未來中國碳中和電力系統分區展望

李永紅

2019年我國二氧化碳排放量100億噸，其中發電占比40%，電力部門是最大的排放部門，很多機構的研究表明，推動電力系統向新能源大規模、高比例發展是實現碳中和的重要保證。

中央提出構建以新能源為主體的新型電力系統，目前來看面臨著時間和空間平衡的挑戰，也就意味著原來的一次能源主體由可存儲、可運輸的化石能源轉向不可存儲、不可運輸，而且與氣象環境、資源分布高度相關的風能和太陽能，一次能源供應因此面臨高度不確定性。

多個機構預測未來電力系統中新能源裝機占比80%，發電量占比超過60%。第一個觀點是2035年以后煤電會大量退役，實現碳中和則需要完全退出;風光等可再生能源滲透率達到70.8%，電力系統以風光可再生能源為主體（54.6億kW裝機）。第二個觀點是2030年以后煤電裝機和發電量逐步下降，一部分退出常規運行作為應急備用，遠期加上CCUS（碳捕獲、利用與封存）設備，逐步增加近零脫碳技術;2060年煤電裝機4億kW，氣電4億kW，風光裝機46億kW;另外設置了內陸也可以發展核電的情景，沿海及內陸核電發展總規模4億kW。

電力系統分區模型（日總量角度）

從風光資源潛力來說，根據國家氣侯中心等多個機構的研究結論，100米高度風電技術可開發量是44億kW，集中光伏26億kW，分布式光伏26億kW。我國水電技術可開發量5億kW，另外假設未來中國只發展沿海核電，沿海核電廠址的最大發展規模是2.06億kW。我國分為7個大的供電分區，分區統計風電、光電、水電和核電的最大技術可開發能力可作為后續模型的輸入條件。我國已建成十交十四直的特高壓骨干網架，全國跨區跨省電力流總規模2.2億kW，輸送電量5318億度，可再生能源電量占46%。目前西北、西南、東北電網屬于典型的送端電網，華東、華北是受端電網，華中電網承擔區域電網調度配置的樞紐功能。

預計中國在2050年電力消費總量達13.8萬億kWh，日平均負荷19億kW。從各個大區全年電負荷曲線來看存在明顯的冬夏電力負荷雙高峰的情況。各可再生能源電力出力特性導致時間上和空間上的電力供需不匹配;水電存在比較大的季節差，從若干中國比較大的河流的年徑流量變化也可以看出夏多冬少的特點。風光電也存在比較大的季節差，風力60%集中在春冬，光伏60%集中在夏秋。另外從區域分布層面，風光電出力也存在比較大的季節差，比如西北光伏發電最大利用小時數達1500小時，華中1000小時;西北風電最大利用小時數2500小時，華中光伏1800小時。

下面的模型可從日均電力供需平衡角度分區看火電調峰作用，主要表現在未來為新能源電力調峰保障的火電容量要保留多少，發電出力時間和空間上如何分布。電源和電網側儲能技術從規模和時間尺度上分析，電池以及壓縮空氣儲能主要是日內調節，抽水蓄能也是以日內調節為主，個別配置比較大的水庫的水電可以做日間的調節，對于電制氫或合成氣則考慮季節性調峰。我國目前煤電達到10.8億kW，9億kW是高參數大容量的煤電機組，很多服役年限比較短，通過靈活性改造可以為電力系統提供支撐能力。火電+CCUS相比電制氫氣及合成燃料方式可為日間及季節性調峰提供更好的經濟性支撐。由于現有儲能技術可以解決日內電力調峰，解耦了發電與用電之間的實時同步關系，可對風、光電的出力和電負荷按日總量來構建分區電力模型進行分析。

情景方案研究

各供電分區風、光、水、核電容量的確定，按不超過各區域最大資源開發量設置，風、光電主要是考慮了總的棄風光率，控制不超過15%，最終選擇了60 億kW 總裝機容量。情景方案研究主要針對風光電的安裝區域以及容量比例設置了六個方案，方案一到方案三是優先送端安裝的方案，各片區風光容量資源約束條件下發電量最大，盡量放在資源比較豐富的三北和西部地區。方案四到方案五是優先受端區域方案，華東、南方、華中區域按最大技術開發量安裝，減少跨區的長距離大規模輸電量。方案一到方案三和方案四到方案五總的風、光電安裝容量比例分別按1：1.5、1：1.3 和1：1設定。從計算輸出的結果來看，各方案全國火電最大出力維持在8.5 億kW 左右，全國火電發電最大負荷小時數1500 ～2000 小時，其中三北火電最大出力2.2 億～4.5 億kW，最大負荷小時數1050～2300 小時。另外，從輸配上看，優先送端方案輸配總電量3.7萬億～4.3萬億kWh，總的最大輸配電功率11億～13億kW，優先受端方案在1.5萬億～1.6萬億kWh，受端方案總的最大輸配電功率6億～8億kW。

從各個方案投資和運行費的角度進行比較分析，優選推薦方案是方案四，優先受端安裝按1 ：1.5 進行風光配置。計算投資包含風電、光電、火電CCUS 以及跨區輸電投資，運行費是火電消耗燃料費及CCUS費用，計算的基礎數據發電煤耗取300gce/kWh，煤價800元/tce，CCUS發電效率降低10%，400元/t CO₂。在未來全社會用電量13.8萬億kWh情景下，推薦方案的電源總裝機75.5億kW，風、光電裝機占比接近80%，總電量中風光電量占比63%，火電占12.7%，火電的1/3 按生物質考慮，則整個非化石能源的發電量占比超過90%以上。推薦方案全國火電最大發電出力8.4億kW，最大負荷利用小時數2083 小時，發電量1.75萬億kWh，折算燃料5.2萬億tce，煤、氣、生物質按各占1/3，二氧化碳排放量6.6萬t。

結論及建議

通過跨區域日平衡電力模型分析，未來構建新能源為主體的新型電力系統，電源結構中仍需保留8.4億kW火電作為調峰保障，風光電裝機規模60億kW，比例1：1.5。未來應在優先發展中東部分散風電、海上風電和分布式光伏就地消納的基礎上，再發展西部、北部的集中風電、光伏基地。未來三北地區保留火電規模4.4億kW，最大負荷利用小時2350小時，余熱資源最大潛力52億GJ，結合跨季節儲熱等方式可以為北方地區建筑集中供熱做支撐。