碳中和目标下，中国风能太阳能开发的优化布局

蓝狮平台网讯：2020年9月22日,国家主席习近平在第75届联合国大会上宣告，我国二氧化碳排放力求于2030年前抵达峰值，努力求取2060年前完结碳中和。2021年3月15日，中央财经委员会第九次会议又明确提出构建以新动力为主体的新式电力系统。饯别碳达峰、碳中和战略，动力是主战场，电力是主力军。据国内多家权威机构测算，2060年前完结碳中和，我国的风电、太阳能装机容量将超过50-60亿千瓦，是2020年新动力装机容量的十余倍。如此大规模的开发利用，究竟该怎么优化布局尚未清楚。鉴于此，国家气候中心联合北京大学、中科院青藏所、金风科技、国网动力院和发改委动力所等单位，对上述问题展开了系统性研讨。论文效果以“PotentialcontributionsofwindandsolarpowertoChina’scarbonneutrality”为题宣布在《Resources,Conservation&Recycling》杂志上，IF：10.2。

01、摘要

因为风能、太阳能具有间歇性和波动性特征，构建以新动力为主体的新式电力系统极具应战。本研讨依据我国长时间序列高时空分辨率风能、太阳能资源数据库和高分辨率土地利用数据库，分省逐小时电力负荷数据库等材料，构建了景色电力供需与空间优化模型，探讨了2050年我国风能、太阳能开发对完结碳中和的潜在贡献及其优化布局。效果发现，在区域电网互联景象下，到2050年，如果风电装机25亿千瓦、光伏装机26.7亿千瓦，按照全国小时级的电力电量互动平衡，不考虑储能和需求照应，仅靠景色就可以满足全国约67%的电量需求，一起弃电率小于7%（约6.33%）。到时，我国景色新动力年发电量将达10.39亿千瓦时/年，每年减少SO2排放208万吨，NOx排放197万吨。

02、正文

2020年9月，在第75届联合国大会上，作为世界上最大的发展我国家，煤炭消费国和碳排放国，我国宣告了一个雄心勃勃的减排政策，即二氧化碳排放力求于2030年前抵达峰值，努力求取2060年前完结碳中和。2021年3月15日，中央财经委员会第九次会议又明确提出构建以新动力为主体的新式电力系统。曩昔十年，全球风能、太阳能的开发利用本钱快速下降，为动力绿色低碳转型奠定了坚实基础。材料闪现，2010-2019年，全球太阳能光伏（PV）、陆优势电和海优势电的加权均匀平准化度电本钱（LCOE）别离下降了82%、39%和29%。

可变可再生动力（风能、太阳能）的大规模接入给当时需求安稳灵活供电的电力系统带来了严重应战。本研讨概括考虑了风能、太阳能发电的时空改动和瞬时电力平衡，构建了景色电力供需与空间优化模型，比较了8种景色资源开发利用景象下，我国高比例景色电力系统的结构性、经济性和气候-环境目标的差异。

在电源侧，模型仅考虑景色电力供应。这首要依据以下3个理由，（1）研讨聚集于以新动力为主体的新式电力系统；（2）国家《可再生动力法》要求风电、光伏优先入网；（3）风电和光伏发电的边缘本钱几乎为0。模型的约束条件是风电、光伏可开发区（网格点）的技术装机容量大于等于零，小于等于最大可装机容量。政策函数是景色耦合发电量与电力负荷之间的偏差（绝对值）最小。换言之，模型要求景色发电最大程度地满足电力负荷，一起要求弃风弃光率最低。为了简化核算，我们将电网视为铜板模型，即电力传输没有丢失或约束。研讨运用混合整数线性规划和IBMCPLEX求解器，来确认不同景象下风电场和光伏电站的最优开发方位和装机容量。

研讨运用国家气候中心研制的长时间序列（2007-2014年）高时空分辨率风能、太阳能资源数据库（水平分辨率15公里，时间分辨率1小时）来核算逐小时的风电和光伏发电量。

研讨首要给出了我国省域（不考虑省与省之间的电力传输）规范的景色渗透率（景色发电量满足电力需求的比例）效果。图1A闪现，我国西北区域的风能-太阳能发电潜力丰盛（>3000TWh），东部和南部省份风能-太阳能发电潜力较小（<800TWh）。就大多数省份而言，太阳能发电潜力大于风能。资源禀赋较好的区域远离负荷中心（图1B）。预计2050年，我国东部和南部省份的电力需求较高（>1000TWh），西北区域较小（<600TWh）。若新动力可开发区的资源全被利用，风电、光伏的潜在年发电量将达77.9万亿千万时，约为2050年全国电力需求（15.4万亿千瓦时）的5倍。总体上，景色资源禀赋越好，且电力需求越小的区域，其新动力渗透率越高。例如，西藏、新疆、青海、甘肃和内蒙等省的新动力渗透率大于80%。但是，在风能太阳能资源匮乏，且电力需求较大的沿海和中部省份，新动力的渗透率小于50%（图1C）。2050年，全国均匀的景色渗透率为51.5%，景色发电量为8.5万亿千瓦时。

图1、我国风电光伏发电潜力、2050年各省用电需求以及2050年我国不同省份的景色渗透率

接下来，研讨考虑了三种促进风能-太阳能利用的战略（即区域电网互联、技术前进和需求照应），并量化了它们对风能-太阳能渗透率的潜在影响。区域电网互联景象意味着，模型考虑衔接区域电网（如西北电网）内的省域电网，并在区域电网规范上进行空间优化和模型求解；就技术前进景象而言，我们提高风机轮毂高度，即运用140m高度的风机替代100m高度的风机；一起，选用跟踪式光伏支架替代固定式光伏支架。已有研讨标明，与固定式光伏支架相比，选用跟踪式光伏支架，可以提高20%-40%的光伏发电量。就需求照应景象而言，我们在需求侧调整负荷曲线，使其更好地与新动力供应曲线相匹配。详细地，我们将需求照应的潜力设为10%。我们评价了每种战略的影响，以及多种战略组合的概括影响，算计8种景象。

效果发现，就单一战略来说，区域电网互联关于提高新动力渗透率的作用最大。实施电网互联后，一切区域电网的新动力渗透率均添加，其间西南电网和华北电网的新动力渗透率添加最显着（图2）。区域电网互联后，西南电网的景色渗透率从33.62%添加到81.62%，华北电网的景色渗透率从49.81%添加到82.62%。该景象下，2050年全国均匀的景色渗透率为67%，其间东北、华北、西北和西南电网的新动力渗透率高于80%，华中电网低于50%。2050年全国的风电装机量约25亿千瓦，光伏装机量约26.7亿千瓦，新动力弃电率为6.33%。

在不包括区域电网互联的景象下，风能-太阳能的渗透率改动不大（图2）。单独的技术前进自身并不能显着添加景色渗透率。单独的需求照应战略也仅使得景色渗透率添加了1.97%。

图2.8种景色资源开发景象下，风电、光伏发电满足2050年电力需求的比例

别的，区域电网互联也会改动景色新动力的开发格局。区域电网互联促进新动力开发向资源禀赋好的区域会集。与基础景象相比，实施电网互联后，华北电网和西南电网的风电、光伏装置格局呈现了较为显着的改动。其间，华北电网风电和光伏装置格局向景色资源条件较好的蒙西区域会集。电网衔接后，蒙西风电装机容量为477.4GW，为基础景象下（18.3GW）的约26倍。一起，几乎一切的光伏装机从北京、天津、河北、山西和山东移除，大约一半的光伏装机重新装置在蒙西区域（约290GW）。

区域电网互联也将改动新动力开发的数量和结构特征。与基础景象相比，区域电网互联大大提高了风电装机容量（16亿千瓦VS25亿千瓦），稍微降低了光伏装机容量（27.7亿千瓦VS26.7亿千瓦）。

图2.基础景象和区域电网互联景象下的2050年景色资源开发空间格局

接下来，我们选取4种景色渗透率大约60%的景象（即区域电网互联远景、区域电网互联+技术前进景象、区域电网互联+需求照应景象、区域电网互联+技术前进+需求照应景象），并要点剖析了这些景象对应的经济性和气候环境目标的差异（表1）。这儿的经济本钱包括发电本钱（用平准化度电本钱LCOE衡量）和输电本钱。研讨发现，区域电网互联+技术前进景象下，系统的总本钱和均匀本钱最低（总发电本钱：3.55万亿元；新动力均匀度电本钱（包括发电本钱和输电本钱）：0.33元/千瓦时），出资酬谢最高（即满足总电力需求的1%仅需534亿元人民币）。在气候和环境效益方面，我们评价了减少碳排放和减少空气污染的贡献。依据其他研讨效果，为完结1.5°C温控政策，我国的风能、太阳能发电需求在2050年抵达约5.4–9.7PWh。对应每年排放的CO2减少4.54–8.15Gt。我们的效果标明，以上四种方案都可以供应>10PWh的绿色电力供应，完全可以满足这一要求。在上述四种方案中，区域电网互联+需求照应方案发生的绿色电力气最大，为10.39PWh。该景象下，污染物减少最多，二氧化硫和氮氧化物的排放量每年别离减少208万吨和197万吨。

表1、景色绿色电力带来的经济本钱和气候环境目标的差异

科学规划是最大的节省。