美国可再生能源发电前景研究

美国可再生能源发电前景研究

《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（Regional Energy Deployment System Model）与电网安全模型（GridView Model），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

美国可再生能源发电前景研究

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

美国可再生能源发电前景研究

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%。

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（a）2050年各技术装机容量

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

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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