我國新能源開發(fā)路線圖分析方法及模型

謝國輝，李娜娜，元博

我國新能源開發(fā)路線圖分析方法及模型

謝國輝，李娜娜，元博

（國網(wǎng)能源研究院有限公司，北京市 昌平區(qū) 102209）

為科學制定我國中長期新能源發(fā)展規(guī)劃，需要開展新能源開發(fā)路線圖研究。根據(jù)我國能源發(fā)展戰(zhàn)略和新能源發(fā)展的特點，建立了開發(fā)總量規(guī)模測算、開發(fā)時序編制、開發(fā)布局優(yōu)化相應的分析模型，提出了涵蓋新能源資源潛力評估、開發(fā)總量規(guī)模、開發(fā)時序、開發(fā)布局的一整套開發(fā)路線圖分析方法，并實證分析了2030/2050年我國風電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電的開發(fā)總量、時序和布局。研究結(jié)果表明：未來我國新能源仍將加快大規(guī)模發(fā)展，2030年后新能源將從替代能源向主導電源轉(zhuǎn)變，風電布局將主要集中在“三北”地區(qū)，太陽能發(fā)電呈現(xiàn)出集中式開發(fā)和分布式利用相結(jié)合的特點。

新能源；開發(fā)路線圖；開發(fā)總量；開發(fā)時序

0 引言

黨的十八大以來，我國新能源發(fā)展取得顯著成績，新能源裝機占電源總裝機比重由2012年的5.6%提升至目前的20%[1]，實現(xiàn)了由“補充電源”向“替代電源”轉(zhuǎn)變的跨越式發(fā)展。截至2019年年底，我國新能源裝機容量達4.1億kW，連續(xù)6年位居世界第一。然而，隨著新能源規(guī)模越來越大，規(guī)劃建設、運行消納、市場機制等方面的矛盾與不足也愈發(fā)突出[2-6]。如何統(tǒng)籌做好新能源發(fā)展規(guī)劃，引導新能源合理開發(fā)和有效消納，成為未來我國新能源發(fā)展迫切需要解決的重大問題。

當前，國家能源主管部門啟動了“十四五”新能源發(fā)展規(guī)劃研究，涉及到新能源開發(fā)總量規(guī)模、時序和布局研究等關(guān)鍵問題研究。本文根據(jù)我國能源發(fā)展戰(zhàn)略要求和新能源發(fā)展的特點，提出了涵蓋新能源資源潛力評估、開發(fā)總量規(guī)模、開發(fā)時序、開發(fā)布局的一整套開發(fā)路線圖分析方法，構(gòu)建了相應的分析模型，并實證分析了2030/2050年我國風電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電的開發(fā)總量、時序和布局，為我國中長期新能源發(fā)展規(guī)劃提供參考依據(jù)。

1 新能源開發(fā)路線圖的關(guān)鍵要素

制定我國科學合理的新能源開發(fā)路線圖，關(guān)鍵是研究新能源資源開發(fā)潛力、新能源開發(fā)總量規(guī)模、新能源開發(fā)時序和開發(fā)布局4個基本要素。因此，本文圍繞這4個要素開展研究，針對每個要素分析其影響因素及需要解決的關(guān)鍵問題，并依托或建立新能源資源評估模型、一次能源消費總量預測模型、新能源開發(fā)經(jīng)濟性分析模型、新能源消納能力分析模型、新能源開發(fā)布局分析 模型等支撐關(guān)鍵問題研究，總體研究框架如圖1所示。

首先，新能源資源潛力需要明確風電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電等新能源開發(fā)潛力，需要根據(jù)各類新能源資源條件、地形地貌等因素綜合確定，重點解決東中部地區(qū)分布式新能源開發(fā)潛力問題；其次，確定我國2030、2050年新能源開發(fā)總量規(guī)模，需要充分結(jié)合國家能源戰(zhàn)略目標，以及水電、核電裝機規(guī)模發(fā)展趨勢等，研究提出風電、太陽能發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電開發(fā)總量的底線需求；再次，新能源開發(fā)時序?qū)⒃诳偭磕繕舜_定基礎上，進一步考慮新能源行業(yè)的發(fā)展規(guī)律、發(fā)展節(jié)奏、技術(shù)成熟度等因素，提出逐年風電、太陽能發(fā)電開發(fā)合理規(guī)模；最后，新能源開發(fā)布局需要充分考慮不同地區(qū)新能源資源條件、開發(fā)經(jīng)濟性、市場消納等因素，明確不同年份期間風電、太陽能發(fā)電區(qū)域布局，給出未來“三北”地區(qū)和東中部地區(qū)新能源開發(fā)規(guī)模占比。

圖1 我國新能源開發(fā)路線圖分析框架

2 分析方法和模型

2.1 開發(fā)規(guī)模測算方法

結(jié)合國家非化石能源戰(zhàn)略目標、用電需求、水電/核電開發(fā)進程、新能源規(guī)劃目標等約束條件測算2030、2050年新能源開發(fā)總量的底線需求，分析風電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等新能源裝機結(jié)構(gòu)，分析不同裝機構(gòu)成對全系統(tǒng)運營成本、全社會補貼可承受能力等方面的影響，提出新能源合理的裝機結(jié)構(gòu)，具體方法流程如 圖2所示。

2.2 開發(fā)時序分析方法

新能源開發(fā)時序受新能源消納、新能源發(fā)電技術(shù)應用、新能源補貼需求、常規(guī)電源發(fā)展進程等因素的影響。根據(jù)我國實際情況，2020年之前，我國新能源開發(fā)時序主要受新能源消納、新能源補貼的影響；2020年之后，隨著新能源消納問題逐步緩解，新能源開發(fā)時序主要受新能源發(fā)電技術(shù)應用、成本趨勢、常規(guī)電源發(fā)展進程等因素 影響。

1）新能源消納。

近年來，我國新能源消納狀況明顯改善，2019年，全國累計新能源棄電率3.3%，比2016年同期下降12.4個百分點。后續(xù)需要進一步判斷近、中、遠期“三北”地區(qū)風電、太陽能發(fā)電消納情況，為合理制定風電、太陽能發(fā)電逐年開發(fā)規(guī)模提供可靠依據(jù)。

圖2 新能源發(fā)電開發(fā)總量測算方法

2）新能源技術(shù)應用和成本趨勢。

技術(shù)成熟度是新能源實現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)利用的關(guān)鍵因素，目前風電、光伏發(fā)電技術(shù)相對成熟，市場應用前景廣闊；光熱發(fā)電技術(shù)尚不完全成熟，成本較高，總體上仍處于商業(yè)化應用的初期[7]。隨著新能源大規(guī)模開發(fā)利用，需要綜合考慮新能源發(fā)電成本，以及新能源并網(wǎng)引起的系統(tǒng)成本增加等因素。

3）新能源補貼需求。

此前我國新能源依靠高補貼政策實現(xiàn)大規(guī)?？焖侔l(fā)展，導致全國可再生能源補貼資金存在較大缺口。未來隨著平價上網(wǎng)政策的推廣實施，需要考慮在無補貼情況下新能源開發(fā)規(guī)模和布局。

4）常規(guī)電源發(fā)展進程。

我國當前以燃煤火電為主的電源結(jié)構(gòu)客觀上決定了火電發(fā)展進程將對新能源開發(fā)時序帶來重要影響。從目前趨勢來看，煤電裝機容量預計在2025年前出現(xiàn)峰值，其后進入總量遞減階段，非化石能源成為系統(tǒng)主導電源將在2030年左右實現(xiàn)，因此新能源進一步大規(guī)模發(fā)展預計出現(xiàn)在2030年之后。

我國新能源開發(fā)時序影響因素如圖3所示。

圖3 我國新能源開發(fā)時序影響因素

在影響因素作用范圍分析的基礎上，確定新能源總體開發(fā)時序，據(jù)此進一步分析風電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電開發(fā)節(jié)奏，明確中遠期我國新能源優(yōu)先發(fā)展的重點領(lǐng)域。

2.3 開發(fā)布局優(yōu)化模型

在全國新能源開發(fā)總量目標既定的情景下，按照存量和增量目標分解思路測算新能源開發(fā)布局。結(jié)合上述新能源開發(fā)布局的基本原則，將全國分品種新能源新增開發(fā)總量目標分解至區(qū)域和各省。建立全國分品種新能源開發(fā)目標分解模型。

新能源總量規(guī)模平衡約束為

式中C為第年新能源新增的開發(fā)總量規(guī)模。

資源和可支撐規(guī)模約束為

式中：r,i、g,i分別為第年區(qū)域或分省的新能源技術(shù)可開發(fā)量、可支撐新能源開發(fā)規(guī)模的上限。

最低開發(fā)規(guī)模約束為

式中P,i為第年區(qū)域或分省底線開發(fā)規(guī)模。

新能源開發(fā)布局計算流程如圖4所示。

圖4 新能源開發(fā)布局計算流程

3 新能源開發(fā)路線圖

3.1 我國新能源資源開發(fā)潛力

根據(jù)中國氣象局風能、太陽能資源詳查和評價結(jié)果[8-9]，整理“三北”地區(qū)、東中部和南方地區(qū)分品種新能源資源開發(fā)潛力。如表1所示，全國風電、太陽能發(fā)電開發(fā)潛力分別超過35億kW、61億kW。其中，“三北”地區(qū)可開發(fā)的風電、光伏發(fā)電總量上限超過86億kW，占全國總開發(fā)量的89%，是東中部和南方地區(qū)開發(fā)上限的8.5倍。

表1 分區(qū)域新能源資源潛力測算結(jié)果

3.2 新能源開發(fā)總量分析

3.2.1 邊界條件分析

1）非化石能源消費占比。

根據(jù)最新國家能源戰(zhàn)略，2030年非化石能源占一次能源消費比重達到25%；2050年非化石能源占一次能源消費比重超過50%。

2）一次能源消費總量。

2030年我國一次能源消費控制在60億t標準煤以內(nèi)；根據(jù)相關(guān)研究成果，我國一次能源消費將在2040年前達到峰值[10]，2050年預計回落到55億t標準煤以內(nèi)。

3）非化石能源總量需求測算。

按照25%非化石能源消費占比目標測算，2030年非化石能源供應總量需求15億t標準煤；按照非發(fā)電利用的非化石能源總規(guī)模將達到約2億t標準煤測算，發(fā)電利用的非化石能源總量需求達到約13億t標煤；2050年發(fā)電利用的非化石能源總量需求達到約25.4億t標準煤。

4）水電裝機規(guī)模預測。

2030年，西南地區(qū)金沙江上游、雅礱江上游、怒江、雅魯藏布江水電進一步開發(fā)，全國水電規(guī)模有望達到4億kW左右。2050年，水電裝機規(guī)模預計達到5.4億kW左右[11]。

5）核電裝機規(guī)模預測。

預計2021—2030年，我國核電仍會保持批量、規(guī)?；ㄔO的步伐，到2030年全國核電裝機規(guī)模有望超過1億kW，2050提高到2.2億kW[11]。

3.2.2 測算結(jié)果

按照上述邊界條件測算，2030年新能源發(fā)電總裝機規(guī)模至少要達到14.7億kW，其中風電裝機容量為6億kW，光伏發(fā)電裝機容量為8億kW，光熱發(fā)電裝機容量為0.2億kW，生物質(zhì)發(fā)電裝機容量為0.5億kW，如表2所示。2050年新能源發(fā)電總裝機規(guī)模至少要達到29億kW，其中風電13億kW，光伏發(fā)電14億kW，光熱發(fā)電1億kW，生物質(zhì)發(fā)電1億kW，如表3所示。

3.3 新能源開發(fā)時序分析

3.3.1 風電開發(fā)時序

1）2021—2030年風電開發(fā)時序。

根據(jù)2030年全國風電總量目標6億kW，2021—2030年累計新增風電裝機規(guī)模接近3.5億kW。根據(jù)技術(shù)成熟度研究結(jié)論[12]，風電技術(shù)預計在2024年左右達到成熟，預計2025—2030年期間我國風電將呈現(xiàn)加快發(fā)展態(tài)勢。綜合考慮這些因素變化，預計2021—2030年期間風電開發(fā)總體呈現(xiàn)加快發(fā)展態(tài)勢，并且在最后5年增長速度更快。

表2 2030年新能源發(fā)電裝機測算的底線需求

表3 2050年新能源發(fā)電裝機測算的底線需求

2）2030年后風電開發(fā)時序。

2030年后我國非化石能源將接棒化石能源逐步成為電力系統(tǒng)的主導能源，風電在2031—2040年期間仍將加快發(fā)展，而后受資源開發(fā)條件約束，增長速度有所放緩，進入平穩(wěn)增長期。至2050年，全國風電裝機容量預計達到13億kW。圖5為風電開發(fā)時序圖。

3.3.2 光伏發(fā)電開發(fā)時序

1）2021—2030年光伏發(fā)電開發(fā)時序。

根據(jù)2030年全國光伏發(fā)電總量目標8億kW，2021—2030年累計新增光伏發(fā)電裝機規(guī)模接近6億kW。根據(jù)技術(shù)成熟度研究結(jié)論，光伏發(fā)電技術(shù)預計在2030年左右達到成熟，預計2021—2030年期間光伏發(fā)電開發(fā)總體上呈現(xiàn)加快發(fā)展態(tài)勢。

圖5 風電開發(fā)時序

2）2030年后光伏發(fā)電開發(fā)時序。

2030年后光伏發(fā)電技術(shù)全面成熟，并且光伏發(fā)電受太陽能資源約束比風電小，預計2030年后光伏發(fā)電將進入規(guī)?；铀侔l(fā)展階段。至2050年，全國光伏發(fā)電裝機容量預計達到14億kW。圖6為光伏發(fā)電開發(fā)時序圖。

圖6 光伏發(fā)電開發(fā)時序

3.4 新能源開發(fā)布局分析

3.4.1 風電開發(fā)布局

受風電紅色預警政策影響，“十三五”期間“三北”地區(qū)風電開發(fā)總體放緩，隨著“三北”地區(qū)開發(fā)成本不斷下降、市場消納問題緩解，風能資源優(yōu)勢充分體現(xiàn)，2021—2030年期間“三北”地區(qū)風電開發(fā)力度逐步加大，新增風電裝機占比也隨之上調(diào)。2030年后，東中部地區(qū)受資源條件約束，分散式風電裝機受限，“三北”地區(qū)風電開發(fā)占比將進一步提高。

3.4.2 光伏發(fā)電開發(fā)布局

近年來，受“三北”地區(qū)光伏電站消納影響，以及中東部地區(qū)分布式光伏快速發(fā)展，2020年“三北”地區(qū)光伏發(fā)電累計新增開發(fā)規(guī)模占比“十二五”期間有所下降；隨著“三北”地區(qū)開發(fā)成本下降、局部地區(qū)市場消納問題緩解，太陽能資源優(yōu)勢充分體現(xiàn)，2030年“三北”地區(qū)光伏發(fā)電開發(fā)力度逐步提高，新增光伏發(fā)電裝機占比隨之上調(diào)?？紤]到東中部地區(qū)分布式光伏開發(fā)潛力較大，消納市場空間充足[13]，預計東中部地區(qū)光伏開發(fā)占比在2030年之后將持續(xù)提高。

4 結(jié)論

針對中長期我國新能源開發(fā)路線圖的關(guān)鍵問題展開研究，提出了涵蓋新能源資源潛力評估、開發(fā)總量規(guī)模、開發(fā)時序、開發(fā)布局的一整套開發(fā)路線圖分析方法，建立了相應的分析模型。通過實證分析，得到以下結(jié)論：

1）我國新能源資源開發(fā)潛力較大，全國風電、太陽能發(fā)電開發(fā)潛力分別超過35億、61億kW，遠遠超出當前的開發(fā)規(guī)模。

2）我國能源戰(zhàn)略目標決定了未來新能源仍將加快大規(guī)模發(fā)展，2030年后新能源從替代能源向主導能源轉(zhuǎn)變，2050年新能源發(fā)電裝機占比將超過60%。

3）綜合考慮資源條件、技術(shù)水平、消納市場等因素，從開發(fā)布局來看，風電布局將主要集中在“三北”地區(qū)，太陽能發(fā)電呈現(xiàn)出集中式開發(fā)和分布式利用相結(jié)合的特點。

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Analysis Methods and Model of New Energy Developing Roadmap in China

XIE Guohui, LI Nana, YUAN Bo

(State Grid Energy Research Institute Co., Ltd., Changping District, Beijing 102209, China)

Studying on new energy developing roadmap helps to provide the important reference for the formulation of medium and long-term development plan of new energy in China. This paper put forward a set of analysis methods and models of development roadmap involving resources evaluations, total capacity, developing sequences and layout according to energy development strategy and characteristics of new energy development in China. The wind, photovoltaic and photothermal power generation developing capacity sequences and layout in 2030 and 2050 were also studied. The results show that there will be a rapid speed for China’s new energy development, pushing the new energy to become the dominated power after 2030. Wind power will be concentered in “Three North” areas, while the solar power presents a combination of centralized development and distributed utilization.

new energy; developing road map; developing capacity; developing sequence

10.12096/j.2096-4528.pgt.19174

TK 81; TM 73

國家自然科學基金項目(71471058)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (71471058).

2020-05-20。

(責任編輯 辛培裕)