環(huán)境學(xué)院王燦教授課題組研究揭示煤電在中國電力系統(tǒng)碳中和轉(zhuǎn)型路徑中的關(guān)鍵作用
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Scientific Research News
清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院王燦教授課題組研究評估了燃煤電廠從基礎(chǔ)負(fù)荷轉(zhuǎn)向靈活性電源在加速中國電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)上的三方面關(guān)鍵作用,即減少煤電資產(chǎn)擱淺風(fēng)險(xiǎn)、促進(jìn)中短期可再生能源消納、降低電力系統(tǒng)碳中和轉(zhuǎn)型成本,為煤炭依賴型經(jīng)濟(jì)體探索公正有序的能源轉(zhuǎn)型路徑提供科學(xué)支撐。
《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第二十八次締約方大會(huì)達(dá)成的《阿聯(lián)酋共識(shí)》強(qiáng)調(diào)以公正、有序、平等的方式從能源系統(tǒng)中擺脫化石燃料,但各國路徑仍不明確。電力系統(tǒng)凈零轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的核心支柱,以風(fēng)、光為代表的波動(dòng)性可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)在快速減排的同時(shí)帶來調(diào)峰需求激增,因此,轉(zhuǎn)型仍受到天然氣資源匱乏、儲(chǔ)能技術(shù)成本高昂的制約。與此同時(shí),中國作為煤炭消費(fèi)大國,面臨碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)下緊迫的時(shí)間窗口,快速退出煤電會(huì)導(dǎo)致巨大的資產(chǎn)擱淺和社會(huì)政治風(fēng)險(xiǎn)。亟需探索既能減輕煤電擱淺風(fēng)險(xiǎn)、又能以低成本支撐高比例可再生能源發(fā)展和電力系統(tǒng)碳中和的轉(zhuǎn)型路徑。
為此,本研究在中國省級電力系統(tǒng)優(yōu)化模型中內(nèi)生了煤電提前退役、詳細(xì)的碳捕集與封存技術(shù)改造和小時(shí)級調(diào)度的跨期決策,模擬2025年至2060年不同情景的電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型路徑。研究交叉設(shè)置碳排放約束與煤電角色兩類變量構(gòu)建六種轉(zhuǎn)型情景:在碳排放約束上,劃分參考情景(REF,無額外碳減排政策)、溫和減排(MOD,2030年達(dá)峰、2060年中和)和嚴(yán)格減排(STR,2025年達(dá)峰、2050年中和);在煤電角色上,區(qū)分基荷情景(Base,年利用小時(shí)數(shù)>5000h、最低出力70%)與靈活調(diào)度情景(Flex,無利用小時(shí)數(shù)限制、最低出力40%)。
研究結(jié)果顯示,在實(shí)現(xiàn)相同氣候目標(biāo)基礎(chǔ)上,煤電從基礎(chǔ)負(fù)荷轉(zhuǎn)向靈活性電源具有三方面關(guān)鍵作用。首先,煤電靈活調(diào)度顯著降低提前退役壓力,可避免的提前退役容量高達(dá)617.8GW-651.2GW,現(xiàn)有煤電機(jī)組的平均壽命損失減少7.9-9.6年;其次,煤電靈活調(diào)度將提高煤電的系統(tǒng)價(jià)值,降低更昂貴的燃?xì)獍l(fā)電和儲(chǔ)能需求,加速波動(dòng)性可再生能源的短期發(fā)展,使得2030年風(fēng)電光伏發(fā)電的容量增加194.0GW-244.8GW,上述效益在不同區(qū)域的差異明顯;最后,煤電靈活調(diào)度將顯著降低電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型成本約1760億美元,主要來源于燃料成本節(jié)約和降低氣電儲(chǔ)能的投資需求。
圖1 煤電提前退役、利用小時(shí)數(shù)和預(yù)期壽命損失(a-d分別為MOD-Flex、STR-Flex、MOD-Base和STR-Base情景的提前退役容量熱力圖,e為不同運(yùn)行期的平均利用小時(shí)數(shù),f為不同時(shí)期建設(shè)的煤電平均壽命損失)
圖2 不同情景和時(shí)期的中國電力系統(tǒng)裝機(jī)容量和發(fā)電結(jié)構(gòu)(a-c分別為2030年、2045年和2060年的分情景裝機(jī)結(jié)構(gòu);d-e分別為2030年、2045年和2060年的分情景發(fā)電結(jié)構(gòu))
研究指出,煤電轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略必須與整個(gè)電力系統(tǒng)的碳中和路徑相一致,有序的煤電轉(zhuǎn)型策略在防風(fēng)險(xiǎn)、促減排、降成本等方面發(fā)展著關(guān)鍵作用,必須重視考慮煤炭、風(fēng)光和碳封存資源稟賦的差異確定因地制宜的煤電轉(zhuǎn)型策略,并采用有效的政策組合應(yīng)對電力系統(tǒng)各主體激勵(lì)不足的挑戰(zhàn),包括電力市場、容量電價(jià)機(jī)制、碳排放權(quán)交易市場等,確保激勵(lì)相容并不斷發(fā)揮煤電在提供靈活資源的價(jià)值。
圖3 電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型成本動(dòng)態(tài)及其構(gòu)成(a為電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型成本占REF-Flex情景系統(tǒng)總成本的比重;b為電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型貼現(xiàn)的總成本構(gòu)成;c和d分別為MOD和STR排放情景下煤電靈活調(diào)度帶來的各期成本節(jié)約構(gòu)成)
3月8日,該項(xiàng)研究成果以“重新定位煤電以加速中國電力系統(tǒng)凈零轉(zhuǎn)型”(Repositioning coal power to accelerate net-zero transition of China’s power system)為題在線發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)中。清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院2021級博士生安康欣為論文第一作者,中國石油大學(xué)(北京)經(jīng)管學(xué)院教授鄭馨竺、清華大學(xué)地學(xué)系教授蔡聞佳等為論文合作者,環(huán)境學(xué)院教授王燦為論文通訊作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金委員會(huì)專項(xiàng)項(xiàng)目等項(xiàng)目支持。
論文鏈接:
https://doi.org/10.1038/s41467-025-57559-2
供稿 | 環(huán)境系統(tǒng)分析教研所
通訊員 | 安康欣
編輯 | 張楠楠
審核 | 徐明
責(zé)編 | 陳超