新能源利用率：护身符还是紧箍咒？
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2024-03-10 14:30
美国
蹭新闻热点做一些学术讨论。前日风光股票大涨，据称因为是某机构称国家电网公司会放开95%利用率的消纳红线。学术讨论上这也不算是什么新闻，关于放开95%利用率目标的讨论很久了。从电力运行规律的角度看这个红线肯定得放开，只是早晚问题。借此热点，我们学术讨论一下弃风率、弃光率、新能源利用率的一系列问题。新能源利用率在国内最初受到关注是因为2017年之前中国的弃风率、弃光率畸高。下图是各个国家风光发电占比（横轴）和弃风、光率（纵轴）的关系，理论上随着风光在电网中比例的增长，弃风、光率增长是正常的，但是中国在2017年之前（图中绿点）是不正常的过高。弃风、光率高主要原因是电力消纳机制没有理顺，有煤电保障调度优先于风光的问题，有传输的问题，也有热电联产和风电的矛盾问题等等。《清洁能源消纳行动计划（2018-2020年）》中开始设立的95%风光利用率的目标就是解决这些问题的。从2018年开始，弃风率、弃光率一直比较低。自2018年以来，弃风、弃光率始终保持在较低的水平。现在再谈放开95%利用率目标，讨论的情景和2017年已经不再相同。风光比例增多，持续极严格限制新能源利用率或南辕北辙、得不偿失中国目前风电发电占比9%，光伏发电占比5%，风光占比加起来还没到20%，国际经验和模型结果都表示，风光比例不太高的时候，新能源利用率完全可以保持在很高的水平（95%）。但是随着风光不断增多，在青海等省份风光发电占比已经达到近40%，在这个水平上，弃风、弃光率（特别是弃光率）就要开始上升。根据EIA数据，加州弃光量逐年上升，主要在需求低供应多的春天。需要说明的是，95%利用率目标一般指的是全国的利用率，西部地区风光占比高、用电需求相对低，一般利用率要低于95%，如青海目前的利用率在93%左右。所以目前放松新能源利用率要求，对东部地区短期基本没啥影响，影响主要在风光比例较高的西部地区。Ding et al. (2023)曾对限制弃风光率政策的后果以青海为例做了研究。青海是我国风光发电占比最高的省份，2022年大概火电15%、风光超过40%、水电43%。Ding et al. (2023)指出，如果青海继续加速发展风光，2030年风光发电占比有望接近70%左右。在这个条件下，青海电力系统的“经济弃风光率”会在2030年达到30%，主要是弃光，如下图（左）黑色线。图片来源：Ding et al. (2023)。这是一篇讨论弃风弃光率的必读文献。Ding et al. (2023)指出，如果持续严格限制弃风、弃光率，会发生的就是（1）电网需要部署更多的灵活性资源（灵活火电、储能、需求侧响应等），（2）电网需要限制光伏、风电装机“过”快“过”多。这样的结果是风光发展受到限制，电池储能、抽水蓄能加速发展，但是抽水蓄能的发展实际上抑制了水电，水电转成抽水蓄能，实际上水能利用率降低，因此导致火电利用率增加，所以最终结果是持续严格限制弃风、弃光率导致电网成本增加、电网排放也增加。因此，在青海的电网持续严格限制弃风、弃光率南辕北辙。如果限制条件较宽松（如弃风光率在15%），基本就没有什么影响。这个逻辑说明，现在全国西部地区风光发电占比开始进入20-40%的中比例区间，持续极严格限制新能源利用率完全没有必要，放开是必然的选择，实际上西部地区的风光利用率也没有一直要高于95%。虽然风光利用率必然会下降，但是这和电网持续提升灵活性并不冲突。实际上，在风光比例没有特别高的时候，最重要的灵活性资源是火电。Frew et al. (2021)的研究发现，火电灵活性改造对减少弃风弃光率（弃光率比弃光率一般大很多）的作用有一个窗口期：当光伏比例比较低（<20%），火电灵活性改造意义不大，因为火电既有的灵活性和电网其他资源足够消纳光电；而光伏比例较高的时候（>40%），主要要依靠更灵活的储能等资源，火电发电减少，火电灵不灵活对弃光率也不太重要。这应该是火电近期压舱石作用的一个重要逻辑（远期火电+CCS的压舱石作用与此处作用不同）。上面的文章研究的美国加州电网，其气电比例较大。在我国煤电为主，电网既有灵活性资源不如加州电网，所以可能火电灵活性作用会更早体现，光伏可能接近10%的时候就需要火电足够灵活。目前光伏增加到5%以上，2030年前有望继续高速增长。在这个前提下，赶在窗口期之前提高火电灵活性很重要。近期，《加强电网调峰储能和智能化调度能力建设》提出到“2027年存量煤电机组实现应改尽改。探索煤电最小发电出力达到30%额定负荷以下”。这一政策高瞻远瞩、未雨绸缪。新能源利用率红线放开，哀鸿遍野的是储能。普遍认为新能源利用率红线是对储能有帮助的，而且不少地方要求新能源配储比例10-20%甚至更高。但是同样在Frew et al. (2021)的研究中，加州电网在光伏占比达到35%的时候，经济性配储比例也只有10%左右。因此不难解释目前大量配储闲置。风光比例还在低中阶段，配储的需求并没有那么高。在这种情况下发展储能，需要进一步开放储能参与电力市场辅助服务就很关键。此外，长期来看，随着风光比例进入中、中高阶段，储能的需求会大幅非线性增加。
虽然谈新能源利用率风光常常混为一谈，但弃风、弃光经济规律大为不同。光很确定，都是白天多晚上少，春天多冬天少，风则不一样。因此很多研究指出，风光需要合理配置，传输也要跟上。
但是从现实角度看，最近往往光伏装机容易，而风电就慢一些。美国近年来光伏势头也很强劲，但是风电就比较疲软（美国风电发展疲软原因很多，从风机制造到风机运输等等，推荐Shift Key播客），传输更是老大难。如果光伏建得成，风电却起不来，这可能对电网灵活性要求更高，稳定性挑战也更大。近年来中国光伏，特别是分布式光伏发展势头特别强势，这种情况下需要统筹风光合理配比。同理，放开95%利用率的消纳红线主要利好光伏。近年来光伏快速发展并不是在和煤电等平价竞争。光伏保障性收购、收购价格接近煤电价格、分布式光伏补贴、光伏行政目标等等，如果统一测算，光伏的蓬勃发展或仍在依靠大量显隐补贴。特别是去年供应链好转、光伏装机价格下降，补贴应该是光伏发展一个重要的驱动力。近期来看，这些补贴对于发展新型电力系统意义重大，但长期来看，光伏补贴需要进一步退出。与此同时，增加风电显隐补贴或许财半功倍。过去几年，笔者感觉95%利用率的消纳红线可能并没有对风光发展限制太多，一个原因就是电力增长速度很高。很多模型模拟的增长都低于实际的电力增速。
在2022年之前，虽然光伏、风电发展得快，但是新增光伏、风电发电量还是赶不上新增的电力需求量，所以煤电仍有发展空间。但是随着光伏、风电扩张加速，新增风光电力已经可以超过新增需求，所以风光电力将会开始蚕食煤电的既有领域。在这种情况下，一系列新政策、新举措都需要陆续出台。95%利用率的消纳红线在2018年后的历史使命已经完成，在新情况下放开红线也确实时机成熟。同理，如果想要拖延电力转型进入深水区的速度，一个可能思路就是进一步增强电力消费和同时促进需求响应，特别是推进煤油气改电。比如之前东北地区弃风率高的原因就是冬天热需求远大于电需求，这种情况下热电联产必须开启，从而挤走了风电，导致了高弃风率。现在很多热需求已经电气化，这部分冲突就不会那么严重，甚至未来（或者很快）电需求将大于热需求。电气化下电力蛋糕还在做大，整体上或许有助于保证电力转型更平稳。但是推进一些高排放过程大规模电气化（如电网电制氢），则有增加碳排放的风险。
Ding, Y., Li, M., Abdulla, A., Shan, R., & Liu, Z. (2023). Unintended consequences of curtailment cap policies on power system decarbonization. Iscience, 26(7).Frew, Bethany, et al. "The curtailment paradox in the transition to high solar power systems." Joule 5.5 (2021): 1143-1167.
