電力行業(yè)正在經(jīng)歷全球轉(zhuǎn)型。過去十年，可再生能源發(fā)電成本已大幅下降(太陽能發(fā)電成本降低了80%，風(fēng)能發(fā)電成本降低了約40%)，在全球絕大多數(shù)地區(qū)與傳統(tǒng)燃料(例如煤炭和天然氣)相比已具有競(jìng)爭(zhēng)力。2018年，可再生能源貢獻(xiàn)了大部分的新增發(fā)電容量。在大多數(shù)市場(chǎng)上，可再生能源已是增加邊際容量的最便宜的選擇，同時(shí)也是所有國家減少溫室氣體排放計(jì)劃的重要組成部分。
到2040年，電力系統(tǒng)脫碳率達(dá)到50%~60%在技術(shù)上并不困難，通常也是最經(jīng)濟(jì)的選擇。從50%~60%到90%通常在技術(shù)上是可行的，但有時(shí)成本很高。要達(dá)到100%的脫碳率，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可能都很困難。
50%~60%脫碳率
大多數(shù)市場(chǎng)只需很少甚至不增加額外投資就可以實(shí)現(xiàn)50%~60%的脫碳率。太陽能、風(fēng)能以及儲(chǔ)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(dòng)周期適合配置4~8小時(shí)的儲(chǔ)能，確保穩(wěn)定的電力供應(yīng)。太陽能和風(fēng)能能夠?qū)崿F(xiàn)互補(bǔ)，同時(shí)擁有這兩種資源的市場(chǎng)能夠更好的管理間歇性。
50%~60%的脫碳率通常不會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響。這種情況下，棄電率約為2%~5%，火電利用率(發(fā)電時(shí)間百分比)維持在50%~60%，廉價(jià)可再生能源的接入可能會(huì)使一些機(jī)組退役，幾乎不需新建輸電線路。總之，電力系統(tǒng)無需太多改變，即可達(dá)到50%~60%的脫碳率。
80%~90%脫碳率
80%~90%的脫碳率會(huì)增加系統(tǒng)成本和復(fù)雜度。雖然不需要新技術(shù)，但儲(chǔ)能使用時(shí)間更長，需求側(cè)管理更嚴(yán)格(主動(dòng)管理建筑物供暖、制冷，轉(zhuǎn)移工業(yè)負(fù)荷)。一些市場(chǎng)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(nèi)分?jǐn)偂?/p>
80%~90%脫碳率的系統(tǒng)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(fā)電的備用。此時(shí)，脫碳成本在不同市場(chǎng)間差異很大，若發(fā)電成本高于市場(chǎng)平均成本，其系統(tǒng)總成本可能略有下降(每年1%~2%);若發(fā)電成本低于市場(chǎng)平均成本，其系統(tǒng)總成本可能會(huì)上漲。
100%脫碳率
100%的脫碳率會(huì)使系統(tǒng)更加復(fù)雜，成本因市場(chǎng)而異。火電利用率進(jìn)一步降至4%~6%。從根本上說，由于可再生能源的間歇性，系統(tǒng)完全脫碳需要填補(bǔ)更長的時(shí)間間隔，這在技術(shù)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(shù)可能會(huì)幫助縮小這些間隔，以構(gòu)建100%脫碳率的系統(tǒng)，包括生物質(zhì)燃料，碳捕集、利用和封存(CCUS)，生物質(zhì)能結(jié)合碳捕集與封存技術(shù)(BECCS)，電轉(zhuǎn)氣轉(zhuǎn)電(P2G2P)，直接空氣捕集(DAC)等。
四種電力市場(chǎng)中的脫碳途徑
由于氣候、自然資源和基礎(chǔ)設(shè)施的差異，不同的市場(chǎng)需要采取不同的途徑對(duì)其電力系統(tǒng)進(jìn)行脫碳。
01 孤島市場(chǎng)
孤島市場(chǎng)通常需要進(jìn)口發(fā)電燃料，缺乏電力互聯(lián)，發(fā)電成本較高。但很多孤島市場(chǎng)太陽能資源豐富(例如夏威夷)，太陽能發(fā)電成本的下降和高昂的進(jìn)口化石燃料價(jià)格，使其不需要額外激勵(lì)就可以自然脫碳。若采用成本最低的電源組合，預(yù)計(jì)其脫碳率可達(dá)到82%。
90%脫碳率。綜合利用太陽能、風(fēng)能和儲(chǔ)能技術(shù)，脫碳率可達(dá)到90%。但間歇性將導(dǎo)致棄電率達(dá)到10%。考慮到可再生能源發(fā)電成本的下降，90%的脫碳率路徑到2040年的發(fā)電成本會(huì)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(diào)度發(fā)電資源方面仍然具有成本效益。利用多余的太陽能或風(fēng)能生產(chǎn)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(huì)使系統(tǒng)總成本增加3%~5%。
02 重火電成熟市場(chǎng)
這類市場(chǎng)通常擁有大量人口，良好的電力互聯(lián)互通以及大量的化石燃料，電源系統(tǒng)可靠，負(fù)荷量大，例如德國電力市場(chǎng)和美國PJM互聯(lián)市場(chǎng)。
90%脫碳率。增加風(fēng)電裝機(jī)容量，并輔以大量儲(chǔ)能，可實(shí)現(xiàn)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(chǎng)擁有大量火電基礎(chǔ)設(shè)施，利用率的下降將導(dǎo)致其承受四類市場(chǎng)中最高昂的脫碳成本。
90%~100%脫碳率。需要投資CCUS以實(shí)現(xiàn)100%的脫碳率，尤其是對(duì)于物理空間不足以支持足夠可再生能源的場(chǎng)景。熱電廠的利用率將穩(wěn)定在約48%，棄電率可忽略不計(jì)。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(huì)使系統(tǒng)總成本增加12%到16%。
03 清潔基荷市場(chǎng)
這類市場(chǎng)已經(jīng)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(qū)。這類市場(chǎng)具有可調(diào)度的清潔能源基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，能夠以很少的成本實(shí)現(xiàn)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(xiàn)有火電容量，系統(tǒng)成本增加不到1%。
90%~100%脫碳率。可采用負(fù)排放技術(shù)，用以抵消負(fù)荷高峰時(shí)少量的天然氣發(fā)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(tǒng)總成本增加10%到12%。
04 大型多元化市場(chǎng)
這類市場(chǎng)覆蓋區(qū)域廣闊，并且具有可再生能源潛力，通常是風(fēng)能、太陽能或沿河運(yùn)行的水力發(fā)電，例如加利福尼亞、墨西哥和澳大利亞東部部分地區(qū)。另外，這類市場(chǎng)通常沒有足夠的基荷功率。
90%脫碳率。關(guān)鍵技術(shù)可能是太陽能加儲(chǔ)能，并輔以天然氣來幫助管理間歇性。火電利用率將下降到13%，棄電率將是14%。隨著太陽能和儲(chǔ)能成本的持續(xù)下降，到2040年，許多市場(chǎng)都將實(shí)現(xiàn)90%的脫碳率，而系統(tǒng)總成本也將下降。
90%~100%脫碳率。P2G2P技術(shù)可能是替代化石燃料的最佳選擇。火電利用率將下降至6%，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(tǒng)總成本增加10%到12%。
