脫碳的成本―高比例核能、可再生能源的系統(tǒng)成本（下）

執(zhí)行摘要

圖7電力供給的總成本（包括所有系統(tǒng)成本）

這些數(shù)值需要與VRE發(fā)電成本進(jìn)行比較，根據(jù)具體情況，其范圍在陸上風(fēng)力發(fā)電60美元/MWh到光伏發(fā)電130美元/MWh之間。還應(yīng)指出的是，只要VRE的份額仍然是外源成本，系統(tǒng)費(fèi)用基本上不受電廠一級(jí)費(fèi)用下降的影響。誠(chéng)然，系統(tǒng)成本的所有四個(gè)部分（平衡、配置文件、連接和網(wǎng)格成本）都隨著VRE資源的部署而增加，但速度不同。通過(guò)將系統(tǒng)成本添加到LCOE計(jì)算中評(píng)估的電廠級(jí)發(fā)電成本中，可以計(jì)算出本研究分析的八種場(chǎng)景的系統(tǒng)供電總成本（見(jiàn)圖ES7）。

在電力結(jié)構(gòu)中，VRE占比10%時(shí)，只比只有傳統(tǒng)可調(diào)度發(fā)電機(jī)的參考系統(tǒng)的成本高出約5%，而在中等規(guī)模的系統(tǒng)中，對(duì)應(yīng)的額外成本約為20億美元/年。VRE占比30%時(shí)，成本每年增加約80億美元，即相對(duì)于基本情況增加21%。實(shí)現(xiàn)更具雄心的VRE目標(biāo)將導(dǎo)致更高的成本。如果50%的電力生產(chǎn)是由可再生能源提供的，那么每年的總成本將增加150億美元以上，與基本情況相比，這將增加42%的成本。達(dá)到75%的VRE目標(biāo)意味著最終的電力供應(yīng)成本幾乎翻倍，達(dá)到每年近700億美元，比基本情況高出330多億美元。

在電力市場(chǎng)部署低邊際成本間歇性資源的一個(gè)顯著影響是出現(xiàn)零價(jià)格的小時(shí)數(shù)、電力價(jià)格波動(dòng)的大幅度增加以及相應(yīng)的資本成本的增加（這里未建模）。這種零價(jià)格沒(méi)有出現(xiàn)在VRE沒(méi)有安裝和低安裝率的兩種情況下，而是在VRE達(dá)到30%時(shí)，每有60小時(shí)的零價(jià)格小時(shí)數(shù)。隨著VRE滲透水平的提高，發(fā)生的次數(shù)顯著增加；在50%的情況下，一年超過(guò)1200個(gè)小時(shí)，也就是14%的時(shí)間為零價(jià)格。當(dāng)VRE占比75%時(shí)，有3750小時(shí)，即超過(guò)43%的時(shí)間（見(jiàn)圖ES8）。由于模型是在融資約束下建立的，電價(jià)為零時(shí)的頻率越高，電價(jià)為高時(shí)的頻率就越高，從而增加了波動(dòng)性。在75%的VRE滲透率下，每MWh價(jià)格在100美元以上的小時(shí)數(shù)是零或較低VRE安裝率時(shí)的兩倍以上。

圖85大情景中批發(fā)電價(jià)的價(jià)格持續(xù)時(shí)間曲線

最后，作為風(fēng)速或太陽(yáng)輻射等自然資源可用性的函數(shù)，VRE的發(fā)電量不僅比可調(diào)度電廠的發(fā)電量變化更大，而且在有限的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)更集中。高發(fā)電周期之后是低或零發(fā)電周期。因?yàn)樗麄兌紤?yīng)對(duì)同樣的氣象條件，風(fēng)力渦輪機(jī)和光伏發(fā)電廠往往會(huì)自動(dòng)關(guān)聯(lián)，即產(chǎn)生不均衡地更多電力；當(dāng)其他電廠同時(shí)的生成和產(chǎn)生更少當(dāng)其他風(fēng)能和太陽(yáng)能光伏發(fā)電廠也運(yùn)行在較低的利用率。再加上VRE資源的短期邊際成本為零，這使得VRE發(fā)電的平均價(jià)格隨著滲透水平的增加而下降，這種現(xiàn)象通常稱為自相蠶食。圖48總結(jié)了這一影響，顯示了風(fēng)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電機(jī)組在批發(fā)電力市場(chǎng)上的平均市場(chǎng)價(jià)格，作為它們?cè)陔娏M合中所占份額的函數(shù)。

圖9風(fēng)能和太陽(yáng)能光伏發(fā)電獲得的市場(chǎng)報(bào)酬，作為它們?cè)陔娏Y(jié)構(gòu)中所占份額的函數(shù)

太陽(yáng)能和風(fēng)能資源在電力市場(chǎng)的平均價(jià)格隨著滲透率的增加呈顯著的非線性下降，而光伏的價(jià)格下降幅度要比風(fēng)能大得多，因?yàn)楣夥偷淖韵嚓P(guān)性更高。即使太陽(yáng)能光伏發(fā)電的滲透率只有12.5%，其價(jià)值也幾乎減半。進(jìn)一步部署太陽(yáng)能光伏發(fā)電能力到17.5%的滲透水平將進(jìn)一步使其市場(chǎng)價(jià)值減半，低于每MWh20美元。因此，即使太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本除以5，其最優(yōu)滲透水平也不會(huì)超過(guò)17.5%。類(lèi)似的趨勢(shì)也可以從陸上風(fēng)力發(fā)電中觀察到，它比太陽(yáng)能光伏有更高的負(fù)荷系數(shù)，其發(fā)電時(shí)間跨度更大。在22.5%的穿透水平下，每兆瓦時(shí)的風(fēng)能價(jià)值會(huì)降低25%。對(duì)于30%以上的滲透率，風(fēng)電市場(chǎng)價(jià)值低于50美元/MWh，而所有電力的平均價(jià)格為80美元/MWh。負(fù)載系數(shù)更高的海上風(fēng)力發(fā)電可能表現(xiàn)出不那么明顯的下降，但沒(méi)有包括在研究中，因?yàn)槠湔wLCOE明顯高于包括核能在內(nèi)的其他低碳技術(shù)。

最后，實(shí)現(xiàn)更具雄心的可再生目標(biāo)也意味著必須更頻繁地削減總投資。因此，VRE電廠的投資減少出現(xiàn)在30%的滲透率水平，并隨其份額急劇增加。在VRE占比為50%的情況下，部署的邊際VRE機(jī)組的削減率在10%以上。在以75%的VRE生成份額為特征的場(chǎng)景中，必須縮減約18%的VRE機(jī)組，并且部署的最后一個(gè)單元的縮減率超過(guò)36%?？s減可以理解為一個(gè)指標(biāo)，表明VRE的系統(tǒng)價(jià)值低于其系統(tǒng)成本，即在一定時(shí)間內(nèi)減少VRE的產(chǎn)出構(gòu)成成本最低的可選擇項(xiàng)。

電力部門(mén)去碳的有效政策選擇

為實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》設(shè)定的氣候目標(biāo)而對(duì)能源體系進(jìn)行的去碳化，對(duì)經(jīng)合組織國(guó)家來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。要將電力部門(mén)的碳強(qiáng)度降低到每千瓦時(shí)50gCO2（目前水平的八分之一），就需要對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行迅速而徹底的改造，采用低碳排放技術(shù)，如核能、水力發(fā)電和間歇性可再生能源（VRE）。由于缺乏捕捉和儲(chǔ)存二氧化碳的機(jī)制，這將意味著將逐步淘汰煤炭，并將嚴(yán)格限制燃?xì)獍l(fā)電的使用?？紤]到實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變所需的巨額投資，至關(guān)重要的是建立為所有發(fā)電技術(shù)的投資者提供穩(wěn)定和信心的長(zhǎng)期框架。這對(duì)電力行業(yè)以外的領(lǐng)域也具有重要影響。要使經(jīng)合組織國(guó)家的能源和經(jīng)濟(jì)部門(mén)實(shí)施去碳化，就需要大力推進(jìn)電氣化（參見(jiàn)國(guó)際能源署《2018年世界能源展望》）。很明顯，這不僅關(guān)系到交通部門(mén)，還關(guān)系到工業(yè)和住房。減少碳排放和限制氣候變化的有效行動(dòng)取決于建立一個(gè)強(qiáng)大的低碳化電力部門(mén)。

如果經(jīng)合組織（OECD）的政策制定者希望實(shí)現(xiàn)如此深度的低碳電力混合，他們必須大力投資于核能、VRE和水電等低碳技術(shù)。在水力發(fā)電受到自然資源稟賦限制的地方，核能和VRE發(fā)電仍然是主要的選擇。這就是為什么第三章的模型采用棕地方法來(lái)處理水力發(fā)電，即預(yù)先確定可用資源的數(shù)量，不受市場(chǎng)條件或VRE部署的影響。在本研究的一般性水平上，這是一個(gè)有用的初始假設(shè)。但是，應(yīng)當(dāng)指出，在適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)條件下，也可以增加現(xiàn)有設(shè)施的發(fā)電能力。因此，水力資源的發(fā)電能力可能會(huì)增加，例如，通過(guò)對(duì)目前僅用于灌溉的大壩進(jìn)行重新供電（見(jiàn)Testeretal.，2012：p.623）。雖然技術(shù)潛力是存在的，但按目前替代辦法的費(fèi)用計(jì)算，經(jīng)濟(jì)潛力仍有問(wèn)題（同上：637）。利用這些現(xiàn)有的額外水電資源的經(jīng)濟(jì)成本高度依賴于選址，其成本與電站的規(guī)模成反比。因此，特別需要從當(dāng)?shù)?、區(qū)域和全球所有成本和利益的成本角度來(lái)充分考量小型水利項(xiàng)目。

無(wú)論它們?cè)谒娰Y源中所占的份額如何，經(jīng)合組織國(guó)家中依賴非管制市場(chǎng)來(lái)確保充分投資的電力系統(tǒng)目前都面臨巨大壓力，難以實(shí)現(xiàn)快速脫碳和充分投資低碳技術(shù)的雙重目標(biāo)。原因是缺乏堅(jiān)挺而可靠的碳價(jià)格，尤其是在價(jià)格波動(dòng)的非管制市場(chǎng)中技術(shù)相較于與高額固定的成本并不占優(yōu)勢(shì)，以及可再生能源的大量場(chǎng)外融資，卻很少考慮其對(duì)電力系統(tǒng)其余部分的影響。這些缺點(diǎn)使逐步重新管制成為經(jīng)合發(fā)組織國(guó)家電力部門(mén)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)選擇。

如果沒(méi)有明確的未來(lái)路線圖，風(fēng)險(xiǎn)在于這種回歸到受監(jiān)管體系的做法將失去自由化帶來(lái)的效率收益，弊大于利。另一種選擇是基于五個(gè)支點(diǎn)轉(zhuǎn)向低碳發(fā)電的具體策略：1）繼續(xù)開(kāi)展短期市場(chǎng)的有效調(diào)度工作，揭示所生產(chǎn)電力的真正系統(tǒng)價(jià)值；2）碳定價(jià)；3）為輸電和配電充分提供能力、靈活性和基礎(chǔ)設(shè)施的框架；4）促進(jìn)低碳技術(shù)長(zhǎng)期投資的適當(dāng)機(jī)制，包括改革現(xiàn)有支持機(jī)制；5）在任何實(shí)際和必要的地方進(jìn)行系統(tǒng)成本的內(nèi)部化。雖然電力市場(chǎng)改革的細(xì)節(jié)需要進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的專家討論，但重要的是，政策制定者必須了解這五大支柱的重要性，這五大支點(diǎn)是維持低碳發(fā)電的短期競(jìng)爭(zhēng)壓力和長(zhǎng)期投資激勵(lì)之間的適當(dāng)平衡所必需的。

第一，維護(hù)當(dāng)前短期電力市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)高效調(diào)度。電力市場(chǎng)的放松管制并沒(méi)有把一切都搞砸。盡管人們普遍認(rèn)為，放松管制的電力市場(chǎng)并沒(méi)有為低碳技術(shù)投資提供足夠的激勵(lì)，但人們也認(rèn)識(shí)到，此時(shí)的電力市場(chǎng)善于有效利用現(xiàn)有資產(chǎn)。以短期可變成本為基礎(chǔ)的邊際成本定價(jià)，對(duì)于刺激資本成本較高的技術(shù)建設(shè)來(lái)說(shuō)，并不理想。然而，這是確?，F(xiàn)有資源得到最佳利用的適當(dāng)機(jī)制，即在任何特定時(shí)刻以盡可能低的成本生產(chǎn)電力，并使發(fā)電受到市場(chǎng)價(jià)格的約束。認(rèn)識(shí)到這一兩面性意味著，要將有明確短期調(diào)度機(jī)制的市場(chǎng)與促進(jìn)低碳技術(shù)的投資結(jié)合起來(lái)。

其次，無(wú)論存在何種制度障礙和游說(shuō)努力，最重要的直接措施都是引入碳定價(jià)，這將提高電價(jià)、減少溫室氣體排放，并增強(qiáng)核能和VRE等低碳技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力。在排放交易體系中，碳價(jià)格達(dá)到一個(gè)有意義的水平，將意味著價(jià)格高到足以確保以下結(jié)果：

a）使天然氣在所有經(jīng)合組織國(guó)家的市場(chǎng)上具有與煤炭的競(jìng)爭(zhēng)能力，并在適當(dāng)情況下與褐煤競(jìng)爭(zhēng)；

b）提高在燃?xì)馔顿Y成本低且沒(méi)有外部核電建設(shè)支持的地區(qū)中，核電站相對(duì)于燃?xì)怆姀S的競(jìng)爭(zhēng)力，；

c）在沒(méi)有任何市場(chǎng)外支持的足夠有利的情況下，提高可再生能源相對(duì)于燃?xì)獍l(fā)電的競(jìng)爭(zhēng)力；

d）為投資開(kāi)發(fā)更有效的低碳新技術(shù)提供激勵(lì)措施。

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的碳價(jià)格的精確數(shù)值將因不同國(guó)家不同技術(shù)的相對(duì)成本而有所不同。按數(shù)量級(jí)計(jì)算，每噸二氧化碳50美元的碳價(jià)就足以滿足上述標(biāo)準(zhǔn)?；剂习l(fā)電企業(yè)及其利益相關(guān)者對(duì)政治決策的影響力，使有效的碳定價(jià)成為經(jīng)合組織國(guó)家的案例，而不具有普遍性然而，在瑞典或英國(guó)等國(guó)家，這種方法在推動(dòng)脫碳方面非常有效。不考慮具體的效率因素，一個(gè)可信的碳價(jià)格是一個(gè)強(qiáng)有力的信號(hào)，以塑造生產(chǎn)者、消費(fèi)者和其他利益相關(guān)者（如供應(yīng)商）對(duì)電力系統(tǒng)長(zhǎng)期發(fā)展的預(yù)期。碳定價(jià)將為社會(huì)帶來(lái)總體收益。然而，這也會(huì)給一些利益相關(guān)者帶來(lái)?yè)p失，尤其是化石燃料生產(chǎn)商及其客戶。因此，適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償需要當(dāng)作為任何可持續(xù)政策的一攬子計(jì)劃的組成部分。

第三，制定長(zhǎng)期框架，為輸電和配電提供足夠的能力、靈活性和基礎(chǔ)設(shè)施：發(fā)電是任何電力系統(tǒng)的核心，但它最終只是電力系統(tǒng)的一部分。任何電力系統(tǒng)都需要提供能力、靈活性、系統(tǒng)服務(wù)和適當(dāng)?shù)奈锢砘A(chǔ)設(shè)施的框架。雖然情況總是如此，但是間歇性資源和新技術(shù)的發(fā)展使這些補(bǔ)充服務(wù)日益重要。IEA最新一期《2018年世界能源展望》（WorldEnergyOutlook2018）也強(qiáng)調(diào)了提供靈活性的重要性。技術(shù)和行為上的變化，如網(wǎng)絡(luò)管理、電池和需求側(cè)管理（DSM）的數(shù)字化，以及在某些情況下分散的發(fā)電和消費(fèi)，使得解決問(wèn)題變得越來(lái)越復(fù)雜。提供靈活性的短期市場(chǎng)、平衡、加強(qiáng)與鄰國(guó)的聯(lián)系以及能力薪酬機(jī)制都是其中的一部分。同樣重要的是，要認(rèn)識(shí)到核電站或水電站等大型集中發(fā)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和慣性的積極貢獻(xiàn)，并適當(dāng)評(píng)估它們的價(jià)值。

第四，建立促進(jìn)低碳技術(shù)長(zhǎng)期投資的適當(dāng)機(jī)制。在創(chuàng)建可持續(xù)的低碳電力系統(tǒng)方面，所有低碳技術(shù)都需要發(fā)揮作用。然而，高資本密集度使其需要具體的融資解決方案，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)僅僅根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)性市場(chǎng)的邊際成本定價(jià)來(lái)進(jìn)行部署。這適用于所有的低碳技術(shù)，尤其是VRE，它們自身也因其帶來(lái)的更低價(jià)格而遭受了最大的損失。由于壽命、風(fēng)險(xiǎn)狀況和融資結(jié)構(gòu)的不同，個(gè)別技術(shù)也將繼續(xù)需要專門(mén)的、個(gè)別設(shè)計(jì)的工具，盡管它們都基于相同的原則，即投資于高固定成本技術(shù)需要高水平的價(jià)格和收入的穩(wěn)定。

就其本身而言，對(duì)可調(diào)度的低碳供應(yīng)商的碳定價(jià)和能力報(bào)酬都不夠，盡管它們?cè)谠瓌t上構(gòu)成了與氣候保護(hù)和供應(yīng)安全的公共產(chǎn)品內(nèi)部化相關(guān)的適當(dāng)工具。旨在于極端用電高峰時(shí)段提供電力的容量報(bào)酬機(jī)制（CRMs），是青睞于固定容量成本（通常為OCGTs）較低的技術(shù)，只有在預(yù)期營(yíng)業(yè)時(shí)間達(dá)到兩位數(shù)時(shí)，它們才愿意投資。這就是為什么政策制定者必須在場(chǎng)外支持和低碳技術(shù)批發(fā)市場(chǎng)價(jià)格（如核能和VRE等固定成本較高的技術(shù)）之間找到適當(dāng)?shù)钠胶?。一方面，上網(wǎng)電價(jià)（FITs）、長(zhǎng)期購(gòu)電協(xié)議（PPAs）、差價(jià)合約（CFDs）、管制電價(jià)、上網(wǎng)溢價(jià)（FIPs），甚至通過(guò)貸款擔(dān)保等直接資本補(bǔ)貼，都是實(shí)現(xiàn)低碳技術(shù)長(zhǎng)期供應(yīng)安全的合適手段。FIPs或直接資本補(bǔ)貼甚至與批發(fā)市場(chǎng)價(jià)格保持聯(lián)系，這都對(duì)于有效的分配和價(jià)值發(fā)現(xiàn)非常重要。即使使用上網(wǎng)電價(jià)和其他具有長(zhǎng)期合同核心特征的工具來(lái)保證與平均成本相對(duì)應(yīng)的價(jià)格，也不一定意味著完全放棄競(jìng)爭(zhēng)。競(jìng)爭(zhēng)性拍賣(mài)可以用市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)代替市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

第五，將系統(tǒng)成本內(nèi)部化（前四大支柱尚未做到這一點(diǎn)），碳定價(jià)將認(rèn)可低碳發(fā)電的環(huán)境屬性，而產(chǎn)能報(bào)酬將認(rèn)可可調(diào)度性。原則上，對(duì)電價(jià)的敞口將使配置成本內(nèi)部化，并按系統(tǒng)的真實(shí)價(jià)值對(duì)每一單位發(fā)電量進(jìn)行補(bǔ)償。然而，這一理論上合理的原則在需要對(duì)上述低碳技術(shù)提供長(zhǎng)期價(jià)格保障方面存在局限性。重要的是，不要在顯性補(bǔ)貼的基礎(chǔ)上再增加隱性補(bǔ)貼。

這五大因素一起構(gòu)成與允許優(yōu)化VRE共存的低碳電力市場(chǎng)的基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在一個(gè)獨(dú)立于個(gè)人成本假設(shè)或國(guó)別稟賦的有效綜合電力系統(tǒng)內(nèi)，水力發(fā)電和核能將產(chǎn)生高度無(wú)碳化的電力系統(tǒng)。更重要的是，這五大支柱為建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的市場(chǎng)設(shè)計(jì)提供了條件，因?yàn)樗鼈兡軌驗(yàn)榇笠?guī)模部署低碳技術(shù)提供必要的投資，而低碳技術(shù)是電力系統(tǒng)快速?gòu)氐邹D(zhuǎn)型所必需的。

應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，這一框架并不取決于各國(guó)對(duì)核電、水電或VRE發(fā)電的偏好。所有低碳技術(shù)都可以發(fā)揮作用?；谥饕獔?chǎng)景中使用的成本假設(shè)，本研究表明，依賴核能的混合能源是實(shí)現(xiàn)每千瓦時(shí)50gCO2脫碳目標(biāo)的最具成本效益的選擇。此外，成本的增長(zhǎng)比例過(guò)大，所占的全部成本強(qiáng)加于系統(tǒng)。然而，這些結(jié)果反映了當(dāng)前的最佳估計(jì)。特別是，如果生產(chǎn)核廢料技術(shù)的成本進(jìn)一步下降，就會(huì)形成核和核廢料都占相當(dāng)大份額的綜合系統(tǒng)。這就是情景六的精髓，“用低成本的可再生能源實(shí)現(xiàn)成本最小化”。由于風(fēng)力和光伏發(fā)電的夜間成本比基本情況低三分之一至三分之二，它支持了對(duì)未來(lái)電力混合的愿景，這對(duì)經(jīng)合組織的許多國(guó)家來(lái)說(shuō)都是現(xiàn)實(shí)的。這種融合了VRE和可調(diào)度技術(shù)的混合將由四個(gè)主要因素組成：

1.風(fēng)電、光伏市場(chǎng)占有率30~40%；

2.其中40~60%的份額由可調(diào)度的低碳技術(shù)提供，比如核能，或者也許有一天，由化石燃料的碳捕獲、利用和封存（CCUS）電廠提供；

3.盡可能多的低碳柔性資源，包括水電、需求響應(yīng)和電網(wǎng)互聯(lián)；

4.高度靈活、化石燃料技術(shù)所占份額不斷下降，確保剩余的靈活性。