海南清洁能源岛电力部门转型路径.pdf
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1、1 海南清洁能源岛 电力部门转型路径 2020年10月 2 目录目录 1.执行摘要.5 1.1 情景方法与电力系统建模.6 1.2 主要结果与分析.6 1.3 作为能源改革试点的海南.9 1.4 区域背景下的海南能源改革.9 缩写.10 2.相关背景简介.11 2.1 海南省社会经济发展概况.11 2.2 海南省能源发展概况.11 2.3 海南省能源发展前景:海南清洁能源岛.11 2.4 海南省能源发展面临的挑战.12 3.海南未来能源发展的可选路径.13 3.1 使用燃气、可再生能源及核能作为清洁能源.13 3.2 地区电力需求侧管理.13 3.3 绿色能源省际交易.13 4.长期能源情景.
2、14 4.1 长期能源情景的作用.14 4.2 CREO情景和建模的作用.14 4.3 从国家到省级的建模比例调整.15 5.长期能源情景建模.16 5.1 EDO情景分析概论.16 5.2 核心假设.16 5.3 情景设置.18 5.4 核心情景.19 5.5 敏感性因素.19 6.长期能源情景结果.21 6.1 常规发展(BAU)情景.21 3 6.2 清洁能源岛(CEI)情景.24 6.3 敏感性分析.31 7.结论.34 8.附件1:建模假设和方法.36 8.1 以CREO 2019为起点.36 8.2 将CREO情景应用于海南省和南网覆盖区.36 8.3 CREO情景的核心理念.37
3、 8.4 在EDO中对电力和区域供热部门建模.39 8.5 EDO中的地理拓扑.41 8.6 电网数据和假设.41 8.7 电力需求预测.44 8.8 发电.46 8.9 燃料成本.50 8.10 技术目录.52 4 鸣谢 此出版物由丹麦能源署和丹麦能源咨询公司 Ea Energy Analyses联合制作。联系信息 Giulia De Zotti 丹麦能源署 gidzens.dk 图片来源 封面照片由Colourbox提供 5 1.执行摘要执行摘要 海南省由海南岛及中国南海的其他岛屿构成。海南省经济发展迅速,人口高速增长,因此海南省的能源需求也增长迅猛。预计到2035年,海南的电力需求可能会
4、增长三倍。目前,海南省电力主要依赖煤炭和核能等非可再生能源。2019年5月,中国政府发布了国家生态文明试验区(海南)实施方案1,计划在2030年之前在海南省建成一个清洁能源发展的示范区。海南省清洁能源的发展与中国建设清洁、低碳、安全、高效的现代能源体系的总体战略2密不可分,它既是构建生态文明的部分内容,也与中国正在进行的电力市场改革息息相关。中国国家可再生能源中心(CNREC)每年都会发布一份中国可再生能源展望(CREO)报告,报告基于全面的能源体系建模,详细阐述中国能源体系的主要发展情景,对中国的清洁能源转型进行了专门分析。本报告采用CREO的建模工具和情景,分析了在2030年之前实现海南清
5、洁能源发展目标的可行途径,报告解决的主要问题如下:海南的电力部门如何转型并为实现清洁能源岛政策目标做出贡献?以及最低成本的方法是什么?有哪些替代方案?分析表明鉴于海南清洁能源岛(CEI)政策会对更大范围的能源体系产生切实的影响,所以必须与周边省份进行政策协调和市场设计协调。1 “中共中央办公厅 国务院办公厅印发国家生态文明试验区(海南)实施方案,”新华社,2019年5月12日,访问链接 http:/ https:/ 可以通过减少电力输出,增加可再生能源发电,去除发电构成中的煤炭,落实清洁能源发展路径。o 与常规发展相比,清洁能源发展路径的年度成本仅提高2%。o 风电和太阳能发电是取代煤炭发电的
6、最低成本路径。关于未来步骤的主要建议:o 结合更大范围的区域背景,执行本地电力系统分析。o 进行全面且系统化的分析,确保有效的平衡资源以及具有成本效益的能源转型。o 分析如何通过电力市场改革,有效协调支持CEI目标的政策机制。o 深化能源系统研究,争取2025年之前实现非化石能源占海南一次能源消费比重50%的短期目标。6 1.1 情景方法与电力系统建模 本报告使用中国国家可再生能源中心(CNREC)的电力和区域供热优化模型(EDO)进行了分析,通过模型找出在满足清洁能源目标和国家政策限制的前提下,对现有及规划发电和输电容量的最优成本投资方案。本报告以2019年中国可再生能源展望(CREO)作为
7、研究的基础,并使用了CREO中关于既有政策情景的关键假设和数据。本报告重点分析了如下两种核心情景:o 常规发展(BAU):在维持现行政策情况下,能源体系的在未来的变化趋势。o 清洁能源岛(CEI):基于海南在2030年之前减少燃煤发电量、增加低碳能源技术的计划,设定相关变量条件。在CEI情景下,还提出了三种不同的变化情况,分别是通过提高天然气发电、核能发电或输电容量,实现既定目标的可能路径。图1-1:情景和敏感性概览。1.2 主要结果与分析 在BAU情景下,核电装机量不断提高。到2030年,核电在海南发电构成中的占比将达到51%,风电和太阳能发电在发电构成中占比分别为11%和17%。由于核电装
8、机的提升,海南省与广东省间平均输电流向也将逆转:截至2020年,广东省仍需为海南省输送电力。而到2030年,海南省预计将向广东省净输出4.3太瓦时电力。图1-2:海南2020及2030年的发电构成,BAU和CEI情景的比较。7 2030 海南CEI目标是在BAU情景下,将2030年的可再生能源占比从36%提高到44%。与BAU情景不同,CEI情景的目标是在2030年完全淘汰煤电。通过提高风电和光伏发电量取代煤电,同时减少电力外送。模型结果中,核电比重的提高就是由于电力净输出量的下降导致海南省总发电量有所降低。CEI情景未分析新增水电,因此在两种情景中水电的比重和发电量是一样的。图1-3:CEI
9、目标对2030年海南年度发电量及输出量(太瓦时)和年度系统成本(百万元)的影响。CEI情景与BAU情景的比较。注:正数代表CEI情景下相对于BAU情景更高的发电量和更低的输出量。8 2030到2035年期间,为实现海南清洁能源目标,需在电力部门投入附加成本大约为每年4亿元。按每吨二氧化碳减排分摊计算,2030年的附加成本大约为50-60元/吨,该数值相对较低。附加成本来源于太阳能发电装机、电池储能和电力传输的附加投资。到2030年,BAU情景下海南清洁和低碳能源体系中电力部门的年度二氧化碳排放量为700万吨,而在CEI情景下,此排放量下降到130万吨。2020到2030年期间,CEI情景下减排
10、比例为91%,而在BAU情景下,此比例为36%。BAU情景下,海南电力部门的碳排放量减少36%,而CEI情景下的目标是相对2020年减少100%。图1-4:BAU和CEI情景下海南电力部门的CO2排放量,百万吨。所有敏感性情景都会改变海南的发电构成和输出/输入平衡。在分析中,天然气使用量及输电装机提高之后,从海南输出到广东的可再生能源发电量,及中国南方电网在海南之外的可再生能源发电量都会发生变化。在利用更多核电的情景下,海南的可再生能源发电被核电所替代。任何该等替代都不影响CO2排放,不论是在中国南方电网区域还是在海南省内部。图1-5:CEI目标对海南年发电量和输入量的影响,2030年CEI和
11、敏感性与BAU情景的比较,太瓦时。注:正数代表CEI情景下相对于BAU情景的更高发电量/输入量。此处,输入的正数代表从海南到广东输出量的下降。9 此分析表明在满足减少煤炭消耗目标的可选路径中,风电和太阳能发电提供了最低成本的路径。天然气不仅价格昂贵、依赖进口,且仍会产生碳排放。核电清洁没有碳排放,但有价格标签。海南岛与中国大陆之间的电力输送也是重要的路径之一,但存在输电线路过度建设的隐患,所以必须在未来对此进行追踪分析,同时该路径无法确保输入的电力是零碳排放的。图1-6:实现海南清洁能源岛的可选路径。图片简单标示了每一种技术路径在一些考量因素上的表现。符号代表“优势”与“劣势”或者介于两者之间
12、。1.3 作为能源改革试点的海南 尽管能源需求预期会有所增长,但前述分析表明,海南有丰富的可再生能源可用于发电,例如风能和太阳能。通过利用这些丰富的天然资源,可再生能源在海南能源构成中的比重有望提高。海南作为中国能源革命的试点地区,将为中国未来的能源改革提供宝贵的参考经验与规划范本。1.4 区域背景下的海南能源改革 随着海南省发电构成趋向使用更多的清洁能源,在评估政策措施时,还必须考虑相邻区域的发电构成。在CEI情景下,海南的煤炭用量的降低会被大陆侧的发电量抵消,在短期内该因素尤为显著。鉴于海南的CEI路径是净正值,因此在针对海南岛设定的限制与区域性电力交易系统及可再生能源电力消耗之间,必须有
13、政策衔接。这反映了海南能源综合改革方案中的各项政策的优先级,并强调构筑一个统一、开放、有序竞争的市场。10 缩写缩写 BAU 常规发展 CEI 清洁能源岛 CNREC 中国国家可再生能源中心 CREAM 中国可再生能源分析模型 CREO 中国可再生能源展望 CSG 中国南方电网 DEA 丹麦能源署 EPPEI 电力规划设计总院 ERI 能源研究所 ETS 碳排放交易体系 EV 电动汽车 FYP 五年规划 NDC 国家自主贡献 NDRC 国家发展和改革委员会 PV 太阳能光伏 RE 可再生能源 TSO 输电系统运营商 V2G 车辆与电网互联 11 2.相关背景简介相关背景简介 2.1 海南省社会
14、经济发展概况 海南省由中国南海的岛屿构成。陆地面积3.54万平方公里。海南省的人口稳定增长。2019年,海南常驻人口达到945万(其中59%为城镇人口),相比前一年增加了14万。预计到2030年,海南的人口将达到1248万。海南省气候温暖,是一个海滨沙滩为主要特色的旅游胜地。2018年4月起,海南省成为多项重要改革任务的试点区域,未来以现代服务业和海洋经济、推动旅游业、改善农业为主要发展方向。这些改革推动了海南经济的增速。根据海南省经济和社会发展“十三五规划”(FYP),预计到2020年底,海南GDP的年平均增速将达到8.5%,相比2010年增长一倍以上。在“十四五规划”(2021-2025)
15、中,海南的GDP预计将以12%的年平均增速快速增长。2.2 海南省能源发展概况 海南海南省省经济和人口经济和人口的的不断增长,对能源需求产生了巨大影响。不断增长,对能源需求产生了巨大影响。2018年,海南的能源消费总量为2200万吨标准煤当量,相比前一年增长了4%,人均能源消费量为2.4吨标准煤当量。电力消费量为32.7太瓦时,从2015年到2018年的年平均增长率为6.4%。2035年,海南省的电力消费总量预计将达到105太瓦时,而2026年到2025年之间的电力消费总量的年增长率将达到5.2%3。本研究报告基于电力规划设计总院(EPPEI)的分析,假设海南的电力需求更加平稳。假设2030年
16、的年电力需求为58太瓦时,2035年为72太瓦时,2020到2035年之间的年平均增长率为4.2%。海南的能源需求逐年上升。目前海南目前海南省省主要依赖主要依赖煤电煤电和核电。和核电。2018年,海南省的装机容量为9,130兆瓦,相比2015年增加了35%。该省装机容量的构成为:38%煤电,14%核电,13%太阳能光伏发电,9%水电和8%天然气发电。2018年,海南省的能源生产总量为406万吨标准煤当量,相比前一年增长了5.8%。原油和天然气的产量分别为43万和13万吨标准煤当量左右,水电和风电的总生产量为350万吨标准煤当量。2.3 海南省能源发展前景:海南清洁能源岛 海南省为该省的能源发展
17、提出了一系列具有挑战性的规划,即在2030年成为清洁能能源岛(CEI),优先发展低碳技术,减少对煤炭的依赖性。2018年4月,政府文件关于支持海南全面深化改革开放的指导意见提出支持海南进行全面能源改革,集中关注电力和供气的体制改革。3“海南能源发展现状,”中国南方电网,2019年,研讨会讲座,北京。12 规划推动了海南省清洁、低碳、安全及高效能源体系的发展。2019年3月,海南省发布了清洁能源汽车发展规划(2019-2030)公布了实现全清洁能源汽车的官方目标,即自2030年起全面禁止销售燃油汽车,提高电动汽车数量4。2019年5月,政府文件国家生态文明试验区(海南)实施方案5提出建设清洁能源
18、发展示范区、增加可再生能源发电量、利用需求响应提高能源效率。2020年7月,海南能源综合改革方案正式颁布6,方案除了提出一些相关措施外,还设定了以下各项目标:到2025年,清洁能源占一次能源消费比重达50%左右;到2035年,基本实现清洁、低碳、安全、高效的能源体系转型。2.4 海南省能源发展面临的挑战 为了建成清洁能源岛,应对不断增加的能源需求,海南必须解决能源体系中经济和运营方面的种种问题。海南省需要巩固能源基础设施建设。海南省的供电可靠性相对较低,用户年平均断电时长为15.7小时。海南省能源供应成本高昂。目前,海南省的供电成本仅次于上海,在全国排名第二。而清洁能源转型有可能进一步拉高能源
19、消费成本,从而限制海南的经济和工业发展。海南省尚未建立成熟的能源市场机制。2018年11月,海南省发起首次电力交易项目,但只有4家发电厂和11个电力用户参与。电力市场的参与者不多,难以实现有效的竞争。海南省需要加快电能替代的步伐。海南省提出了加速推广绿色汽车以及节能环保型汽车的计划,到2030年全面禁售燃油汽车。为了实现这一具有挑战性的目标,电动汽车的发展以及配套基础设施的建造亟待增速。海南还未建立峰值负荷调节辅助服务的成本补偿机制。因为核电所占比重较高,海南必须建造峰值负荷调节发电机和输电线路,以满足产生的峰值负荷资源短缺,包括抽水蓄能、天然气发电以及与大陆连接的海底电缆。但目前海南省对于此
20、种峰值负荷调节资源仍然缺少收回相关投资的有效机制。为了建成清洁能源岛,应对不断增加的能源需求,海南省必须解决能源体系中经济和运营方面的种种问题。4“Briefing-Hainans Clean Energy Vehicle Development Plan,”国际清洁运输理事会,2019年4月,访问链接 https:/theicct.org/sites/default/files/publications/Hainan_Clean_Energy_Vehicle_Dev_20190426.pdf。5“中共中央办公厅 国务院办公厅印发国家生态文明试验区(海南)实施方案,”新华社,2019年5月12
21、日,访问链接 http:/ https:/ 3.海南未来能源发展的可选路径海南未来能源发展的可选路径 对各种机遇及可选的解决方案进行完备的研究,是海南省建设清洁、低碳、安全、高效的能源体系的必行之举。3.1 使用燃气、可再生能源及核能作为清洁能源 海南省拥有一定油、气资源储备,这些资源主要位于中国南海。根据已公布的信息,海南已探明的石油地质储量大约为163亿吨,天然气大约为32万亿立方米,天然气水合物大约为643亿吨油当量。海南省可再生能源资源禀赋。风电方面,海南省海上风电的技术潜力预计约为4250兆瓦,陆上风电约为1300兆瓦,利用这些风能资源需要638平方千米的面积。在太阳能方面,海南省属
22、于太阳能资源富饶或者中等富饶区,理论装机容量为25250兆瓦。海南省也拥有丰富的生物质能、潮汐能和地热能。此外,海南省水电资源的理论储备量为1039兆瓦。目前,因为其环境影响以及需在沿海地区部署等原因,有声音表示可再生能源项目可能会影响旅游业。可采取推广生态旅游、进行环境影响评价等举措降低这一不利影响。海南可能进一步扩大核电装机。两个新建的核反应堆将于2025和2026年开始运营。但是,中国铀资源相对有限7,中国在铀方面对外国的依赖性预计比石油更高,因此过度依赖核电会影响中国的能源独立性。此外,在进一步讨论海南的核电发展时,应考虑环境影响和投资成本。3.2 地区电力需求侧管理 除了开发能源产生
23、的潜力之外,海南也可对能源消耗进行优化。随着数字化和智能电网的引入,可以调整能源需求、适应具有间歇性的可再生能源发电,并支持具有成本效益和环境可持续性的电力供需平衡。例如,可以为大型工业负荷和居民住宅用户装配智能电表,提高其能源消费意识。使用独立控制器追踪动态电价,在经济方便时安排消费,确保使用舒适度。此外,随着海南电动汽车数量的不断增长,如果电池的动态充/放电得以落实,那么停放状态的车辆将提供客观的电力灵活性。3.3 绿色能源省际交易 利用跨省联网线路也是海南省能源改革可选途径之一。海南已接入输电系统运营商(TSO)中国南方电网(CSG),与广东、云南、贵州和广西彼此连接。通过海底电缆,海南
24、的电力系统与广东电网连接。云南省可利用的水电资源排名中国第三,水力发电可向海南省输出。利用跨省联网线路开发具有成本效益的绿色能源,可支持海南省实现其绿色能源目标。但云南和广东之间的传输能力不足,没有充分的政策框架支持,难以实现运作良好的省际市场,所以云南的水电目前正受到严重限电的影响(31.2太瓦时,即2016年水电发电量的13.7%)。这些条件限制了邻近省份之间的电力交易。7 Xing Wanli,Chen Shan,“The Forecast of Demand and Supply Plan of Chinas Uranium Resources to 2030,”第六届信息、环境、能源
25、与应用国际会议论文集,2017年3月,访问链接 https:/dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3070617.3070639。14 4.长期能源情景长期能源情景 4.1 长期能源情景的作用 能源体系情景描述了关于未来的可能假设以及相应的路径,是帮助决策者应对不确定性,制定长远规划的有效工具。除了描述可能的未来与路径的共性之外,它还将能源情景分成三个类别:预测、探索和预期。预测情景旨在基于现状以及观察到的趋势,描述可能的未来。要描述维持现有政策状态下(也称为“常规发展”(BAU)情景)能源体系的预期演变时,经常使用预测能源情景。探索情景不仅是考虑现状,还旨在基于不同假设,通
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