【精彩论文】基于可再生能源的全球电气化路径与远景分析

Original 中国电力中国电力 2023-12-18

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洪博文

国网能源研究院有限公司

国家电网有限公司能源互联网经济研究院

MIKETA Asami，GIELEN Dolf

国际可再生能源署创新与技术中心

引文信息

洪博文, MIKETA Asami, GIELEN Dolf, 等. 基于可再生能源的全球电气化路径与远景分析[J]. 中国电力, 2020, 53(3): 159-166.

HONG Bowen, MIKETA Asami, GIELEN Dolf, et al. Global Renewable-Based Electrification Pathways and Its Long-Term Scenario Analysis[J]. Electric Power, 2020, 53(3): 159-166.

研究背景

当前，全球能源面临巨大的转型压力，以电气化、数字化和分散化发展为特征的技术创新已成为全球能源转型的新驱动。随着基于可再生能源的电气化(简称“可再生能源电气化”)的不断推进，未来可再生能源与电力在终端能源消费中的占比将不断提升，如何建设既清洁低碳又安全高效的能源系统成为全社会关注的焦点。

可再生能源电气化在带来能源转型发展重大机遇的同时，也给能源系统带来前所未有的挑战，包括大量波动性可再生能源接入带来的能源供需平衡压力和系统性成本上升等。为应对这些挑战，降低转型成本并加快转型步伐，需要进一步提升软件、硬件、服务等基础条件，同时结合技术创新探寻可再生能源电气化的有效策略。考虑能源转型的复杂性和长期性，通过能源远景模拟和分析可再生能源电气化的路径、前景和成本效益，无疑是当前和未来很长时期研究者关注的焦点。

论文所解决的问题及意义

可再生能源电气化的路径选择是一个长期的、阶段性的发展过程。没有一种简单的技术组合方式可以适用于所有场景，而且考虑不同国家地区的政策目标和市场环境的差异，在全球范围内实现技术组合和资源配置的优化也很困难。因此，全球能源远景分析具有重要意义，但却是一项复杂的系统工程，技术种类多，通常包含数百种技术类型可供选择。其成本下降的趋势也难以准确判断，并且存在量变到质变的可能，而且受不同地区资源、负荷和电力等基础条件、能源政策和地缘政治的影响较大，存在较大的不确定性。

基于上述考虑，本文在研究中使用了全球范围的大量可再生能源资源、技术和成本数据，并针对不同部门、不同技术类型做了大量的简化假设，试图描绘一幅基于可再生能源电气化的蓝图，全面阐述可再生能源电气化的路径及其特征，并结合大量应用案例分析其在工业、建筑、交通等领域的应用现状和挑战，并结合相关研究中提出的能源转型场景，评估不同技术路径的应用前景和效益，提出政策、技术和市场方面的措施建议。

论文重点内容

可再生能源电气化的挑战主要来自波动性可再生能源占比持续上升给电力部门带来的冲击和挑战。例如，按不同的终端能源应用领域考虑，工业部门由于其特有的对传统化石能源燃料和生产原料的依赖，成为可再生能源电气化挑战最大的部门；建筑部门的主要挑战来自热电气耦合系统的运行，尤其是在远离赤道的冬季严寒地区，建筑电气化将推升冬季的负荷需求高峰；而交通部门主要的挑战来自电动汽车充电时间、地点和方式的不确定性，因此电动汽车的充电策略成为其对能源系统影响的关键因素。此外，重型工业和运输业还存在大量难以直接电气化的环节。

按照终端消费部门，可再生能源电气化考虑的范围包括：交通电气化、工业电气化、建筑电气化。另外还包括利用可再生能源电力的间接电气化，例如可再生能源电力制氢在交通或者工业部门的应用。考虑可再生能源电气化的未来能源图景如图1所示。

图1 可再生能源电气化的未来能源系统

以交通电气化策略为例，实现转型的主要技术路径包括但不限于：1）增加道路交通中电动汽车的比例；2）可再生能源电力制氢支持燃料电池汽车和轨道列车的远距离行驶；3）使用可再生能源电力生产合成气或者合成油来替代交通化石燃料。

各个部门的电气化路径也并非彼此独立，相反，任何一种技术路径都可能对整个能源系统产生深远的影响，不同部门之间也会因此产生更为紧密的联系，进而形成相互耦合、相互影响的综合能源系统。例如，电制氢及相关技术可为间接的可再生能源电气化提供支撑，特别是对电气化困难较大的行业产生重要影响，使终端用能部门的深度脱碳成为可能，如图2所示。

图2 基于电制氢技术对可再生能源电气化路径的影响

本文考虑可再生能源电气化的主要技术路径如表1所示。其中，直接电气化包括前面介绍的各种可再生能源电力在终端用能部门的应用。

表1 2050能源转型场景中的可再生能源电气化技术路径

基本研究思路：首先，以当前各国现状及政策为基础，得到2050年能源发展远景作为参考场景；基于参考场景，为实现巴黎协议2°C温升要求下碳减排70%以上的目标，结合对各地区可再生能源电气化潜力的分析判断，对参考场景下不同地区、不同部门的技术应用水平进行调整，最终得到2050年能源转型场景；最后，对2种场景下的成本和效益进行分析，其中成本主要考虑低碳技术及相关基础设施等的投资运行成本，效益则包括经济、社会和环境效益等。

研究结论

（1）不同部门可再生能源电气化的路径和前景差异较大。例如，交通部门随着电动汽车的普及电力占比从2015年的1%增加至2050年的33%，同时可再生能源占比从同期的4%增加到48%，是可再生能源电气化潜力最大的部门；建筑部门由于热泵和电炊具等的普及2050年电力占比将达56%，可再生能源占比将达77%，是除电力部门外可再生能源电气化水平最高的部门。如表2所示。

表2 2050能源转型场景下终端用能部门的可再生能源电气化水平与低碳投资需求(2015—2050)

（2）可再生能源电气化实现2050年的2°C温升目标，不仅可行而且经济。2050年，可再生能源电力和电气化将联合贡献超过40%的全球能源碳减排，与可再生能源的直接利用和能效手段结合，共同实现2°C温升目标所要求的70%以上的碳减排。尽管与维持现状的参考场景相比，需要增加近30%的低碳技术投资，但其总量相当于全球每年投入其GDP的2%，在经济可承担的范围之内。如果考虑环境、就业、健康和GDP增长等综合效益，可再生能源电气化带来的效益将数倍于其成本的增加。如图3所示。

图3 可再生能源和电气化对全球低碳需求的贡献度

建议：

（1）制定能源远景规划。明确可再生能源电气化的角色和作用，包括各项相关基础设施的新建或扩展规划，如输配电网规划、电动汽车充电网络规划、氢生产和输送管网规划以及区域供热系统规划等。

（2）积极推动管理水平提升。包括采用分时电价等市场引导机制、通过补贴和激励促进热泵、电锅炉和智能电表等；提高建筑能效，加强建筑隔热保温；扩大智能充电设施规模，做好电力设施需求评估和规划，克服电网尤其是配电网的发展瓶颈。

（3）针对交通部门，通过智能充电和V2G技术充分利用电动汽车的灵活性潜力，避免由于电动汽车无序充电导致配电网改造成本快速增加；针对工业部门，可充分发挥公共政策对产品制造业的引导作用；针对建筑部门，应着力避免因冬季峰值负荷增长带来的配网改造成本大幅攀升。关键的措施包括加强建筑的保温隔热以提升建筑能效和通过智能家居的灵活调节减少建筑用能等。

主要作者介绍

第一作者：洪博文，男，博士，高级工程师，通信作者，从事分布式电源和微电网的政策、管理及规划研究。

第二作者：MIKETA Asami，女，博士，高级项目主管，从事能源转型远景分析、能源规划、能源经济及相关政策研究。

团队介绍

国家电网有限公司能源互联网经济研究院是国家电网公司2019年设立的研究机构，目前与国网能源研究院一体化运作，下设政策研究中心、商业经济研究中心、运营机制研究中心，主要研究领域包括能源互联网政策、商业模式、经济特性及相关法规研究、能源大数据及其增值服务创新研究、能源效能和经济效益分析等。

国际可再生能源署创新与技术中心(IRENA Innovation and Technology Centre，IITC)是IRENA最早成立的部门，也是IRENA的三个主要研究机构之一，主要提供可再生能源创新与技术方面的尖端信息，探索面向未来可持续发展的全球能源转型路径。IITC中心不断更新可再生能源技术成本数据，支持相关能源技术规划、项目开发、能效策略制定和能源技术创新等，为IRENA成员国提供实践指导和决策支持。中心每年公开出版大量研究报告，包括：《可再生能源容量统计年报（Renewable Capacity Statistics）》以及与国网能源研究院联合开展的可再生能源电气化研究（Electrification with Renewables: Driving the transformation of energy services）等。

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编辑：杨彪

审核：许晓艳