編者按：我國力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，是黨中央經(jīng)過深思熟慮作出的重大戰(zhàn)略決策，事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運(yùn)共同體。能源領(lǐng)域碳排放總量大、占比高，是實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。公司能源業(yè)務(wù)部成立了以張宗玟等部門領(lǐng)導(dǎo)為核心、以青年黨員為骨干的“3060”研究小組，貫徹新發(fā)展理念和能源安全新戰(zhàn)略，對以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、碳排放和水電、新能源、核電、儲(chǔ)能、煤炭等方面高質(zhì)量發(fā)展進(jìn)行了探索性研究，以推動(dòng)構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系。為促進(jìn)研究成果的應(yīng)用，本公眾號(hào)將核心研究成果以系列文章的形式陸續(xù)刊發(fā)，供業(yè)界同仁參考。

“雙碳”背景下新能源發(fā)展瓶頸與趨勢研究

楊帆 夏榮立 楊威

摘要：我國新能源在“十三五”時(shí)期發(fā)展成效顯著，到“十四五”時(shí)期增長潛力依舊巨大，將成為我國新增能源供給的主要力量。本文分析了新能源在國土空間、并網(wǎng)消納、技術(shù)創(chuàng)新、系統(tǒng)成本等方面的問題與挑戰(zhàn)，研究了新能源在開發(fā)布局、存儲(chǔ)消納、創(chuàng)新研發(fā)、市場機(jī)制等方面的發(fā)展趨勢，通過新能源的大規(guī)模發(fā)展實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。

 習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會(huì)上宣布，我國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)。能源活動(dòng)是我國二氧化碳的主要排放源，接近總排放量的50%。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，“十四五”時(shí)期我國應(yīng)持續(xù)推動(dòng)能源供給革命，準(zhǔn)確把握“雙碳”背景下新能源（本文主要指風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電）的發(fā)展瓶頸與趨勢，理順發(fā)展體制機(jī)制，為新能源大規(guī)模發(fā)展創(chuàng)造空間。

一、研究背景

自2006年《可再生能源法》頒布實(shí)施以來，新能源開發(fā)利用規(guī)模顯著擴(kuò)大。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)字，2006年我國新能源裝機(jī)220萬千瓦，占全球比例不到3%，2020年我國新能源裝機(jī)超過5.3億千瓦，占全球比例為37%，高居世界第一。我國在新能源領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)規(guī)模全球領(lǐng)先，根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，光伏產(chǎn)業(yè)鏈中多晶硅、硅片、電池片和組件等主要環(huán)節(jié)在2020年全球市場平均占有率達(dá)到70%以上；風(fēng)電整機(jī)國產(chǎn)品牌在全球前15名風(fēng)機(jī)整機(jī)制造企業(yè)中占據(jù)10席。

為最終實(shí)現(xiàn)碳中和，我國將在2030年實(shí)現(xiàn)非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到25%的目標(biāo)，預(yù)計(jì)屆時(shí)新能源裝機(jī)將達(dá)到14~16億千瓦，新能源電力占總發(fā)電量比例達(dá)到約26%，比2020年提升約17個(gè)百分點(diǎn)；在未來10年，新能源年均新增裝機(jī)需要達(dá)到1億千瓦左右，成為新增能源供應(yīng)的主要形式，并加快構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

二、新能源大規(guī)模發(fā)展存在瓶頸

在新能源規(guī)?；l(fā)展的背景下，如何解決國土空間、并網(wǎng)消納、技術(shù)創(chuàng)新、系統(tǒng)成本等方面的問題與挑戰(zhàn)，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵因素。

（一）國土空間利用現(xiàn)狀和規(guī)劃體系難以支撐新能源大規(guī)模發(fā)展

與其他發(fā)電形式相比，新能源發(fā)電能量密度低，單位裝機(jī)容量用地需求較大。然而，新能源規(guī)劃與國土空間規(guī)劃未能有效銜接，土地利用現(xiàn)狀和地類性質(zhì)不一致，各地方出臺(tái)的土地、林草等法律政策未充分結(jié)合實(shí)際保護(hù)現(xiàn)狀，“一刀切”限制了新能源項(xiàng)目利用土地資源。

西部地區(qū)風(fēng)光資源豐富，人均土地面積較大，通過合理規(guī)劃，適合開發(fā)建設(shè)風(fēng)光大基地。但西部地區(qū)自然環(huán)境較為脆弱，部分地區(qū)承載多種生態(tài)保護(hù)功能，新能源項(xiàng)目無法在該類區(qū)域落地。以內(nèi)蒙古自治區(qū)為例，全區(qū)總面積118萬平方公里，草原面積76萬平方公里，其中80%為基本草原，也是我國北方面積最大、種類最全的生態(tài)功能區(qū)。因此，西部地區(qū)需要在生態(tài)保護(hù)和新能源開發(fā)中尋找平衡點(diǎn)，打破各部門各自為政的情況。

中東部地區(qū)用電負(fù)荷大，人均土地面積較小，適合開發(fā)中小型新能源基地及分散式接入項(xiàng)目。風(fēng)光發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)過程中對山體、林地?cái)_動(dòng)較大，運(yùn)營期會(huì)對周邊居民產(chǎn)生噪聲、光影閃爍等影響。此外，光伏發(fā)電占地面積較大，單位土地產(chǎn)值較低，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)政府開發(fā)意愿不強(qiáng)。浙江、福建等東部省區(qū)從自身發(fā)展階段出發(fā)，積極推進(jìn)人居生態(tài)環(huán)境保護(hù)，修復(fù)環(huán)境質(zhì)量，維護(hù)優(yōu)質(zhì)耕地，出臺(tái)了一系列土地、林地使用政策，客觀上限制了新能源項(xiàng)目的開發(fā)。

沿海地區(qū)風(fēng)能資源較好，適宜規(guī)?；_發(fā)海上風(fēng)電，但海上風(fēng)電場區(qū)及電纜走廊與漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)、主航道、動(dòng)物保護(hù)區(qū)、軍事敏感區(qū)等存在較大范圍重疊情況，導(dǎo)致規(guī)劃調(diào)整頻繁，增加了場區(qū)離岸距離，在增加投資成本的同時(shí)縮減了開發(fā)規(guī)模。

（二）新能源發(fā)電的固有波動(dòng)性帶來消納困難和系統(tǒng)穩(wěn)定性問題

新能源發(fā)電出力具有波動(dòng)性、間歇性的特點(diǎn)，與用電負(fù)荷變化趨勢差異顯著，功率預(yù)測難度較大。由于缺乏相應(yīng)的市場回報(bào)機(jī)制，電力系統(tǒng)中靈活性電源的比例偏低；受煤電產(chǎn)能調(diào)控、電網(wǎng)安全約束等因素影響，部分跨區(qū)輸電通道利用率不高；我國電力負(fù)荷曲線尖峰化特征明顯，5%峰荷持續(xù)時(shí)間不超過48小時(shí)[1]。一系列因素造成電力實(shí)時(shí)平衡的難度加大，影響新能源電力的消納。

隨著新能源大規(guī)模發(fā)展，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出高比例可再生能源、高比例電力電子設(shè)備的“雙高”特征。從電氣特性看，電力系統(tǒng)等值轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大幅度降低，系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力大幅削弱；從故障特性看，故障從局部向全局形成連鎖反應(yīng)沖擊，新的故障形態(tài)、擾動(dòng)形式已經(jīng)出現(xiàn)；從穩(wěn)定特性看，系統(tǒng)穩(wěn)定形態(tài)愈發(fā)復(fù)雜，易出現(xiàn)系統(tǒng)無功不足、電壓失穩(wěn)、頻率越限等問題[2]。

（三）新能源發(fā)電設(shè)備及技術(shù)快速更新迭代，國內(nèi)企業(yè)技術(shù)研發(fā)實(shí)力不足

經(jīng)過15年左右的發(fā)展，新能源行業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，技術(shù)快速更新迭代，國內(nèi)企業(yè)技術(shù)積累較為豐富，設(shè)備可靠性和能量轉(zhuǎn)換效率處于世界領(lǐng)先水平。在光伏領(lǐng)域，我國通過技術(shù)引進(jìn)、消化吸收、集成創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)技術(shù)和生產(chǎn)線的升級迭代，多次刷新并保持著商業(yè)化晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄，經(jīng)國家光伏質(zhì)檢中心測試，單晶PERC電池（Passivated Emitterand Rear Cell）達(dá)到24%的轉(zhuǎn)換效率。我國風(fēng)電整機(jī)已形成達(dá)到國際先進(jìn)水平的雙饋、直驅(qū)、半直驅(qū)多條成熟技術(shù)路線，低風(fēng)速風(fēng)機(jī)技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，推出了10兆瓦級海上風(fēng)電機(jī)組。

在“雙碳”進(jìn)程中，科技創(chuàng)新將成為新能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的根本動(dòng)力，而國內(nèi)對基礎(chǔ)理論研究不充分，企業(yè)研發(fā)實(shí)力及動(dòng)力不足，新能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展存在隱憂，主要表現(xiàn)在以下方面：國內(nèi)高校在基礎(chǔ)理論研究領(lǐng)域落后于企業(yè)發(fā)展需求，研究路線主要依賴國外熱點(diǎn)，原創(chuàng)技術(shù)探索較少，產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化通路不暢；專利數(shù)量較多，但大多數(shù)是產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的專利技術(shù)，而基礎(chǔ)創(chuàng)新的關(guān)鍵專利仍被國外掌握；國內(nèi)對關(guān)鍵技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)尚不完善，執(zhí)行體系不健全，技術(shù)與人才流失現(xiàn)象嚴(yán)重，影響了企業(yè)創(chuàng)新研發(fā)的積極性，2020年新能源企業(yè)研發(fā)投入比僅為約3%。在新能源大規(guī)模發(fā)展的背景下，企業(yè)以擴(kuò)大產(chǎn)能及搶占市場份額為優(yōu)先發(fā)展方向，會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)整體規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，但能量轉(zhuǎn)換效率提升緩慢，設(shè)備可靠性下降的情況。

（四）新能源發(fā)電系統(tǒng)性綜合成本進(jìn)一步增加

新能源發(fā)電投資中，土地使用、電網(wǎng)接入、開發(fā)費(fèi)用、資金成本及稅費(fèi)等非技術(shù)成本將在今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)保持較高水平。大規(guī)模發(fā)展新能源使度電成本持續(xù)下降，根據(jù)國際可再生能源署統(tǒng)計(jì)，2010年我國風(fēng)電度電成本為0.48元/千瓦時(shí)，2020年為0.29元/千瓦時(shí)，下降了40%；2010年我國光伏度電成本為2.08元/千瓦時(shí)，2020年為0.36元/千瓦時(shí)，下降了83%。隨著新能源發(fā)電比例的增加，會(huì)進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)中靈活性電源改造、系統(tǒng)調(diào)節(jié)運(yùn)行、電網(wǎng)建設(shè)方面的投資，增加全系統(tǒng)消納成本。在美國實(shí)施可再生能源配額制12年后，新能源電量比例提高5%，電價(jià)提高了17%；2019年德國新能源發(fā)電占比突破40%，電價(jià)比2015年增長約8%[3]。初步估算，我國風(fēng)電和光伏發(fā)電量占比上升到20%時(shí)，帶來全社會(huì)度電成本增加約0.03元；上升到30%時(shí)，帶來系統(tǒng)成本增加0.06元；當(dāng)占比達(dá)到50%時(shí)候，儲(chǔ)能等靈活性調(diào)節(jié)電源將會(huì)呈非線性增加趨勢，導(dǎo)致系統(tǒng)成本大幅增加。

三、新能源發(fā)展趨勢判斷

“十四五”及今后一段時(shí)期是世界能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期，全球能源將加速向低碳方向發(fā)展，新能源將逐步成長為主力能源。我國新能源發(fā)展面臨新任務(wù)新要求，機(jī)遇前所未有，2021年7月風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源被納入我國基礎(chǔ)設(shè)施公募REITs試點(diǎn)范圍，高質(zhì)量躍升發(fā)展任重道遠(yuǎn)，處于大有可為的戰(zhàn)略機(jī)遇期。綜合判斷，“十四五”時(shí)期我國新能源發(fā)展將進(jìn)入新階段，呈現(xiàn)以下幾個(gè)特征：

（一）優(yōu)化布局促進(jìn)規(guī)模化發(fā)展

“十四五”時(shí)期，新能源發(fā)電將形成大規(guī)模集中利用與分布式就地生產(chǎn)消納的平衡發(fā)展態(tài)勢。

“三北”地區(qū)風(fēng)光資源儲(chǔ)量豐富，適于大規(guī)模集中開發(fā)。通過實(shí)行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)和統(tǒng)一運(yùn)營，發(fā)揮規(guī)模效應(yīng)，有效分?jǐn)傞_發(fā)、建設(shè)及運(yùn)營成本，降低電價(jià)成本?！笆奈濉睍r(shí)期，將充分挖掘已建特高壓外送輸電通道的傳輸效率，推進(jìn)內(nèi)蒙古、甘肅、青海、新疆等區(qū)域風(fēng)光大基地建設(shè)，提高外送新能源電量比重。

中東部地區(qū)可結(jié)合資源稟賦、土地儲(chǔ)備、負(fù)荷特性等因素，發(fā)展分布式接入、就地消納的新能源項(xiàng)目。創(chuàng)新采用“風(fēng)電+”“光伏+”開發(fā)模式，利用沉陷區(qū)、荒山丘陵、建筑屋頂、公路鐵路邊坡等土地空間資源開展建設(shè)。通過土地入股等方式增加村鎮(zhèn)社區(qū)的參與度，推進(jìn)農(nóng)光、漁光互補(bǔ)開發(fā)模式，與電信基站、大數(shù)據(jù)中心等信息產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。

西南地區(qū)，依托金沙江、瀾滄江、大渡河等河流水電調(diào)節(jié)能力，充分挖掘現(xiàn)有外送通道輸送能力，開展周邊風(fēng)光資源勘查、建設(shè)條件摸排，適時(shí)啟動(dòng)水風(fēng)光綜合基地的開發(fā)建設(shè)，有序安排水電和新能源開發(fā)時(shí)序，明確新能源消納市場。

“十三五”時(shí)期，海上風(fēng)電成本逐步下降，但受裝備制造和建設(shè)難度等因素影響，發(fā)電成本仍然較高，初步預(yù)計(jì)“十四五”末期可實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)?！笆奈濉睍r(shí)期海上風(fēng)電發(fā)展仍需要補(bǔ)貼支持，依據(jù)項(xiàng)目風(fēng)能資源及建設(shè)條件，結(jié)合沿海各省經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，合理確定發(fā)展規(guī)模、補(bǔ)貼方式和強(qiáng)度。海上風(fēng)電以發(fā)展規(guī)?；ｍ?xiàng)目為主，穩(wěn)步推進(jìn)離岸遠(yuǎn)距離項(xiàng)目建設(shè)，探索長距離柔性直流輸電送出方式，研究深遠(yuǎn)海一體化漂浮式風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)。

（二）發(fā)展儲(chǔ)能促進(jìn)高比例消納

根據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2020年底，我國抽水蓄能裝機(jī)容量達(dá)到3210萬千瓦，新型儲(chǔ)能裝機(jī)容量達(dá)到290萬千瓦。隨著非水可再生能源占比的提高，電力系統(tǒng)對于儲(chǔ)能的需要也將上升。據(jù)預(yù)測，為滿足電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求，2030年需配備抽水蓄能裝機(jī)容量2億千瓦、新型儲(chǔ)能裝機(jī)容量8000萬千瓦。2060年需配備抽水蓄能裝機(jī)容量4.2億千瓦、新型儲(chǔ)能裝機(jī)容量6億千瓦。對于抽水蓄能而言，受制于場址條件及負(fù)荷距離，我國抽水蓄能站址資源有限。對于新型儲(chǔ)能而言，電池系統(tǒng)能量密度較低、成本較高、安全性存在巨大隱患，影響行業(yè)快速發(fā)展。

為實(shí)現(xiàn)新能源的高比例消納目標(biāo)，需大力提升儲(chǔ)能調(diào)節(jié)規(guī)模。對于抽水蓄能電站，開展省級抽水蓄能資源調(diào)查行動(dòng)，明確抽水蓄能電站的建設(shè)規(guī)模和布局，加快條件成熟的大型抽水蓄能電站開工建設(shè)，加快新建項(xiàng)目前期工作并力爭開工。對于電化學(xué)等新型儲(chǔ)能，積極推進(jìn)電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)儲(chǔ)能建設(shè)，并合理安排建設(shè)布局；開展儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，提升電池制造水平，實(shí)現(xiàn)電池大容量、高密度、低成本、高安全、長壽命的目標(biāo)；建立完善各地方儲(chǔ)能建設(shè)運(yùn)行要求，明確儲(chǔ)能備案并網(wǎng)流程。

（三）新能源領(lǐng)域創(chuàng)新研發(fā)力度持續(xù)增強(qiáng)

對于新能源領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)攻關(guān)，需加大資金資助力度。改進(jìn)現(xiàn)有研發(fā)評價(jià)體系，借鑒美國、丹麥、德國的經(jīng)驗(yàn)，建立中國可再生能源實(shí)驗(yàn)室，以此為樞紐整合創(chuàng)新研發(fā)資源，開展基礎(chǔ)研究和前沿技術(shù)研發(fā)。按照“應(yīng)用一代、研發(fā)一代、儲(chǔ)備一代”的原則，廣泛征求業(yè)界意見，設(shè)定中長期技術(shù)發(fā)展路線圖及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用目標(biāo)，實(shí)施國家新能源重大科技專項(xiàng)，調(diào)動(dòng)產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新單元聯(lián)合參與全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)創(chuàng)新。加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)法律建設(shè)，打造完善健全的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)執(zhí)行體系，提升企業(yè)創(chuàng)新研發(fā)的積極性。鼓勵(lì)支持轉(zhuǎn)化效率高的項(xiàng)目增加保障小時(shí)數(shù)或優(yōu)先上網(wǎng)，通過建設(shè)技術(shù)先進(jìn)的新能源工程項(xiàng)目，促進(jìn)轉(zhuǎn)化效率高的產(chǎn)品應(yīng)用，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級。

（四）破除體制障礙，建立市場決定電價(jià)的機(jī)制

通過加強(qiáng)基礎(chǔ)研究及應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)，提升新能源出力的預(yù)測精度。豐富電力市場品種，按時(shí)間長短分解中長期及現(xiàn)貨交易，實(shí)現(xiàn)市場連續(xù)交易。積極推動(dòng)新能源設(shè)施開展公募REITs試點(diǎn)，穩(wěn)妥地處理中央財(cái)政補(bǔ)貼資金應(yīng)收賬款，通過盤活存量資產(chǎn)帶動(dòng)新增投資建設(shè)。建立競爭有序的輔助服務(wù)市場，完善價(jià)格形成及交易機(jī)制，為儲(chǔ)能大規(guī)模參與系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)提供基礎(chǔ)。加快全國市場建設(shè)，擴(kuò)大市場交易范圍，實(shí)現(xiàn)大用戶和發(fā)電企業(yè)跨省跨區(qū)直接交易，打破省間壁壘。建立綠證、碳排放權(quán)市場化交易平臺(tái)，實(shí)行自愿認(rèn)購與強(qiáng)制交易相結(jié)合，通過價(jià)格機(jī)制體現(xiàn)新能源的綠色低碳屬性。

四、結(jié)束語

“十三五”時(shí)期，我國新能源發(fā)展成效顯著，新能源已經(jīng)從補(bǔ)充能源進(jìn)入到主力能源的發(fā)展階段，但也面臨國土空間、并網(wǎng)消納、技術(shù)創(chuàng)新、系統(tǒng)成本等方面的問題與挑戰(zhàn)?！笆奈濉睍r(shí)期，新能源將優(yōu)化布局促進(jìn)大規(guī)模發(fā)展，發(fā)展儲(chǔ)能促進(jìn)高比例消納，開展REITs試點(diǎn)促進(jìn)投資良性循環(huán)，持續(xù)增強(qiáng)創(chuàng)新研發(fā)力度，建立市場決定電價(jià)的機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)提供主力支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]  康重慶,姚良忠.高比例可再生能源電力系統(tǒng)的關(guān)鍵科學(xué)問題與理論研究框架[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2017(09).

[2]  袁小明,程時(shí)杰,胡家兵.電力電子化電力系統(tǒng)多尺度電壓功角動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2016(19).

[3]  Heptonstall, P.J., Gross, R.J.K. A systematic review of the costs and impacts of integrating variable renewables into power grids. Nat Energy 6, 72–83 (2021).

注：原文載自《中國工程咨詢》2021年第9期，本文有改動(dòng)。