国家气候中心王阳：2050年风光可提供67%电力需求，不需要储能和需求侧响应
10月14日，2020北京国际风能大会暨展览会（CWP 2020）在北京新国展召开。本届大会围绕“引领绿色复苏构筑更好未来”主题，致力于把握当前科技革命和产业革命的历史性机遇，推动风电产业高质量发展，为后疫情时代全球经济绿色复苏、构建零碳社会夯实基础。国家气候中心高级工程师王阳出席大会并发表题为《中国高比例风光电力系统与碳中和》的主旨演讲。
国家气候中心高级工程师王阳
王阳表示，中国风电光伏的技术开发量没有天花板。目前陆上140米高度的风电技术可发量就大于50亿千瓦。到2050年如果风电装机25亿千瓦，光伏26.7亿千瓦，按照全国小时级别的电力电量互动平衡来说，不需要储能和需求侧响应，仅靠风光就可以提供全国67%的电力电量需求，同时弃风弃光率低于8%。如果高比例风光电力系统实现，可以证明中国有能力实现1.5度温控目标和碳中和目标。
以下为王阳主旨演讲实录：
各位领导，各位嘉宾，大家好，我是来自国家气候中心的王阳。今天给大家分享的题目是《中国高比例风光电力系统与碳中和》。前面一些领导和专家都提到了习主席在75届联合国大会上的郑重宣告，即中国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。这实际上就意味着我们能源系统要进行快速转型。刚才中国宏观经济研究院能源研究所所长王仲颖在演讲中也提到了一些相关研究成果，能源系统的快速转型要求绿色电力，包括风电和光伏要在其中起到更大作用。
根据《2019年可再生能源发电成本》报告，过去十年风电、光伏发电成本大幅下降，为能源转型奠定了坚实的基础。
通常，我们认为新能源具有间歇性和波动性，其对电网的安全运行带来巨大压力。但风能和太阳能又具有时空互补性。具体来讲，在一天24小时内，光伏板只有白天可以发电，晚上不行。但晚上有风，风机可以继续发电。所以在一天24小时内，风能太阳能有一个日内的互补。在季节性尺度上，太阳能是夏秋季节比较丰富，而风能是冬春季节比较丰富，所以在季节尺度上二者也有一个互补关系。对于不同地区而言也有一个互补关系。对于风能来说，内蒙的风比较大，而华北平原风比较小，空间上可以互补。我们能不能利用风能和太阳能的互补性特征，来解决它的间歇性和波动性呢？针对这一问题，专家们进行了大量研究。结果发现：连接更大区域的风电场和光伏电站可以有效“平滑”风电、光伏发电的波动性，优化风电和光伏发电的组合方式，可以提高耦合发电系统稳定性。
今天我的报告是想回答以下科学问题：即风能太阳能的资源禀赋能否支撑中国电力系统转型？高比例可再生能源情景下，中国风能太阳能开发的优化布局？
针对这个问题，我们做了一个系统模拟实验。首先我们假设，全国范围内仅考虑风电和光伏的电力供给。为什么做这样一个假设呢？我们主要基于以下两个理由，一个是国家《可再生能源法》要求风电、光伏优先入网；第二点是风电和光伏发电的边际成本几乎为零。模型的约束条件是风电光伏可开发区的技术装机容量大于等于零，小于等于最大可装机容量。目标函数是风光耦合发电量与电力负荷之间的偏差（绝对值）最小。换言之，要求风光发电最大程度地满足电力负荷，同时要求弃风弃光率最低。
研究使用国家气候中心研制的高时空分辨率风能太阳能资源数据库来计算逐小时的风电和光伏发电图谱。
高时空分辨率风能、太阳能数据库
技术开发量评估流程，需剔除限制性因子
接下来，我们进行了风电和光伏的技术开发量评估。考虑到风能太阳能资源开发受到很多技术性、政策性和经济性因子的限制，在实际评估过程中我们对上述因子进行空间筛选，最终得到了全国不同地区的风电和光伏技术开发量。
上述评估结果完全可以回答行业外的一些质疑：即中国的风电和光伏技术开发量没有天花板。2019年，我国风电和光伏的装机都是2亿千瓦多一点。与陆上140米高度风电的技术开发量（51亿千瓦）相比，目前风电仅开发了不到5%。中国陆上光伏发电的技术开发量约456亿千瓦，这个数字比刚才王仲颖所长讲的1200多亿千瓦要保守一点。但无论怎么比，光伏也仅利用了的千分之五不到。
在电力负荷预测方面，我们以2017年全国各省逐小时的电力负荷为基础，依据区域电力需求和电力增长率，预测2050年全国各省的逐小时电力负荷。
首先，我们在每一个省上进行空间求解。结果显示，2050年全国平均的风光渗透率为51.5%。具体而言，新疆、西藏、青海、甘肃、内蒙等省（自治区）的风光渗透率大于80%。而上海、江苏、浙江等省的风光渗透率小于50%。说明，风光资源越好，且电力负荷越小的省份，其风光渗透率越高。这也反应了中国新能源电力供给和电力需求的时空不匹配。
接下来，我们分析了风光发电量与风光渗透率的关系。研究发现，风力发电量占比越高，其风光渗透率越高。与光伏发电相比，风力发电量的增加对于提高风光渗透率的作用更为显著。为什么这么说呢？因为在一天24小时内，光伏只有6-8个小时的供给，其他时间的电力供给都必须靠风电进行支撑。
研究的另一个亮点是，灵活的区域电力市场交换，可以提高风光的渗透率。前面我们是在每个省上进行空间求解，现在我们在区域电网尺度进行空间求解，即允许区域电网内部的电力交换。研究发现，实施灵活的区域电力交换，将提高风光渗透率。该情景下，2050年全国平均的风光渗透率为67%，其中东北、华北、西北和西南电网的新能源渗透率高于80%，华中电网低于50%。在这种情景下，2050年全国风电需要装25亿千瓦，光伏需要装26.7亿千瓦，新能源弃电率仅为7.22%。
第四个亮点，区域电力交换能够促使新能源开发向资源禀赋好的区域集中。以北京市为例，仅靠当前的风光资源可能无法大幅满足电力需求，但如果进行区域的电力交换，新能源开发将往内蒙进行集中，内蒙的风光资源禀赋更好。这一点提示我们在制定行业或产业规划的时候，一定要从区域乃至全国一盘棋的角度来进行考虑，而不能说各省去制定自己的新能源发展规划或发展路径。
第五点，如果我们建成67%的高比例风光电力系统，意味着中国有能力实现1.5度的温控目标和碳中和目标。近期，国内外的一些顶级研究机构相继发表了1.5度情景下的能源转型报告或能源转型结果。这些研究机构包括，中国气候变化事务特别代表解主任领衔的清华气候变化与可持续发展研究院，发改委能源所和马里兰大学等。针对2050年的风光发电量而言，我们的结果与上述研究结构的结果很接近。具体地，2050年风光发电量11.1万亿度，其中风电7.6万亿度，光伏3.5万亿度。从绿色电力发电量上来讲，风电发电量是光伏2.17倍，意味着风电对于实现碳中和的作用比光伏更大。
最后再总结一下我们的关键结论：
第一点，中国风电和光伏技术开发量没有天花板。
第二点，到2050年，如果风电装机25亿，光伏26.7亿，按照全国小时级别的电力电量互动平衡来说，我们不需要储能和需求侧响应，仅靠风光就可以提供67%的电力电量需求，同时使弃风弃光率低于8%。
第三点，如果高比例风光电力系统实现，可以证明中国有能力实现1.5度温控目标和碳中和目标。谢谢大家。CWEA