洪博文
國網(wǎng)能源研究院有限公司
國家電網(wǎng)有限公司能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟研究院
MIKETA Asami，GIELEN Dolf
國際可再生能源署創(chuàng)新與技術中心
引文信息
洪博文, MIKETA Asami, GIELEN Dolf, 等. 基于可再生能源的全球電氣化路徑與遠景分析[J]. 中國電力, 2020, 53(3): 159-166.
HONG Bowen, MIKETA Asami, GIELEN Dolf, et al. Global Renewable-Based Electrification Pathways and Its Long-Term Scenario Analysis[J]. Electric Power, 2020, 53(3): 159-166.
研究背景
當前，全球能源面臨巨大的轉(zhuǎn)型壓力，以電氣化、數(shù)字化和分散化發(fā)展為特征的技術創(chuàng)新已成為全球能源轉(zhuǎn)型的新驅(qū)動。隨著基于可再生能源的電氣化(簡稱“可再生能源電氣化”)的不斷推進，未來可再生能源與電力在終端能源消費中的占比將不斷提升，如何建設既清潔低碳又安全高效的能源系統(tǒng)成為全社會關注的焦點。
可再生能源電氣化在帶來能源轉(zhuǎn)型發(fā)展重大機遇的同時，也給能源系統(tǒng)帶來前所未有的挑戰(zhàn)，包括大量波動性可再生能源接入帶來的能源供需平衡壓力和系統(tǒng)性成本上升等。為應對這些挑戰(zhàn)，降低轉(zhuǎn)型成本并加快轉(zhuǎn)型步伐，需要進一步提升軟件、硬件、服務等基礎條件，同時結(jié)合技術創(chuàng)新探尋可再生能源電氣化的有效策略?？紤]能源轉(zhuǎn)型的復雜性和長期性，通過能源遠景模擬和分析可再生能源電氣化的路徑、前景和成本效益，無疑是當前和未來很長時期研究者關注的焦點。
論文所解決的問題及意義
可再生能源電氣化的路徑選擇是一個長期的、階段性的發(fā)展過程。沒有一種簡單的技術組合方式可以適用于所有場景，而且考慮不同國家地區(qū)的政策目標和市場環(huán)境的差異，在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)技術組合和資源配置的優(yōu)化也很困難。因此，全球能源遠景分析具有重要意義，但卻是一項復雜的系統(tǒng)工程，技術種類多，通常包含數(shù)百種技術類型可供選擇。其成本下降的趨勢也難以準確判斷，并且存在量變到質(zhì)變的可能，而且受不同地區(qū)資源、負荷和電力等基礎條件、能源政策和地緣政治的影響較大，存在較大的不確定性。
基于上述考慮，本文在研究中使用了全球范圍的大量可再生能源資源、技術和成本數(shù)據(jù)，并針對不同部門、不同技術類型做了大量的簡化假設，試圖描繪一幅基于可再生能源電氣化的藍圖，全面闡述可再生能源電氣化的路徑及其特征，并結(jié)合大量應用案例分析其在工業(yè)、建筑、交通等領域的應用現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)，并結(jié)合相關研究中提出的能源轉(zhuǎn)型場景，評估不同技術路徑的應用前景和效益，提出政策、技術和市場方面的措施建議。
論文重點內(nèi)容
可再生能源電氣化的挑戰(zhàn)主要來自波動性可再生能源占比持續(xù)上升給電力部門帶來的沖擊和挑戰(zhàn)。例如，按不同的終端能源應用領域考慮，工業(yè)部門由于其特有的對傳統(tǒng)化石能源燃料和生產(chǎn)原料的依賴，成為可再生能源電氣化挑戰(zhàn)最大的部門；建筑部門的主要挑戰(zhàn)來自熱電氣耦合系統(tǒng)的運行，尤其是在遠離赤道的冬季嚴寒地區(qū)，建筑電氣化將推升冬季的負荷需求高峰；而交通部門主要的挑戰(zhàn)來自電動汽車充電時間、地點和方式的不確定性，因此電動汽車的充電策略成為其對能源系統(tǒng)影響的關鍵因素。此外，重型工業(yè)和運輸業(yè)還存在大量難以直接電氣化的環(huán)節(jié)。
按照終端消費部門，可再生能源電氣化考慮的范圍包括：交通電氣化、工業(yè)電氣化、建筑電氣化。另外還包括利用可再生能源電力的間接電氣化，例如可再生能源電力制氫在交通或者工業(yè)部門的應用?？紤]可再生能源電氣化的未來能源圖景如圖1所示。
圖1 可再生能源電氣化的未來能源系統(tǒng)
以交通電氣化策略為例，實現(xiàn)轉(zhuǎn)型的主要技術路徑包括但不限于：1）增加道路交通中電動汽車的比例；2）可再生能源電力制氫支持燃料電池汽車和軌道列車的遠距離行駛；3）使用可再生能源電力生產(chǎn)合成氣或者合成油來替代交通化石燃料。
各個部門的電氣化路徑也并非彼此獨立，相反，任何一種技術路徑都可能對整個能源系統(tǒng)產(chǎn)生深遠的影響，不同部門之間也會因此產(chǎn)生更為緊密的聯(lián)系，進而形成相互耦合、相互影響的綜合能源系統(tǒng)。例如，電制氫及相關技術可為間接的可再生能源電氣化提供支撐，特別是對電氣化困難較大的行業(yè)產(chǎn)生重要影響，使終端用能部門的深度脫碳成為可能，如圖2所示。
圖2 基于電制氫技術對可再生能源電氣化路徑的影響
本文考慮可再生能源電氣化的主要技術路徑如表1所示。其中，直接電氣化包括前面介紹的各種可再生能源電力在終端用能部門的應用。
表1 2050能源轉(zhuǎn)型場景中的可再生能源電氣化技術路徑
基本研究思路：首先，以當前各國現(xiàn)狀及政策為基礎，得到2050年能源發(fā)展遠景作為參考場景；基于參考場景，為實現(xiàn)巴黎協(xié)議2°C溫升要求下碳減排70%以上的目標，結(jié)合對各地區(qū)可再生能源電氣化潛力的分析判斷，對參考場景下不同地區(qū)、不同部門的技術應用水平進行調(diào)整，最終得到2050年能源轉(zhuǎn)型場景；最后，對2種場景下的成本和效益進行分析，其中成本主要考慮低碳技術及相關基礎設施等的投資運行成本，效益則包括經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益等。
研究結(jié)論
（1）不同部門可再生能源電氣化的路徑和前景差異較大。例如，交通部門隨著電動汽車的普及電力占比從2015年的1%增加至2050年的33%，同時可再生能源占比從同期的4%增加到48%，是可再生能源電氣化潛力最大的部門；建筑部門由于熱泵和電炊具等的普及2050年電力占比將達56%，可再生能源占比將達77%，是除電力部門外可再生能源電氣化水平最高的部門。如表2所示。
表2 2050能源轉(zhuǎn)型場景下終端用能部門的可再生能源電氣化水平與低碳投資需求(2015—2050)
（2）可再生能源電氣化實現(xiàn)2050年的2°C溫升目標，不僅可行而且經(jīng)濟。2050年，可再生能源電力和電氣化將聯(lián)合貢獻超過40%的全球能源碳減排，與可再生能源的直接利用和能效手段結(jié)合，共同實現(xiàn)2°C溫升目標所要求的70%以上的碳減排。盡管與維持現(xiàn)狀的參考場景相比，需要增加近30%的低碳技術投資，但其總量相當于全球每年投入其GDP的2%，在經(jīng)濟可承擔的范圍之內(nèi)。如果考慮環(huán)境、就業(yè)、健康和GDP增長等綜合效益，可再生能源電氣化帶來的效益將數(shù)倍于其成本的增加。如圖3所示。
圖3 可再生能源和電氣化對全球低碳需求的貢獻度
建議：
（1）制定能源遠景規(guī)劃。明確可再生能源電氣化的角色和作用，包括各項相關基礎設施的新建或擴展規(guī)劃，如輸配電網(wǎng)規(guī)劃、電動汽車充電網(wǎng)絡規(guī)劃、氫生產(chǎn)和輸送管網(wǎng)規(guī)劃以及區(qū)域供熱系統(tǒng)規(guī)劃等。
（2）積極推動管理水平提升。包括采用分時電價等市場引導機制、通過補貼和激勵促進熱泵、電鍋爐和智能電表等；提高建筑能效，加強建筑隔熱保溫；擴大智能充電設施規(guī)模，做好電力設施需求評估和規(guī)劃，克服電網(wǎng)尤其是配電網(wǎng)的發(fā)展瓶頸。
（3）針對交通部門，通過智能充電和V2G技術充分利用電動汽車的靈活性潛力，避免由于電動汽車無序充電導致配電網(wǎng)改造成本快速增加；針對工業(yè)部門，可充分發(fā)揮公共政策對產(chǎn)品制造業(yè)的引導作用；針對建筑部門，應著力避免因冬季峰值負荷增長帶來的配網(wǎng)改造成本大幅攀升。關鍵的措施包括加強建筑的保溫隔熱以提升建筑能效和通過智能家居的靈活調(diào)節(jié)減少建筑用能等。
主要作者介紹
第一作者：洪博文，男，博士，高級工程師，通信作者，從事分布式電源和微電網(wǎng)的政策、管理及規(guī)劃研究。
第二作者：MIKETA Asami，女，博士，高級項目主管，從事能源轉(zhuǎn)型遠景分析、能源規(guī)劃、能源經(jīng)濟及相關政策研究。
團隊介紹
國家電網(wǎng)有限公司能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟研究院是國家電網(wǎng)公司2019年設立的研究機構(gòu)，目前與國網(wǎng)能源研究院一體化運作，下設政策研究中心、商業(yè)經(jīng)濟研究中心、運營機制研究中心，主要研究領域包括能源互聯(lián)網(wǎng)政策、商業(yè)模式、經(jīng)濟特性及相關法規(guī)研究、能源大數(shù)據(jù)及其增值服務創(chuàng)新研究、能源效能和經(jīng)濟效益分析等。
國際可再生能源署創(chuàng)新與技術中心(IRENA Innovation and Technology Centre，IITC)是IRENA最早成立的部門，也是IRENA的三個主要研究機構(gòu)之一，主要提供可再生能源創(chuàng)新與技術方面的尖端信息，探索面向未來可持續(xù)發(fā)展的全球能源轉(zhuǎn)型路徑。IITC中心不斷更新可再生能源技術成本數(shù)據(jù)，支持相關能源技術規(guī)劃、項目開發(fā)、能效策略制定和能源技術創(chuàng)新等，為IRENA成員國提供實踐指導和決策支持。中心每年公開出版大量研究報告，包括：《可再生能源容量統(tǒng)計年報（Renewable Capacity Statistics）》以及與國網(wǎng)能源研究院聯(lián)合開展的可再生能源電氣化研究（Electrification with Renewables: Driving the transformation of energy services）等。
