大力發(fā)展光伏風(fēng)電，用大電網(wǎng)還是儲能？

現(xiàn)在很多專家談電力行業(yè)碳中和，存在語言誤區(qū)：分不清電量和功率的概念，也分不清減少煤炭用量和減少燃煤機(jī)組裝機(jī)容量的區(qū)別。這種混淆容易誤導(dǎo)社會和行業(yè)規(guī)劃，問題的正解應(yīng)當(dāng)是：在現(xiàn)有條件下，第一，減煤量不等于減煤機(jī)容量；第二，電化學(xué)儲能目前在經(jīng)濟(jì)性上無法代替大電網(wǎng)；第三，電網(wǎng)在目前的技術(shù)條件下無法離開煤機(jī)，而且隨著可再生能源的發(fā)展，在電價這個約束條件下，可能需要一定的煤機(jī)增長；第四，建議“十四五”規(guī)劃對于電源增長，除了考慮電量和銘牌功率（名義功率），還應(yīng)該考慮有效容量（真正可以支撐高峰負(fù)荷的可靠容量）。

對電力行業(yè)碳中和常見的三個誤解

目前來看，業(yè)界對電力行業(yè)碳中和工作的常見誤解有以下三方面：

誤解一

實現(xiàn)碳中和等于消滅煤電機(jī)組

碳中和實際上是要減少碳排放總量，總排放量與煤電機(jī)組的發(fā)電量正相關(guān)，煤電機(jī)組發(fā)電量等于煤電機(jī)組利用小時乘以煤電銘牌容量，即要減少煤電機(jī)組總排放量，加快降低煤電機(jī)組的利用小時即可，減少電量與減少容量沒有直接關(guān)系。只要保證利用小時的降低速度，煤機(jī)裝機(jī)容量適度增加并不意味著會產(chǎn)生比現(xiàn)在更多的碳排放量。隨著碳中和的推進(jìn)，可以肯定地說未來煤機(jī)的利用小時數(shù)無法回到過去計劃模式下，由能源主管部門核準(zhǔn)的4000-5000利用小時數(shù)。同時可以預(yù)見，煤機(jī)利用小時數(shù)將出現(xiàn)快速下降，大致達(dá)到每五年降低1000小時左右的水平，直至達(dá)到年利用小時1000的水平，進(jìn)入一個緩慢下降的平臺期。

誤解二

可再生能源已經(jīng)平價上網(wǎng)

可再生能源具有“自食效應(yīng)”，即可再生能源憑借近似于零的變動成本在電力市場里實現(xiàn)優(yōu)先消納的同時，拉低了現(xiàn)貨市場的價格，在打擊電能量市場競爭對手的同時，也減少了自身的營收。部分集中式風(fēng)電可以說已實現(xiàn)平價上網(wǎng)，但光伏由于其固有特性，同一地區(qū)所有光伏出力在同一時間，所有光伏都要為相同時段用電的用戶服務(wù)，造成光伏距離平價上網(wǎng)還有很長一段路。在世界范圍內(nèi)光伏裝機(jī)比例高的地區(qū)，光伏出力通常都在電力供給能力最強(qiáng)的時段，即使這個時段是負(fù)荷最高的時段，也會由于光伏比例的提高，變成供需比最大的時段，這個時段單位電價一定最低，造成只有低價時段出力的光伏發(fā)電，其平價水平不能簡單等同于全天出力的風(fēng)電。那么，光伏做到什么程度才能被認(rèn)為是真正實現(xiàn)了平價呢？在電力現(xiàn)貨市場里的價格能盈利，即為平價。以光伏裝機(jī)容量在全國排名第一的山東為例，光伏的大發(fā)時段是在上午10點到下午4點，從11點到14點的這3個小時內(nèi)，該時間內(nèi)現(xiàn)貨價格已經(jīng)壓到下限，也就是說，這個時候的現(xiàn)貨價格限價如果是0，現(xiàn)貨價格就是0，如果是限價是負(fù)數(shù)，現(xiàn)貨價格就是負(fù)數(shù)。計算平均價格后會發(fā)現(xiàn)，光伏發(fā)電時段的現(xiàn)貨價格只有度電幾分錢。如果現(xiàn)貨價格是幾分錢，為其避險的中長期電能量價格在這個時段也會比較低，這也好理解，10萬元等級的車，車主會認(rèn)為5000元以下的保險比較合適，那么現(xiàn)貨和中長期價格的比值近似可以認(rèn)為是1:1.05。山東的例子充分說明，如果談平價，山東的集中式光伏應(yīng)該是度電幾分錢才是真正的平價，因為其不可能在電價高的時段發(fā)電。

誤解三

碳中和不需要考慮市場化改革

一些國家敢于承諾到2040年或2050年實現(xiàn)碳中和，很大程度上是因為其已經(jīng)通過市場化改革，對運(yùn)行和投資效率進(jìn)行了優(yōu)化，系統(tǒng)運(yùn)行安全性和電網(wǎng)可靠性得到了保證。特別是未來系統(tǒng)需要常規(guī)電源支撐新能源發(fā)展，常規(guī)能源為電網(wǎng)提供轉(zhuǎn)動慣量和調(diào)節(jié)能力，使電網(wǎng)在不能離開常規(guī)能源的情況下，電能量收入大幅壓縮以致常規(guī)能源難以生存，就更加需要市場化機(jī)制，如容量市場、稀缺電價、輔助服務(wù)市場支撐常規(guī)電源在有大量新能源的電網(wǎng)中正常經(jīng)營。由此，可再生能源能夠通過市場機(jī)制找到最便宜的容量備用、調(diào)節(jié)電源、調(diào)節(jié)服務(wù)等，進(jìn)而達(dá)到最低廉的系統(tǒng)消納成本，抑制電價快速上漲，這是實現(xiàn)碳中和需要的邊界條件之一。

應(yīng)對風(fēng)光特性，用大電網(wǎng)還是儲能？

目前對于實現(xiàn)碳中和的路徑，能源領(lǐng)域普遍認(rèn)為需要大力發(fā)展光伏和風(fēng)電。風(fēng)光如果成為實現(xiàn)碳中和的主力，就需要解決其間歇性和波動性給系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來的問題。從技術(shù)層面看，有儲能和大電網(wǎng)兩種方式。電化學(xué)儲能的成本下降得很快，以鋰電池儲能系統(tǒng)為例，2009年時大約是5000元/千瓦時，現(xiàn)在可以做到1200元/千瓦時。據(jù)了解，儲能的成本每10年降一半的可能性是非常大的。以此為基礎(chǔ)，到2030年，電化學(xué)儲能的成本下降將非常顯著。

但當(dāng)前有一個很有意思的現(xiàn)象，支持電化學(xué)儲能的人也支持大電網(wǎng)的建設(shè)，實際上，電化學(xué)儲能和大電網(wǎng)是相互替代的技術(shù)。電力無法實現(xiàn)大規(guī)模經(jīng)濟(jì)存儲，發(fā)輸配售環(huán)節(jié)需要同時完成，所以才有大電網(wǎng)的概念。如果儲能技術(shù)取得了突破，可以配合集中式和分布式可再生能源，實現(xiàn)電力的大規(guī)模儲存，那時候就不再需要大電網(wǎng)了。但是很遺憾，從目前來看，還沒有實現(xiàn)這種突破。

首先，電化學(xué)儲能的絕對存儲能力還沒有達(dá)到可以替代大電網(wǎng)的程度。從能量密度上看，不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f一公斤煤炭大約能夠發(fā)三度電，如果一公斤的電池能夠儲存三度電，就意味著將來可以直接輸送電池，但現(xiàn)在儲能的能量密度大約只有三度的二十分之一。以京津唐電網(wǎng)為例，目前最大負(fù)荷是6000萬千瓦，最大負(fù)荷出現(xiàn)在每年的8月，這個月風(fēng)光的不穩(wěn)定時間大約會持續(xù)10天左右。如果依靠電化學(xué)儲能，不依靠煤電機(jī)組，這10天需要儲存由風(fēng)光生產(chǎn)的50億度電才能“扛”過去。按照極端情況下全部配置儲能（假設(shè)成熟替代方式只有儲能），電化學(xué)儲能成本以1000元/千瓦為基準(zhǔn)，京津唐需要投資5萬億元，而目前全國電網(wǎng)總資產(chǎn)大約只有6萬億元。

此外，近幾年儲能在國際上發(fā)展迅速。在歐美國家的電力批發(fā)市場里，儲能主要是功率型的應(yīng)用，因為其反應(yīng)速度快、精度高，可以在系統(tǒng)調(diào)節(jié)里發(fā)揮作用。而其能量型應(yīng)用主要在電網(wǎng)末端，原因是這些國家的電網(wǎng)收費(fèi)由輸電價、配電價和接入費(fèi)三部分構(gòu)成，接入主網(wǎng)的費(fèi)用需要由用戶來買單。對于用戶而言，在需求小幅增加的情況下，加裝電池儲能比多建一條電網(wǎng)線路可能更為經(jīng)濟(jì)。與此同時，部分國家的制度設(shè)計比較科學(xué)地明確了每一個節(jié)點、每一個用戶的經(jīng)濟(jì)責(zé)任，所以儲能在電網(wǎng)末端有很大的應(yīng)用空間。但在電力批發(fā)市場里，儲能則不是能量存儲的主要方式。

所以不能否認(rèn)，在局部地區(qū)、局部時段、部分功能上，儲能具備一定優(yōu)勢，但以目前的技術(shù)，還難以成為助力實現(xiàn)碳中和的主要方式，一定時間內(nèi)，仍然主要需要依靠大電網(wǎng)。

發(fā)電之外，燃煤機(jī)組有何用？

如果只能依靠大電網(wǎng)，就要看看電網(wǎng)到底需要什么樣的電源。

在大電網(wǎng)中，為什么說可再生能源的發(fā)展一定需要煤機(jī)？在這個討論語境下，煤機(jī)能做的事情，燃機(jī)也可以做到，甚至可以做得更好。為什么只談煤機(jī)，不考慮大規(guī)模發(fā)展燃機(jī)替代煤機(jī)呢？主要原因是考慮到國內(nèi)天然氣產(chǎn)量遠(yuǎn)低于需求量，加上燃?xì)鈾C(jī)組的國產(chǎn)化程度比較低，因此，發(fā)展煤機(jī)對能源安全和能源價格水平更有益處。

首先，煤機(jī)可以為電網(wǎng)提供日內(nèi)調(diào)節(jié)能力，這已經(jīng)被全社會所熟知，煤機(jī)還能提供容量備用。當(dāng)然，在可以承受電價適當(dāng)上漲的情況下，儲能也可以提供削峰填谷的調(diào)節(jié)能力，只是目前從經(jīng)濟(jì)上看，上文京津唐的例子已經(jīng)說明電化學(xué)儲能還不能作為多日容量備用，更談不到季節(jié)性備用了。

以云南為例說明容量備用的作用，云南修建了多座多年調(diào)節(jié)水庫，以至于部分大型電站枯期比豐期電量發(fā)得多。在調(diào)節(jié)水庫中，有兩個龍頭水庫，可以把多年間上游的多余水量存在水庫中，以豐補(bǔ)枯。從這個意義上看，現(xiàn)在云南電力領(lǐng)域已經(jīng)具備了實現(xiàn)碳中和的條件，但云南仍要保留1000多萬千瓦的煤電裝機(jī)。宣威電廠“破產(chǎn)不停產(chǎn)”，在多份公告中提到要保留生產(chǎn)能力，就是因為云南需要煤電作為容量備用，哪怕全省全年電量平衡中，完全不需要其生產(chǎn)電能量。每年汛期到來之前，水電都要為迎接汛期騰庫，把水位降低。騰庫的工作要提前進(jìn)行，而在水電出力不足的時候，仍然要保持電力供應(yīng)，如果使用電化學(xué)儲能，需要投資數(shù)萬億元，經(jīng)濟(jì)無法承受，于是這個時段只能完全依靠煤機(jī)填補(bǔ)空缺。云南每年水電騰庫的時期是其全年電力供應(yīng)最緊張的時期。在這個時期，調(diào)度給電廠發(fā)出的生產(chǎn)指令，通常是釋放最大生產(chǎn)能力，要求不惜代價購煤。在其他新能源規(guī)模較大的省區(qū)也有這種現(xiàn)象，隨著風(fēng)電、光伏的發(fā)展，需要煤機(jī)來提供容量備用。這些年，部分地區(qū)通常錯誤地用打壓煤電的方式來發(fā)展可再生能源，年底年初華中、西北部分省區(qū)供應(yīng)緊張，在一定程度上也是有效容量不足造成的。

其次，煤電還為電力系統(tǒng)提供了轉(zhuǎn)動慣量。轉(zhuǎn)動慣量表示的是一個物體維持其原來運(yùn)動狀態(tài)的能力，其能力大小與質(zhì)量有關(guān)，這種能力是維持系統(tǒng)穩(wěn)定的重要因素。目前世界范圍內(nèi)，還沒有運(yùn)行零轉(zhuǎn)動慣量電網(wǎng)的經(jīng)驗。有人說虛擬同步發(fā)電機(jī)可以替代煤機(jī)，起到同樣的作用，但這種方式在技術(shù)上尚未得到驗證，況且其造價是普通煤機(jī)的3-4倍。

當(dāng)下，能夠提供調(diào)節(jié)能力、容量備用、轉(zhuǎn)動慣量功能的主要是使用礦石類燃料的發(fā)電機(jī)組，比如核電、煤電、燃?xì)鈾C(jī)組。水電也可以提供容量備用，但是受到來水、天氣的制約。對電網(wǎng)而言，最基本的要求是電力連續(xù)、可靠。風(fēng)電、光伏要在電網(wǎng)的通行規(guī)律下運(yùn)行，需要付出一定的經(jīng)濟(jì)代價，當(dāng)前還沒有找到替代煤電的經(jīng)濟(jì)方案。

過去10年間，歐盟28國可再生能源發(fā)電量上漲了將近50%，礦石類燃料機(jī)組的總?cè)萘繀s沒有發(fā)生大的變化。能效的提高使得歐盟的總用電量下降。這種情況下，英國卻發(fā)生了停電事件，德國電力系統(tǒng)可靠性也在下降。這些事件背后出現(xiàn)的問題值得我們關(guān)注。

限電引發(fā)對有效容量的思考

在過去數(shù)年里，通常認(rèn)為中國的電力供給是過剩的。當(dāng)然，必須要指出的是，過剩并非特指煤電過剩，而是所有電源都過剩了，這種過剩是指電量生產(chǎn)能力的過剩。2020年冬湖南、江西、浙江等地發(fā)布有序用電通知，多地電力供應(yīng)出現(xiàn)短缺。內(nèi)蒙古、山西、甘肅這三個能源送出大?。▍^(qū)）也經(jīng)歷不同程度的錯峰限電。內(nèi)蒙古2020年錯峰100天，2021年將錯峰150天。這些省區(qū)，單單比較電力裝機(jī)規(guī)模和負(fù)荷規(guī)模，前者遠(yuǎn)大于后者，也印證了通常意義理解的“過?！?。但如果確實過剩，為何仍然需要錯峰限電？主要原因是電能量除了電量的要求，還存在電力的要求，電量生產(chǎn)能力的過剩，不等于電力的過剩，即銘牌容量總和不等于有效容量總和。

例如，煤機(jī)和燃機(jī)的有效容量指的是在最大負(fù)荷情況下能夠提供的容量，扣減廠用電、檢修時間、缺煤（氣）時間、非停時間等等，煤機(jī)有效容量能達(dá)到80%，燃機(jī)有效容量能夠達(dá)到90%。即一般規(guī)律上，以各類電源總裝機(jī)容量100萬千瓦為例，煤機(jī)在高峰時段能貢獻(xiàn)的可靠容量大概是80萬千瓦，核電是90萬千瓦，燃機(jī)也能到90多萬千瓦。

與礦石能源機(jī)組相比，考慮來水的不確定性，多年調(diào)節(jié)水電的有效容量只有40%多；光伏的有效容量更低。從北美ISO統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，在光照資源最好的地方，100萬千瓦的光伏能提供30萬千瓦有效容量，最低為5萬千瓦。當(dāng)系統(tǒng)最需要電力時，比如晚高峰，光伏發(fā)電是缺位的。隨著再電氣化和人民生活水平的提高，國內(nèi)的負(fù)荷季節(jié)特點會出現(xiàn)冬季高峰大于夏季高峰，晚高峰大于日高峰的趨勢。為保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，高峰負(fù)荷時，需要足夠的發(fā)電容量冗余。根據(jù)國內(nèi)一些測算，在電力現(xiàn)貨市場試點地區(qū)，風(fēng)電的有效容量為10%左右。例如，內(nèi)蒙古要解決錯峰問題，需要投資建設(shè)4臺100萬千瓦的煤機(jī)，風(fēng)電則需要上3000萬千瓦。在目前出現(xiàn)錯峰的地方，其實是系統(tǒng)中有效的裝機(jī)容量是不足的，不是名義容量（銘牌）不足，更不是電量生產(chǎn)能力不足。

綜上，為實現(xiàn)碳中和，電力領(lǐng)域努力的方向是減少煤炭的消耗量，而不是減少煤機(jī)的裝機(jī)數(shù)量。如果不能依靠儲能來消納可再生能源，必須要依靠電網(wǎng)的話，就需要相應(yīng)地發(fā)展煤機(jī)。以山東為例，從系統(tǒng)可靠性上看，山東現(xiàn)在的停電時間（年）約20分鐘。假設(shè)山東風(fēng)電增加800萬千瓦，光伏增加800萬千瓦，負(fù)荷增加800萬千瓦時，在不增加火電機(jī)組的情況下，山東電網(wǎng)停電時間將變成1759小時。這也意味著，一年有五分之一的時間有可能停電。為了縮短停電時間，需要配上煤機(jī)（或燃機(jī)），增加有效容量。當(dāng)煤機(jī)增加200萬千瓦，停電時間將逼近1000小時；當(dāng)煤機(jī)增加到600萬千瓦的時候，電網(wǎng)的停電時間將縮短至60小時左右。此時還沒有考慮可能出現(xiàn)的輸電阻塞，導(dǎo)致一個地區(qū)的煤電無法輸送到另一個地區(qū)需要增加更多煤機(jī)的問題。

總而言之，從目前條件來看，要保障系統(tǒng)可靠性，必須依靠大電網(wǎng)，受大電網(wǎng)正常運(yùn)行的要求，在大規(guī)模發(fā)展可再生能源的時候，需要配套發(fā)展煤機(jī)。建議“十四五”在考慮各個地區(qū)電源配比的時候，重點考慮不同類型電源的有效容量。也許我們會發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在的煤機(jī)并沒有過剩，尤其是在可再生能源富集的地區(qū)，考慮到供電可靠性需求，煤機(jī)實際上是緊張的。“十四五”規(guī)劃，應(yīng)該控制的是煤量而不是煤機(jī)數(shù)量。當(dāng)然對于煤機(jī)來說，必須努力壓減利用小時數(shù)，配合碳中和，而必須指出的是，具備完善的電能量、容量和輔助服務(wù)的電力市場是實現(xiàn)這個目標(biāo)最好的方式。同時，要對有效容量給予補(bǔ)償。補(bǔ)償不僅僅給煤機(jī)，能夠提供有效容量的可再生能源也需要獲得補(bǔ)償，即碳中和需要在市場環(huán)境下完成，通過計劃模式，無法達(dá)到目標(biāo)。
責(zé)編AJX