高比例可再生能源电力系统形态及演化

**篇 面向中远期低碳化发展的能源电力格局及演化机理 第1章 中远期我国能源格局变化趋势及特征 当前，全世界正在经历一场能源体系的革命性转型，其核心是以可再生能源为主体的新型能源体系逐渐取代当前以化石能源为支柱的传统能源体系，以应对地球矿产资源日益枯竭的危机以及以气候变化为代表的全球生态危机，实现经济社会与资源环境的协调和可持续发展。 1.1 能源电力发展国际形势 21世纪以来，国际能源格局发生重大调整，以美国页岩气革命为代表的非常规油气加速发展，重塑了传统能源供应版图，可再生能源技术的日益成熟悄然拉开能源转型的大幕，预示着能源体系将迎来整体性变革。另外，以大数据、人工智能、物联网等为主要驱动力的新一轮工业革命将带动能源行业与互联网深度融合。整体来看，能源电力的发展正呈现低碳化、电气化、去中心化、数字化的趋势。 1.1.1 低碳化 第二次工业革命后，随着人类生产生活水平的提高和对能源开发利用量的增加，大量被固存地底的碳元素被人类再次排放至大气中。温室气体排放已经使全球平均温度比工业革命之前升高了0.85℃，温度升高将导致冰川融化、水平面上升、物种灭绝。为防止气候进一步恶化，《巴黎协定》提出：“把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上2℃以内，并努力将气温升幅控制在工业化前水平以上1.5℃以内。”为了人类社会的可持续发展，低碳化已经成为全球能源发展的重要趋势。未来，低碳经济、低碳技术、低碳能源等的发展将持续受到世界各国的重视和支持。 为共同应对气候变化问题，1997年，世界主要国家共同签署了《联合国气候变化框架公约的京都议定书》[1]，八年后，议定书正式生效，确定发达国家减排量在1990年平均基础上减少5.2%；2011年，第七次框架公约缔约方会议通过《马拉喀什协定》[2]，明确了碳交易机制及三种履约机制的运行规则，涉及碳的核证、测算、统计、监测和认证。2016年世界各国签署的《巴黎协定》对21世纪温度和碳排放控制进行了规划；2016年，联合国各成员国通过17个可持续发展目标，其中第13点气候行动明确对温室气体排放进行了阐述。 随着政策引导与技术进步，世界可再生能源产业持续高速发展，其发展规模及在能源消费结构中的占比不断提高，在电力、交通燃料等方面大量替代化石燃料。自2014年开始，全球可再生能源新增发电装机容量超过煤炭和天然气发电新增容量之和，尤其是风能、太阳能开发利用成本迅速下降，成为可再生能源供给中的主力。2018年，世界可再生能源总装机容量达到2378GW，其中，水电1132GW、风电591GW、光伏发电505GW、生物质能130GW、地热能13.3GW、光热发电5.5GW、海洋能0.5GW，可再生能源装机容量已经达到全球总装机容量的33%以上[3]。 此外，各国还在加紧研究二氧化碳捕捉和封存技术。碳捕捉技术主要包含燃烧前捕捉技术、富氧燃烧捕捉技术及燃烧后捕捉技术，而碳封存技术有地质封存、海洋封存、化学封存三种主要的封存方式[4]。通过对后期二氧化碳的再次封存，避免其直接排放对环境气候的伤害。 1.1.2 电气化 能源电气化是间接意义上的“能源清洁化”。*先，风、光等可再生能源不便直接用于终端消费，大多通过转化为电能来供给能源消费，可再生能源已经成为全球新增电能的*主要来源。其次，包括二氧化碳捕捉和封存在内的很多低碳技术及大型化石能源脱碳脱硫设备等，都可方便并广泛地应用于电力生产工业，使电力生产更加清洁。 能源电气化是社会技术发展的关键趋势。目前，随着社会发展和城镇化进程加快，越来越多的生活用能开始转向使用电能，越来越多的高科技设备依赖于电能。并且，随着互联网技术的普及，电能将成为辅助互联网技术的重要支柱能源，能源的电气化趋势在一定程度上彰显社会的进步。 全球电气化水平持续依旧稳步增加，但各地区电气化程度差距明显[5]。目前北美地区电气化水平明显高于世界平均水平，但非洲、中东等地区明显低于世界水平。电气化种类方面，商用、居民、工业电气化均增长较快，其中商用电能在终端电能中占比超过50%。日、韩、美、英、德等国家电气化水平均高于世界平均水平，日本的总体电气化水平是*高的。主要国家中，中国、印度、巴西、俄罗斯均存在部分能源需求侧电气化程度不足的情况。其中，中国占能源消费侧的比重在主要国家中为*低，但整体电气化增长速度较快，高于全球平均增速。 从当前电气化发展情况来看，以煤炭为*主要终端用能的国家，未来一段时间内将成为电气化发展的中流砥柱。这些国家将在原有电力设施转型和新电力设施建设上双重发力，将可再生能源的利用与电气化发展相结合，致力于通过电气化替代能源结构中的煤炭使用。可以肯定的是，在全球电气化趋势不可逆的前提下，世界各国均将从这个趋势中获利。 根据国际可再生能源署(International Renwable Energy Agency，IRENA)预测，电力在全球*终能源中的比例可能会从2018年的20%增加到2050年的近45%。同时，可再生电源在全球发电总量将从2018年的26%攀升至2050年的85%，其中高达60%来自太阳能和风能等波动性电源[6]。虽然电力消费在增加，但由于能效的提高，例如电气化的供热和运输系统的效率高于化石燃料，总能量需求反而减少。全球范围内建筑物用能电气化的潜力*高(2050年可达50%～80%)，其次是工业部门(34%～52%)，然后是运输部门(10%～52%)。IRENA预测，2050年全球可以使用十亿辆电动汽车，使用热泵的供暖的建筑物可能会增加十倍，数量可能超过2.5亿台。 1.1.3 去中心化 传统的集中式供能系统采用大容量设备，集中生产，然后通过专门的输送设施(大电网、大热网等)将各种能量输送给较大范围内的众多用户。由于能源集中式接入对能源供给端的要求较高，能源消费终端的消费体验也因此受限。随着能源技术发展和终端消费量不断提高，能源供应被要求从“单级别”向“多样化”转变，城市产业结构也从“单中心”向“多中心”转变，所以无论是从能源结构上，还是城市结构上，“去中心化”将是大势所趋[7]。 由于分布式能源系统直接面向用户，按用户需求就地生产并供应能量，具有灵活性和高效性，可满足中、小型能量转换利用系统。能量终端的单位用户利用自己生产能源的方式自给自足，进行不同层级的小规模联网，采取互相独立又联通的网络输送体制，可使能源传输和使用透明公开，保障公平竞争与合作。 去中心化强调“能源的广泛互联互通”，具有规模小、消纳好、灵活性强、稳定性高、适应度好、清洁低碳等特点。去中心化也可以理解为能源互联网模式，即能源可以实现无障碍流通、全透明流通，并得到与互联网中信息流通一样的安全保障和内容维护。通过增加近距离小范围的自我消纳，去中心化可广泛解决用户能源梯级需求差距大、淡旺季能源调峰困难以及冷热远距离传输难等问题。 目前，全球能源去中心化发展迅速。据美国市场研究机构Navigant Research统计，2019年全球分布式能源容量已经达到158.3GW，预计2028年将达到近345GW[8]。其中发达国家能源去中心化比较明显，政策力度也比较大，多数发展中国家在去中心化上跟发达国家相比存在较大差距。欧盟分布式能源发电量位居全球前列，其中丹麦80%以上的区域供热能源采用热电联产方式产生，分布式发电量超过全部发电量的50%，是分布式能源发展程度*高的国家。美国根据其地理因素和资源储备，积极推进以天然气为主要能源的分布式能源系统，分布式能源发电比例为14%左右。日本的分布式发电以热电联产和太阳能光伏发电为主，已经广泛应用于公园、学校、医院、展览馆等公用设施，并计划2030年前实现分布式能源系统发电量占总电力供应的20%。我国分布式能源发展刚刚起步，目前以天然气分布式发电和光伏分布式发电为主，均处在发展初级阶段。 发达国家已经在分布式能源的基础上开展了多能互补和效率优化。美国、欧洲和日本在先进分布式发电基础上推动智能电网建设，为各种分布式能源提供自由接入的动态平台。同时，因地制宜地利用小水电资源、生物质资源、可再生能源及天然气冷热电联供梯级利用以推进能源的进一步高效利用，在此基础上建立节能和需求侧管理的智能化控制管理平台[9]。正是这些依附于用户终端市场的能源梯级利用系统、可再生能源系统和资源综合利用系统，使能源利用效率不断提高，排放不断减少，能源结构不断优化。 1.1.4 数字化 数字化转型正加速创建一个以信息为基础的、智能的、高生产率和高度联网的世界。随着数字化技术席卷全球，以移动互联网、大数据、物联网等信息技术为特征的数字经济也成为了传统能源行业转型的新目标。能源数字化指的是利用数字技术，引导能量有序流动，构筑更高效、更清洁、更经济的现代能源体系，提高能源系统的安全性、生产率、可及性和可持续性。数据采集、传输、分析和数据互联在能源领域的运用无处不在，在很大程度上可以提高运营效率，将减少约10%的能源使用量。 能源系统数字化能够准确判断能源需求，并明确如何能够在合适的时间、合适的地点以*低的成本提供能源。能源全产业链，将从能源勘探、生产、运输、销售和服务等各环节与互联网深度融合，需要引入大数据、高效计算、即时通信等技术，促进能源降本增效绿色发展，实现能源行业的加速转型。根据国际能源署(International Energy Agency，IEA)《数字化和能源》预测，数字技术的大规模应用将使油气生产成本减少10%～20%，使全球油气技术可采储量提高5%，页岩气有望获得*大收益。仅在欧盟，增加存储和数字化需求响应就可以在2040年将光伏发电和风力发电的弃电率从7%降至1.6%，从而到2040年避免3000万t二氧化碳排放[10]。 世界主要能源公司都在加紧数字化战略研究与布局。英国石油公司(British Petroleum，BP)将数字化战略列为公司五大战略之一，与新交通、生物燃料、储能和碳管理等能源前沿技术并驾齐驱。法国天气热苏伊士集团(ENGIE SA)的战略转型三大方向中，数字化被认为是值得关注的重点战略方向(另外两个是低碳化和分布化)。数字化作为一个新兴领域，目前更多是在现有互联网技术的基础上进行能