一、前言
美國可再生能源儲量豐富，但是可再生能源究竟能為電力系統(tǒng)貢獻多少電量？近幾年，美國可再生能源裝機呈快速增長趨勢，尤其是風電與光伏發(fā)電，未來電力系統(tǒng)如何消納更高比重的間歇性電量？不同類型的可再生能源是否有一定的協(xié)同作用，在更大區(qū)域內(nèi)整合可再生能源在多大程度上有助于電量消納？
美國可再生能源實驗室與麻省理工學院牽頭，美國能源部實驗室、工業(yè)界、高校與政府部門等各界人士共同參與，完成了《美國可再生能源發(fā)電前景研究》?！肚熬把芯俊凡捎脙煞N模型進行分析，分別為區(qū)域能源調(diào)度系統(tǒng)模型（Regional Energy Deployment System Model）與電網(wǎng)安全模型（GridView Model），著重研究不同可再生能源發(fā)電量比重對電源結(jié)構(gòu)、輸電設施以及消納措施等方面的影響，同時針對80%可再生能源發(fā)電量情景進行敏感性分析，而且考慮到了電量需求因素的影響。這對美國以及其他國家可再生能源發(fā)展具有重要借鑒意義。
二、情景及假設介紹
美國可再生能源發(fā)展受很多因素制約，包括政策與制度制約、技術(shù)發(fā)展水平、市場驅(qū)動因素等等。對未來可再生能源發(fā)展進行準確估計較為困難，為此《前景研究》設計十幾種情景方案進行分析?？紤]到未來可再生能源發(fā)電量比重在80%的可能性較大，《前景研究》在情景分析時分別考慮了技術(shù)發(fā)展水平、條件限制以及需求情況等因素制約。
為設定參考基準，《前景研究》設計了低需求基準情景，對2050年相關情形假設如下：（1）能源效率得到提高，電力需求增速放緩；（2）可再生能源成本與性能方面的改善，與目前聯(lián)邦及各州政策有關；（3）可再生能源政策制定主要受現(xiàn)有法律制約；（4）碳減排政策沒有實行，空氣污染條例與現(xiàn)狀相同。在此情景中，常規(guī)電源發(fā)展迅速，可再生能源發(fā)展緩慢。
考慮未來可再生能源發(fā)展不確定性，即可能受到政策、市場、技術(shù)等方面影響，為此《前景研究》設計了一系列探索性情景，著重考慮2050年可再生能源發(fā)電量不同比重（30%～90%，增量為10個百分點）對電源結(jié)構(gòu)、輸電設施及電網(wǎng)靈活性等方面影響，至于技術(shù)進步方面，假設出現(xiàn)了小規(guī)模技術(shù)進步。
2050年，可再生能源電量比重為80%可能性較大，此前提下，《前景研究》進行了敏感性分析，分別考慮技術(shù)進步、輸電設施、電網(wǎng)靈活性、資源供應量等因素的影響。涉及到的情景包括：80%RE-NTI情景（80%可再生能源發(fā)電量—技術(shù)保持在2010年水平）、80%RE-ITI情景（80%可再生能源發(fā)電量—小規(guī)模技術(shù)進步）、80%RE-ETI情景（80%可再生能源發(fā)電量—大規(guī)模技術(shù)進步）、輸電約束情景、靈活性約束情景以及資源約束情景。
電力需求情況與兩方面因素有關，即人口增長與經(jīng)濟發(fā)展。在低需求假設中，新型技術(shù)、積極的社會態(tài)度以及相關的政策等促使能源效率得到提高。在此假設中，電力需求在未來幾十年增速較慢，2050年電力需求量約3.92萬億千瓦時；不過在高需求假設中，能源效率仍然保持目前水平，導致2050年電力需求量高達5.1萬億千瓦時。
三、可再生能源電量比重增加的影響
1．現(xiàn)有政策對可再生能源電量比重影響不大
在現(xiàn)有政策下，可再生能源電量比重變化不大，正如低需求基準情景所示，從2010年至2050年，美國可再生能源發(fā)電量僅從12%增加至19.5%。其中，陸上風電裝機從3800萬千瓦增至8000萬千瓦，發(fā)電量從2.6%僅增加至6.1%；地熱發(fā)電裝機從240萬千瓦僅增加到1600萬千瓦，發(fā)電量僅增加了0.3%；生物質(zhì)直燃機組幾乎未增加，混燃機組增加450萬千瓦，發(fā)電量增加0.6%；光熱裝機并無明顯增加；海上風電裝機增加270萬千瓦；水電僅從7800萬千瓦增加至7900萬千瓦?？梢娙绻麩o激勵政策扶持，可再生能源發(fā)展相當緩慢。政策扶持是一方面，另外技術(shù)、市場等對可再生能源比重也具有重要影響，考慮到各種因素均具有不確定性，以下將進行探索性情景分析。
2．可再生能源比重增加對電源結(jié)構(gòu)具有重要影響
如圖1所示，間歇性電源對可再生能源電量比重具有重要貢獻，其低容量系數(shù)特點導致總裝機差異明顯。從低需求基準情景到90%可再生能源發(fā)電量情景，總裝機從9.5億千瓦增加到了13.9億千瓦。
可再生能源電量比重增加，各類型可再生能源裝機容量（電量）貢獻各不相同。從圖1可以看出，可再生能源比重從30%增加至90%時，陸上風電電量比重增加最為明顯，從1.3億千瓦增加至4億千瓦，當然海上風電也增加到了1.1億千瓦；光熱發(fā)電具有儲熱功能，對電網(wǎng)靈活性具有重要影響，截至2050年，光熱發(fā)電裝機也從幾千千瓦增至1.02億千瓦；另外，隨著燃煤機組退役，生物質(zhì)發(fā)電方式也逐漸從混燃轉(zhuǎn)向了直燃；而對于燃煤機組與燃氣機組，裝機與發(fā)電量均大幅下降；核電機組雖然裝機變化不大，但發(fā)電量卻從11%降至5%。
（a）2050年各技術(shù)裝機容量
圖1 2050年探索性情景中各技術(shù)裝機容量及發(fā)電量比重情況
3．提高可再生能源電量比重對輸電設施提出了較高要求
美國可再生能源處于偏遠地區(qū)，與負荷中心呈逆向分布格局，輸電設施建設至關重要，不僅可以輸送電力至負荷中心，互聯(lián)區(qū)域電網(wǎng)達到平滑間歇性電源出力的效果，還可以實現(xiàn)區(qū)域互補以增強電網(wǎng)可靠性與穩(wěn)定性的目的，另外對降低電價也非常有利。
表1分析了可再生能源電量比重增加至90%時，輸電線路容量、區(qū)域互聯(lián)容量以及投資的分布情況。在低需求基準情景中，輸電線路容量僅為51億千瓦-英里，而在90%可再生能源電量情景中，增至1970億千瓦-英里；投資方面，增加幅度更大，從18億美元/年增加至了83億美元/年，同時輸電損失也出現(xiàn)增加趨勢，即從6.3%增加至10.1%。
表1 探索情景中輸電需求
4．增強消納措施是提高可再生能源電量比重的重要保證
間歇性電源比重增加對電力系統(tǒng)具有重要影響。在30%可再生能源發(fā)電量情景中，間歇性電量占到13%，而在90%可再生能源發(fā)電量情景中，達到了48%。為應對高比例可再生能源電量所帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，必要消納措施必須得到增強，包括輸電設施建設、常規(guī)機組與可再生能源機組靈活性改善、儲能技術(shù)發(fā)展以及必要棄風棄光措施等。《前景研究》著重對規(guī)劃備用、運行備用、棄風棄光電量以及儲能技術(shù)等進行研究。
可再生能源比重增加對規(guī)劃備用容量影響不明顯。規(guī)劃備用主要保證電源充裕度，包括非間歇性電源裝機（火電、核電等常規(guī)機組，以及非間歇性可再生能源機組）、儲能設備以及極小部分間歇性電源裝機。從低需求基準情景到90%可再生能源發(fā)電量情景，規(guī)劃備用無明顯變化，維持在9億千瓦左右，而且各情景中備用容量系數(shù)均為15%。另外，可再生能源電量比重增加時，間歇性電源電量比重隨之增加，而非間歇性電源電量比重下降劇烈，但是裝機下降幅度并不大。從低需求基準情景到90%可再生能源發(fā)電量情景，非間歇性電源機組即儲能設備總?cè)萘肯陆祪H6%，但發(fā)電量下降近40%，主要為保證電源充裕度。間歇性電源對充裕度貢獻甚小，在90%可再生能源發(fā)電量情景中，風電與光伏發(fā)電總裝機超過7億千瓦，但是對規(guī)劃備用貢獻卻不超過1億千瓦。
短時間電力供需平衡主要由運行備用完成。根據(jù)服務類別，運行備用主要包括調(diào)頻、預測誤差以及事故備用；根據(jù)技術(shù)類別可分為發(fā)電備用、儲能設備以及可中斷負荷。隨間歇性電源電量比重增加，運行備用容量隨之提高，而且多數(shù)常規(guī)發(fā)電機組也由發(fā)電轉(zhuǎn)為提供備用。從低需求基準情景到90%可再生能源發(fā)電量情景，總運行備用容量從6000萬千瓦增加到1億千瓦，但是可中斷負荷卻隨之降低，這不僅與不斷增加的成本有關，而且富余的常規(guī)機組容量也是重要影響因素。
隨著可再生能源電量比重增加，棄風棄光電量也隨之增加?？稍偕茉措娏坎荒芗皶r被電網(wǎng)消納，或者儲能設備不能及時存儲，為保障電力系統(tǒng)運行，必須采取棄風棄光措施，而且棄風棄光電量隨著可再生能源電量比重增加呈上升趨勢。在30%可再生能源發(fā)電量情景中，棄風棄光電量達到120億千瓦時（此情景中占間歇性電源電量比重為2%），60%情景達到了600億千瓦時（占比4%），90%情景更是達到1500億千瓦時（占比7%）。為減小棄風棄光電量，《前景研究》提出以下措施：（1）易發(fā)生電力阻塞區(qū)域增加輸電線路容量；（2）增加備用共享，減少備用機組數(shù)量；（3）增強常規(guī)機組靈活性能，建立市場機制促進靈活性機組運行；（4）利用儲能技術(shù)或可控負荷對電網(wǎng)靈活性進行調(diào)節(jié)；（5）提高風電預測水平；（6）建立峰谷電價機制，激勵工業(yè)部門在發(fā)生棄風棄光時段進行合理利用。
間歇性電源帶動儲能技術(shù)發(fā)展，儲能裝機隨間歇性電源電量比重增加而增加。儲能技術(shù)不僅可以提供規(guī)劃備用與運行備用容量，增強電力系統(tǒng)靈活性，也可減小棄風棄光量。在低需求基準情景中，2050年儲能裝機僅為2800萬千瓦，而在30%、60%及90%可再生能源發(fā)電量情景中，分別達到了3100萬千瓦、7400萬千瓦以及1.42億千瓦。新建儲能設備主要以壓縮空氣儲能為主，而抽水蓄能裝機占有比重較小。
四、80%可再生能源發(fā)電量情景敏感性分析
2050年，美國可再生能源發(fā)電量比重為80%的可能性較大，但是未來發(fā)展中面臨著一系列不確定的影響因素，為此對約束條件進行假設顯得尤為重要，如技術(shù)發(fā)展水平、電力輸送約束、電網(wǎng)靈活性約束以及資源供應約束等?！肚熬把芯俊丰槍Σ煌募s束條件對80%可再生能源電量情景進行了敏感性分析，各類型可再生能源比例分布如圖2所示。
圖2 2050年各情景裝機容量及發(fā)電量結(jié)構(gòu)
80%RE-NTI、80%RE-ITI與80%RE-ETI這三種情景主要側(cè)重于目前較為前沿的發(fā)電技術(shù)——太陽能發(fā)電。從圖2可以看出，在80%RE-ETI情景中，光熱發(fā)電發(fā)展迅速，裝機達到1.3億千瓦，而水電與風電相對其他情景較低，僅為0.81億千瓦與3.9億千瓦；80%RE-NTI情景主要依賴目前較為成熟技術(shù)，風電與水電裝機增加較快，分別達到5.6億千瓦與1.7億千瓦，而光熱裝機僅100萬千瓦，規(guī)模光伏也僅達到500萬千瓦。
在輸電約束情景中，新建輸電設施受到限制，于是負荷中心地區(qū)可再生能源發(fā)展迅速，包括屋頂光伏、海上風電與生物質(zhì)發(fā)電，2050年其裝機分別達到1.7億千瓦、1.8億千瓦以及0.98億千瓦，而需要大量輸電設備發(fā)電技術(shù)，如光熱發(fā)電與陸上風電，僅為0.33億千瓦與0.28億千瓦。
在靈活性約束情景中，間歇性電源發(fā)展受到限制，而帶有儲熱光熱電站以及儲能機組發(fā)展迅速。2050年，光熱裝機高達0.89億千瓦，而規(guī)模光伏與風電僅為0.64億千瓦與4.2億千瓦。
資源約束情景中，受選址與許可程序影響，生物質(zhì)能、地熱能以及水能發(fā)展受到限制，但是資源分布廣泛的可再生能源呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢。2050年，光熱及陸上風電裝機分別達到1.2億千瓦與4億千瓦，而生物質(zhì)發(fā)電、地熱發(fā)電以及水電僅為0.52億千瓦、0.12億千瓦與1.04億千瓦。
能源效率與電力消費政策變化不明顯時，可能導致未來電力需求量大幅增加。為此，《前景研究》進行了“高需求80%可再生能源發(fā)電量”情景分析。此情景相比各低需求情景（包括80%RE-NTI、80%RE-ITI、80%ETI、資源約束情景、輸電約束情景、靈活性約束情景），總裝機從12.7億～14.7億千瓦增加至19.3億千瓦，光伏發(fā)電與海上風電增幅顯著，裝機分別達到4.2億千瓦與4.6億千瓦；由于資源限制，水能、生物質(zhì)能以及地熱能裝機比重有所降低。在“高需求80%可再生能源發(fā)電量”情景中，間歇性電源比重較大，達到了總電量49%（各低需求情景為39%～47%），于是輸電容量也隨之增加。為提高電網(wǎng)靈活性，天然氣機組也從低需求情景中的2.4億～3.01億千瓦增加至3.9億千瓦，運行備用也從0.93億～1.28億千瓦增加至1.43億千瓦，另外可中斷負荷也2800萬～4800萬千瓦增加至6400萬千瓦?？梢娦枨箅娏吭黾?，給整個電力系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)會更加嚴峻。
五、結(jié)語
化石能源的弊端日益凸顯，能源安全、能源價格、能源儲量、氣候問題、環(huán)境污染以及社會問題等等，均進一步限制了化石能源發(fā)展。加快可再生能源發(fā)展，已成為各國能源戰(zhàn)略的重要選擇，從近幾年形勢看，各國均掀起了可再生能源發(fā)展熱潮。然而在政策制度、技術(shù)發(fā)展水平、市場驅(qū)動等因素不確定的前提下，對未來可再生能源發(fā)展所產(chǎn)生的相關影響進行準確評估較為困難，為此《前景研究》針對各因素進行一系列情景分析，這對美國以及世界可再生能源發(fā)展具有重要影響。提高可再生能源發(fā)電量比重，需要從電源結(jié)構(gòu)、輸電設施、消納措施等方面共同努力，需要政府制定相關政策，進行資金支持，同時可再生能源在開發(fā)過程中，需要協(xié)調(diào)處理好發(fā)展規(guī)模與技術(shù)進步、社會影響、環(huán)境保護以及市場監(jiān)管等各方面的關系。
