環(huán)球零碳 Sueyl

構建100%可再生能源（RES）電力系統(tǒng)將面臨技術、經濟和政策等多方面挑戰(zhàn)。William Zappa 等人考慮新能源產電的強不確定性，在滿足投資約束、電力電量平衡、調節(jié)能力等多維需求下構建經濟合理的100% RES 電力系統(tǒng)，得到2050歐洲實現100%可再生的電力系統(tǒng)的相關路徑及解決方案。

為了避免氣候變化的最嚴重影響，《巴黎協(xié)定》要求將全球變暖控制在1.5℃以下，最好不超過2℃的范圍內。目前，地球氣溫已經比19世紀末高出約1.1℃，排放量還在繼續(xù)上升。

為此，很多國家提出減排和碳中和目標。2011年歐盟（EU）就提出了其氣候目標，即到2050年將溫室氣體（GHG）排放量比1990年的水平減少80-95%，這是保證全球變暖的必要步驟。

為了實現這些目標，電力部門的排放量必須首先降至零，甚至到2050年變?yōu)樨摂?。這將需要大規(guī)模實施低碳能源和負碳技術，例如可再生能源（RES）、核電和碳捕獲與儲存（CCS）。

近日，歐洲委員會能源副總干事Mechthild Worsdorfer 表示，考慮到俄烏戰(zhàn)爭帶來的能源問題，歐盟委員會支持提高可再生能源占比的目標，即到2030年使之占比達45%。

德國提出的目標更激進。德國聯(lián)邦政府內閣近日通過了旨在擺脫化石燃料、加速清潔能源發(fā)展的一系列立法草案，其中設立了兩階段目標：2030年實現80%的可再生能源供電，2035年爭取實現100%可再生能源供電。

隨著火電機組逐步關停及高比例風電、光伏等的并網，可再生能源電力系統(tǒng)將具有強不確定性和不穩(wěn)定特征，其運行形態(tài)十分復雜、調節(jié)能力和穩(wěn)定性水平大幅下降，對于規(guī)劃設計、調度運行、穩(wěn)定控制、電能質量等各環(huán)節(jié)均提出了尚待解決的科學問題。

構建100%可再生能源電力系統(tǒng)，不只是提高風電和太陽能占比那么簡單，還將面臨技術、經濟和政策等多方面挑戰(zhàn)，更關鍵的是，還需要對各種可再生能源的規(guī)劃需要一個合理比例，需要打造一個軟性的、可靈活協(xié)調的智能電網，需要建立一個可調節(jié)的大容量電力交易市場等。

那么，歐洲未來如何構建100%可再生能源電力系統(tǒng)？最具成本效益的可再生能源發(fā)電和輸電網絡容量組合是什么？對中國構建新型電力系統(tǒng)有什么啟發(fā)意義？以下結合一些專家觀點，對此進行分析。

1 什么是100%可再生能源電力系統(tǒng)

早在1975年丹麥物理學家B.S?rensen 在《Science》期刊中率先提出100%可再生能源電力系統(tǒng)的構建設想，但此后的進展較為緩慢。在能源革命熱潮的驅動下，目前對100%可再生能源電力系統(tǒng)理論研究逐漸深入，但也面臨技術、經濟和政策等多方面挑戰(zhàn)。100%可再生能源電力系統(tǒng)是指完全利用水能、風能、太陽能、生物質能、海洋能、地熱能等非化石燃料且可再生的能源，經過水電/風電機組、太陽能集熱器/電池板（CSP）等各類發(fā)電裝置轉化為電能，最終通過輸配電網達到用戶側。

與其概念相近又不完全等同的還有碳中和電力系統(tǒng)（Zero-carbon Power System） 以及純清潔能源電力系統(tǒng)（100% Clean Energy Power System）。其中，碳中和電力系統(tǒng)是由核電、可再生能源機組以及帶有CCS 的火電機組構成，該系統(tǒng)CO2的凈排放量為零甚至為負是其主要特征。而對于純清潔能源電力系統(tǒng)，國內外尚未形成統(tǒng)一定義。

100%可再生能源電力系統(tǒng)由于需要實現發(fā)電資源完全可再生，故需在碳中和的電力系統(tǒng)基礎上完全退出核電，并充分利用CCS 和天然氣合成技術來滿足系統(tǒng)部分的儲能及供電需求，最終形成100%可再生能源電力系統(tǒng)。

2 100%可再生能源的電力系統(tǒng)的顧慮

荷蘭烏得勒支大學哥白尼可持續(xù)發(fā)展研究所William Zappa 等表示：僅可再生能源（RES）供應充足并不能說明100%可再生能源電力系統(tǒng)是可行的，因為風能和太陽能等的間歇性，使得電力需求和供應的平衡存在困難。

除了可變的可再生能源外，剩余需求必須由可調度的RES 發(fā)電技術（水力、地熱等）或儲能來提供。在短期內，技術限制意味著這些工廠可能無法以足夠快的速度達到供需平衡，從而導致網絡中出現過電壓或能源欠缺。從長遠來看，有些年份的陽光充足或多風，這意味著不能依靠風能和光伏裝置每年產生相同數量的電力。因此，William 等人認為，對100% RES 電力系統(tǒng)可行性的任何評估都應包括對其長期和短期可靠性的分析。

目前針對構建100%可再生能源的電力系統(tǒng)研究的一些缺陷主要集中在：

研究依賴于CSP、地熱、季節(jié)性儲存或生物質等技術的顯著能力，但這些技術目前幾乎沒有增長跡象。模擬只運行一個任意的或幾個年份的天氣情況，不能保證系統(tǒng)在最可再生資源短缺的年份的供應充足性。假定可再生能源技術具有固定的容量，而實際上這些隨位置和時間的變化而變化。對生物質燃料發(fā)電進行粗略處理，或者不考慮供應潛力和成本的區(qū)域差異等一系列問題。

3 歐洲未來100%可再生電力系統(tǒng)可行嗎

構建100%可再生電力系統(tǒng)的電源規(guī)劃方案時，需重點考慮新能源出力的強不確定性，在滿足投資約束、電力電量平衡、調節(jié)能力等多維需求下構建經濟合理的電源規(guī)劃方案，確定多階段煤電機組退出策略和可再生能源發(fā)電裝機構成及容量。

William 等人研究的地理范圍包括歐盟27國以及英國在內，考慮了廣泛的可再生能源發(fā)電技術組合：包括風能（陸上和海上）、光伏（公用事業(yè)和屋頂）、生物電、CSP、地熱和水電。將投資和運營總成本最低為目標，供需平衡、碳排放量、儲能容量、各類可再生能源的開發(fā)潛力等條件為約束，建立線性化的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型，求得包含電源配置在內的多能源系統(tǒng)規(guī)劃方案。

100% RES 系統(tǒng)需要提高跨境輸電容量。歐洲被構建為一個單一的綜合電力系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中國家之間可以共享電力容量。這種完全互連的電力系統(tǒng)對傳輸的可靠性和確保系統(tǒng)的充足性變至關重要。要實現高需求情景下的輸電網絡穩(wěn)定性，需要從2016年到2050年每年安裝10吉瓦的新輸電能力，是目前計劃速度的兩倍。

100% RES 系統(tǒng)需要足夠的風能和光伏容量。據預測，歐洲陸上風能主要安裝在與北海和波羅的海接壤的國家，因為它們有利的風速，并且位于歐洲的中心位置，可以最大限度地減少傳輸損失。大多數國家到2050年將大力發(fā)展光伏。在國家內部，光伏容量通常安裝在偏南的位置，或靠近負載中心以降低成本。William 等表示，到2050年，歐洲可以部署足夠的風能和光伏容量，以支持100%可再生能源電力系統(tǒng)。

100% RES 系統(tǒng)需要顯著增加生物質的使用：與風能和光伏已經裝機顯著并正在增長不同，2015年固體生物質、沼氣、CSP 和地熱的總裝機容量分別僅為18吉瓦、10吉瓦、2.3吉瓦和0.8吉瓦。任何技術的部署率不超過1吉瓦/年。為了達到基本情景中的2050年裝機容量，從2016年到2050年，CSP 和地熱裝機容量需要平均每年分別為6吉瓦和1.4吉瓦。

雖然生物質將在2050年在100% RES 電力系統(tǒng)中發(fā)揮關鍵作用，但生物質的未來成本和潛在供應是不確定的，并且將取決于未來的降雨模式、農業(yè)實踐和來自其他國家的生物質需求部門。依靠生物質來提供穩(wěn)定容量的100% RES 電力系統(tǒng)將容易受到最終稀缺且相對昂貴的燃料的影響。

100% RES 系統(tǒng)需要顯著下降可再生能源技術成本。不同發(fā)電技術的不同成本發(fā)展將影響優(yōu)化可再生能源組合的構成，以及它們與非可再生能源替代品的競爭力。盡管近年來可再生能源的成本迅速下降，但仍需需要比基本水平再下降70%。100%可再生能源系統(tǒng)的年總成本將至少為5300億歐元每年，比包含核電或碳捕獲和儲存的系統(tǒng)高出約30%。此外，這些成本將隨著需求的增加而相對增加。

100%的可再生能源電力系統(tǒng)需要大量水電、CSP、地熱、生物質或季節(jié)性儲存提供容量來平衡可變的風力和光伏發(fā)電，并在風力和太陽能供應不足時滿足需求。但這些技術目前都沒有部署到支持2050年100%可再生電力系統(tǒng)所需的水平。

研究人員表示，即使是100%的可再生能源系統(tǒng)也可能無法提供實現歐洲氣候目標所需的減排水平，仍然需要CCS 技術捕獲和封存的生物質的負排放。因此，在引導向符合歐洲氣候目標的可靠的、具有成本效益的電力系統(tǒng)過渡時，政策制定者應確保所有的技術選擇組合性、合理性。