西北地区电力系统低碳转型探索.pdf
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1、2022.08西北地区电力系统低碳转型探索以陕西省2021-2030年转型路径为例rmi.org/4西北地区电力系统低碳转型探索导言.51.西北地区与陕西省电力系统低碳转型背景.72.陕西省电力系统特点.12 2.1 负荷与资源分布.12 2.2 电网结构与运行.14 2.3 电力市场改革进度.153.陕西省2021-2030电力系统低碳转型路径分析.16 3.1 路径设计与假设.16 3.2 电力供给结构.17 3.3 各类机组运行状态.18 3.4 电力系统运行特点.21 3.5 电力系统潜在投资规模.22 3.6 电力系统碳达峰与碳排放总量.234.陕西省电力系统低碳转型的挑战与机遇.2
2、4 4.1 分阶段、分类型,识别煤电安全稳步转型的时间表.24 4.1.1 煤电阶段性角色转变.24 4.1.2 积极探索燃料替代.25 4.1.3 布局煤电备用与退出.26 4.2 创造市场与监管条件,保障可再生能源的可持续大规模发展.28 4.2.1 完善新能源投资回收机制.28 4.2.2 充分发挥分布式可再生电源潜力.31 4.3 大力发展多样化的低碳系统灵活性资源,提高可再生能源消纳能力.32 4.3.1 充分挖掘省内灵活性资源.32 4.3.2 加速推动省内储能科学发展.33 4.4 背靠西北电网,面向中东部地区,增强省间互济与外送清洁化.36 4.4.1 加强西北地区省间互济.3
3、6 4.4.2 提高陕西外送电量清洁比例.37 4.5 统筹考虑系统性转型,积极谋求新增长动力.385.结论与建议.406.附录.44 6.1 模型介绍.44 6.2 REMI模型介绍.457.参考文献.46目录rmi.org/5西北地区电力系统低碳转型探索导言2020年9月,中国宣布了2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的国家战略目标。这一目标的提出,不仅为中国实现低碳发展进一步明确了阶段性目标,也意味着中国的能源革命将进一步深化,此举在国内国际社会引发强烈关注与反响,关于具体实施路径的讨论也在各行业领域广泛展开。电力是确保社会经济繁荣发展的基础行业,同时也是碳达峰、碳中和目标下能
4、源系统转型的排头兵和主力军。一方面,电力系统在我国碳排放中占比最大,但也已经初步具备了技术成熟、成本可控的低碳替代方案;另一方面,工业、交通、建筑等终端用能部门的低碳转型也需要进一步提高电气化率和低碳电力的使用比例。电力系统的低碳转型需要在确保电力系统安全稳定运行的前提下稳步提升零碳排放电源容量和电量的占比。2021年4月,习近平在出席领导人气候峰会等讲话中提出,中国将严控煤电项目,“十四五”期间严控煤炭消费增长,“十五五”时期逐步减少;10月,关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见 指出要“构建以新能源为主体的新型电力系统,提高电网对高比例可再生能源的消纳和调控能力”。在国
5、家中长期目标的定位之下,各省(自治区/直辖市)的计划与行动是切实推动碳达峰、碳中和目标落实的重要保障。省级研究对电力系统低碳转型尤为重要,因为省级电网一直以来都是中国电力系统运行的核心单元,是电力系统规划、系统频率控制与供需平衡和电力市场建设的最主要模块。与此同时,我国地域辽阔,各地区或省份拥有不同的经济结构、增长动力、资源禀赋等条件,在电力系统低碳转型的共同目标下面临着差异显著的挑战与机遇,必须从实际出发,识别阶段性抓手,在区别讨论的同时形成可复制推广的经验,从而高效且有序推进低碳转型工作。落基山研究所自2019年末在 中国2050:一个全面实现现代化国家的零碳图景 中展示了国家层面碳中和宏
6、观图景后,一方面持续深入探讨电力系统零碳化增长所面临的技术与机制上的挑战和应对措施,发布了 电力增长零碳化(2020-2030):中国实现碳中和的必经之路 和 电力市场与电价改革:通向零碳电力增长和新型电力系统的必由之路 等系列报告;另一方面也持续致力于区域和省级电力系统系统转型,针对各个典型地区和省份开展深入分析,发布了 西北地区碳中和:路径与系统性转型探索 等系列报告。西北地区对我国电力系统至关重要,是我国能源资源聚集地之一,不仅拥有大量以煤炭为代表的传统能源和其他矿产资源,也具备领先全国的风力和光照资源。在电力系统低碳转型的大趋势下,西北地区面临着从大规模高比例煤电向新能源逐步过渡的挑战
7、。与此同时,西北地区作为我国重要的能源电力基地,总发电量中超过28%外送到区域外的其他省份,其电力系统低碳转型还将拥有显著的外部效应,为国家的能源转型提供支撑、打造最佳实践。本报告聚焦西北区域内GDP最高、人口最多、煤电装机比例最大的的陕西省,以其电力系统现状及2030电力需求预测及电力发展规划为基础,以科学计算和仿真分析为手段,在借鉴国际和国内经验的基础之上,通过深入的研究提出了符合陕西省电力发展改革的政策建议。陕西省煤炭资源禀赋高,同时风光资源水平也处于全国平均之上。在过去几年,陕西省已经形成了可再生电源高速发展、占比迅速提高的良好发展格局。基于这样的现状,本项目设计了基础情景、稳步减排情
8、景、加速减排情景三个不同的量化分析情景,从而探索未来十年陕西电力系统低碳转型的路径。研究结果显示,陕西省应该遵循能源系统低碳转型“先立后破”的原则,在“十四五”期间通过政策和市场双重手段,加速推进零碳电源发展、积极部署零碳系统灵活性资源,为“十五五”期间碳达峰及之后的安全稳步转rmi.org/6西北地区电力系统低碳转型探索型打下坚实基础。在此思路下,陕西省完全可以在技术可行、成本可控的前提下,在2030年前进一步提速发展,达到稳步减排场景中的目标,即含水可再生消纳(含外购清洁电力)比例从2021年的35%上升至2030年的43%,煤电发电比例从2021年的64%下降到2030年的57%,并在2
9、028年实现煤电发电量达峰。在此基础上,若能进一步从以下几个方面推动政策和市场的双轨支撑,将可以进一步接近加速减排情景,使得煤电发电达峰年份提早到2025,从而成为重煤省份中的电力系统低碳转型排头兵:推动电力价格机制改革,为可再生能源可持续大规模发展保驾护航:结合电力市场改革发展阶段,近期加速完善以多年拍卖机制和购电协议为代表的可再生电源投资回收机制,并积极探索分布式可再生电源的规模化开发模式和分布式电力交易。大力发展省内低碳的系统灵活性资源,提高可再生能源消纳能力:短期内,加速推进存量火电灵活性改造,结合省内产业结构对不同类型的负荷进行灵活性摸底调查、形成有针对性的激励措施、促进需求侧成为电
10、力市场的关键主体,尽早开动新一轮抽水蓄能项目的评审和建设,并充分结合省内电力系统运行特征,从而科学、高效地推动化学储能发展。在加速发展低碳替代方案的前提下,分阶段、分类型地识别煤电安全稳步转型的发展时间表:“十四五”期间,陕西电力系统对煤电依赖度的降低应该先从电量替代入手,大力发展以可再生能源为主的零碳电源。与此同时,煤电仍将担负着重要的系统灵活性角色,如何加速推广零碳短时灵活性替代方案将是未来十年的重要任务。在“十五五”期间,煤电的主要角色应集中在满足长时灵活性与供热需求,并可以逐步启动部分机组转向备用或者退役。完善跨省跨区电力交易机制,提高新建特高压线路的清洁外送水平:背靠西北电网、面向中
11、东部地区,陕西可以从两个层面积极参与省间互济,一个是从“硬件”层面持续推进基础设施建设,配合新能源电源的发展加强配套电网和灵活性资源的规划建设,全面提升区域内大电网平衡能力及系统外送能力。二是强化电力市场机制的“软件”支撑,通过多层次、多维度的竞争性市场价格信号,促使电力系统多个环节协调发展、积极互动,从而提升系统灵活性和互济程度。加速推进经济增长与煤电投资的脱钩,积极谋求新增长动力:增加可再生能源部署,在风电、光伏、储能等可再生发电方面,加快步子、加大投资,激励省内经济发展和就业,尽快实现经济增长与煤电投资的完全脱钩。同时,考虑到煤电转型对煤炭行业本身仍会有一定影响,建议利用好省内资源优势,
12、加快煤化工产业及煤制品加工业的布局和发展,为平稳转型提供支撑。本报告希望以陕西省为典型,展示煤电依赖度较高的省份或地区如何加速建设新型电力系统,为推进电力系统低碳转型提供思路和方案,从而切实支撑国家气候目标,也为其他省份乃至其他国家与地区的电力行业低碳转型提供借鉴。rmi.org/7西北地区电力系统低碳转型探索1.西北地区与陕西省电力系统低碳转型背景2020年9月22日,中国国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布:“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”。中国碳达峰、碳中和目标的提出,在国内国
13、际社会引发强烈关注与反响,关于具体实施路径的讨论也在各行业领域广泛展开。在国家中长期目标的定位之下,各地区、省份(自治区/直辖市)的计划与行动是切实推动碳达峰、碳中和目标落实的重要保障。落基山研究所在2021年发布的 西北地区碳中和路径及系统性转型探索 报告1中指出,西北地区是中国能源资源的聚集地之一,不仅拥有大量的煤炭等传统能源和其他矿产资源,也具备丰富的风力资源和充足的光照环境。在能源转型大趋势的推动下,西北地区面临着从大规模高比例传统能源为依托的高耗能产业向新能源逐渐过渡的挑战,与此同时,由于西北地区地广人稀,且可再生能源资源丰富,不但自身具备高质量达峰和碳减排、早日实现碳中和的潜力,还
14、能够作为国家新能源的主要基地,为东部地区的碳减排提供支持,从省级和区域的层面为国家系统性转型提供支撑、打造最佳实践。从地理范畴的角度划分,西北地区主要包括陕西省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区和内蒙古自治区6个省份。从电力系统运行结构而言,内蒙古并不属于西北电网,但其资源禀赋与西北电网内大部分省份类似,因此我们也将内蒙古纳入西北地区的比较研究范畴。由于深居中国西北部内陆地区,西北省份具有面积广大、干旱缺水、荒漠广布、风沙较多、生态脆弱、人口稀少、资源丰富、开发难度较大等特点。该地区总国土面积约为426.2万平方公里,占全中国的约44%。截至2020年底,西北6个省份的总人口达
15、到了1.14亿,占全国总人口的约8%。从产业结构看,其经济结构仍然是以资源型工业和传统农业为主,其中工业结构以煤炭开采、石油开采和有色金属冶炼为主,主要集中在新疆、内蒙古、陕西、甘肃等地;农业结构以灌溉农业、绿洲农业和畜牧业为主,主要集中在青海、宁夏、内蒙古和新疆等地。聚焦到西北地区电力系统低碳转型,我们认为西北地区大部分省份具有以下几个特征:拥有全国最优的风速、光照资源。以温带大陆性气候为主的西北地区,以其晴日多、降雨少、风速大的气候特点。国家发展和改革委划分的光伏资源分区和风能资源分区中,光伏一类资源区全部位于西北地区的宁夏、青海、甘肃、新疆、内蒙古等5个省区,风能资源全部一类资源区和二类
16、资源区(除河北的张家口、承德地区以外)也全部位于西北地区。目前,该地区各省风电和太阳能发电的装机比例也普遍高于全国平均(图表1)。水电资源禀赋不足。除了青海和甘肃以外,区域内其他省份的水电(含抽水蓄能)装机及发电量比例显著低于全国平均水平(图表1)。随着风电、光伏为代表的间歇性可再生电源大规模发展,对于系统灵活性的要求将逐步提升。目前,在缺少水电资源的省份,电源端的系统灵活性仍然以煤电为主。煤电依赖度高。除了青海和甘肃以外,区域内其他省份火电(绝大部分为煤电)的装机比例与发电量比例普遍高于全国平均水平(图表1),煤电担任着提供电量、提供系统灵活性、供热等多重角色。rmi.org/8西北地区电力
17、系统低碳转型探索图表 1 西北六省2021装机结构和发电结构 发电量增速领先全国(图表2)。一方面,西北地区仍有相当部分省市仍然处在从农业化向工业化发展的过程中,而且逐渐承接中东部高耗能产业的转移,切实促进本地全社会用电量的快速增加。另一方面,西北各省都拥有较高的电力外送比例(图表3),为我国中东部地区提供大量的电力,随着跨区输电线路以及电源大基地的不断建成和新增规划,未来这一趋势也将持续甚至提升。图表 2 西北六省发电量年度增速数据来源:中国电力企业联合会数据来源:中国电力企业联合会火电水电风电核电太阳能发电装机结构发电结构全国新疆宁夏青海甘肃陕西内蒙古0%.20%.40%.60%.80%.
18、100%0%.20%.40%.60%.80%.100%.其他35%30%25%20%15%10%5%02017.2018.2019.2020.2021陕西内蒙古青海甘肃新疆宁夏全国rmi.org/9西北地区电力系统低碳转型探索图表 3 2021年西北六省发电自用和外送比例(%)在西北地区六省当中,陕西省拥有最大的GDP和人口规模、最高的火电装机和发电占比、相对偏弱的风光资源、以及十分紧缺的水电资源。此外,陕西省还拥有规模较大的煤矿产业,在低碳转型的目标之下也面临着更多的挑战。因此,本报告选取陕西省作为西北地区的典型,展示煤电依赖度较高的省份或地区如何加速建设新型电力系统,为推进电力系统低碳转型
19、提供思路和方案,从而切实支撑国家气候目标,也为其他省份乃至其他国家地区的电力行业低碳转型提供借鉴。回顾过去十年,陕西在生态文明建设方面取得高质量发展,能源消费增速显著低于GDP增速(图表4),单位GDP能耗、单位GDP排放强度等指标都有了超出目标的大幅下降,单位GDP能耗也已经接近全国平均水平(图表5)。数据来源:中国电力企业联合会自用净外送新疆宁夏青海甘肃陕西内蒙古0%.20%.40%.60%.80%.100%rmi.org/10西北地区电力系统低碳转型探索左-图表 4 陕西省主要经济与能源指标的年度变化率(2011-2020)右-图表 5 全国及各省能源强度(吨标煤/万元GDP,2019)
20、在“十四五”规划与2035远景规划中2,陕西明确提出了“单位能耗降至全国平均水平”、“2030年前二氧化碳排放达峰之后稳中有降”、“2025年非化石能源占能源消费比重达到16%”等目标。展望未来,陕西省完成这些目标的挑战与机遇并存:陕西是煤炭大省,煤炭产量稳居全国第三,是我国重要的能源化工基地。陕西过去十年的煤炭产量几乎翻番,能源生产中的原煤占比也呈上升趋势、在2020年突破80%(图表6)。本省丰富的煤炭资源使得煤炭的获取成本比大部分其他省份低廉,比起其他能源品种长期拥有成本优势,加大了经济驱动能源转型的难度。虽然陕西煤炭总产量中超过75%运往外省,但本省的煤炭消费量也在过去十年增长了74%
21、,高于同期本省能源消费总量增速的63%。本省能源消费结构中,原煤的占比也稳步攀升,在2020年突破75%,反应了能源结构中对煤炭的依赖度仍然居于高位(图表7)。过去十年,陕西非化石能源消费量增长了接近四倍,目前已经超过油品,成为继煤炭和天然气之后的第三大能源消费类别。非化石能源消费集中在发电领域,以陕北地区丰富的风光资源、陕南地区丰富的水电资源为主要代表。值得一提的是,陕北地区的风电光伏在近年高煤炭价格的背景之下,也逐步有了成本竞争力。20162017201820192020生产总值能源消费总量能源生产总量25%20%15%10%5%0%-5%201020112012201320142015数
22、据来源:陕西省统计局2.521.510.50宁夏内蒙古海新疆辽宁湖北肃黑龙江贵州吉林天津东云南陕全国平均四川海南河南湖南江湖北重庆安徽浙江江苏福建东上海北京数据来源:中国能源统计年鉴rmi.org/11西北地区电力系统低碳转型探索左-图表 6 陕西能源生产结构(按万吨标煤折算)右-图表 7 陕西能源消费结构(按万吨标煤折算)在陕西的煤炭消费结构中,发电和供热占比历年都接近50%,为所有行业中最高。因此,电力部门在陕西的能源转型中应发挥领头示范作用。加速发展可再生电源,逐步减缓煤电装机和发电增速,争取在2030年前二氧化碳排放达峰。2021年10月发布的 中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展
23、理念做好碳达峰碳中和工作的意见3已经为电力行业低碳转型明确指出了主要方向,也立下了具体目标。2021年4月22日,习近平在出席领导人气候峰会等讲话中提出,中国将严控煤电项目,“十四五”期间严控煤炭消费增长,“十五五”时期逐步减少。国务院印发的2030年前碳达峰行动方案4中针对电力系统低碳转型也提出了多方面抓手,在煤电转型方面,提出了严格控制新增煤电项目,新建机组煤耗标准达到国际先进水平,有序淘汰煤电落后产能,加快现役机组节能升级和灵活性改造等目标;在可再生能源的发展上,指出了要大力发展新能源,全面推进风电、太阳能发电大规模开发和高质量发展,坚持集中式与分布式并举,加快建设风电和光伏发电基地;在
24、电力体制改革的层面,明确了要深化电力体制改革,加快构建全国统一电力市场体系。在这些国家大方向下,陕西省需要进一步探索适合自身情况的具体路径与时间表。本项目聚焦于2021-2030年达峰前的关键时期,旨在挖掘陕西省既有煤电机组和可再生能源资源潜力,切实推进陕西省电力系统低碳转型。具体而言,课题组以陕西系统现状及2030电力需求预测及电力发展规划为基础,以科学计算和仿真分析为手段,在借鉴国际和国内经验的基础之上,通过深入的研究提出了符合陕西省电力发展改革的政策建议。原煤原油天然气水电、风电、及其他能发电100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0数据来源:陕西省统计局数据来源:
25、陕西省统计局2010.2011.2012.2013.2014.2015.2016.2017.2018.2019.20202010.2011.2012.2013.2014.2015.2016.2017.2018.2019.2020rmi.org/12西北地区电力系统低碳转型探索2.陕西电力系统特点2.1.负荷与资源分布陕西省的全社会用电需求以及外送的需求都将在未来十年保持相对高速增长。根据对陕西省相关政府部门、电力计划和设计单位的访谈,我们预计陕西省内全社会用电量将从2021年的198.9TWh(1,989亿千瓦时)增长至2030年的290TWh(2,900亿千瓦时),省内年最高用电负荷将从20
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