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觀點(diǎn)|為什么可再生能源投資引發(fā)了煤炭擴(kuò)張?

2023/3/28 15:07:26       

中國(guó)近年來(lái)可再生能源裝機(jī)增長(zhǎng)迅速,但煤電與可再生能源綁定發(fā)展的模式拉動(dòng)了額外的煤電投資,這為減排帶來(lái)挑戰(zhàn)。
 

▲哈密石城子光伏電站。政府規(guī)劃建設(shè)大量風(fēng)能和太陽(yáng)能裝機(jī),分布在人口密度低、電力需求有限的西部偏遠(yuǎn)地區(qū)(比如戈壁、沙漠),統(tǒng)稱為新能源基地。圖片來(lái)源:Zhao Ge / Alamy

過(guò)去的10-15年,中國(guó)增加可再生能源裝機(jī)的節(jié)奏總是令人印象深刻。從2005年通過(guò)《可再生能源法》,以固定優(yōu)惠電價(jià)鼓勵(lì)風(fēng)電光伏為主的可再生能源發(fā)展,中國(guó)歷年的風(fēng)光新增裝機(jī)量占世界總量的50%甚至更多。2010年后的很長(zhǎng)一段時(shí)間,中國(guó)風(fēng)電年增長(zhǎng)20到35吉瓦;而光伏后來(lái)居上,增長(zhǎng)更快,在30到50吉瓦。二者合計(jì),在2015年后的5年,大體年增長(zhǎng)50到60吉瓦。

2020年開(kāi)始的三年,盡管有疫情影響,但是風(fēng)電光伏的裝機(jī)保持了韌性,大幅增加到每年100吉瓦以上。剛剛過(guò)去的2022年是進(jìn)一步提速的一年。國(guó)家能源局在2023年一季度新聞發(fā)布會(huì)上表示:2022年全年新增可再生能源(水電、風(fēng)電、光伏、生物質(zhì)等)超過(guò)150吉瓦,其中風(fēng)光合計(jì)125吉瓦;發(fā)電量占全社會(huì)用電量超過(guò)13%,已超過(guò)世界平均水平。

能源局發(fā)布會(huì)報(bào)告的測(cè)算結(jié)果認(rèn)為:“2022年可再生能源發(fā)電量相當(dāng)于減少二氧化碳排放約22.6億噸”。簡(jiǎn)單推算,這相當(dāng)于1千瓦可再生電量,實(shí)現(xiàn)837克二氧化碳的減排。這一度量基準(zhǔn)對(duì)應(yīng)于一個(gè)度電煤耗300克標(biāo)煤煤電廠的排放水平。

我們認(rèn)為,這一減排效果相比實(shí)際情況存在高估,特別是考慮到中國(guó)特色“新能源基地”的特定并網(wǎng)安排帶來(lái)的運(yùn)行與投資影響。

可再生能源與煤電“齊頭并進(jìn)”

可再生能源進(jìn)入電力系統(tǒng),在多大程度上有效替代傳統(tǒng)能源發(fā)電,實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排,是個(gè)學(xué)術(shù)、政策與工業(yè)界的熱門話題。機(jī)組的減排效果會(huì)因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)特點(diǎn)不同而有所區(qū)別。也就是一個(gè)新的零排放的風(fēng)光電源進(jìn)入系統(tǒng),到底會(huì)擠出何種其他電源的問(wèn)題。

成本最小化的電力系統(tǒng)往往實(shí)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度,即機(jī)組按照成本從低到高的調(diào)度排序來(lái)滿足變動(dòng)的電力需求?稍偕茉催M(jìn)入發(fā)電序列,將擠出高成本的邊際機(jī)組,實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)機(jī)組排放強(qiáng)度的減排效果。因此,如果邊際機(jī)組是水電(比如北歐地區(qū)),那么減排幾乎是零;如果是依靠昂貴的天然氣發(fā)電(比如2022年天然氣價(jià)格暴漲的西歐大部分地區(qū)),減排對(duì)應(yīng)天然氣發(fā)電的排放強(qiáng)度(根據(jù)效率不同,大致在400-600克二氧化碳每千瓦時(shí)); 如果邊際機(jī)組是煤電(比如煤電占據(jù)50%以上份額的印度與中國(guó)),那么單位發(fā)電量將減排700-1000克二氧化碳每千瓦時(shí)。以上是基于100%替代煤電的測(cè)算,即理想狀況下的最大減排效果。

編者注:什么是經(jīng)濟(jì)調(diào)度?

經(jīng)濟(jì)調(diào)度是一種對(duì)可用發(fā)電資源進(jìn)行排序的方法。序列中邊際成本最低的發(fā)電機(jī)組(比如可再生能源)最先上線以滿足需求,而邊際成本最高的發(fā)電機(jī)組(比如煤電)最后上線。以這種稱為經(jīng)濟(jì)調(diào)度的方式調(diào)度發(fā)電,可以最小化短期電力生產(chǎn)成本。


在中國(guó),更為重要的因素,在于新裝機(jī)中的相當(dāng)一部分不是為了并入本地電網(wǎng)來(lái)建設(shè)的,與傳統(tǒng)電源不構(gòu)成替代關(guān)系。政府規(guī)劃建設(shè)大量風(fēng)能和太陽(yáng)能容量,分布在人口、經(jīng)濟(jì)和電力需求有限的西部偏遠(yuǎn)地區(qū)(比如戈壁、沙漠),稱為 “新能源基地”。與新的或現(xiàn)有煤電捆綁,電力通過(guò)特高壓輸電專項(xiàng)工程傳輸?shù)綎|部沿海地區(qū)。

“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃中規(guī)定,在“水電、風(fēng)電、光伏、煤電”的組合中,可再生能源電力的份額“不低50%”?紤]到水電外送是100%的可再生能源,因此即使煤電含量達(dá)到70%仍滿足上述總體約束。因?yàn)檫@種“配套”,可再生的投資,引發(fā)了煤電的進(jìn)一步擴(kuò)張(反過(guò)來(lái)說(shuō),如果沒(méi)有這些風(fēng)光,也不會(huì)引發(fā)對(duì)應(yīng)的煤電建設(shè)與投入運(yùn)行)。二者甚至是互補(bǔ)的關(guān)系。已建成線路的運(yùn)行記錄(2021年,2020年,2019年)也證明了這一點(diǎn)——大部分線路的跨區(qū)輸電量中,風(fēng)電與光伏的電量比例20%-40%。最新計(jì)劃中的新疆哈密——重慶輸電專線項(xiàng)目,配套可再生1000萬(wàn)千瓦,煤電400-600萬(wàn)千瓦。
 


西部新增可再生能源裝機(jī)可以減少東部地區(qū)的煤電裝機(jī)嗎?答案是:大致不會(huì)。電力系統(tǒng)存在N-1原則作為基本安全要求。它指的是:電力系統(tǒng)任何單一設(shè)備故障,都不應(yīng)該影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。東部地區(qū)必須在假設(shè)整個(gè)線路斷掉的情況下仍然保持自身供需平衡?紤]到煤電機(jī)組的壽命35-40年,而風(fēng)電光伏普遍在20年左右,這種對(duì)煤電投資的拉動(dòng)造成的長(zhǎng)期排放鎖定風(fēng)險(xiǎn)就更大了。

從運(yùn)行角度,可再生電力替代燃煤發(fā)電,也強(qiáng)烈區(qū)別于電量1:1直接替代。西部地區(qū)70%的煤電,加上30%的風(fēng)光發(fā)電,替代東部電力需求旺盛地區(qū)的邊際機(jī)組(所謂:滿足需求的成本最高的機(jī)組),事實(shí)上更多的情況是“煤換煤”。即使受電地區(qū)邊際機(jī)組比西部新建機(jī)組效率更低,從而具有更高的排放強(qiáng)度,這一替代產(chǎn)生的溫室氣體減排效益,也會(huì)因?yàn)楦鞣N因素大大折扣。比如:顯著長(zhǎng)距離輸電線損;東部地區(qū)調(diào)峰深度增加,從而效率變差;本地匯集上網(wǎng)的線損。
 

▲地圖以及國(guó)家邊界僅為示意。制圖:卓爾德環(huán)境(北京)中心

也就是說(shuō),在可再生裝機(jī)擴(kuò)大——發(fā)電增加——替代化石能源發(fā)電——實(shí)現(xiàn)氣候減排收益的鏈條中,發(fā)電增加并未如想象中那樣有效替代化石能源發(fā)電。以已經(jīng)建成運(yùn)行多年的新疆哈密——河南鄭州(稱為哈鄭直流或者天中直流)輸電專項(xiàng)工程為例,我們做了測(cè)算。它線路長(zhǎng)度2200公里,線損7.2%,額定輸送功率800萬(wàn)千瓦!芭涮住彪娫窗L(fēng)電800萬(wàn)千瓦、光伏發(fā)電125萬(wàn)千瓦、煤電660萬(wàn)千瓦,總裝機(jī)容量1585萬(wàn)千瓦。

結(jié)果顯示:50%煤電捆綁可再生能源的政策導(dǎo)致減排效應(yīng)(與“理想情況”比較)下降350克二氧化碳每千瓦時(shí);實(shí)際運(yùn)行中煤電的進(jìn)一步增加(占比不是50%,而是普遍在70%甚至更多),減排效應(yīng)下降接近100克;再考慮到線損,減排效應(yīng)下降超過(guò)50克。即使不考慮接收地電源調(diào)節(jié)帶來(lái)的效率下降,最后能實(shí)現(xiàn)的減排效應(yīng)約為356克二氧化碳每千瓦時(shí)的水平,相當(dāng)于替代煤電排放效果的40%,與天然氣替代煤炭更接近。

也就是說(shuō):風(fēng)電不再是風(fēng)電,而光伏也不再是光伏。他們?cè)跉夂虬踩c排放特性上,更像是天然氣發(fā)電。

更進(jìn)一步,從系統(tǒng)影響視角,它拉動(dòng)了額外的煤電投資,引發(fā)了對(duì)更長(zhǎng)時(shí)間煤炭使用的鎖定風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然,有人可能會(huì)辯駁:這部分煤電現(xiàn)在起運(yùn)行輔助作用,在未來(lái)碳排放實(shí)現(xiàn)達(dá)峰開(kāi)始下降之后退出。容量并不一定轉(zhuǎn)化為煤炭消費(fèi)量與排放量。這種可能性理論上存在。但是在現(xiàn)實(shí)世界,煤炭發(fā)電照常甚至增加使用的可能性更高。

目前中國(guó)電力系統(tǒng)仍缺乏基于短期邊際成本的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。線路的可再生比重提高,同時(shí)也意味著因?yàn)榭稍偕隽Φ牟▌?dòng),線路利用率會(huì)下降。保持目前輸電價(jià)格,會(huì)進(jìn)一步增加線路投資回收期;如果提高價(jià)格,技術(shù)經(jīng)濟(jì)上會(huì)降低落地電價(jià)的競(jìng)爭(zhēng)力,或者進(jìn)一步擠壓輸出地上網(wǎng)價(jià)格。無(wú)論哪一種可能,政治經(jīng)濟(jì)上都與多個(gè)利益主體激勵(lì)不相容。

有多少可再生能源與煤炭“綁定”

中國(guó)到底有多少可再生能源與煤炭綁定裝機(jī)?不完全統(tǒng)計(jì),目前類似的輸電工程項(xiàng)目超過(guò)20條(請(qǐng)向卓爾德中心索取完整目錄),其中1/3專門輸送西南地區(qū)水電,其他線路配有50%容量左右的煤電。按此估計(jì),最近5年中國(guó)的風(fēng)光裝機(jī)中,有35-40%屬于此類“打捆”項(xiàng)目。

風(fēng)光無(wú)法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的減排效果,這對(duì)于世界的電源裝機(jī)統(tǒng)計(jì)、理解與解讀可再生能源發(fā)展具有顯著影響。IPCC第六次評(píng)估報(bào)告中將風(fēng)能和太陽(yáng)能作為具有成本效益的氣候減緩的最大潛力的選擇,它們的作用在2030年之前的短時(shí)間內(nèi)特別重要,因?yàn)槠渌x擇要么不可用,要么很難規(guī);l(fā)展,或者昂貴得多。

國(guó)際能源署測(cè)算,如果考慮到已宣布的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)能計(jì)劃,全球太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)符合2030年1.5度目標(biāo)的情景路徑。彭博社對(duì)2021年的新增發(fā)電量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)85%來(lái)自于可再生能源,特別是風(fēng)能和太陽(yáng)能。這被知名能源、氣候研究MCC智庫(kù)認(rèn)為是 “2022年氣候好消息”之一。這些論斷,建立在可再生能源裝機(jī)可以充分替代煤電從而實(shí)現(xiàn)減排的假設(shè)之上?傮w估算,中國(guó)大約有1/3的風(fēng)光新增沒(méi)有實(shí)現(xiàn)替代煤電的應(yīng)然減排。

近年來(lái),中國(guó)盡管可再生能源裝機(jī)增長(zhǎng)迅速,但發(fā)電比重增長(zhǎng)并不特別突出,與此同時(shí),煤炭消費(fèi)和碳排放都在持續(xù)增長(zhǎng),甚至有些劇烈。與煤電互補(bǔ)的可再生能源裝機(jī)可能是個(gè)重要因素。2021年,非官方測(cè)算,中國(guó)溫室氣體排放相比2019年增加了5.9%。2022年,可再生能源發(fā)電增長(zhǎng)比例并不小(同比接近2個(gè)百分點(diǎn))。這一年,因?yàn)榕で陌l(fā)電價(jià)格,煤電出力積極性嚴(yán)重受限,而四川出現(xiàn)兩周左右的用電限制,其結(jié)果反映在數(shù)字上就是,由于煤電的發(fā)電量降低,可再生能源發(fā)電的比例“被放大”了。2022年初步的匯算顯示,多種因素作用之下,中國(guó)煤炭消費(fèi)相比2021年增長(zhǎng)3%以上,創(chuàng)歷史新高;而排放盡管有新冠疫情防控等原因,可能會(huì)增加1.5%以上。

風(fēng)光為何會(huì)“捆綁”煤電?

風(fēng)光“捆綁”煤電的發(fā)展范式在經(jīng)濟(jì)邏輯上是無(wú)法理解的。目前,遠(yuǎn)距離跨區(qū)域的專項(xiàng)輸電工程主要服務(wù)于輸電,沒(méi)有聯(lián)網(wǎng)功能,即區(qū)域間無(wú)法互相調(diào)度電力來(lái)滿足需求。而從供需平衡來(lái)說(shuō),本地發(fā)電、本地上網(wǎng)、本地消費(fèi)是最穩(wěn)定、最容易實(shí)現(xiàn)和成本最低的。舉例來(lái)說(shuō),如果聯(lián)接西北電網(wǎng)和華北電網(wǎng),只需要采用500千伏甚至更低電壓等級(jí),長(zhǎng)度在幾百甚至幾十公里的互聯(lián)線路。這相比目前不考慮本地需求的“能源基地”項(xiàng)目,互聯(lián)線路需要的公里數(shù)、容量都會(huì)小,成本也相應(yīng)低。理解這一范式的形成,可能是個(gè)政治經(jīng)濟(jì)問(wèn)題,特別涉及到中央與地方的互動(dòng)、控制與收益關(guān)系。限于篇幅,另文討論。

最近,快速變化的國(guó)際與國(guó)內(nèi)形勢(shì)之下,這一安排有較大程度松動(dòng)或者調(diào)整的跡象。長(zhǎng)距離僵直運(yùn)行線路,不考慮送出與接收端的供需動(dòng)態(tài)變化。無(wú)論是其運(yùn)行調(diào)節(jié)還是安全保障難度都比較高。目前快速變化的國(guó)際環(huán)境中,這無(wú)疑是國(guó)家能源與電力安全的“軟肋”。
 

▲途經(jīng)5省市的白鶴灘至江蘇特高壓直流工程是“西電東送”戰(zhàn)略的重點(diǎn)工程之一。圖片來(lái)源:Alamy

2022年11月,電網(wǎng)高層在中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)年會(huì)上,明確表示:“堅(jiān)持就地平衡、就近平衡為要,跨區(qū)平衡互濟(jì),著力解決應(yīng)急調(diào)峰電源互濟(jì)能力不足等難題,抓好安全生產(chǎn)“。而一開(kāi)始提及的能源主管部門新聞發(fā)布會(huì),也特別突出了中國(guó)式定義中的分布式光伏作用——盡管問(wèn)題的核心,在我們看來(lái),并不在于分布式還是集中式,而是是否統(tǒng)一市場(chǎng)、靈活并網(wǎng)、尊重電力特性來(lái)發(fā)展風(fēng)光的方式問(wèn)題。

需要明確,筆者并不是說(shuō)新能源基地本身是個(gè)問(wèn)題。廉價(jià)、豐富的可再生電力,本身就是一種資源與財(cái)富。如果這部分基地不再配套煤電,不再以罔顧需求動(dòng)態(tài)的方式進(jìn)行高成本高損耗外送,而是重新校準(zhǔn)為常態(tài)并網(wǎng)方式,或者轉(zhuǎn)為多種電力應(yīng)用場(chǎng)景,比如電解制氫(氨、甲烷),變輸送困難的電力為其他液態(tài)或者固態(tài)燃料,將有效規(guī)避減排潛力下降、缺乏競(jìng)爭(zhēng)力等問(wèn)題。鑒于上述最新動(dòng)態(tài),我們對(duì)此保持樂(lè)觀。

中國(guó)之外的地區(qū),如果缺乏明確的經(jīng)濟(jì)調(diào)度原則,也可能出現(xiàn)“只有裝機(jī)/發(fā)電,而幾無(wú)減排”的情況。比如東南亞、中西亞、印度等地區(qū)。這方面,需要結(jié)合具體案例分析,從而為有效解決“發(fā)電但不減排”提供短期到長(zhǎng)期的可行方案。

合則皆得,分則兩失

我們擁有了成本已經(jīng)普遍低于傳統(tǒng)電源的風(fēng)電光伏,它對(duì)于電力以及能源部門的快速脫碳是必要的,但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。與可再生能源接入電網(wǎng)相關(guān)的電力系統(tǒng)靈活性提升(快速起停、爬坡速率、調(diào)節(jié)深度等)、運(yùn)行方式變革(比如采用更高顆粒度的經(jīng)濟(jì)調(diào)度)、市場(chǎng)協(xié)調(diào)機(jī)制(比如實(shí)現(xiàn)更大更快更短的統(tǒng)一市場(chǎng))在大部分發(fā)展中國(guó)家地區(qū)需要同時(shí)進(jìn)化。

在中國(guó),風(fēng)電光伏進(jìn)入電力系統(tǒng)之初,曾出現(xiàn)比較嚴(yán)重的“棄電”。這根源于電網(wǎng)運(yùn)行與系統(tǒng)特性的僵直,造成從容量增加無(wú)法過(guò)渡到電量的充分增長(zhǎng)。目前,這一問(wèn)題基于行政“棄電率”考核的手段,已經(jīng)基本解決。但是,電網(wǎng)運(yùn)行的僵直問(wèn)題一直存在,是目前“基地型”可再生建設(shè)與運(yùn)行方式形成,從而發(fā)電增加無(wú)法充分轉(zhuǎn)化為氣候減排的系統(tǒng)性因素。

“電力系統(tǒng)變革與氣候安全,合則皆得,分則兩失”。我們保持謹(jǐn)慎樂(lè)觀的同時(shí),需要明確這一點(diǎn)。

■ 撰文 | 張樹(shù)偉,能源系統(tǒng)分析博士,高級(jí)工程師,卓爾德環(huán)境(北京)中心首席經(jīng)濟(jì)師。


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