中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2月26日，《美國國家科學(xué)院院刊》發(fā)布了最新研究報(bào)告《中國碳中和的空間解析土地和網(wǎng)格模型》。該研究由加州大學(xué)圣地亞哥分校和清華大學(xué)的學(xué)者共同完成。他們的模擬發(fā)現(xiàn)，如果中國要實(shí)現(xiàn)2060年前碳中和目標(biāo)，需要擁有2TW的風(fēng)電裝機(jī)容量和3.9TW的光伏裝機(jī)容量，大約是2022年裝機(jī)容量的10倍。
風(fēng)光發(fā)展的潛力和區(qū)域
該研究指出，2TW的風(fēng)電裝機(jī)和3.9TW的光伏裝機(jī)分別能夠產(chǎn)出6PWh和5.3PWh的發(fā)電量。預(yù)計(jì)將占2060年全國總發(fā)電量的65%。
其中，新增發(fā)電將會(huì)集中在中部和東部地區(qū)，以減少輸電線路的擁堵。另外，研究指出，中國2060年海上風(fēng)電裝機(jī)將會(huì)達(dá)到416GW，成為東部發(fā)達(dá)地區(qū)減排的主力。
2060 年陸上、海上風(fēng)電和光伏（公用事業(yè)規(guī)模 + 分布式光伏）的優(yōu)化部署。風(fēng)電 ( A ) 和光伏 ( B ) 的規(guī)劃容量（GW，新建+現(xiàn)有）。連接到特定負(fù)載中心的風(fēng)電 ( C ) 和光伏（ D ） 總?cè)萘?。連接風(fēng)電 ( E ) 和光伏 ( F ) 電池（按計(jì)劃容量加權(quán)）到相應(yīng)負(fù)荷中心的支線和干線總距離（公里）的累積分布（分布式光伏以零連接距離建模）?！盁o約束特高壓擴(kuò)張”情景中風(fēng)電和光伏的土地利用設(shè)置是基本情況。
相較之下，3.9TW的光伏裝機(jī)則會(huì)更多地集中在東部地區(qū)。這意味著屆時(shí)光伏裝機(jī)將會(huì)占據(jù)東部地區(qū)絕大部分適宜開發(fā)的土地資源。
例如，安徽（99%）、浙江（98%）、江蘇（86%）和上海（80%）的光伏占據(jù)了80%以上的適宜土地。一些新的集中式光伏也出現(xiàn)在負(fù)荷中心較少、土地約束也較少的省份，例如新疆、甘肅和內(nèi)蒙古西部。
盡管之前的研究表明，基于土地和輻照度，中國光伏裝機(jī)的物理潛力最高可達(dá)141 TW，主要集中在西北和內(nèi)蒙古西部。但該分析發(fā)現(xiàn)，中國華北、華中和華東地區(qū)是大多數(shù)負(fù)荷中心的所在地。即使在輻照度略有降低的情況下也能容納大部分光伏裝機(jī)（58%）。
假設(shè)分布式光伏的投資成本較高，但去除了集中式光伏的長(zhǎng)距離輸電成本，在東部地區(qū)分布式光伏依然具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。
離負(fù)荷更近還是離資源更近？
在研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷中心要么由長(zhǎng)期規(guī)劃確定，要么由特高壓的終端確定。2060年的風(fēng)電（68%）和光伏（67%）裝機(jī)將主要集中在華北、華中、華東和華南等主要負(fù)荷服務(wù)地區(qū)，合計(jì)占總需求的82%。
盡管事實(shí)上西北和東北地區(qū)擁有較好的風(fēng)電和光伏資源，大型風(fēng)電、光伏基地大多位于新疆、甘肅、內(nèi)蒙古東西部，但研究認(rèn)為集中式新能源也更優(yōu)先選擇接入省內(nèi)電網(wǎng)而不是通過特高壓外送。
全國范圍內(nèi)，超過80%的光伏和55%的風(fēng)電建設(shè)在距主要負(fù)荷中心100公里以內(nèi)，超過80%的風(fēng)電和光伏資源位于距負(fù)荷中心200公里以內(nèi)
2060年各省容量（固定發(fā)電機(jī)和風(fēng)電、光伏、抽蓄、電化學(xué)儲(chǔ)能）和峰值負(fù)荷。峰值負(fù)荷是指全年的最大需求。
上圖的結(jié)果顯示，風(fēng)電、光伏和儲(chǔ)能部署規(guī)模較大，而固定的低碳電源相對(duì)于需求而言較小。在全國范圍內(nèi)，我們假設(shè)2060年中國存在以下穩(wěn)定的低碳電源：248GW的熱電聯(lián)產(chǎn) (CHP) 煤炭及碳捕集與封存（CCS），110GW的生物能源（BECCS），218 GW核電、580 GW水電和320 GW天然氣發(fā)電+CCS (NG-CCS)。
這些容量和空間分布假設(shè)是基于中國容量規(guī)劃的評(píng)估，其中包括成本和非成本組成部分：根據(jù)資源或選址限制（例如水電和核電）最大限度地利用大型設(shè)施，利用沉沒基礎(chǔ)設(shè)施來降低成本與其他部門的有效耦合，考量空氣污染、電網(wǎng)靈活性資源等因素。
例如，在研究中，安徽省只有2GW的固定電源，但安裝了118GW風(fēng)電、200 GW光伏、28 GW抽水蓄能和42 GW電池存儲(chǔ)。而四川的峰值需求相當(dāng)，但水電資源豐富，因此只安裝了6 GW風(fēng)電、45 GW光伏、15 GW抽蓄和350MW電池存儲(chǔ)。
在國家層面，抽蓄的裝機(jī)容量為538GW（8小時(shí)存儲(chǔ)），電化學(xué)儲(chǔ)能容量為740GW（4小時(shí)存儲(chǔ)），約占風(fēng)電和光伏總裝機(jī)容量的22%，與之前關(guān)于風(fēng)電和光伏的研究結(jié)果相當(dāng)。
研究指出，2060年全國棄風(fēng)率和棄光率分別為9.2%和16.0%，各省間差異顯著：例如，棄風(fēng)率最高的是東北部的吉林（22.3%），棄光率最高的是西內(nèi)陸地區(qū)的蒙古和西藏（30%）。棄風(fēng)率和棄光率最低的分別是江西2.8%和重慶4.4%。
對(duì)發(fā)電、容量、輸電、限電和成本的敏感性分析。( A ) 年調(diào)度電量 (PWh)。( B ) 發(fā)電裝機(jī)容量 (GW)。( C ) 按電網(wǎng)劃分的 VRE（風(fēng)電和光伏）容量 (GW)。( D ) 高壓輸電容量(TW-km)。( E ) 儲(chǔ)能容量（GW）。( F ) 年度風(fēng)電和光伏棄電率。( G ) 平均電費(fèi)（元/千瓦時(shí)）。
顯然，研究結(jié)果顯示的2060年棄風(fēng)棄光率要顯著高于目前的棄風(fēng)棄光率。在風(fēng)光裝機(jī)爆炸性增長(zhǎng)的情況下，全額保障性消納顯然不再現(xiàn)實(shí)。這直接導(dǎo)致了棄風(fēng)棄光率的上升。
研究指出，棄電的增加主要發(fā)生在秋季和冬季的中午，此時(shí)光照充足，光伏發(fā)電成為發(fā)電量主力。另外，即使增加了風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量，在負(fù)荷中心較多的地區(qū)（華北、華中、華東和華南）的風(fēng)電（66%）和光伏（61%）裝機(jī)容量份額幾乎保持不變。
緊張的土地資源
該研究還探討了模型結(jié)果對(duì)可再生能源開發(fā)土地利用政策變化的敏感性。
土地利用假設(shè)。( A ) 發(fā)電機(jī)容量（GW）。（B）平均電費(fèi)（元/千瓦時(shí)）。( C ) 中國各電網(wǎng)地區(qū)的 VRE 容量（GW）。( D ) 風(fēng)電（陸上+海上）和光伏（公用事業(yè)規(guī)模+分布式）容量（GW）。( E ) 高壓輸電容量（TW-km）。( F ) 儲(chǔ)能容量（GW）。
研究發(fā)現(xiàn)在不同的土地利用情景下，裝機(jī)總發(fā)電量可能會(huì)有所不同（變化從-15.2%至+3.3%），而系統(tǒng)成本變化程度較小（3.6%至+2.1%）。
最保守的土地利用方案下，風(fēng)電裝機(jī)容量增加175GW，但光伏裝機(jī)容量減少890 GW。與風(fēng)電土地利用場(chǎng)景相比，光伏土地利用場(chǎng)景在光伏和風(fēng)電總?cè)萘考捌涞乩矸植挤矫骘@示出更大的變化。
隨著集中式光伏選址變得更加保守，分布式光伏在高需求和土地競(jìng)爭(zhēng)更加明顯的農(nóng)業(yè)大省更大程度地取代了集中式光伏：例如河南、山西、山東和安徽等省。較低的光伏裝機(jī)會(huì)導(dǎo)致較大的區(qū)域間傳輸和較低的存儲(chǔ)容量。相比之下，風(fēng)力發(fā)電對(duì)土地利用假設(shè)不太敏感，這或許可以表明風(fēng)機(jī)建設(shè)不太收到土地條件制約。
結(jié)論
除以上內(nèi)容外，該研究還對(duì)風(fēng)光成本下降、技術(shù)演變、低碳動(dòng)力等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了分析研究。研究在結(jié)論部分指出為了實(shí)現(xiàn)2060年碳中和目標(biāo)，中國需要對(duì)電力行業(yè)進(jìn)行大規(guī)模轉(zhuǎn)型。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、土地等因素，分布式光伏會(huì)在各類低碳技術(shù)中更具成本效益。
盡管中國已經(jīng)建成了世界上最大的特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)，但從2060年的需求來看，還需要更多的電網(wǎng)建設(shè)。不過隨著輸電對(duì)發(fā)電成本更加敏感，電網(wǎng)需要根據(jù)市場(chǎng)變化來制定靈活的輸電計(jì)劃。
實(shí)現(xiàn)2060體系效益的先決條件是中國電力行業(yè)的市場(chǎng)、規(guī)劃和運(yùn)營改革取得進(jìn)展。2015年，中國啟動(dòng)了新一輪改革，旨在提高效率、容納可再生能源和減少排放。首先，優(yōu)先考慮風(fēng)電和光伏等零邊際成本發(fā)電而不是化石能源發(fā)電的調(diào)度需要市場(chǎng)和運(yùn)營的進(jìn)一步發(fā)展以考慮經(jīng)濟(jì)調(diào)度。其次，為了解決可再生能源的地理多樣性問題，必須對(duì)目前主要基于長(zhǎng)期合同和不經(jīng)常改變的固定流向相對(duì)嚴(yán)格的長(zhǎng)距離輸電線路運(yùn)營進(jìn)行改進(jìn)。第三，必須修改目前基于總流量的輸電成本監(jiān)管，以激勵(lì)線路的高單向利用率，以實(shí)現(xiàn)向許多新走廊系統(tǒng)提供的大規(guī)?？稍偕茉吹钠胶庑б妗?
