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編者按：我國力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和，是黨中央經過深思熟慮作出的重大戰(zhàn)略決策，事關中華民族永續(xù)發(fā)展和構建人類命運共同體。能源領域碳排放總量大、占比高，是實現(xiàn)綠色低碳轉型和高質量發(fā)展的關鍵。公司能源業(yè)務部成立了以張宗玟等部門領導為核心、以青年黨員為骨干的“3060”研究小組，貫徹新發(fā)展理念和能源安全新戰(zhàn)略，對以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、碳排放和水電、新能源、核電、儲能、煤炭等方面高質量發(fā)展進行了探索性研究，以推動構建清潔低碳安全高效的能源體系。為促進研究成果的應用，本公眾號將核心研究成果以系列文章的形式陸續(xù)刊發(fā)，供業(yè)界同仁參考。

“雙碳”背景下新能源發(fā)展瓶頸與趨勢研究

楊帆 夏榮立 楊威

摘要：我國新能源在“十三五”時期發(fā)展成效顯著，到“十四五”時期增長潛力依舊巨大，將成為我國新增能源供給的主要力量。本文分析了新能源在國土空間、并網消納、技術創(chuàng)新、系統(tǒng)成本等方面的問題與挑戰(zhàn)，研究了新能源在開發(fā)布局、存儲消納、創(chuàng)新研發(fā)、市場機制等方面的發(fā)展趨勢，通過新能源的大規(guī)模發(fā)展實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標。

 習近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會上宣布，我國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標。能源活動是我國二氧化碳的主要排放源，接近總排放量的50%。為實現(xiàn)“雙碳”目標，“十四五”時期我國應持續(xù)推動能源供給革命，準確把握“雙碳”背景下新能源（本文主要指風力發(fā)電及光伏發(fā)電）的發(fā)展瓶頸與趨勢，理順發(fā)展體制機制，為新能源大規(guī)模發(fā)展創(chuàng)造空間。

一、研究背景

自2006年《可再生能源法》頒布實施以來，新能源開發(fā)利用規(guī)模顯著擴大。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計數(shù)字，2006年我國新能源裝機220萬千瓦，占全球比例不到3%，2020年我國新能源裝機超過5.3億千瓦，占全球比例為37%，高居世界第一。我國在新能源領域產業(yè)規(guī)模全球領先，根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，光伏產業(yè)鏈中多晶硅、硅片、電池片和組件等主要環(huán)節(jié)在2020年全球市場平均占有率達到70%以上；風電整機國產品牌在全球前15名風機整機制造企業(yè)中占據(jù)10席。

為最終實現(xiàn)碳中和，我國將在2030年實現(xiàn)非化石能源占一次能源消費比重達到25%的目標，預計屆時新能源裝機將達到14~16億千瓦，新能源電力占總發(fā)電量比例達到約26%，比2020年提升約17個百分點；在未來10年，新能源年均新增裝機需要達到1億千瓦左右，成為新增能源供應的主要形式，并加快構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

二、新能源大規(guī)模發(fā)展存在瓶頸

在新能源規(guī)模化發(fā)展的背景下，如何解決國土空間、并網消納、技術創(chuàng)新、系統(tǒng)成本等方面的問題與挑戰(zhàn)，是實現(xiàn)“雙碳”目標的關鍵因素。

（一）國土空間利用現(xiàn)狀和規(guī)劃體系難以支撐新能源大規(guī)模發(fā)展

與其他發(fā)電形式相比，新能源發(fā)電能量密度低，單位裝機容量用地需求較大。然而，新能源規(guī)劃與國土空間規(guī)劃未能有效銜接，土地利用現(xiàn)狀和地類性質不一致，各地方出臺的土地、林草等法律政策未充分結合實際保護現(xiàn)狀，“一刀切”限制了新能源項目利用土地資源。

西部地區(qū)風光資源豐富，人均土地面積較大，通過合理規(guī)劃，適合開發(fā)建設風光大基地。但西部地區(qū)自然環(huán)境較為脆弱，部分地區(qū)承載多種生態(tài)保護功能，新能源項目無法在該類區(qū)域落地。以內蒙古自治區(qū)為例，全區(qū)總面積118萬平方公里，草原面積76萬平方公里，其中80%為基本草原，也是我國北方面積最大、種類最全的生態(tài)功能區(qū)。因此，西部地區(qū)需要在生態(tài)保護和新能源開發(fā)中尋找平衡點，打破各部門各自為政的情況。

中東部地區(qū)用電負荷大，人均土地面積較小，適合開發(fā)中小型新能源基地及分散式接入項目。風光發(fā)電項目建設過程中對山體、林地擾動較大，運營期會對周邊居民產生噪聲、光影閃爍等影響。此外，光伏發(fā)電占地面積較大，單位土地產值較低，經濟發(fā)達地區(qū)政府開發(fā)意愿不強。浙江、福建等東部省區(qū)從自身發(fā)展階段出發(fā)，積極推進人居生態(tài)環(huán)境保護，修復環(huán)境質量，維護優(yōu)質耕地，出臺了一系列土地、林地使用政策，客觀上限制了新能源項目的開發(fā)。

沿海地區(qū)風能資源較好，適宜規(guī)模化開發(fā)海上風電，但海上風電場區(qū)及電纜走廊與漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)、主航道、動物保護區(qū)、軍事敏感區(qū)等存在較大范圍重疊情況，導致規(guī)劃調整頻繁，增加了場區(qū)離岸距離，在增加投資成本的同時縮減了開發(fā)規(guī)模。

（二）新能源發(fā)電的固有波動性帶來消納困難和系統(tǒng)穩(wěn)定性問題

新能源發(fā)電出力具有波動性、間歇性的特點，與用電負荷變化趨勢差異顯著，功率預測難度較大。由于缺乏相應的市場回報機制，電力系統(tǒng)中靈活性電源的比例偏低；受煤電產能調控、電網安全約束等因素影響，部分跨區(qū)輸電通道利用率不高；我國電力負荷曲線尖峰化特征明顯，5%峰荷持續(xù)時間不超過48小時[1]。一系列因素造成電力實時平衡的難度加大，影響新能源電力的消納。

隨著新能源大規(guī)模發(fā)展，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出高比例可再生能源、高比例電力電子設備的“雙高”特征。從電氣特性看，電力系統(tǒng)等值轉動慣量大幅度降低，系統(tǒng)抗擾動能力大幅削弱；從故障特性看，故障從局部向全局形成連鎖反應沖擊，新的故障形態(tài)、擾動形式已經出現(xiàn)；從穩(wěn)定特性看，系統(tǒng)穩(wěn)定形態(tài)愈發(fā)復雜，易出現(xiàn)系統(tǒng)無功不足、電壓失穩(wěn)、頻率越限等問題[2]。

（三）新能源發(fā)電設備及技術快速更新迭代，國內企業(yè)技術研發(fā)實力不足

經過15年左右的發(fā)展，新能源行業(yè)規(guī)模持續(xù)擴大，技術快速更新迭代，國內企業(yè)技術積累較為豐富，設備可靠性和能量轉換效率處于世界領先水平。在光伏領域，我國通過技術引進、消化吸收、集成創(chuàng)新，實現(xiàn)技術和生產線的升級迭代，多次刷新并保持著商業(yè)化晶硅電池轉換效率的世界紀錄，經國家光伏質檢中心測試，單晶PERC電池（Passivated Emitterand Rear Cell）達到24%的轉換效率。我國風電整機已形成達到國際先進水平的雙饋、直驅、半直驅多條成熟技術路線，低風速風機技術處于國際領先水平，推出了10兆瓦級海上風電機組。

在“雙碳”進程中，科技創(chuàng)新將成為新能源產業(yè)高質量發(fā)展的根本動力，而國內對基礎理論研究不充分，企業(yè)研發(fā)實力及動力不足，新能源產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展存在隱憂，主要表現(xiàn)在以下方面：國內高校在基礎理論研究領域落后于企業(yè)發(fā)展需求，研究路線主要依賴國外熱點，原創(chuàng)技術探索較少，產學研轉化通路不暢；專利數(shù)量較多，但大多數(shù)是產業(yè)應用的專利技術，而基礎創(chuàng)新的關鍵專利仍被國外掌握；國內對關鍵技術的知識產權保護尚不完善，執(zhí)行體系不健全，技術與人才流失現(xiàn)象嚴重，影響了企業(yè)創(chuàng)新研發(fā)的積極性，2020年新能源企業(yè)研發(fā)投入比僅為約3%。在新能源大規(guī)模發(fā)展的背景下，企業(yè)以擴大產能及搶占市場份額為優(yōu)先發(fā)展方向，會出現(xiàn)產業(yè)整體規(guī)模持續(xù)擴大，但能量轉換效率提升緩慢，設備可靠性下降的情況。

（四）新能源發(fā)電系統(tǒng)性綜合成本進一步增加

新能源發(fā)電投資中，土地使用、電網接入、開發(fā)費用、資金成本及稅費等非技術成本將在今后一個時期內保持較高水平。大規(guī)模發(fā)展新能源使度電成本持續(xù)下降，根據(jù)國際可再生能源署統(tǒng)計，2010年我國風電度電成本為0.48元/千瓦時，2020年為0.29元/千瓦時，下降了40%；2010年我國光伏度電成本為2.08元/千瓦時，2020年為0.36元/千瓦時，下降了83%。隨著新能源發(fā)電比例的增加，會進一步提升電力系統(tǒng)中靈活性電源改造、系統(tǒng)調節(jié)運行、電網建設方面的投資，增加全系統(tǒng)消納成本。在美國實施可再生能源配額制12年后，新能源電量比例提高5%，電價提高了17%；2019年德國新能源發(fā)電占比突破40%，電價比2015年增長約8%[3]。初步估算，我國風電和光伏發(fā)電量占比上升到20%時，帶來全社會度電成本增加約0.03元；上升到30%時，帶來系統(tǒng)成本增加0.06元；當占比達到50%時候，儲能等靈活性調節(jié)電源將會呈非線性增加趨勢，導致系統(tǒng)成本大幅增加。

三、新能源發(fā)展趨勢判斷

“十四五”及今后一段時期是世界能源轉型的關鍵期，全球能源將加速向低碳方向發(fā)展，新能源將逐步成長為主力能源。我國新能源發(fā)展面臨新任務新要求，機遇前所未有，2021年7月風力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源被納入我國基礎設施公募REITs試點范圍，高質量躍升發(fā)展任重道遠，處于大有可為的戰(zhàn)略機遇期。綜合判斷，“十四五”時期我國新能源發(fā)展將進入新階段，呈現(xiàn)以下幾個特征：

（一）優(yōu)化布局促進規(guī)模化發(fā)展

“十四五”時期，新能源發(fā)電將形成大規(guī)模集中利用與分布式就地生產消納的平衡發(fā)展態(tài)勢。

“三北”地區(qū)風光資源儲量豐富，適于大規(guī)模集中開發(fā)。通過實行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設和統(tǒng)一運營，發(fā)揮規(guī)模效應，有效分攤開發(fā)、建設及運營成本，降低電價成本。“十四五”時期，將充分挖掘已建特高壓外送輸電通道的傳輸效率，推進內蒙古、甘肅、青海、新疆等區(qū)域風光大基地建設，提高外送新能源電量比重。

中東部地區(qū)可結合資源稟賦、土地儲備、負荷特性等因素，發(fā)展分布式接入、就地消納的新能源項目。創(chuàng)新采用“風電+”“光伏+”開發(fā)模式，利用沉陷區(qū)、荒山丘陵、建筑屋頂、公路鐵路邊坡等土地空間資源開展建設。通過土地入股等方式增加村鎮(zhèn)社區(qū)的參與度，推進農光、漁光互補開發(fā)模式，與電信基站、大數(shù)據(jù)中心等信息產業(yè)融合發(fā)展。

西南地區(qū)，依托金沙江、瀾滄江、大渡河等河流水電調節(jié)能力，充分挖掘現(xiàn)有外送通道輸送能力，開展周邊風光資源勘查、建設條件摸排，適時啟動水風光綜合基地的開發(fā)建設，有序安排水電和新能源開發(fā)時序，明確新能源消納市場。

“十三五”時期，海上風電成本逐步下降，但受裝備制造和建設難度等因素影響，發(fā)電成本仍然較高，初步預計“十四五”末期可實現(xiàn)平價上網。“十四五”時期海上風電發(fā)展仍需要補貼支持，依據(jù)項目風能資源及建設條件，結合沿海各省經濟發(fā)展水平，合理確定發(fā)展規(guī)模、補貼方式和強度。海上風電以發(fā)展規(guī)模化近海項目為主，穩(wěn)步推進離岸遠距離項目建設，探索長距離柔性直流輸電送出方式，研究深遠海一體化漂浮式風電關鍵技術。

（二）發(fā)展儲能促進高比例消納

根據(jù)國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2020年底，我國抽水蓄能裝機容量達到3210萬千瓦，新型儲能裝機容量達到290萬千瓦。隨著非水可再生能源占比的提高，電力系統(tǒng)對于儲能的需要也將上升。據(jù)預測，為滿足電力系統(tǒng)調節(jié)需求，2030年需配備抽水蓄能裝機容量2億千瓦、新型儲能裝機容量8000萬千瓦。2060年需配備抽水蓄能裝機容量4.2億千瓦、新型儲能裝機容量6億千瓦。對于抽水蓄能而言，受制于場址條件及負荷距離，我國抽水蓄能站址資源有限。對于新型儲能而言，電池系統(tǒng)能量密度較低、成本較高、安全性存在巨大隱患，影響行業(yè)快速發(fā)展。

為實現(xiàn)新能源的高比例消納目標，需大力提升儲能調節(jié)規(guī)模。對于抽水蓄能電站，開展省級抽水蓄能資源調查行動，明確抽水蓄能電站的建設規(guī)模和布局，加快條件成熟的大型抽水蓄能電站開工建設，加快新建項目前期工作并力爭開工。對于電化學等新型儲能，積極推進電源側、電網側、用戶側儲能建設，并合理安排建設布局；開展儲能關鍵技術研發(fā)，提升電池制造水平，實現(xiàn)電池大容量、高密度、低成本、高安全、長壽命的目標；建立完善各地方儲能建設運行要求，明確儲能備案并網流程。

（三）新能源領域創(chuàng)新研發(fā)力度持續(xù)增強

對于新能源領域基礎科學和關鍵設備的技術攻關，需加大資金資助力度。改進現(xiàn)有研發(fā)評價體系，借鑒美國、丹麥、德國的經驗，建立中國可再生能源實驗室，以此為樞紐整合創(chuàng)新研發(fā)資源，開展基礎研究和前沿技術研發(fā)。按照“應用一代、研發(fā)一代、儲備一代”的原則，廣泛征求業(yè)界意見，設定中長期技術發(fā)展路線圖及產業(yè)應用目標，實施國家新能源重大科技專項，調動產學研創(chuàng)新單元聯(lián)合參與全產業(yè)鏈技術創(chuàng)新。加強知識產權保護法律建設，打造完善健全的知識產權保護執(zhí)行體系，提升企業(yè)創(chuàng)新研發(fā)的積極性。鼓勵支持轉化效率高的項目增加保障小時數(shù)或優(yōu)先上網，通過建設技術先進的新能源工程項目，促進轉化效率高的產品應用，推進產業(yè)升級。

（四）破除體制障礙，建立市場決定電價的機制

通過加強基礎研究及應用平臺建設，提升新能源出力的預測精度。豐富電力市場品種，按時間長短分解中長期及現(xiàn)貨交易，實現(xiàn)市場連續(xù)交易。積極推動新能源設施開展公募REITs試點，穩(wěn)妥地處理中央財政補貼資金應收賬款，通過盤活存量資產帶動新增投資建設。建立競爭有序的輔助服務市場，完善價格形成及交易機制，為儲能大規(guī)模參與系統(tǒng)運行調節(jié)提供基礎。加快全國市場建設，擴大市場交易范圍，實現(xiàn)大用戶和發(fā)電企業(yè)跨省跨區(qū)直接交易，打破省間壁壘。建立綠證、碳排放權市場化交易平臺，實行自愿認購與強制交易相結合，通過價格機制體現(xiàn)新能源的綠色低碳屬性。

四、結束語

“十三五”時期，我國新能源發(fā)展成效顯著，新能源已經從補充能源進入到主力能源的發(fā)展階段，但也面臨國土空間、并網消納、技術創(chuàng)新、系統(tǒng)成本等方面的問題與挑戰(zhàn)。“十四五”時期，新能源將優(yōu)化布局促進大規(guī)模發(fā)展，發(fā)展儲能促進高比例消納，開展REITs試點促進投資良性循環(huán)，持續(xù)增強創(chuàng)新研發(fā)力度，建立市場決定電價的機制，為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標提供主力支撐。

參考文獻

[1]  康重慶,姚良忠.高比例可再生能源電力系統(tǒng)的關鍵科學問題與理論研究框架[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2017(09).

[2]  袁小明,程時杰,胡家兵.電力電子化電力系統(tǒng)多尺度電壓功角動態(tài)穩(wěn)定問題[J].中國電機工程學報, 2016(19).

[3]  Heptonstall, P.J., Gross, R.J.K. A systematic review of the costs and impacts of integrating variable renewables into power grids. Nat Energy 6, 72–83 (2021).

注：原文載自《中國工程咨詢》2021年第9期，本文有改動。