預(yù)測(cè)2020年的最優(yōu)電源結(jié)構(gòu)

　　為了應(yīng)對(duì)普遍存在的局地環(huán)境污染、能源安全與全球氣候變化問(wèn)題，能源轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為越來(lái)越多國(guó)家的選擇。而發(fā)展風(fēng)電與光伏成了能源轉(zhuǎn)型的主要與重要內(nèi)容。風(fēng)電與光伏具有區(qū)別于傳統(tǒng)化石能源機(jī)組的波動(dòng)性、間歇性的出力特點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)高比例的可再生能源利用，電力系統(tǒng)需要適應(yīng)可再生能源的這一特點(diǎn)。

　　那么，可再生能源在系統(tǒng)中的最優(yōu)份額如何？相應(yīng)的，要適應(yīng)這一可再生能源的份額要求（以滿(mǎn)足各種物理、排放約束），化石能源對(duì)應(yīng)的最優(yōu)份額在何種水平？現(xiàn)實(shí)中的可行性相比理論上的可能性存在哪些額外的障礙？目前，我們的煤電行業(yè)存在相對(duì)數(shù)量的過(guò)剩產(chǎn)能，公共政策的關(guān)注視角應(yīng)該在哪個(gè)方面？這是本文探討的主要問(wèn)題。

　　可再生能源發(fā)展多少，發(fā)展多快的問(wèn)題，不應(yīng)該從系統(tǒng)平衡的視角出發(fā)，而應(yīng)該從節(jié)能減排需要的“必要性”出發(fā)。這也是需要反復(fù)強(qiáng)調(diào)“可再生能源友好型的電力系統(tǒng)”的原因。可再生能源是目標(biāo)，而電力系統(tǒng)是條件。系統(tǒng)的平衡與成本最小化無(wú)論在運(yùn)行還是新建環(huán)節(jié)都是需要保證的約束。這存在以可再生能源更大份額為前提的政策與技術(shù)可以發(fā)揮作用的空間。

　　那么，可再生能源的最優(yōu)份額是多少呢？基于滿(mǎn)足本地環(huán)境污染與全球氣候安全的約束，這部分的份額顯然要遠(yuǎn)高于目前的水平。但是，也肯定不會(huì)是100%，因?yàn)?00%的波動(dòng)性可再生能源，物理的平衡約束都可能無(wú)法滿(mǎn)足。此外，可再生能源開(kāi)發(fā)大到一定程度，其開(kāi)發(fā)的成本會(huì)上升，而自身的市場(chǎng)價(jià)值卻在下降，因此必然也存在一個(gè)依賴(lài)于政策環(huán)境（可能會(huì)影響市場(chǎng)的電價(jià)，也就是可再生能源避免的成本）最優(yōu)的水平。

　　對(duì)這些政策與各種競(jìng)爭(zhēng)性技術(shù)（比如能效、碳捕集、利用和封存）的不同程度的考慮，以及可再生發(fā)電成本最終下降程度的預(yù)期，會(huì)導(dǎo)致截然不同的最優(yōu)份額的結(jié)果。目前的實(shí)證研究給出的結(jié)果范圍在20%-70%左右，而且結(jié)果高度依賴(lài)于生物質(zhì)發(fā)電與碳回收方面（二者聯(lián)合可以構(gòu)成負(fù)排放）的利用程度。這無(wú)疑是一個(gè)需要繼續(xù)研究的方面。

　　當(dāng)然，這僅是考慮部分現(xiàn)實(shí)約束的情況。如果現(xiàn)實(shí)中，其他的競(jìng)爭(zhēng)性技術(shù)由于各種原因缺乏考慮邊界之外的可行性，那么可再生能源的份額還需要進(jìn)一步加大。比如碳回收目前仍舊是一個(gè)充滿(mǎn)風(fēng)險(xiǎn)與缺乏社會(huì)接受度的技術(shù)，而能源效率提升也總是處于“理論潛力很大，實(shí)際實(shí)現(xiàn)程度非常有限”的境地，我國(guó)一直倡導(dǎo)的節(jié)能優(yōu)先仍舊處于缺乏機(jī)制設(shè)計(jì)與集體行動(dòng)邏輯、不知道相對(duì)什么優(yōu)先的套話階段。

　　因此，總體上，從“多一點(diǎn)還是少一點(diǎn)”的問(wèn)題出發(fā)，我國(guó)的可再生能源的發(fā)展份額，距離其最優(yōu)份額還非常之遠(yuǎn)，仍舊需要堅(jiān)定的政治與政策承諾，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的投資者提供確定穩(wěn)定的長(zhǎng)期預(yù)期，降低投資風(fēng)險(xiǎn)從而降低資本成本，促進(jìn)更快的成本下降。

　　? 基于剩余負(fù)荷曲線與Screening Curve的2020年化石能源最優(yōu)電源結(jié)構(gòu) ?

　　筆者之前的文章一再?gòu)?qiáng)調(diào)，煤電的過(guò)剩在于偏離了其最優(yōu)系統(tǒng)份額，而非總量平衡意義上的衡量。那么，煤電等化石能源發(fā)電在系統(tǒng)中的最優(yōu)份額在何種水平呢？這可以通過(guò)剩余負(fù)荷曲線（總負(fù)荷減去需要優(yōu)先調(diào)度的可再生能源）與Screening Curve的結(jié)合來(lái)簡(jiǎn)單推算。

　　基于持續(xù)負(fù)荷曲線，如果以費(fèi)用為縱坐標(biāo)， 以每年利用小時(shí)數(shù)8760 h 為橫坐標(biāo)， 把電力系統(tǒng)中各種不同發(fā)電機(jī)組（如果太多， 可以分類(lèi)， 同類(lèi)的用一種典型機(jī)組特性代表） 的年費(fèi)用曲線畫(huà)在同一圖上， 則可得到類(lèi)似于圖1的曲線族（上部）。每條年費(fèi)用曲線與縱軸的交點(diǎn)處的數(shù)值表示年固定成本費(fèi)用的大小， 曲線的斜率表示每發(fā)1 度電的（單位） 可變成本。在圖中， 由年費(fèi)用曲線的交點(diǎn)可以確定出兩個(gè)時(shí)間交點(diǎn)。顯然， 當(dāng)機(jī)組的年利用小時(shí)大于第二個(gè)時(shí)間點(diǎn)時(shí)，基荷機(jī)組——煤電的年總費(fèi)用最小。當(dāng)年利用小時(shí)數(shù)小于第一個(gè)時(shí)間點(diǎn)時(shí)， 則第1 類(lèi)機(jī)組——天然氣單循環(huán)最經(jīng)濟(jì)。當(dāng)年利用小時(shí)數(shù)位于二者之間， 第2 類(lèi)機(jī)組CC的年總費(fèi)用最小。

　　可再生能源并不在這個(gè)體系中考慮，仍舊屬于政策驅(qū)動(dòng)，技術(shù)學(xué)習(xí)的階段。到2020年，風(fēng)電按照裝機(jī)2.2億千瓦，利用小時(shí)數(shù)200小時(shí)，光伏按照裝機(jī)1.5億千瓦，利用小時(shí)數(shù)1100設(shè)定。水電與核電都是我國(guó)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)成。它們的發(fā)展、布局以及運(yùn)營(yíng)對(duì)社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)布局、空間規(guī)劃都會(huì)有重大影響，外部性非常明顯。因此，水電與核電的發(fā)展在所有國(guó)家都往往是政府控制節(jié)奏的電源類(lèi)型，而不（應(yīng)該）是項(xiàng)目業(yè)主根據(jù)自身的盈利前景進(jìn)行分散決策，這區(qū)別于宏觀影響并不大的煤電等機(jī)組?；诖耍娕c核電的規(guī)模與節(jié)奏外生設(shè)定，根據(jù)政府規(guī)劃設(shè)定為2020年3.1億與5800萬(wàn)千瓦。

　　基于扣除這部分非化石能源發(fā)電之后的剩余持續(xù)負(fù)荷曲線，通過(guò)模型優(yōu)化得到化石能源發(fā)電（主要是煤電與天然氣發(fā)電）的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。模擬現(xiàn)實(shí)，到2020年，化石能源電力結(jié)構(gòu)仍舊是高度的以煤電為主，天然氣（單循環(huán)與聯(lián)合循環(huán)）的裝機(jī)容量在1億千瓦左右。這一方面來(lái)源于煤電的廉價(jià)（并未征收較高的碳稅），更與可再生能源在2020年的份額還不大（不超過(guò)15%）高度相關(guān)。

　　? 最優(yōu)結(jié)構(gòu)下的市場(chǎng)電力價(jià)格與可再生系統(tǒng)價(jià)值 ?

　　由于風(fēng)電與光伏在市場(chǎng)中的份額還相對(duì)較低（<15%），持續(xù)負(fù)荷曲線的性質(zhì)改變還相對(duì)比較小，系統(tǒng)仍舊存在相當(dāng)數(shù)量的基荷發(fā)電，也就是全年都可以運(yùn)行的機(jī)組。在1年的大部分時(shí)段，市場(chǎng)的價(jià)格都是煤電廠的邊際成本（也就是煤電廠是邊際電廠）（圖 3），只有1100小時(shí)左右是天然氣聯(lián)合循環(huán)與單循環(huán)成為邊際電廠，市場(chǎng)價(jià)格上升1-2倍。

　　在個(gè)別時(shí)段（幾十個(gè)小時(shí)），系統(tǒng)處于價(jià)格暴漲的階段，總的發(fā)電負(fù)荷要小于總需求，價(jià)格上漲到系統(tǒng)設(shè)定的最大電價(jià)水平（7元/度左右）。此時(shí)，切除負(fù)荷變成了最合理的選擇。

　　全年來(lái)看，市場(chǎng)的平均價(jià)格是230元/MWh，這大大低于目前大部分省市的標(biāo)桿電價(jià)水平，顯示了在電力過(guò)剩背景下相比市場(chǎng)形成價(jià)格與形成理性未來(lái)預(yù)期的仍舊虛高的標(biāo)桿電價(jià)水平。

　　在2020年可再生能源8%左右的市場(chǎng)份額下，在大部分時(shí)段可再生能源（特別是風(fēng)電）由于與電力需求之間的不匹配，呈現(xiàn)其收益小于其他可控電源的情況。

　　平均來(lái)看，相對(duì)于2020年230元/MWh左右的市場(chǎng)平均價(jià)格，風(fēng)電的市場(chǎng)價(jià)值要低9%，光伏要低5%。光伏在最初進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，其出力特性與需求特性相對(duì)一致，但是它將很快使得中午左右的用電高峰徹底消失，而改變整個(gè)電力價(jià)格曲線的時(shí)間分布，自身的價(jià)值相比風(fēng)電也將隨著份額增加更加迅速地下降。

　　基于其他條件相同（所謂all others equal）的2020年情景下，風(fēng)電的份額如果從6%上升到15%，其系統(tǒng)價(jià)值將進(jìn)一步下降為市場(chǎng)平均水平的85%。

　　? 煤電冗余的影響 ?

　　隨著可再生能源進(jìn)入系統(tǒng)份額的增加，煤電等化石能源的利用率水平都隨著剩余負(fù)荷曲線的變化而減少。這意味著在系統(tǒng)成本最小化的要求下，大規(guī)模的發(fā)電類(lèi)型將越來(lái)越失去競(jìng)爭(zhēng)力（資本攤薄的機(jī)會(huì)在逐漸減少）。這體現(xiàn)在最優(yōu)結(jié)構(gòu)中，即使負(fù)荷在增加，但是隨著風(fēng)電、太陽(yáng)能份額的增加，“應(yīng)該”增加的煤電份額是越來(lái)越少的（如果目前的煤電份額已經(jīng)超出了最優(yōu)份額，那么需要減少的程度更多）。圖4對(duì)此以風(fēng)電份額從5%增長(zhǎng)到15%做了說(shuō)明。

　　但是，必須指出，目前中國(guó)有超過(guò)2億千瓦，甚至更多的煤電機(jī)組已經(jīng)核準(zhǔn)、在建或者接近完成。這在短期內(nèi)將提升中國(guó)煤電的總體裝機(jī)容量至10億千瓦以上。這部分機(jī)組將是系統(tǒng)的“冗余容量”，他們?nèi)绻麉⑴c市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，獲得市場(chǎng)份額，將對(duì)其本身及其他機(jī)組的利用小時(shí)數(shù)產(chǎn)生明顯的影響。煤電的小時(shí)數(shù)，將在很大程度上實(shí)現(xiàn)不了“最優(yōu)結(jié)構(gòu)”狀態(tài)下的利用水平。

　　? 公共政策視角應(yīng)該更關(guān)注的范疇 ?

　　公共政策的視角，應(yīng)該更關(guān)注那些影響系統(tǒng)全社會(huì)成本最小化的方面，比如平均大鍋飯的市場(chǎng)份額劃定，缺乏有效競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制等；而不是私人成本嚴(yán)格等于社會(huì)成本的方面，比如所謂煤電總量過(guò)剩的問(wèn)題?？偭窟^(guò)剩的成本是分散到每一個(gè)獨(dú)立市場(chǎng)參與者上的，消費(fèi)者往往還能從總量過(guò)剩中得到好處。這不應(yīng)該是公共政策需要操心的范疇。