2050年，欧洲能实现100%可再生能源电力系统吗？

撰文 | Sueyl

编辑 | 郭郭

→这是《环球零碳》的第147篇原创

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

摘要：构建100%可再生能源（RES）电力系统将面临技术、经济和政策等多方面挑战。William Zappa等人考虑新能源产电的强不确定性，在满足投资约束、电力电量平衡、调节能力等多维需求下构建经济合理的100% RES电力系统，得到2050欧洲实现100%可再生的电力系统的相关路径及解决方案。

为了避免气候变化的最严重影响，《巴黎协定》要求将全球变暖控制在1.5°C以下，最好不超过2°C的范围内。目前，地球气温已经比19世纪末高出约1.1°C，排放量还在继续上升。

为此，很多国家提出减排和碳中和目标。2011年欧盟(EU)就提出了其气候目标，即到2050年将温室气体 (GHG) 排放量比1990年的水平减少 80-95%，这是保证全球变暖的必要步骤。

为了实现这些目标，电力部门的排放量必须首先降至零，甚至到 2050 年变为负数。这将需要大规模实施低碳能源和负碳技术，例如可再生能源（RES）、核电和碳捕获与储存(CCS)。

近日，欧洲委员会能源副总干事Mechthild Worsdorfer表示，考虑到俄乌战争带来的能源问题，欧盟委员会支持提高可再生能源占比的目标，即到2030年使之占比达45%。

德国提出的目标更激进。德国联邦政府内阁近日通过了旨在摆脱化石燃料、加速清洁能源发展的一系列立法草案，其中设立了两阶段目标：2030年实现80%的可再生能源供电，2035年争取实现100%可再生能源供电。

随着火电机组逐步关停及高比例风电、光伏等的并网，可再生能源电力系统将具有强不确定性和不稳定特征，其运行形态十分复杂、调节能力和稳定性水平大幅下降，对于规划设计、调度运行、稳定控制、电能质量等各环节均提出了尚待解决的科学问题。

构建100%可再生能源电力系统，不只是提高风电和太阳能占比那么简单，还将面临技术、经济和政策等多方面挑战，更关键的是，还需要对各种可再生能源的规划需要一个合理比例，需要打造一个软性的、可灵活协调的智能电网，需要建立一个可调节的大容量电力交易市场等。

图片来源于网络

那么，欧洲未来如何构建100%可再生能源电力系统？最具成本效益的可再生能源发电和输电网络容量组合是什么？对中国构建新型电力系统有什么启发意义？《环球零碳》结合一些专家观点，对此进行分析。

01

什么是100%可再生能源电力系统？

早在1975年丹麦物理学家 B. Sørensen在《Science》期刊中率先提出100%可再生能

源电力系统的构建设想，但此后的进展较为缓慢。在能源革命热潮的驱动下，目前对 100% 可再生能源电力系统理论研究逐渐深入，但也面临技术、经济和政策等多方面挑战。

100%可再生能源电力系统是指完全利用水能、风能、太阳能、生物质能、海洋能、地热能等非化石燃料且可再生的能源，经过水电/风电机组、太阳能集热器/电池板（CSP）等各类发电装置转化为电能，最终通过输配电网达到用户侧。

图片来源于网络

与其概念相近又不完全等同的还有碳中和电力系统(zero-carbon power system)以及纯清洁能源电力系统(100% clean energy power system)。其中，碳中和电力系统是由核电、可再生能源机组以及带有CCS的火电机组构成，该系统CO2的净排放量为零甚至为负是其主要特征。而对于纯清洁能源电力系统，国内外尚未形成统一定义。

100%可再生能源电力系统由于需要实现发电资源完全可再生，故需在碳中和的电力系统基础上完全退出核电，并充分利用CCS和天然气合成技术来满足系统部分的储能及供电需求，最终形成100% 可再生能源电力系统。

02

100%可再生能源的电力系统的顾虑

荷兰乌得勒支大学哥白尼可持续发展研究所William Zappa等表示：仅可再生能源（RES）供应充足并不能说明100%可再生能源电力系统是可行的，因为风能和太阳能等的间歇性，使得电力需求和供应的平衡存在困难。

除了可变的可再生能源外，剩余需求必须由可调度的RES发电技术（水力、地热等）或储能来提供。

在短期内，技术限制意味着这些工厂可能无法以足够快的速度达到供需平衡，从而导致网络中出现过电压或能源欠缺。

从长远来看，有些年份的阳光充足或多风，这意味着不能依靠风能和光伏装置每年产生相同数量的电力。因此，William等认为，对100% RES电力系统可行性的任何评估都应包括对其长期和短期可靠性的分析。

目前针对构建100%可再生能源的电力系统研究的一些缺陷主要集中在：

•

研究依赖于CSP 、地热、季节性储存或生物质等技术的显着能力，但这些技术目前几乎没有增长迹象。

•

模拟只运行一个任意的或几个年份的天气情况，不能保证系统在最可再生资源短缺的年份的供应充足性。

•

假定可再生能源技术具有固定的容量，而实际上这些随位置和时间的变化而变化。

•

对生物质燃料发电进行粗略处理，或者不考虑供应潜力和成本的区域差异。

等一系列问题。

03

欧洲未来100%可再生电力系统可行吗？

构建 100%可再生电力系统的电源规划方案时，需重点考虑新能源出力的强不确定性，在满足投资约束、电力电量平衡、调节能力等多维需求下构建经济合理的电源规划方案，确定多阶段煤电机组退出策略和可再生能源发电装机构成及容量。

William等人研究的地理范围包括欧盟27国以及英国在内，考虑了广泛的可再生能源发电技术组合：包括风能（陆上和海上）、光伏（公用事业和屋顶）、生物电、CSP、地热和水电。将投资和运营总成本最低为目标，供需平衡、碳排放量、储能容量、各类可再生能源的开发潜力等条件为约束，建立线性化的综合能源系统规划模型，求得包含电源配置在内的多能源系统规划方案。

图说：包含的国家及输电线路

来源：[1]

100% RES系统需要提高跨境输电容量。欧洲被构建为一个单一的综合电力系统，在该系统中国家之间可以共享电力容量。这种完全互连的电力系统对传输的可靠性和确保系统的充足性变至关重要。要实现高需求情景下的输电网络稳定性，需要从2016年到2050年每年安装10吉瓦的新输电能力，是目前计划速度的两倍。

100% RES系统需要足够的风能和光伏容量。据预测，欧洲陆上风能主要安装在与北海和波罗的海接壤的国家，因为它们有利的风速，并且位于欧洲的中心位置，可以最大限度地减少传输损失。大多数国家到2050年将大力发展光伏。在国家内部，光伏容量通常安装在偏南的位置，或靠近负载中心以降低成本。William等表示，到2050年，欧洲可以部署足够的风能和光伏容量，以支持 100% 可再生能源电力系统。

图说：欧盟28国光伏总装机容量的历史部署

来源：[1] 

100% RES系统需要显著增加生物质的使用：与风能和光伏已经装机显著并正在增长不同，2015 年固体生物质、沼气、CSP和地热的总装机容量分别仅为18吉瓦、10吉瓦、2.3吉瓦和0.8吉瓦。任何技术的部署率不超过1 吉瓦/年。为了达到基本情景中的 2050 年装机容量，从 2016 年到 2050 年，CSP 和地热装机容量需要平均每年分别为 6吉瓦和 1.4吉瓦。

虽然生物质将在2050年在100% RES 电力系统中发挥关键作用，但生物质的未来成本和潜在供应是不确定的，并且将取决于未来的降雨模式、农业实践和来自其他国家的生物质需求部门。依靠生物质来提供稳定容量的 100% RES 电力系统将容易受到最终稀缺且相对昂贵的燃料的影响。

100% RES系统需要显著下降可再生能源技术成本。不同发电技术的不同成本发展将影响优化可再生能源组合的构成，以及它们与非可再生能源替代品的竞争力。尽管近年来可再生能源的成本迅速下降，但仍需需要比基本水平再下降70%。100%可再生能源系统的年总成本将至少为5300亿欧元每年，比包含核电或碳捕获和储存的系统高出约30%。此外，这些成本将随着需求的增加而相对增加。

100%的可再生能源电力系统需要大量水电、CSP、地热、生物质或季节性储存提供容量来平衡可变的风力和光伏发电，并在风力和太阳能供应不足时满足需求。但这些技术目前都没有部署到支持2050年100%可再生电力系统所需的水平。

研究人员表示，即使是100%的可再生能源系统也可能无法提供实现欧洲气候目标所需的减排水平，仍然需要CCS技术捕获和封存的生物质的负排放。因此，在引导向符合欧洲气候目标的可靠的、具有成本效益的电力系统过渡时，政策制定者应确保所有的技术选择组合性、合理性。

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参考资料：

[1] Zappa, William, Martin Junginger, and Machteld Van Den Broek. "Is a 100% renewable European power system feasible by 2050?." Applied energy 233 (2019): 1027-1050.

[2]https://ec.europa.eu/energy/sites/default/files/res_integration_report_cn.pdf

[3]文云峰,杨伟峰,汪荣华,胥威汀,叶希,李婷.构建100%可再生能源电力系统述评与展望[J].中国电机工程学报,2020,40(06):1843-1856.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.192031.

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