LEEEP研究 | 气候变化对中国发电基础设施的潜在影响

题目

Prospective climate change impacts on China's fossil and renewable power-generation infrastructure: Regional and plant-level analyses

作者

Chen Huang, Yuyao Zhu, Ming Ren, Pei Zhang, Yingchao Chen, Hancheng Dai, Xianchun Tan

期刊

Resources, Conservation and Recycling

时间

2022年10月

一作

单位

College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China.

链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344922005377

研究概要

历史上，电力行业排放大量了温室气体，但现实证据表明其供应又深受气候负面影响，这使得其既是气候变化主要贡献者，又是未来气候风险典型受害者。中国，目前拥有全球规模最大的电力基础设施的国家，其2060碳中和目标正推动其可再生能源发展与退煤进程，在不同空间尺度（国家、区域和电厂级），评估未来中国电力行业受到的潜在气候变化影响将具有重要学术价值和现实意义。

因此，在北京大学LEEEP团队与中国科学院科技战略咨询研究院碳中和战略研究中心的支持下，LEEEP团队黄晨博士后基于自主开发的气候影响评估模型，结合自主构建的高覆盖度、高空间分辨率的电力基础设施数据库，开展如下研究：

（1）科学评估未来气候变化对中国电力基础设施产出影响；（2）识别区域与厂级所受气候影响的空间格局与分布特征；（3）探究中国电力行业的气候适应与减缓的潜在协同效益。

本研究将为构建以保障安全为前提的现代能源体系、实现富有气候韧性的碳中和提供科学决策支撑。

研究背景

最新IPCC第六次评估报告指出，当前全球二氧化碳历史累积排放量已经逼近1.5℃和2℃温控目标排放预算，这预示着未来数十年全球气候变化可能不会停止。作为维持人类社会经济系统运行的核心部门，发电基础设施是历史上全球变暖的核心贡献者，也将会是未来气候风险的重要受害者。然而，以上事实也使得电力行业将同时在减缓和适应两类行动中扮演关键角色。因此，定量评估气候变化对电力部门造成的潜在不利或有利影响将提供有价值的气候风险信息，也有助于气候适应决策，以增强城市能源基础设施的韧性。

尽管现有研究指出了气候变化对电力部门的可能影响，但考虑不同电源品种、针对区域电力基础设施的综合量化评估较为缺失。其次，气候影响存在显著区域差异，这凸显了构建高质量电力基础设施空间数据库的重要性。另外，尽管现在普遍强调要加强减缓与适应的协同，但针对电力行业二者协同的量化研究近乎为零。因此，为弥补以上研究不足，作者选取中国作为研究案例，量化未来气候变化对中国主流电源品种的气候影响，分析其空间特征，量化电力行业减缓与适应协同的潜在效益。

研究方法

首先，研究梳理了气候变化对发电基础设施的影响方式，基于工程技术文献经验公式构建针对五类电源品种（燃煤、燃气、生物垃圾、风电、光伏）的影响传导模型。

表1 气候参数对电源技术的影响方式

其次，基于多个开源与商业数据库构建高容量占比、高空间分辨率的中国发电厂级设施数据库。并获取CMIP6六个主流气候模式预估数据（BCC-CSM2-M, FGOALS-G3, CAS-CSM1-0, CAMS-CSM1-0, MPI-ESM1-2-HR, MRI-ESM2-0）。

图1 本研究所用电厂数据空间信息

最后，基于Python及相关依赖环境（Xarray, Pyomo, GeoPands等）编写高分辨率气候影响并行评估模型程序，使本研究可以模拟出不同气候模式和不同温升情景下，气候变化导致的发电设施产出变动，及其额外经济成本或收益。

研究结果

国家层面影响

图2 不同发电技术所受气候影响（国家层面）

如图2 所示，中国煤电技术面临着较为负面且随时间增加的气候影响。在两个研究时段下，其75%概率的损失区间：近期（2020-2035年）累计为214至342TWh，远期（2045-2060）累计为268至397TWh。从中值来看，光伏与风力发电产出将会在短期逐步受益于气候变化，但面向长期，光伏收益呈增加趋势（1TWh 增至 27TWh），风电则呈下降趋势（12TWh 降至 负11TWh），与煤电相比，风光发电损益的评估结果不确定性更大。由于燃气和生物质垃圾发电容量占比较低，二者预估结果的不确定性较低，近期累计产出损失为3至5TWh，远期则为4至6TWh。

图3 不同气候模式和温升情景下的电力产出影响分布

研究还分析了不同气候模式与温升情景下的气候影响分布特征（图3和图4）。总的来看，气候变化对中国发电基础设施的影响是负面的并且随时间增大。大部分气候模式下近期和远期总损失都将超过200TWh。在排除极端值情况下，有一半以上的概率，近期（2020-2035）的累计总产出损失在132至346TWh之间，货币化的经济损失则为100至220亿美元（2018年价格）；远期的产出损失则在187至419TWh之间（货币化损失：170至260亿美元）（图3b和图4b）。鉴于2020年中国电力消费总量约为7500TWh，那么对于近期和远期两个时段的累积气候损失约占中国目前总发电量的1.8%至5.6%。

图4 不同气候模式和温升情景下的经济成本影响分布

省级层面影响

图5 不同电源技术在不同省份所受气候影响（区域层面）

未来气候影响呈现显著的空间异质性（图5）。其中，山东、河南、安徽、江苏和广东等将是受气候影响最大的省份（每一时期累计损失超过20TWh）。尤其是山东和江苏二省，它们未来在两个时期内、所有情景下的煤电累计气候损失都将超过40TWh。

对于大部分省份，其光伏和风力发电下都将会获得气候增益。在低温升情景（SSP126），所有省份的省级光伏发电产出将会受益于气候变化，这是由于太阳辐射量这一气候参数的提升。其中，内蒙古将会获得超过15TWh的气候增益。

但是，在高温升情景（SSP585），许多省份的气候收益将会降低，例如山东、河南、安徽、江苏、广东等；并且一些省份的整体产出变动将由收益转为损失（西藏、四川、内蒙古、海南、贵州和甘肃）。

厂级特征

图6 累计容量与气候引致损失的关系（煤电）

图7 累计容量与气候引致损益的关系（光伏）

图8 累计容量与气候引致损益的关系（风电）

厂级视角的分析表明，对于煤电、光伏和风电，三者都存在一些关键少数电厂，即以较低容量占比贡献较高气候损益（图6-8）。例如，在SSP585情景下的近期（2020-2035年），累计容量占比分别为42%（燃煤），27%（光伏），25%（风电）的少数电厂贡献了超过70%的总气候损失。

比较SSP126与SSP585情景，后者将显著地提升燃煤电厂气候损失并大幅减少潜在的光伏发电收益。这一现象也证明了发电基础设施如何既是全球变暖的贡献者，又是全球温升的主要受害者。其他温升情景分析详见文章附录。

燃煤发电的碳排放与气候损失耦合分析

图9 中国燃煤电厂碳排放与气候引致损失的耦合关系

研究还发现，中国煤电行业的电厂碳排放与气候引致损失之间具有显著的正相关关系（图9）。即那些历史排放量更高的燃煤电厂，其受到的潜在气候变化损失可能更大。本研究以潜在效率损失为依据，将所有”关键少数“燃煤电厂划分为三个退役层级。

例如在SSP126情景中，层级3的煤电厂退役将会每年减少10亿吨二氧化碳排放并避免160TWh的单位时期累计气候损失（每年10TWh）。此外，作者还对不同层级电厂的平均寿命开展了统计分析。不同情景下的厂级退役优先顺序可能是类似的，这一研究结果将为电力行业实现深度减排的同时提升自身气候韧性提供学术依据。

研究结论

本研究量化了未来气候变化对中国发电基础设施的潜在影响，主要发现如下：

（1）未来气候变化将对中国电力行业造成广泛且普遍的影响，整体来看偏向负面；

（2）电力行业所受气候变化影响具有复杂的空间、时间、情景异质性，存在核心省份；

（3）高温升情景比低温升情景带来的负面影响更大，也会弱化可再生能源所受气候变化增益；

（4）气候变化对可再生能源发展存在潜在助益，但煤电为当下主要矛盾；

（5）存在“关键少数”电厂，以较低容量占比贡献较高气候损益；

（6）碳排放与气候损失存在强正向关系，科学有序的煤电退役将产生减缓和适应协同效益。

另附文章免费下载链接（2022年12月1日前）：

https://authors.elsevier.com/c/1fvDD3HVLKog~1

编辑&排版：黄晨

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