中國儲能網(wǎng)訊：近日，清華大學核能與新能源技術(shù)研究院張希良教授、張達副教授團隊與清華大學環(huán)境學院魯璽教授團隊聯(lián)合美國加州大學圣迭戈分校（UCSD）邁克爾·戴維森（Michael R.Davidson）助理教授團隊、中國氣象科學研究院張小曳院士團隊，開發(fā)了具有高時空精度的可再生能源布局與電力系統(tǒng)優(yōu)化模型（Renewable Energy Siting and Power-system Optimization Model, RESPO），并使用該模型研究了我國未來長期碳中和目標下的可再生能源發(fā)展布局優(yōu)化。分析結(jié)果顯示，在我國2060年度電力需求為15.4萬億度的假設下，我國需要分別部署20億~40億千瓦的風電和光伏裝機，同時應重視發(fā)展儲能系統(tǒng)和擴大特高壓跨省傳輸網(wǎng)絡。
發(fā)展以風力和光伏發(fā)電為代表的可再生能源是推動我國電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)碳中和目標的重要途徑。建設高比例可再生能源的電力系統(tǒng)，需要綜合考慮風光資源、地理特征、土地利用和電網(wǎng)消納能力等因素，以進行資源配置。長期以來，由于提升時空分辨率會增加電力系統(tǒng)優(yōu)化模型復雜度、帶來求解困難，因此，針對我國可再生能源發(fā)展的電力系統(tǒng)容量擴張和運行優(yōu)化模型在時空分辨率上精度有限，難以充分刻畫可再生能源發(fā)電在時間和空間兩個維度上的異質(zhì)性。
為此，聯(lián)合研究團隊開發(fā)了RESPO模型，首次實現(xiàn)了電力系統(tǒng)優(yōu)化模型同時在格點（約31km×25km）和全年8760小時逐小時級別對大區(qū)域尺度（中國內(nèi)地）的可再生能源容量擴張和運行調(diào)度進行優(yōu)化。
研究團隊使用RESPO模型針對我國未來長期碳中和目標下的可再生能源發(fā)展布局優(yōu)化開展研究，設計了涵蓋不同風電光伏投資成本、儲能建設成本、跨省傳輸線路建設成本、火力發(fā)電靈活性、電力系統(tǒng)負排放目標、土地利用政策嚴格程度和模型時空分辨率假設的34組情景進行分析比較。研究基準情景結(jié)果顯示，在我國2060年度電力需求為15.4萬億度的假設下，我國需要分別部署20億~40億千瓦的風電和光伏裝機，其中80%的光伏裝機和55%的風電裝機集中在電力負荷中心100公里范圍以內(nèi)（圖1）。
圖1.RESPO模型在2060年碳中和背景下的風電光伏布局優(yōu)化結(jié)果，（A）和（B）：格點級風電與光伏的裝機容量；（C）和（D）：風電和光伏接入到各用電負荷中心的裝機容量；（E）和（F）：與接入的負荷中心距離—風電和光伏裝機容量累計分布
此外，發(fā)展儲能系統(tǒng)和擴大特高壓跨省傳輸網(wǎng)絡是提高電力系統(tǒng)的可再生能源消納和安全保供能力的重要發(fā)展方向。基準情景結(jié)果顯示，為了保障約60億千瓦規(guī)模的風光消納，需要建設超過5億千瓦的抽水蓄能和超過7億千瓦的電化學儲能裝機；當允許模型考慮部署以壓縮空氣儲能（20小時放電容量）和液流電池（10小時放電容量）為代表的長時儲能技術(shù)時，長時儲能裝機可能達到3億千瓦的規(guī)模。
圖2.不同情景下儲能的裝機容量
研究的基準情景結(jié)果還顯示，2060年的跨省傳輸容量將提高到2020年水平約3倍。其中，擴張幅度最大的區(qū)域線路為蒙西—山東（由約1000萬千瓦提高到9000萬千瓦）；部分其他重要的南北方向電力傳輸通道也需要進一步加強，例如福建—浙江需要新增約7000萬千瓦容量將福建的海風發(fā)電輸送至浙江。圖3顯示了跨省電力傳輸（子圖A1）、總?cè)萘浚ㄗ訄DB1）與相對2020年的新增容量（子圖C1）情況。
圖3.2060年基準情景下特高壓傳輸網(wǎng)絡建設情況，（A）：跨省凈電量流向；（B）：區(qū)域間總的傳輸容量；（C）：新建傳輸容量
為評估土地利用政策嚴格程度對于相關(guān)結(jié)果的影響，研究還分別針對風電和集中式光伏的可建設潛力設計了高、中、低三個情景，形成3×3共計九種情景。模型結(jié)果顯示，當可供集中式光伏建設用地假設更加保守時，分布式光伏將在一定程度上替代集中式光伏裝機；在高電力需求和農(nóng)業(yè)大省，能源與糧食的用地競爭更加明顯，一些東部省份將利用幾乎所有可供集中式光伏建設的土地。相比之下，不同土地利用假設對風電裝機結(jié)果影響有限。圖5顯示了不同土地利用情景下的裝機容量（子圖A）、平均供電成本（子圖B）、風光裝機（子圖C）、分電網(wǎng)區(qū)域裝機（子圖D）、跨省傳輸通道容量（子圖E）與儲能裝機容量（子圖F）情況。
圖4.不同土地利用政策嚴格程度下的優(yōu)化結(jié)果，（A）：各發(fā)電技術(shù)最優(yōu)裝機容量；（B）：電力系統(tǒng)（不含配電）度電平均成本構(gòu)成；（C）：風電和光伏的裝機容量；（D）：不同區(qū)域風電和光伏的裝機容量；（E）：傳輸線路容量；（F）：儲能裝機容量
2月26日，研究論文以“支撐碳中和目標的高精度土地利用和電力規(guī)劃模型”（Spatially Resolved Land and Grid Model of Carbon Neutrality in China）為題，在線發(fā)表于《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS）。魯璽和邁克爾·戴維森（Michael R.Davidson）為論文通訊作者，張達為論文第一作者。研究得到國家自然科學基金以及清華大學原創(chuàng)探索計劃的支持。
