脫碳的成本―高比例核能、可再生能源的系統(tǒng)成本（上）

引言+執(zhí)行摘要

本研究旨在評估替代性低碳電力系統(tǒng)的成本，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)嚴(yán)格符合《巴黎協(xié)定》的碳減排目標(biāo)。因此本文比較了具有代表性的經(jīng)濟(jì)合作及發(fā)展組織國家的電力部門6種不同場景的總成本，這些情景均符合50g/kW的低碳約束，但其核能和可再生能源占比不同，特別是風(fēng)能和太陽能光伏（PV）。這些份額占總用電量的0~75%。本文通過假設(shè)未來顯著降低VRE的成本，完成了對低間歇性可再生能源（VRE）投資成本的場景分析。本文圍繞不同級別的可用靈活性資源（互連的可用性或靈活的水電資源）構(gòu)建的兩個(gè)敏感性完成了一套共8個(gè)場景的分析，可以很好地理解脫碳成本的主要驅(qū)動(dòng)因素（參見下面的圖ES1）。研究特別強(qiáng)調(diào)了風(fēng)能和太陽能光伏生產(chǎn)的間歇性對電力系統(tǒng)成本的影響，反應(yīng)對其系統(tǒng)成本深刻影響。

本研究不僅強(qiáng)調(diào)了實(shí)現(xiàn)雄心勃勃的碳排放目標(biāo)的成本，還為以最低成本的方式實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)制定了政策框架。這個(gè)框架的5個(gè)主要支柱是1）為碳排放設(shè)定一個(gè)堅(jiān)挺的價(jià)格，2）短期市場的有效調(diào)度與揭示電力系統(tǒng)的價(jià)值，3）對供應(yīng)能力、靈活性和輸電和配電設(shè)施的充分監(jiān)管，4）建立低碳技術(shù)的長效投資機(jī)制，包括改革現(xiàn)有機(jī)制，5）在任何實(shí)際和必要的情況下將系統(tǒng)成本內(nèi)部化。實(shí)現(xiàn)徹底的碳減排并非是輕而易舉的。本研究表明，定義正確的核能和可再生能源比例以及制定正確的政策框架，同時(shí)制定高標(biāo)準(zhǔn)的電力供應(yīng)安全規(guī)范和合理的電力消費(fèi)者使用價(jià)格，將會(huì)使得激進(jìn)的氣候目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

圖1研究50gCO2/千瓦時(shí)的低碳電力系統(tǒng)成本的8種方案

引言

根據(jù)2015年12月達(dá)成并于2016年11月生效的《巴黎協(xié)定》，許多經(jīng)合組織國家同意協(xié)議約定的排放目標(biāo)，即將其溫室氣體排放量削減到足以將全球平均氣溫升幅控制在工業(yè)化前水平2攝氏度范圍內(nèi)。這意味著他們將大力降低電力部門的碳排放。將全球氣溫上升控制在2攝氏度，粗略估計(jì)需要將地球大氣中的溫室氣體濃度限制在二氧化碳排放當(dāng)量450ppm以內(nèi)。這需要大力降低發(fā)電的碳排放，因此電力行業(yè)預(yù)計(jì)將在未來30年里首當(dāng)其沖地減少碳排放。預(yù)測表明，為了實(shí)現(xiàn)與2°的目標(biāo)相適應(yīng)的減排，到本世紀(jì)中葉經(jīng)合發(fā)組織國家電力部門的二氧化碳排放量將需要減少近90%。到2050年，經(jīng)合組織國家目前每千瓦時(shí)產(chǎn)生的430gCO2的平均碳排放強(qiáng)度需要降低50gCO2/千瓦時(shí)左右。

要實(shí)現(xiàn)這一脫碳目標(biāo)，需要對經(jīng)合組織各國的電力部門進(jìn)行徹底重組，并進(jìn)行大規(guī)模的低碳技術(shù)部署，尤其是核能和風(fēng)能、太陽能等可再生能源。其他發(fā)電方式，包括水力發(fā)電，都被限制在25~35年的窗口期內(nèi)，考慮到電力系統(tǒng)的固有慣性，這是很短的；因?yàn)樵陔娏ο到y(tǒng)中，發(fā)電廠和輸電基礎(chǔ)設(shè)施的壽命往往是60年或更長。

近年來，可再生能源得到了民眾和政界的廣泛支持。而風(fēng)能和太陽能光伏的平均千瓦時(shí)成本仍略高于核能，但這一發(fā)電成本差距在工業(yè)級（計(jì)算電力（LCOE）方法為2015年經(jīng)合組織所列）并不是不可逾越的。然而，VRE技術(shù)，如風(fēng)能和太陽能光伏系統(tǒng)造成很多額外的成本，這被稱為系統(tǒng)成本；這一觀點(diǎn)在經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織核能署（NEA）關(guān)于系統(tǒng)成本的研究中心首次出現(xiàn)，即2012年版的核能和可再生能源：脫碳系統(tǒng)成本電力系統(tǒng)（2012）。

VRE系統(tǒng)成本中最重要類別是為分布式與傳輸性方面的支出，這是由于其單元尺寸較小和距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)；以及為不可預(yù)測的風(fēng)速和太陽輻射的變化而準(zhǔn)備的平衡成本，其最重要的作用是，在風(fēng)能和太陽能無法完全供應(yīng)或根本無法供應(yīng)的時(shí)候，通過剩余系統(tǒng)輸出可靠供應(yīng)。VRE成本的變化性還導(dǎo)致電力系統(tǒng)中其余可調(diào)度技術(shù)的組成發(fā)生重大變化，而這些技術(shù)是確保供電安全的基礎(chǔ)。在部署VRE時(shí)，人們尤其注意到，從固定成本高的技術(shù)（如核能）向固定成本低的更靈活的技術(shù)（如燃?xì)獍l(fā)電）的轉(zhuǎn)變。雖然后者將能夠更好地吸收由于投入能源因VRE系統(tǒng)而造成的作業(yè)時(shí)間損失，但剩余系統(tǒng)的總成本將增加，這一效應(yīng)稱為“剖面成本”。此外，部署VRE并不會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為碳減排。例如，當(dāng)核能被混合使用的VRE和燃?xì)獍l(fā)電替代，而當(dāng)VRE無法使用時(shí)，總碳排放量將會(huì)增加。

所有技術(shù)都有系統(tǒng)成本。例如，核能需要特別強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)連接和可靠的冷卻源。但是，這些成本比可再生能源的間歇性所造成的成本要低一個(gè)數(shù)量級。在與風(fēng)能和太陽能光伏的經(jīng)濟(jì)競爭中，核能的主要優(yōu)勢在于核電站是可調(diào)度的，即它們可以以可靠和可預(yù)測的方式生產(chǎn)大量的無碳基載電力。在電力系統(tǒng)脫碳的背景下，本文討論了3個(gè)重要問題：

•從經(jīng)濟(jì)角度看，核電和可再生能源的最優(yōu)組合是什么?如果要達(dá)到二氧化碳排放目標(biāo)，額外的成本是多少?

•主要依靠大量可再生能源實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的電力系統(tǒng)在技術(shù)上，尤其是在經(jīng)濟(jì)上可行嗎?

•創(chuàng)建框架的關(guān)鍵政策工具是什么?這些框架能夠保證向深度脫碳電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型所需的低碳發(fā)電技術(shù)投資足夠嗎?

這些問題的精確的答案取決于一系列的合理?xiàng)l件，在整個(gè)研究過程中，電力系統(tǒng)中可用的靈活性資源的數(shù)量采用了“格林菲爾德方法”，在該方法中，系統(tǒng)被優(yōu)化，成本被最小化，除了水電資源的可用性之外，沒有對現(xiàn)有發(fā)電組合做出任何假設(shè)。這提高了模型結(jié)果的透明度和可讀性，從而提高了它們對2050年政策制定的針對性。

系統(tǒng)成本的定義與性質(zhì)

今天，系統(tǒng)成本已不再是一個(gè)陌生概念，而是電力系統(tǒng)分析中普遍接受的一部分。2012年，美國能源部發(fā)表了第一份關(guān)于系統(tǒng)成本的研究報(bào)告，這是早期一系列研究的一部分，這些研究引入并對系統(tǒng)成本的概念進(jìn)行定義。雖然最初定義的概念，以及利用剩余負(fù)荷曲線來評估剖面成本的基本方法已被證明是可靠的，但在過去5年中，情況發(fā)生了很大變化。需要考慮的變化包括：

•可再生能源（尤其是太陽能光伏）LCOE成本顯著下降，這在美國能源署與國際能源署2010年和2015年的發(fā)電成本預(yù)計(jì)報(bào)告中關(guān)于投資成本的變化有所體現(xiàn)；

•出現(xiàn)了關(guān)于電力系統(tǒng)成本的廣泛而詳細(xì)的文獻(xiàn)，其中包括出現(xiàn)了廣泛共享的評估概要成本的方法框架；

•決策者對系統(tǒng)成本的重要性有更強(qiáng)的認(rèn)識(shí)和更好的理解；

•對政策相關(guān)問題有更清晰的認(rèn)識(shí)，使得這些問題可以通過現(xiàn)有的概念和建模工具得到有效的提問和回答。

很明顯從一開始，任何新變化的研究都不應(yīng)該簡單地視為對2012年研究的更新。在本研究中，作者以盡可能完整的方式對電力部門進(jìn)行系統(tǒng)性闡述。在這個(gè)過程中，經(jīng)合組織核能署與麻省理工學(xué)院（MIT）經(jīng)驗(yàn)豐富的電力系統(tǒng)建模人員進(jìn)行了深度合作。因此，國際能源署的8種方案模型是建立在麻省理工學(xué)院開發(fā)的最優(yōu)發(fā)電擴(kuò)展（GenX）模型之上的，該模型提供了所需的綜合電力系統(tǒng)的詳細(xì)、全面和靈活的展示。

因此，作為本研究基礎(chǔ)的電力部門模型不僅包括小時(shí)調(diào)度，還包括保持系統(tǒng)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)均衡的斜坡約束和準(zhǔn)備金約束。此外，模型中還添加了一組經(jīng)過精心挑選且可靠的靈活性選項(xiàng)。它們包括與鄰國的相互聯(lián)系、相對高占比的靈活水電資源、需求側(cè)管理（DSM）和若干儲(chǔ)存選擇。技術(shù)和靈活性選項(xiàng)都是系統(tǒng)總成本的重要驅(qū)動(dòng)因素。這一點(diǎn)尤其適用于風(fēng)力和太陽能光伏發(fā)電，因?yàn)樗鼈兊拈g歇性通過增加斜坡成本和準(zhǔn)備金要求來挑戰(zhàn)系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)也增加了對不同靈活性選擇的需求。

這個(gè)建模工作的特征是所有使用場景均嚴(yán)格地將碳排放約束在50gCO2/kWh以內(nèi)，經(jīng)合組織國家的電力系統(tǒng)必須共同貢獻(xiàn)以實(shí)現(xiàn)限制全球平均氣溫的上升2°C的目標(biāo)。為了使經(jīng)濟(jì)成果盡可能具有普遍性、相關(guān)性和透明性（從而獨(dú)立于特定國家的發(fā)電結(jié)構(gòu)），本研究采用了“綠地方法”。這方法是從頭開始構(gòu)建最優(yōu)電力系統(tǒng)的方法，即電力系統(tǒng)的發(fā)展是關(guān)于全年電力需求和不同技術(shù)具體成本的函數(shù)，就好像所有的電廠都是在一片綠地上從零開始建造一樣。這種方法只受到外部因素的限制，即每千瓦時(shí)50gCO2的碳排放和預(yù)先指定的不同比例的VRE設(shè)施。只有水電資源的份額是外生因素。

而使用棕地方法將產(chǎn)生不同的結(jié)果。根據(jù)現(xiàn)有的混合辦法，本文的結(jié)果可能有助于個(gè)別國家更好地評估其能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的費(fèi)用。然而，棕地模型的結(jié)果不允許對核電和可再生能源所占比例不同的電力系統(tǒng)各自的成本得出可比的一般性結(jié)論。特別是對于風(fēng)能、太陽能等間歇性可再生能源，系統(tǒng)總成本高度依賴于當(dāng)?shù)貤l件和剩余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

各VRE方案中，具有一些特殊性的因素，更具體地說即是風(fēng)能和光伏，這些因素使其集成到電力系統(tǒng)中特別具有挑戰(zhàn)性。國際能源署已經(jīng)確定了資源增值所特有的6個(gè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特征，這是解釋和了解與這些特征的綜合有關(guān)的系統(tǒng)成本的一個(gè)關(guān)鍵因素。VRE的關(guān)鍵如下：

•變量：功率輸出隨資源（風(fēng)能和太陽能）的可用性而波動(dòng)，與需求或系統(tǒng)需求無關(guān)。

•不確定性：發(fā)電量無法精確預(yù)測。然而，發(fā)電預(yù)測的準(zhǔn)確性隨著交付時(shí)間的臨近而提高。

•位置限制：可用的可再生資源并非在所有地點(diǎn)都一樣好，也不能被轉(zhuǎn)移。有利的地點(diǎn)往往遠(yuǎn)離負(fù)荷中心。

•非同步性：VRE電廠必須通過電力設(shè)備調(diào)節(jié)后才能與電網(wǎng)連接，其不能與電網(wǎng)直接同步。

•模塊化：單個(gè)VRE單元的規(guī)模比其他常規(guī)發(fā)電機(jī)小得多。

•可變成本低：VRE一旦建成，就能以很少的運(yùn)營成本發(fā)電。風(fēng)能和太陽能光伏發(fā)電機(jī)組的短期邊際成本為零。

經(jīng)合組織核能署（NEA）和國際能源署（IEA）已對受上述六個(gè)因素約束的系統(tǒng)效應(yīng)的概念進(jìn)行了概念化和廣泛探討，并從學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和政府的大量新研究中獲益。系統(tǒng)效果通常分為以下四類廣義成本，即配置成本（也被一些研究人員稱為使用成本或備用成本）、平衡成本、網(wǎng)格成本和連接成本。

配置成本（或使用成本）是指整個(gè)電力系統(tǒng)的發(fā)電成本隨著伏特輸出的變化而增加。因此，它們是系統(tǒng)效應(yīng)概念的核心。他們特別注意到，在大多數(shù)情況下，在使用VRE的系統(tǒng)中提供剩余負(fù)荷比在使用可調(diào)度設(shè)施替代的等效系統(tǒng)中要昂貴得多。另一種考量太陽能發(fā)電成本的方法是，將風(fēng)力或太陽能光伏發(fā)電集中在有利的氣象條件下的有限時(shí)間內(nèi)。這降低了每個(gè)額外的VRE單元的系統(tǒng)價(jià)值，但對應(yīng)著配置成本的等價(jià)增加。此外，發(fā)電模塊通常增加了殘余荷載的變異性，表現(xiàn)出更陡和更頻繁的斜坡。這給其他可調(diào)度的電廠帶來了額外的負(fù)擔(dān)，也被稱為靈活性效應(yīng)，因?yàn)樗鼈冃枰嗟膯?dòng)和關(guān)閉、更頻繁的循環(huán)和更陡峭的斜坡，從而導(dǎo)致效率水平的降低、設(shè)備磨損和發(fā)電成本的增加。

發(fā)電過程中的不確定性（不可預(yù)見的停電或發(fā)電預(yù)測誤差）。在可調(diào)度電廠的情景下，運(yùn)營儲(chǔ)備的數(shù)量和成本通常由連接到電網(wǎng)的最大機(jī)組（或兩個(gè)最大機(jī)組）的最大應(yīng)急預(yù)案決定。在VRE的情況景，平衡成本基本上與產(chǎn)出的不確定性有關(guān)，而這種不確定性在累積到大容量時(shí)可能變得很重要。預(yù)測誤差可能需要在系統(tǒng)中進(jìn)行更多的空轉(zhuǎn)儲(chǔ)備。

電網(wǎng)成本反映了由于VRE電廠的分布式性質(zhì)和區(qū)位約束而造成的輸配成本的增加。然而，核電站也會(huì)因?yàn)檫x址要求而增加電網(wǎng)成本。電網(wǎng)成本包括新建基礎(chǔ)設(shè)施（電網(wǎng)擴(kuò)建）以及增加現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的容量（電網(wǎng)擴(kuò)容）。此外，當(dāng)電力長距離傳輸時(shí)，傳輸損耗往往會(huì)增加。分布式太陽能光伏資源可能尤其需要對配電網(wǎng)進(jìn)行投資，以應(yīng)對在當(dāng)?shù)匦枨蟛蛔阆乃a(chǎn)生的電力時(shí)出現(xiàn)的更頻繁的反向潮流。

連接成本包括將發(fā)電廠連接到最近的輸電網(wǎng)連接點(diǎn)的成本。如果需要連接長距離資源（或低負(fù)荷因素的資源），比如海上風(fēng)力發(fā)電，或者該技術(shù)有更嚴(yán)格的連接要求，比如核能發(fā)電，它們就會(huì)非常重要。連接成本有時(shí)集成在系統(tǒng)成本中（參見NEA，2012），但有時(shí)也包括在LCOE電廠級成本中。這反映了商業(yè)實(shí)際，因?yàn)椴煌牧⒎ㄖ贫纫筮B接成本要么由電廠開發(fā)商承擔(dān)，要么由輸電網(wǎng)運(yùn)營商承擔(dān)。在前一種情況下，它們是電廠級成本的一部分，因此完全內(nèi)部化，而在后一種情況下，它們是系統(tǒng)成本中要考慮的外部性。

圖2圖解系統(tǒng)成本

上面列出的4類系統(tǒng)成本并不是完全詳盡的。因?yàn)?，物理慣量是由可調(diào)度的電力提供的，而不是由VRE提供的，因此這也是本文的一個(gè)研究主題。盡管如此，這四個(gè)類別加起來仍然構(gòu)成了系統(tǒng)成本的大部分。如上圖ES2。

NEA系統(tǒng)成本研究的模擬結(jié)果

美國能源部的研究表明，將明確的VRE技術(shù)目標(biāo)與嚴(yán)格的碳排放限制結(jié)合起來，對發(fā)電組合的構(gòu)成及其成本具有重要影響。特別是，總裝機(jī)容量隨著VRE的部署而顯著增加。由于VRE的負(fù)荷因數(shù)和容量。

圖3不同份額間歇性可再生能源的裝機(jī)結(jié)構(gòu)

圖4主要區(qū)域的發(fā)電占比（主要情景）

信用值明顯低于常規(guī)火力發(fā)電廠，因此生產(chǎn)相同數(shù)量的電力需要大量提高容量。相同條件下，在沒有安裝VRE的基本情況下容量為98GW，而部署VRE達(dá)到10%和30%的滲透水平后，系統(tǒng)的總?cè)萘糠謩e增加到118GW和167GW。如果VRE裝機(jī)容量達(dá)到50%，則總裝機(jī)容量將增加一倍以上，達(dá)到220GW。如果全部電力需求的75%由VRE發(fā)電提供，則容量將超過325GW，即超過峰值需求的三倍。換句話說，由于VRE的滲透增加了巨大容量，因此需要投資來滿足對應(yīng)的需求。上圖ES3顯示了五種主要場景中不同發(fā)電技術(shù)的容量組合，上圖ES4顯示了它們各自的發(fā)電份額。

VRE的集成改變了熱電混合的長期結(jié)構(gòu)。在一般情況下，化石燃料發(fā)電的比例（開式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)（OCGT）和聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)[CCGT]）仍然基本沒有改變，這是因?yàn)槭芴济庇绊?然而，由于VRE的存在，燃?xì)怆姀S的裝機(jī)容量結(jié)構(gòu)以及OCGT和CCGT發(fā)電的相對份額都發(fā)生了顯著的變化。雖然在一般情況下，CCGT電廠的容量幾乎是恒定的，但在VRE較多的情況下，它們的運(yùn)行負(fù)荷系數(shù)較低。另一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)是，由于本研究采用的嚴(yán)格的碳約束標(biāo)準(zhǔn)，煤炭從未在研究的任何場景中被使用，盡管煤炭比其他技術(shù)更便宜。在發(fā)電方面，VRE對核電的置換幾乎是一對一的，這是由于固定的碳約束與固定數(shù)量的水電資源相結(jié)合的結(jié)果。

由于平均負(fù)荷因子降低，坡度和負(fù)荷符合要求的增加，火力發(fā)電廠的運(yùn)行方式也發(fā)生了顯著的變化。圖ES5顯示了所考慮的5種主要方案中的四種（75%的VRE下沒有核能發(fā)電）的預(yù)計(jì)每小時(shí)發(fā)電模式。這使人們能夠直觀地看到核電站靈活性要求的提高，以及與VRE部署相關(guān)的核電裝機(jī)的減少。

圖5核電廠的預(yù)計(jì)發(fā)電模式

核電裝機(jī)容量隨著可再生能源的比重上升而逐步下降。在成本最低且無VRE的情況下，核電是低碳電力的主要來源，約占總電力需求的75%，且核電對靈活性的需求極小。在總費(fèi)用較高的情況下，對核能靈活性的需求逐步增加。在VRE占比50%的情況下，核電機(jī)組最多可增減其裝機(jī)容量的30~35%。

不同技術(shù)的容量組合、發(fā)電結(jié)構(gòu)和負(fù)載因素的變化可以在不同場景的系統(tǒng)成本中捕獲。因此，額外的網(wǎng)格成本、平衡和連接成本被添加到配置成本中，即這些成本已經(jīng)在不同的優(yōu)化場景中被隱含在內(nèi)了。如前所述，配置成本是由于VRE的變動(dòng)性導(dǎo)致的對剩余系統(tǒng)的去優(yōu)化而造成的。對于10%、30%、50%和75%的四種方案，以及兩種敏感性方案，全部系統(tǒng)成本（以VRE向電網(wǎng)輸送的每單位凈電力的美元表示）如圖ES6所示。這些系統(tǒng)成本必須被理解成為提供相同的電力供應(yīng)服務(wù)而增加的總成本，高于不使用任何VRE的最低成本方案的成本。參考系統(tǒng)中的系統(tǒng)成本為零，因?yàn)樗须娏Χ际怯煽烧{(diào)度的技術(shù)產(chǎn)生的，所以不存在間歇性問題。該圖還將系統(tǒng)總成本細(xì)分為4個(gè)主要部分。此外，誤差欄還提供了一個(gè)不確定性范圍的指示，該不確定性范圍來自于對網(wǎng)格、連接和平衡成本的一系列可能假設(shè)。

圖6每兆瓦時(shí)的VRE系統(tǒng)成本

風(fēng)能和光伏發(fā)電占比10%的系統(tǒng)成本為，每MWh的成本低于10美元，風(fēng)能和光伏發(fā)電占比75%的系統(tǒng)成本為，每MWh的成本超過50美元。

風(fēng)能和光伏發(fā)電占比50%的系統(tǒng)成本為，每MWh的成本為50美元。成本的變化是與鄰國水電資源的靈活度相關(guān)。雖然這種估計(jì)有一定程度的不確定性，但其數(shù)量級為政策選擇提供了明確的指示。