曲線(xiàn)”。如果按現有傳統模式安裝運維光伏組件，隨著(zhù)光伏發(fā)電裝機持續增長(cháng)，為保障電力系統實(shí)時(shí)供需平衡，只會(huì )對電網(wǎng)調峰能力提出更高的要求，但對系統的凈負荷曲線(xiàn)沒(méi)有任何彌補之用。但是我們也可以打破傳統思路，通過(guò)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(lái)優(yōu)化發(fā)電曲線(xiàn)。緯度越低的地方，組件平鋪時(shí)發(fā)電量損失越少，但緯度越高的地方，垂直時(shí)發(fā)電量損失越少，且垂直時(shí)光伏機組發(fā)電曲線(xiàn)由原來(lái)“饅頭型”變成“雙駝峰型”，在解決系統調峰壓力的同時(shí)又保證了電量需求，還讓光伏實(shí)現高質(zhì)量發(fā)展。
三是風(fēng)電要在現有條件下煥發(fā)生機。選址一直都是風(fēng)電場(chǎng)設計中的重要環(huán)節，選址工作的好壞，直接影響了風(fēng)電場(chǎng)的收益情況。截至2023年12月31日，我國風(fēng)電裝機規模達到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(wàn)千瓦。我國大陸海岸線(xiàn)長(cháng)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(kāi)發(fā)相對歐美國家起步較晚，導致我國海上風(fēng)電應用時(shí)間較晚。所以從裝機規?？?，海上風(fēng)電和陸上風(fēng)電相差甚遠，但是隨著(zhù)海上風(fēng)電裝備制造能力和建設運營(yíng)能力的提高，海上風(fēng)力發(fā)電機組建設問(wèn)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”地區等風(fēng)資源豐富的區域，年平均風(fēng)速能達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，導致風(fēng)電機組容量系數、年利用小時(shí)數均偏低，在同等風(fēng)資源條件下，利用小時(shí)數遠低于最新機型。早在2021年12月，國家能源局就發(fā)布了《風(fēng)電場(chǎng)改造升級和退役管理辦法(征求意見(jiàn)稿)》，隨后多個(gè)省區就開(kāi)始老舊風(fēng)電場(chǎng)改造升級相關(guān)工作，但規模都比較小。2023年6月，國家能源局印發(fā)了正式文件《風(fēng)電場(chǎng)改造升級和退役管理辦法》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《管理辦法》)，對今后風(fēng)電市場(chǎng)健康有序發(fā)展提供了指導方案。據業(yè)內測算，一座5萬(wàn)千瓦的老風(fēng)電場(chǎng)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(shí)《管理辦法》，打開(kāi)國內“以大代小、以新?lián)Q舊”市場(chǎng)，讓風(fēng)電機組在現有土地資源，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變。在我國現有能源體系中，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。從電源結構上看，我國是需要天然氣發(fā)電廠(chǎng)的，但需要的是天然氣調峰電廠(chǎng)，而非天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)。雖然燃料成本劣勢導致氣電貴，但是氣電具有煤電沒(méi)有的清潔低碳屬性，且能與高比例的波動(dòng)性可再生能源相匹配，以及提供確保電網(wǎng)穩定運行的優(yōu)質(zhì)調峰調頻資源。隨著(zhù)風(fēng)電、光伏等可再生能源規模迅速擴大，電網(wǎng)對于靈活性電源的需求越加迫切。熱電聯(lián)產(chǎn)燃氣機組的電力是隨著(zhù)供熱需求而變化的，“不由自己做主”，也就失去了靈活性?xún)?yōu)勢。所以，其對電力沒(méi)有任何貢獻，反而因為熱電比等原因，在生產(chǎn)熱能的同時(shí)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)揮燃氣機組啟停靈活的特點(diǎn)，將發(fā)展調峰電源作為氣電主要發(fā)展方向。城市供熱可以建設城市熱網(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，燃氣機組做好自己調峰的任務(wù)就可以。
五是煤電的運行方式要改變。隨著(zhù)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(guò)程中平均發(fā)電利用小時(shí)數將會(huì )持續降低，煤電的角色也從主要的發(fā)電電源向調節性電源過(guò)渡，相較于其他調節型電源，煤電調峰具有明顯的體量和成本優(yōu)勢，電力系統調節資源的保障要求煤電承擔起調節型電源主力軍作用。煤機根據啟動(dòng)工況可以分為冷態(tài)啟動(dòng)、溫態(tài)啟動(dòng)、熱態(tài)啟動(dòng)、極熱態(tài)啟動(dòng)等，各工況下啟動(dòng)時(shí)間不同，如燃煤機組停機時(shí)間1小時(shí)以?xún)葹闃O熱態(tài)啟動(dòng)，停機時(shí)間1小時(shí)至10小時(shí)為熱態(tài)啟動(dòng)，停機時(shí)間10小時(shí)至72小時(shí)為溫態(tài)啟動(dòng)，停機時(shí)間72小時(shí)以上為冷態(tài)啟動(dòng)。從目前各地的凈負荷曲線(xiàn)和現貨運行情況可以看到真正需要火電進(jìn)行啟停調節的停機時(shí)間為2~4小時(shí)左右，此時(shí)對應的機組狀態(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(guò)煤電多次啟停的能力，充分發(fā)揮其隱藏的調節能力。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2024年10期
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