電力系統(tǒng)低碳發(fā)展分析模型構(gòu)建與轉(zhuǎn)型路徑

本文針對電力系統(tǒng)近中期和遠(yuǎn)期的低碳發(fā)展問題，差異化地構(gòu)建了電力低碳

發(fā)展量化分析模型和斷能速多元化利用方式的全鏈條技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價模型，并提出

了依靠電力系統(tǒng)自身、電-氫協(xié)同、電-氫-碳協(xié)同消納高比例新能源三種遠(yuǎn)期電

力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型路徑。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)：“十四五”期間，新能源將呈“倍增”式

發(fā)展，電力低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)程提速；“十五五”期間，電源結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，電力系

統(tǒng)碳排放達(dá)峰后穩(wěn)中有降。遠(yuǎn)期來看，隨著氫能和CCUS技術(shù)成熟度的提升和規(guī)

模效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，電-氫協(xié)同、電-氫-碳協(xié)同路徑將逐步具備經(jīng)濟(jì)競爭力，未來

電力系統(tǒng)低碳化轉(zhuǎn)型將呈現(xiàn)多種路徑融合發(fā)展態(tài)勢。

L研究背景

中國提出的碳達(dá)峰目標(biāo)和碳中和愿景，對能源電力碳減排提出了更高要求，

電力系統(tǒng)的清潔低碳化轉(zhuǎn)型路徑峋待探索。為此，本文立足于能源及電力行業(yè)在

碳減排中的重要作用，針對電力近中期低碳發(fā)展形勢，構(gòu)建考慮碳排放外部成本

的規(guī)劃模型，并開展量化展望分析；針對遠(yuǎn)期低碳發(fā)展情景，提出電-氫協(xié)同路

徑和電-氫-碳協(xié)同路徑，構(gòu)建適用于新能源多元化利用方式的全鏈條技術(shù)經(jīng)濟(jì)評

價模型，對氫氣、甲醇等終端產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)競爭力進(jìn)行評估。

2.論文所解決的問題及意義

木文首先從能源電力領(lǐng)域的碳排放現(xiàn)狀出發(fā)，明確了能源電力在碳減排中的

定位。其次，差異化地構(gòu)建了適用于近中期的電力低碳發(fā)展源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)規(guī)劃

模型、適用于遠(yuǎn)期的新能源多元化利用方式全鏈條技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價模型。在此基礎(chǔ)

上，對近中期電力低碳化發(fā)展進(jìn)行了量化分析，對遠(yuǎn)期電力低碳化轉(zhuǎn)型提出了依

靠電力系統(tǒng)自身、電一氫協(xié)同以及電-氫-碳協(xié)同助力新能源消納3種路徑，并展

開優(yōu)劣勢分析，為我國電力低碳化轉(zhuǎn)型路徑提供重要參考。

3.論文重點內(nèi)容

3.1模型方法

為有效開展未來不同階段電力系統(tǒng)低碳化轉(zhuǎn)型研判，采用差異化的建模思

路。對于近中期，采用電力系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲整體優(yōu)化規(guī)劃模型進(jìn)行分析。以電

力系統(tǒng)總成本凈現(xiàn)值最低為目標(biāo)，以目標(biāo)函數(shù)外幫成本內(nèi)部化和約束性指標(biāo)方式

處理低碳目標(biāo)，計及電力電量平衡與系統(tǒng)靈活性等各類約束條件，求解滿足未來

電力需求的各階段各區(qū)域的煤電、氣電、核電、水電、陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電、光

伏發(fā)電、光熱發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等各種電源與跨區(qū)輸電通道、需求響應(yīng)、能效

電廠與儲能等電力系統(tǒng)各組成元素的優(yōu)化發(fā)展規(guī)模。

經(jīng)濟(jì)環(huán)境

目標(biāo)目標(biāo)

模型./

電力系統(tǒng)

源-網(wǎng)■荷■儲各類參數(shù)各階段電力規(guī)劃方案

源網(wǎng)荷儲

電力需求、負(fù)荷特性協(xié)調(diào)規(guī)劃_____各區(qū)域電源

模型煤電一氣也核電

電源資源、技經(jīng)參數(shù)水電風(fēng)電太陽能

電網(wǎng)通道、技經(jīng)參數(shù)跨區(qū)電力流

電力系統(tǒng)

需求響應(yīng)潛力與成本電力碳排放

源網(wǎng)荷儲

儲能技經(jīng)參數(shù)協(xié)調(diào)生產(chǎn)

模擬模型

圖1電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)規(guī)劃模型示意圖

Fig.lSchematicdiagramofsource-grid-load-

storageplanningmodelforthepowersystem

對于遠(yuǎn)期，新能源多元化利用方式將實現(xiàn)技術(shù)突破。為了解決多元化利用場

景下環(huán)節(jié)考慮不全面的問題，本文提出了計及新能源發(fā)電、電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)

與安全穩(wěn)定運行、多能耦合轉(zhuǎn)換、存儲運輸與終端利用等環(huán)節(jié)的全鏈條技術(shù)經(jīng)濟(jì)

評價模型，有助于理清各環(huán)節(jié)之間的協(xié)同關(guān)系，為中遠(yuǎn)期電力系統(tǒng)低碳化發(fā)展路

徑的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評估與比選提供量化分析工具。該模型的重點構(gòu)成部分是低碳電

力的平準(zhǔn)化度電成本LC0LE(levelizcdcostoflow-carbonelectricity)計

算模型和P2X終端產(chǎn)品的平準(zhǔn)化成本LCOPP(levelizedcostofP2Xproduct)

計算模型。

LCOPP

圖2新能源多元化利用方式的全鏈條技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價

模型示意圖

Fig.2Schematicdiagramofthewhole-chain

techno-economicevaluationmodelforthe

diversifiedutilizationofnewenergy

3.2電力近中期低碳發(fā)展的量化分析

近中期中國新能源呈“倍增”式發(fā)展，各類電源之間呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢。

“十四五”期間，新能源規(guī)?？焖偬嵘?年均增長1.0億1.2億kW。2025年,

新能源裝機規(guī)模達(dá)到11億kW左右，占比35%左右。在“十五五”初期，煤電裝

機規(guī)模達(dá)到峰值，為12億~13億kM1；新能源裝機規(guī)模進(jìn)一步提升，2030年裝機

容量達(dá)到17億kN左右，占比達(dá)到約44%。

6

50

碳排放量；一碳排放強度r

455s

40A

V

35

14O

0.

、3000

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253

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5—

-tMf

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年份

圖4電力系統(tǒng)碳排放隨時間的演變趨勢

Fig.4ThevariationofCO2emissionofpower

systemswithtime

3.3電力遠(yuǎn)期低碳發(fā)展的路徑探討

隨著新能源裝機規(guī)模的擴大，其出力波動范圍和波動速率也將迅速增大，電

力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力與安仝稔定運行將成為制約新能源大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵因

素。圍繞高比例新能源消納問題，提出以下3種路徑探討未來電力低碳發(fā)展情景。

常規(guī)路徑下，新能源主要通過轉(zhuǎn)化為電力進(jìn)行利用。為了提升系統(tǒng)對新能源

的消納能力，在電源側(cè)激發(fā)多元電源的協(xié)同調(diào)節(jié)潛能；在電網(wǎng)側(cè)廣泛部署有功、

無功補償裝置，提升系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定性，實現(xiàn)更加靈活優(yōu)化的運行方式;

在負(fù)荷側(cè)推動需求響應(yīng)常態(tài)化；在儲能側(cè)擴大儲能裝機規(guī)模并引導(dǎo)其參與系統(tǒng)調(diào)

-T44>-o

在電-氫協(xié)同路徑下，充分發(fā)揮制氫負(fù)荷的靈活性，通過離網(wǎng)、并網(wǎng)等方式

大規(guī)模部署電制氫設(shè)施，在源側(cè)和網(wǎng)側(cè)實時跟蹤新能源波動性出力，有效解決高

比例新能源下電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)問題。隨著電制氫技術(shù)的成熟以及規(guī)?；a(chǎn)

的實現(xiàn)，“綠氫”的經(jīng)濟(jì)性逐步增強，2060年成本下降至約7.2元/kg,預(yù)計2030

—2040年時期綠氫的熱當(dāng)量成本有望與油氣大致相當(dāng)。

電-氫-碳協(xié)同路徑下，在發(fā)揮電制氫靈活調(diào)節(jié)性能的基礎(chǔ)上，通過在煤電機

組加裝CCUS,一方面為系統(tǒng)保留了轉(zhuǎn)動慣量，另一方面，CCUS捕獲的二氧叱碳

可與綠氫反應(yīng)制取甲烷或甲醇，可以在終端替代進(jìn)口油氣，大幅降低中國能源對

外依存度。從經(jīng)濟(jì)性的角度來看，預(yù)計2030年前后中國加裝CCUS的度電增量成

本在0.2元/(kW?h)左右，基本與新能源并網(wǎng)的度電系統(tǒng)成本持平。

總體來看，3種路徑各有千秋，未來電力系統(tǒng)低碳發(fā)展應(yīng)當(dāng)是多種路徑融合

發(fā)展的結(jié)果。電力系統(tǒng)不斷提升自身對高比例新能源的消納能力，同時充分發(fā)揮

電制氫的調(diào)節(jié)作用，并積極探索電制甲醇等P2X技術(shù)路線，共同支撐新能源的大

規(guī)模發(fā)展。

表1電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型路徑對比

Table1Comparisonoflow-carbonization

transitionpathwaysforthepowersystem

名稱Si劣勢

近期最具可行性；易于統(tǒng)一規(guī)劃和協(xié)調(diào)運靈活性資源挖潛難度大；安全穩(wěn)定

常規(guī)路徑

行；發(fā)展面臨的不確定性相對較小運行面臨考聆；新能源發(fā)展規(guī)模受限

產(chǎn)出的氫氣、氯氣可以創(chuàng)造收益；降低了系規(guī)模化推廣應(yīng)用依賴于氧氣儲運

電-氧協(xié)同