清華新聞網(wǎng)3月17日電 加速構(gòu)建新型電力系統(tǒng)和推動其他難減排部門電氣化水平是我國實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要途徑,。面向未來，需要進(jìn)一步研究電力系統(tǒng)動態(tài)演進(jìn)路徑,，電力系統(tǒng)擴(kuò)張模型（PSEM）則是廣泛應(yīng)用于能源電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(fù)排放技術(shù)刻畫等較為簡略的限制,，難以系統(tǒng)回答大規(guī)模波動性可再生能源部署在高時空精度層面對電力系統(tǒng)的影響等科學(xué)問題,。
為此，清華大學(xué)核研院,、能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所團(tuán)隊聯(lián)合中國氣象科學(xué)研究院團(tuán)隊,，開發(fā)了新一代的PSEM——中國可持續(xù)電力系統(tǒng)綜合優(yōu)化模型（China Integrated Sustainable Power-system Optimization Model,CISPO），首次實現(xiàn)了整合多源氣象、地理和電力數(shù)據(jù),，完成了在大區(qū)域（中國內(nèi)地）尺度上,，以8760逐小時精度協(xié)同優(yōu)化容量擴(kuò)張和運行調(diào)度，其對風(fēng)能（陸上+海上風(fēng)電）和太陽能（集中式光伏+分布式光伏+光熱發(fā)電）的空間擴(kuò)張精度提升至25km×25km,，對水力發(fā)電的擴(kuò)張和調(diào)度精度提升至電站級別,，并內(nèi)生嵌入了火力發(fā)電的碳捕集裝置改造和二氧化碳源匯的最優(yōu)路徑?jīng)Q策。
2月25日,，研究論文以“綜合建模中國電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型路徑”（Integrated Modeling for the Transition Pathway of China’s Power System）為題,，發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）。清華大學(xué)能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所博士生朱子恒為論文的第一作者,，能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所張達(dá)副教授,、張希良教授為論文通訊作者，中國氣象科學(xué)研究院張小曳院士為共同通訊作者,。
研究團(tuán)隊使用CISPO模型以2022年為基年,，設(shè)計涵蓋了不同碳排放下降強(qiáng)度、可再生能源土地利用可獲得性,、技術(shù)進(jìn)步程度,、電力需求增長率和負(fù)排放技術(shù)可獲得性等10組情景，動態(tài)優(yōu)化了2030年至2060年我國的電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型路徑,。研究發(fā)現(xiàn),，在可再生能源投資成本持續(xù)下降的趨勢下，我國新型電力系統(tǒng)能以度電成本不高于2022年水平,，在2060年實現(xiàn)5.5億噸負(fù)排放目標(biāo),，如圖1所示。在基礎(chǔ)情景16萬億度每年的電力需求假設(shè)下,，全國需要6000GW左右風(fēng)能和太陽能,、600GW水力發(fā)電、437GW抽水蓄能,、572GW化學(xué)儲能和181GW生物質(zhì)能裝機(jī),，其中生物質(zhì)能碳捕獲和儲存（BECCS）168GW。
圖1.面向2060年的我國電力系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果,。（A）全國發(fā)電裝機(jī)容量,；（B）分省發(fā)電和儲能裝機(jī)容量；（C）全國儲能裝機(jī)容量,；（D）全國發(fā)電結(jié)構(gòu),；（E）全國電力系統(tǒng)平均度電成本結(jié)構(gòu)（配電網(wǎng)成本除外）
研究發(fā)現(xiàn)，我國需要在2045~2050年間開始大規(guī)模部署負(fù)排放技術(shù),，并導(dǎo)致這一時期電力系統(tǒng)成本顯著提高,。到2060年，生物質(zhì)發(fā)電結(jié)合碳捕集與封存技術(shù)將提供8.8億噸負(fù)排放，完全中和電力系統(tǒng)因熱電聯(lián)產(chǎn)和火電短時調(diào)節(jié)帶來的排放,，并實現(xiàn)電力系統(tǒng)的負(fù)排放目標(biāo)（-5.5億噸）,。內(nèi)生優(yōu)化的二氧化碳源匯匹配結(jié)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(chǔ)情景已經(jīng)嚴(yán)格限制生物質(zhì)燃料的獲取來源為農(nóng)林殘余物和廢棄土地上耕種的能源作物,，考慮到生物質(zhì)能使用的潛在負(fù)面影響，研究還模擬了無生物質(zhì)部署而采用直接空氣捕集的“無生物質(zhì)情景”,。在這種假設(shè)下,，2060年電力系統(tǒng)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(qū)，例如新疆,、蒙西和東北地區(qū),。
可再生能源布局方面，研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)電和光伏呈現(xiàn)兩種不同的擴(kuò)張方式,。風(fēng)電主要沿資源豐富區(qū)域擴(kuò)張,，呈現(xiàn)兩條近似平行的帶狀：一是集中于西北、華北和東北地區(qū)的陸上風(fēng)電,；二是集中于東南沿海地區(qū)的海上風(fēng)電,。光伏主要沿負(fù)荷中心向外擴(kuò)張，這是因為就近消納對光伏而言更加有優(yōu)勢,，體現(xiàn)在CISPO模型中為光伏格點至負(fù)荷中心的電網(wǎng)接入優(yōu)化,。光伏的部署需要占用大量土地，空間優(yōu)化結(jié)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(jī),。部分省份面臨較為嚴(yán)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(shè)的土地。更高的電力需求會進(jìn)一步加劇用地沖突,，這說明用地要素在未來規(guī)劃可再生能源發(fā)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(guī)模可再生能源的接入，電能量供給邊際成本呈現(xiàn)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(xiàn)的頻率更高,，這也表明電能量市場的波動性更大。
近日,，《關(guān)于深化新能源上網(wǎng)電價市場化改革 促進(jìn)新能源高質(zhì)量發(fā)展的通知》的發(fā)布,，標(biāo)志著我國新能源發(fā)展進(jìn)入了新階段，正式明確了新能源全部進(jìn)入電力市場,。因此,，評價新能源的經(jīng)濟(jì)性需要從過去的人工測算逐步提升到高精細(xì)度和全年時間覆蓋的系統(tǒng)性仿真預(yù)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(jié)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(tuán)隊長期開發(fā)的高時空精度電力規(guī)劃模型支撐了多項重要的國家立法工作和規(guī)劃政策,。2024年起，張希良教授團(tuán)隊受全國人大環(huán)資委委托,，承擔(dān)了《可再生能源法》修訂專家意見稿的起草任務(wù),；發(fā)表于《美國科學(xué)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(guān)的可再生能源規(guī)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(xué)基金兩個專項項目（“面向我國碳中和最優(yōu)路徑實現(xiàn)的自然—社會系統(tǒng)多尺度相互作用模式耦合,、數(shù)據(jù)監(jiān)測支持和決策支撐研究的頂層設(shè)計”和“碳達(dá)峰碳中和路徑與對策綜合研究”）的核心成果，并受美國環(huán)保協(xié)會,、英國EEIST項目和中德MOBILITY項目支持,。參與研究相關(guān)工作的清華大學(xué)研究生和本科生研究團(tuán)隊還得到清華大學(xué)“追光計劃”的經(jīng)費支持。
論文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ee/d5ee00355e
供稿：核研院
編輯：李華山
審核：郭玲
