【儀表網 產業報道】加速構建新型電力系統和推動其他難減排部門電氣化水平是我國實現碳中和目標的重要途徑。面向未來，需要進一步研究電力系統動態演進路徑，電力系統擴張模型(PSEM)則是廣泛應用于能源電力系統轉型研究的重要工具。以往研究采用的PSEM大多存在空間精度不足、時間覆蓋面不廣和負排放技術刻畫等較為簡略的限制，難以系統回答大規模波動性可再生能源部署在高時空精度層面對電力系統的影響等科學問題。
 

　　為此，清華大學核研院、能源環境經濟研究所團隊聯合中國氣象科學研究院團隊，開發了新一代的PSEM——中國可持續電力系統綜合優化模型(China Integrated Sustainable Power-system Optimization Model,CISPO)，首次實現了整合多源氣象、地理和電力數據，完成了在大區域(中國內地)尺度上，以8760逐小時精度協同優化容量擴張和運行調度，其對風能(陸上+海上風電)和太陽能(集中式光伏+分布式光伏+光熱發電)的空間擴張精度提升至25km×25km，對水力發電的擴張和調度精度提升至電站級別，并內生嵌入了火力發電的碳捕集裝置改造和二氧化碳源匯的最優路徑決策。
 

　　2月25日，研究論文以“綜合建模中國電力系統轉型路徑”(Integrated Modeling for the Transition Pathway of China’s Power System)為題，發表于《能源與環境科學》(Energy & Environmental Science)。清華大學能源環境經濟研究所博士生朱子恒為論文的第一作者，能源環境經濟研究所張達副教授、張希良教授為論文通訊作者，中國氣象科學研究院張小曳院士為共同通訊作者。
 

　　研究團隊使用CISPO模型以2022年為基年，設計涵蓋了不同碳排放下降強度、可再生能源土地利用可獲得性、技術進步程度、電力需求增長率和負排放技術可獲得性等10組情景，動態優化了2030年至2060年我國的電力系統轉型路徑。研究發現，在可再生能源投資成本持續下降的趨勢下，我國新型電力系統能以度電成本不高于2022年水平，在2060年實現5.5億噸負排放目標，如圖1所示。在基礎情景16萬億度每年的電力需求假設下，全國需要6000GW左右風能和太陽能、600GW水力發電、437GW抽水蓄能、572GW化學儲能和181GW生物質能裝機，其中生物質能碳捕獲和儲存(BECCS)168GW。
 

　　圖1.面向2060年的我國電力系統優化結果。(A)全國發電裝機容量；(B)分省發電和儲能裝機容量；(C)全國儲能裝機容量；(D)全國發電結構；(E)全國電力系統平均度電成本結構(配電網成本除外)
 

　　研究發現，我國需要在2045~2050年間開始大規模部署負排放技術，并導致這一時期電力系統成本顯著提高。到2060年，生物質發電結合碳捕集與封存技術將提供8.8億噸負排放，完全中和電力系統因熱電聯產和火電短時調節帶來的排放，并實現電力系統的負排放目標(-5.5億噸)。內生優化的二氧化碳源匯匹配結果顯示，未來我國電力的排放封存點主要圍繞在黑河-騰沖線附近，例如松遼盆地、江漢盆地和四川盆地。盡管論文的基礎情景已經嚴格限制生物質燃料的獲取來源為農林殘余物和廢棄土地上耕種的能源作物，考慮到生物質能使用的潛在負面影響，研究還模擬了無生物質部署而采用直接空氣捕集的“無生物質情景”。在這種假設下，2060年電力系統的邊際減排成本由750元/噸CO2上升至1100元/噸CO2，同時碳封存點部署也有所變化。這是因為直接空氣捕集需要大量消耗電力，因而需要部署在可再生能源和碳封存潛力大的地區，例如新疆、蒙西和東北地區。
 

　　可再生能源布局方面，研究發現風電和光伏呈現兩種不同的擴張方式。風電主要沿資源豐富區域擴張，呈現兩條近似平行的帶狀：一是集中于西北、華北和東北地區的陸上風電；二是集中于東南沿海地區的海上風電。光伏主要沿負荷中心向外擴張，這是因為就近消納對光伏而言更加有優勢，體現在CISPO模型中為光伏格點至負荷中心的電網接入優化。光伏的部署需要占用大量土地，空間優化結果顯示到2060年需要近5萬平方公里的面積來部署3800GW左右的光伏裝機。部分省份面臨較為嚴重的用地沖突，例如廣東、浙江、江蘇等，幾乎將用盡所有可用于光伏建設的土地。更高的電力需求會進一步加劇用地沖突，這說明用地要素在未來規劃可再生能源發展時愈加重要。
 

　　圖2展示了全年逐小時各省份的電能量供給邊際成本(Marginal Cost of Generation，MC，元/kWh)分布。隨著大規模可再生能源的接入，電能量供給邊際成本呈現更大的波動性，即極低(接近0)和極高(超過1.0元/kWh)情況出現的頻率更高，這也表明電能量市場的波動性更大。
 

　　近日，《關于深化新能源上網電價市場化改革 促進新能源高質量發展的通知》的發布，標志著我國新能源發展進入了新階段，正式明確了新能源全部進入電力市場。因此，評價新能源的經濟性需要從過去的人工測算逐步提升到高精細度和全年時間覆蓋的系統性仿真預測。CISPO模型輸出的未來全年逐小時電能量供給邊際成本等結果為此提供了全新的工具輸入。
 

圖2.全年逐小時各省電力供給邊際成本分布情況
 

　　研究團隊長期開發的高時空精度電力規劃模型支撐了多項重要的國家立法工作和規劃政策。2024年起，張希良教授團隊受全國人大環資委委托，承擔了《可再生能源法》修訂專家意見稿的起草任務；發表于《美國科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS)的RESPO模型和本研究介紹的CISPO模型均為《可再生能源法》修訂和相關的可再生能源規劃及政策討論提供了重要的量化分析支撐。
 

　　該研究是國家自然科學基金兩個專項項目(“面向我國碳中和最優路徑實現的自然—社會系統多尺度相互作用模式耦合、數據監測支持和決策支撐研究的頂層設計”和“碳達峰碳中和路徑與對策綜合研究”)的核心成果，并受美國環保協會、英國EEIST項目和中德MOBILITY項目支持。參與研究相關工作的清華大學研究生和本科生研究團隊還得到清華大學“追光計劃”的經費支持。