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《全球電力系統如何脫碳》研究報告:四種典型的脫碳途徑

2020-6-12 08:55 來源: 全球能源互聯網期刊

《全球電力系統如何脫碳》研究報告:四種典型的脫碳途徑


2020年5月,Mckinsey&Company發布了《全球電力系統如何脫碳》,分析了電力系統在50%~60%、80%~90%以及100%脫碳率水平下的技術可行性、系統變化、脫碳成本。由于氣候、自然資源和基礎設施的差異,報告分別研究了四種典型的脫碳途徑。
 
電力行業正在經歷全球轉型。過去十年,可再生能源發電成本已大幅下降(太陽能發電成本降低了80%,風能發電成本降低了約40%),在全球絕大多數地區與傳統燃料(例如煤炭和天然氣)相比已具有競爭力。2018年,可再生能源貢獻了大部分的新增發電容量。在大多數市場上,可再生能源已是增加邊際容量的最便宜的選擇,同時也是所有國家減少溫室氣體排放計劃的重要組成部分。

到2040年,電力系統脫碳率達到50%~60%在技術上并不困難,通常也是最經濟的選擇。從50%~60%到90%通常在技術上是可行的,但有時成本很高。要達到100%的脫碳率,在技術上和經濟上可能都很困難。

50%~60%脫碳率

大多數市場只需很少甚至不增加額外投資就可以實現50%~60%的脫碳率。太陽能、風能以及儲能是脫碳方案的重要組成部分,其成本已大幅下降且下降速度很快。太陽能的日波動周期適合配置4~8小時的儲能,確保穩定的電力供應。太陽能和風能能夠實現互補,同時擁有這兩種資源的市場能夠更好的管理間歇性。

50%~60%的脫碳率通常不會對電力系統運行產生實質影響。這種情況下,棄電率約為2%~5%,火電利用率(發電時間百分比)維持在50%~60%,廉價可再生能源的接入可能會使一些機組退役,幾乎不需新建輸電線路??傊?,電力系統無需太多改變,即可達到50%~60%的脫碳率。

80%~90%脫碳率

80%~90%的脫碳率會增加系統成本和復雜度。雖然不需要新技術,但儲能使用時間更長,需求側管理更嚴格(主動管理建筑物供暖、制冷,轉移工業負荷)。一些市場可能需要新建輸電線路,匯集可再生能源,將基荷在更大地理范圍內分攤。

80%~90%脫碳率的系統與之前已明顯不同。棄電率增至7%~10%,火電利用率降至20%~35%,許多電廠作為可再生能源發電的備用。此時,脫碳成本在不同市場間差異很大,若發電成本高于市場平均成本,其系統總成本可能略有下降(每年1%~2%);若發電成本低于市場平均成本,其系統總成本可能會上漲。

100%脫碳率

100%的脫碳率會使系統更加復雜,成本因市場而異?;痣娎寐蔬M一步降至4%~6%。從根本上說,由于可再生能源的間歇性,系統完全脫碳需要填補更長的時間間隔,這在技術上是可行的,但其成本可能比最低成本的方案高出25%。一些新技術可能會幫助縮小這些間隔,以構建100%脫碳率的系統,包括生物質燃料,碳捕集、利用和封存(CCUS),生物質能結合碳捕集與封存技術(BECCS),電轉氣轉電(P2G2P),直接空氣捕集(DAC)等。

四種電力市場中的脫碳途徑

由于氣候、自然資源和基礎設施的差異,不同的市場需要采取不同的途徑對其電力系統進行脫碳。

01 孤島市場

孤島市場通常需要進口發電燃料,缺乏電力互聯,發電成本較高。但很多孤島市場太陽能資源豐富(例如夏威夷),太陽能發電成本的下降和高昂的進口化石燃料價格,使其不需要額外激勵就可以自然脫碳。若采用成本最低的電源組合,預計其脫碳率可達到82%。

90%脫碳率。綜合利用太陽能、風能和儲能技術,脫碳率可達到90%。但間歇性將導致棄電率達到10%??紤]到可再生能源發電成本的下降,90%的脫碳率路徑到2040年的發電成本會大幅下降。

90%~100%脫碳率。最佳解決方案是P2G2P,盡管邊際成本很高,但使用頻率不高,在提供可調度發電資源方面仍然具有成本效益。利用多余的太陽能或風能生產清潔燃料,棄電率可降至6%,火電利用率降至4%。到2040年,將脫碳率從90%提高到100%會使系統總成本增加3%~5%。

02 重火電成熟市場

這類市場通常擁有大量人口,良好的電力互聯互通以及大量的化石燃料,電源系統可靠,負荷量大,例如德國電力市場和美國PJM互聯市場。

90%脫碳率。增加風電裝機容量,并輔以大量儲能,可實現90%的脫碳率。棄電率可低至1%,火電利用率可降至20%~25%。但由于這類市場擁有大量火電基礎設施,利用率的下降將導致其承受四類市場中最高昂的脫碳成本。

90%~100%脫碳率。需要投資CCUS以實現100%的脫碳率,尤其是對于物理空間不足以支持足夠可再生能源的場景。熱電廠的利用率將穩定在約48%,棄電率可忽略不計。但是,CCUS工廠建造成本高昂,到2040年,將脫碳率從90%提高到100%可能會使系統總成本增加12%到16%。

03 清潔基荷市場

這類市場已經擁有大量零碳基荷,例如擁有大量核電的法國,擁有水電資源的巴西和北歐地區。這類市場具有可調度的清潔能源基礎和結構優勢,能夠以很少的成本實現大量脫碳。

90%脫碳率。棄電率僅為1%,火電利用率僅為12%。到2040年,可再生能源替代一些現有火電容量,系統成本增加不到1%。

90%~100%脫碳率??刹捎秘撆欧偶夹g,用以抵消負荷高峰時少量的天然氣發電。DAC可能是成本最低的選擇,棄電率將保持在1%左右,火電利用率將降至3%。到2040年,將脫碳率從90%提高到100%將使系統總成本增加10%到12%。

04 大型多元化市場

這類市場覆蓋區域廣闊,并且具有可再生能源潛力,通常是風能、太陽能或沿河運行的水力發電,例如加利福尼亞、墨西哥和澳大利亞東部部分地區。另外,這類市場通常沒有足夠的基荷功率。

90%脫碳率。關鍵技術可能是太陽能加儲能,并輔以天然氣來幫助管理間歇性?;痣娎寐蕦⑾陆档?3%,棄電率將是14%。隨著太陽能和儲能成本的持續下降,到2040年,許多市場都將實現90%的脫碳率,而系統總成本也將下降。

90%~100%脫碳率。P2G2P技術可能是替代化石燃料的最佳選擇?;痣娎寐蕦⑾陆抵?%,棄電率將增加到16%。到2040年,將脫碳率從90%提高到100%將使系統總成本增加10%到12%。

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