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近日,清华大学电机系张宁副教授与康重庆教授在我国电力系统碳中和转型领域研究取得重要进展。电机系团队联合哈佛大学、清华大学气候变化与可持续发展研究院、清华大学环境学院、全球能源互联网发展合作组织开展我国电力系统碳中和转型全要素规划优化与运行模拟研究,结合我国可再生能源资源禀赋与电力系统实际数据分析了双碳目标对我国电力系统结构形态与转型成本的关键影响,推演了电力系统实现双碳目标的演化路径。研究成果以“中国电力系统实现碳中和的成本增量”(Cost Increase in the Electricity Supply to Achieve Carbon Neutrality in China)为题发表于国际学术期刊《自然·通讯》(Nature Communications)。

我国风光可再生能源能源禀赋的地理分布

我国电力系统目前年碳排放占全社会总碳排放量的40%以上。电力系统实现碳中和是我国实现全社会“3060”双碳目标的重要组成部分。目前我国电力系统火力发电量占比达67%,可再生能源发电量占比约27%。电力系统现有的结构形态无法适应面向双碳目标的发展需求。由于我国一次能源资源禀赋与其它国家区别较大,电力系统转型没有成熟的发展经验可以借鉴。电力系统消纳高比例可再生能源面临负荷保供以及保持系统安全稳定等前所未有的挑战。未来我国电力系统实现碳中和的技术路径、潜在效益、转型成本与最终结构形态尚不明确。

电力系统实现碳中和转型是一项资源-技术-经济耦合的复杂系统性工程。团队立足于我国电力系统转型挑战与可再生能源资源禀赋,全面构建了我国电力系统中长期发展规划所需的全要素数据库,并基于此建立了考虑可再生能源资源禀赋的电力系统中长期转型规划模型,对陆上与海上风电、集中式与分布式光伏、光热、火电、水电、核电、生物质能、碳捕集电厂、抽水蓄能、电化学储能、特高压交直流电网等关键要素进行了详细建模,同时考虑了系统低惯量、灵活性资源稀缺等碳中和电力系统将会面临的安全性挑战。

碳中和目标下我国各省电源发展规划模拟结果

研究表明,在碳中和目标下,我国电力系统结构形态将发生巨大变化。“风光等可再生能源电量占比快速增加,多种其他低碳发电与储能技术共同发展”将是双碳目标下我国电力系统发展的重要特征。电力系统达到碳中和的阶段时,电力负荷将主要由超过58亿千瓦的风电与光伏机组支撑,其电量渗透率将超过70%。电力网络逐步从单纯的电力传输通道转变为支撑不同区域间电力双向互济与共享的平台。此外,碳中和目标将使终端用电成本增加 19.9%。研究指出电力系统碳中和转型的道路上,宏观政策需要关注可再生能源高质量发展、电力市场建设以及对储能等新兴电力技术的支持。

碳中和目标下我国省间电量传输模拟结果

本项研究基于电机系张宁副教授带领团队自主开发的电力系统规划决策软件GOPT。该软件被国家电网、南方电网以及国核电力规划设计院等企业在日常电力规划工作中长期使用,支撑我国十余个省的电力规划,支撑我校气候变化与可持续发展研究院对电力系统碳达峰碳中和的研究。与此同时,该项研究工作构建的数据库、建模方法、量化归因评估方法以及实证结论能够为我国电力系统转型和可持续发展提供基础数据、研究工具及结论参考。

该论文的第一作者为清华大学电机系2017级博士生卓振宇,通讯作者为电机系张宁副教授与康重庆教授。其他作者包括清华大学气候变化与可持续发展研究院杜尔顺助理研究员、环境学院鲁玺长聘副教授、哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院克里斯·P·尼尔森(Chris P. Nielsen)研究员、以及全球能源互联网发展合作组织肖晋宇博士与吴佳玮博士。该项目得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目以及青年科学基金项目的资助。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30747-0

论文引用:

Zhuo, Z., Du, E., Zhang, N. et al. Cost increase in the electricity supply to achieve carbon neutrality in China. Nat Commun 13, 3172 (2022).

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