《美国可再生能源发电前景研究》解读
中国华能集团公司技术经济研究院
摘要：2012年，美国众多领域专家共同完成了《美国可再生能源发电前景研究》，该研究成果对美国可再生能源发展具有重要意义，同时对世界各国可再生能源发展产生了深刻的影响。考虑到各种因素对可再生能源发电量比重的影响，《前景研究》进行了探索性情景分析，研究不同可再生能源比重(30%～90%，增量为10个百分点)，对电源结构、输电设施、以及消纳措施的影响。考虑到2050年可再生能源电量比重为80%可能性较大，《前景研究》进行了敏感性分析，涉及到的因素包括技术进步、资源约束、输电约束、灵活性约束。针对未来电量需求增长情况，《前景研究》进行了“高需求发电量假设”，并与“低需求发电量假设”进行了对比。未来可再生能源发展面临众多挑战，需要协调好发展规模与技术进步、社会影响、环境保护以及市场监管等各方面的关系。
一、前言
美国可再生能源储量丰富，但是可再生能源究竟能为电力系统贡献多少电量?近几年，美国可再生能源装机呈快速增长趋势，尤其是风电与光伏发电，未来电力系统如何消纳更高比重的间歇性电量?不同类型的可再生能源是否有一定的协同作用，在更大区域内整合可再生能源在多大程度上有助于电量消纳?
美国可再生能源实验室与麻省理工学院牵头，美国能源部实验室、工业界、高校与政府部门等各界人士共同参与，完成了《美国可再生能源发电前景研究》。《前景研究》采用两种模型进行分析，分别为区域能源调度系统模型(RegionalEnergyDeploymentSystemModel)与电网安全模型(GridViewModel)，着重研究不同可再生能源发电量比重对电源结构、输电设施以及消纳措施等方面的影响，同时针对80%可再生能源发电量情景进行敏感性分析，而且考虑到了电量需求因素的影响。这对美国以及其他国家可再生能源发展具有重要借鉴意义。
二、情景及假设介绍
美国可再生能源发展受很多因素制约，包括政策与制度制约、技术发展水平、市场驱动因素等等。对未来可再生能源发展进行准确估计较为困难，为此《前景研究》设计十几种情景方案进行分析。考虑到未来可再生能源发电量比重在80%的可能性较大，《前景研究》在情景分析时分别考虑了技术发展水平、条件限制以及需求情况等因素制约。
为设定参考基准，《前景研究》设计了低需求基准情景，对2050年相关情形假设如下：(1)能源效率得到提高，电力需求增速放缓;(2)可再生能源成本与性能方面的改善，与目前联邦及各州政策有关;(3)可再生能源政策制定主要受现有法律制约;(4)碳减排政策没有实行，空气污染条例与现状相同。在此情景中，常规电源发展迅速，可再生能源发展缓慢。
考虑未来可再生能源发展不确定性，即可能受到政策、市场、技术等方面影响，为此《前景研究》设计了一系列探索性情景，着重考虑2050年可再生能源发电量不同比重(30%～90%，增量为10个百分点)对电源结构、输电设施及电网灵活性等方面影响，至于技术进步方面，假设出现了小规模技术进步。
2050年，可再生能源电量比重为80%可能性较大，此前提下，《前景研究》进行了敏感性分析，分别考虑技术进步、输电设施、电网灵活性、资源供应量等因素的影响。涉及到的情景包括：80%RE-NTI情景(80%可再生能源发电量—技术保持在2010年水平)、80%RE-ITI情景(80%可再生能源发电量—小规模技术进步)、80%RE-ETI情景(80%可再生能源发电量—大规模技术进步)、输电约束情景、灵活性约束情景以及资源约束情景。
电力需求情况与两方面因素有关，即人口增长与经济发展。在低需求假设中，新型技术、积极的社会态度以及相关的政策等促使能源效率得到提高。在此假设中，电力需求在未来几十年增速较慢，2050年电力需求量约3.92万亿千瓦时;不过在高需求假设中，能源效率仍然保持目前水平，导致2050年电力需求量高达5.1万亿千瓦时。
三、可再生能源电量比重增加的影响
1.现有政策对可再生能源电量比重影响不大
在现有政策下，可再生能源电量比重变化不大，正如低需求基准情景所示，从2010年至2050年，美国可再生能源发电量仅从12%增加至19.5%。其中，陆上风电装机从3800万千瓦增至8000万千瓦，发电量从2.6%仅增加至6.1%;地热发电装机从240万千瓦仅增加到1600万千瓦，发电量仅增加了0.3%;生物质直燃机组几乎未增加，混燃机组增加450万千瓦，发电量增加0.6%;光热装机并无明显增加;海上风电装机增加270万千瓦;水电仅从7800万千瓦增加至7900万千瓦。可见如果无激励政策扶持，可再生能源发展相当缓慢。政策扶持是一方面，另外技术、市场等对可再生能源比重也具有重要影响，考虑到各种因素均具有不确定性，以下将进行探索性情景分析。
2.可再生能源比重增加对电源结构具有重要影响
如图1所示，间歇性电源对可再生能源电量比重具有重要贡献，其低容量系数特点导致总装机差异明显。从低需求基准情景到90%可再生能源发电量情景，总装机从9.5亿千瓦增加到了13.9亿千瓦。
可再生能源电量比重增加，各类型可再生能源装机容量(电量)贡献各不相同。从图1可以看出，可再生能源比重从30%增加至90%时，陆上风电电量比重增加最为明显，从1.3亿千瓦增加至4亿千瓦，当然海上风电也增加到了1.1亿千瓦;光热发电具有储热功能，对电网灵活性具有重要影响，截至2050年，光热发电装机也从几千千瓦增至1.02亿千瓦;另外，随着燃煤机组退役，生物质发电方式也逐渐从混燃转向了直燃;而对于燃煤机组与燃气机组，装机与发电量均大幅下降;核电机组虽然装机变化不大，但发电量却从11%降至5%。
(a)2050年各技术装机容量
(b)2050年各技术发电量比例
图1 2050年探索性情景中各技术装机容量及发电量比重情况
3.提高可再生能源电量比重对输电设施提出了较高要求
美国可再生能源处于偏远地区，与负荷中心呈逆向分布格局，输电设施建设至关重要，不仅可以输送电力至负荷中心，互联区域电网达到平滑间歇性电源出力的效果，还可以实现区域互补以增强电网可靠性与稳定性的目的，另外对降低电价也非常有利。
表1分析了可再生能源电量比重增加至90%时，输电线路容量、区域互联容量以及投资的分布情况。在低需求基准情景中，输电线路容量仅为51亿千瓦-英里，而在90%可再生能源电量情景中，增至1970亿千瓦-英里;投资方面，增加幅度更大，从18亿美元/年增加至了83亿美元/年，同时输电损失也出现增加趋势，即从6.3%增加至10.1%。
表1 探索情景中输电需求
4.增强消纳措施是提高可再生能源电量比重的重要保证
间歇性电源比重增加对电力系统具有重要影响。在30%可再生能源发电量情景中，间歇性电量占到13%，而在90%可再生能源发电量情景中，达到了48%。为应对高比例可再生能源电量所带来的严峻挑战，必要消纳措施必须得到增强，包括输电设施建设、常规机组与可再生能源机组灵活性改善、储能技术发展以及必要弃风弃光措施等。《前景研究》着重对规划备用、运行备用、弃风弃光电量以及储能技术等进行研究。
可再生能源比重增加对规划备用容量影响不明显。规划备用主要保证电源充裕度，包括非间歇性电源装机(火电、核电等常规机组，以及非间歇性可再生能源机组)、储能设备以及极小部分间歇性电源装机。从低需求基准情景到90%可再生能源发电量情景，规划备用无明显变化，维持在9亿千瓦左右，而且各情景中备用容量系数均为15%。另外，可再生能源电量比重增加时，间歇性电源电量比重随之增加，而非间歇性电源电量比重下降剧烈，但是装机下降幅度并不大。从低需求基准情景到90%可再生能源发电量情景，非间歇性电源机组即储能设备总容量下降仅6%，但发电量下降近40%，主要为保证电源充裕度。间歇性电源对充裕度贡献甚小，在90%可再生能源发电量情景中，风电与光伏发电总装机超过7亿千瓦，但是对规划备用贡献却不超过1亿千瓦。
短时间电力供需平衡主要由运行备用完成。根据服务类别，运行备用主要包括调频、预测误差以及事故备用;根据技术类别可分为发电备用、储能设备以及可中断负荷。随间歇性电源电量比重增加，运行备用容量随之提高，而且多数常规发电机组也由发电转为提供备用。从低需求基准情景到90%可再生能源发电量情景，总运行备用容量从6000万千瓦增加到1亿千瓦，但是可中断负荷却随之降低，这不仅与不断增加的成本有关，而且富余的常规机组容量也是重要影响因素。
随着可再生能源电量比重增加，弃风弃光电量也随之增加。可再生能源电量不能及时被电网消纳，或者储能设备不能及时存储，为保障电力系统运行，必须采取弃风弃光措施，而且弃风弃光电量随着可再生能源电量比重增加呈上升趋势。在30%可再生能源发电量情景中，弃风弃光电量达到120亿千瓦时(此情景中占间歇性电源电量比重为2%)，60%情景达到了600亿千瓦时(占比4%)，90%情景更是达到1500亿千瓦时(占比7%)。为减小弃风弃光电量，《前景研究》提出以下措施：(1)易发生电力阻塞区域增加输电线路容量;(2)增加备用共享，减少备用机组数量;(3)增强常规机组灵活性能，建立市场机制促进灵活性机组运行;(4)利用储能技术或可控负荷对电网灵活性进行调节;(5)提高风电预测水平;(6)建立峰谷电价机制，激励工业部门在发生弃风弃光时段进行合理利用。
间歇性电源带动储能技术发展，储能装机随间歇性电源电量比重增加而增加。储能技术不仅可以提供规划备用与运行备用容量，增强电力系统灵活性，也可减小弃风弃光量。在低需求基准情景中，2050年储能装机仅为2800万千瓦，而在30%、60%及90%可再生能源发电量情景中，分别达到了3100万千瓦、7400万千瓦以及1.42亿千瓦。新建储能设备主要以压缩空气储能为主，而抽水蓄能装机占有比重较小。
四、80%可再生能源发电量情景敏感性分析
2050年，美国可再生能源发电量比重为80%的可能性较大，但是未来发展中面临着一系列不确定的影响因素，为此对约束条件进行假设显得尤为重要，如技术发展水平、电力输送约束、电网灵活性约束以及资源供应约束等。《前景研究》针对不同的约束条件对80%可再生能源电量情景进行了敏感性分析，各类型可再生能源比例分布如图2所示。
图2 2050年各情景装机容量及发电量结构
80%RE-NTI、80%RE-ITI与80%RE-ETI这三种情景主要侧重于目前较为前沿的发电技术——太阳能发电。从图2可以看出，在80%RE-ETI情景中，光热发电发展迅速，装机达到1.3亿千瓦，而水电与风电相对其他情景较低，仅为0.81亿千瓦与3.9亿千瓦;80%RE-NTI情景主要依赖目前较为成熟技术，风电与水电装机增加较快，分别达到5.6亿千瓦与1.7亿千瓦，而光热装机仅100万千瓦，规模光伏也仅达到500万千瓦。
在输电约束情景中，新建输电设施受到限制，于是负荷中心地区可再生能源发展迅速，包括屋顶光伏、海上风电与生物质发电，2050年其装机分别达到1.7亿千瓦、1.8亿千瓦以及0.98亿千瓦，而需要大量输电设备发电技术，如光热发电与陆上风电，仅为0.33亿千瓦与0.28亿千瓦。
在灵活性约束情景中，间歇性电源发展受到限制，而带有储热光热电站以及储能机组发展迅速。2050年，光热装机高达0.89亿千瓦，而规模光伏与风电仅为0.64亿千瓦与4.2亿千瓦。
资源约束情景中，受选址与许可程序影响，生物质能、地热能以及水能发展受到限制，但是资源分布广泛的可再生能源呈现快速发展趋势。2050年，光热及陆上风电装机分别达到1.2亿千瓦与4亿千瓦，而生物质发电、地热发电以及水电仅为0.52亿千瓦、0.12亿千瓦与1.04亿千瓦。
能源效率与电力消费政策变化不明显时，可能导致未来电力需求量大幅增加。为此，《前景研究》进行了“高需求80%可再生能源发电量”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、资源约束情景、输电约束情景、灵活性约束情景)，总装机从12.7亿～14.7亿千瓦增加至19.3亿千瓦，光伏发电与海上风电增幅显著，装机分别达到4.2亿千瓦与4.6亿千瓦;由于资源限制，水能、生物质能以及地热能装机比重有所降低。在“高需求80%可再生能源发电量”情景中，间歇性电源比重较大，达到了总电量49%(各低需求情景为39%～47%)，于是输电容量也随之增加。为提高电网灵活性，天然气机组也从低需求情景中的2.4亿～3.01亿千瓦增加至3.9亿千瓦，运行备用也从0.93亿～1.28亿千瓦增加至1.43亿千瓦，另外可中断负荷也2800万～4800万千瓦增加至6400万千瓦。可见需求电量增加，给整个电力系统带来的挑战会更加严峻。
五、结语
化石能源的弊端日益凸显，能源安全、能源价格、能源储量、气候问题、环境污染以及社会问题等等，均进一步限制了化石能源发展。加快可再生能源发展，已成为各国能源战略的重要选择，从近几年形势看，各国均掀起了可再生能源发展热潮。然而在政策制度、技术发展水平、市场驱动等因素不确定的前提下，对未来可再生能源发展所产生的相关影响进行准确评估较为困难，为此《前景研究》针对各因素进行一系列情景分析，这对美国以及世界可再生能源发展具有重要影响。提高可再生能源发电量比重，需要从电源结构、输电设施、消纳措施等方面共同努力，需要政府制定相关政策，进行资金支持，同时可再生能源在开发过程中，需要协调处理好发展规模与技术进步、社会影响、环境保护以及市场监管等各方面的关系。
