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电力职业净零排放:解析美国脱碳道路图

   时间:2022-12-03 04:43:06   来源:环球平台app下载

  碳减排已成为全球各国的一致。在此布景下,我国在第75届联合国大会上初次提出 “碳达峰、碳中和”方针;日本提出在2013年水平上,至2030年减排45%~50%;欧盟许诺到2030年,在1990年的水平上减排55%;美国许诺到2030年,在2005年的水平上减排50%~52%,并计划在2050年前完结净零排放。

  电力职业是碳减排的要害所在。依据麦肯锡全球碳中和模型的测算,为到达1.5摄氏度控温方针,全球电力职业需求在2050年前削减99%以上的碳排放,适当于简直要到达零碳排放。为完结减排方针,各大碳排放主体相继拟定了动力转型与电力职业革新的方针与计划。

  值得一提的是,美国2021年4月提出 “到2035年完结零碳污染电力体系”的方针。本文将要点重视美国为完结这一方针所采纳的战略举动,以及它对我国电力职业低碳化转型的学习含义。

  电力职业是我国碳减排的要害所在。在麦肯锡之前的专题文章《“我国加速迈向碳中和”电力篇:电力职业碳减排途径》中,咱们要点剖析了我国在活泼推进电力职业低碳转型过程中,需求做好三件事,即前进电力体系灵敏性,加速煤电退役,以及处理可再生动力本钱偏高的问题。一起咱们也探讨了可行的解题思路:

  具体来说,经过大力扩增跨省输电容量、加速增量配电网制作来前进电网输配才干;经过下降电化学储能本钱、前进安全性,最大程度完结电池的收回运用,展开电池技能优化电力储能技能;经过政府、企业和其他利益相关方共同发力,加强需求侧办理与呼应体系制作。

  2、依据我国各省煤炭依托程度和可再生动力丰厚度不同,规划针对性的煤电退役途径

  对煤炭依托度高,可再生资源丰厚度低的区域,稳步退役不盈余的落后煤电产能,同步出资CCUS技能及其根底设备制作,促进煤电清洁化,优化动力结构;对煤炭依托度高,可再生资源丰厚度高的区域,加速转型,用可再生动力代替退役的煤电产能,并出资储能技能;对煤炭依托度低,可再生资源丰厚度高的区域,加速可再生动力制作,与政府和电网公司协作促进跨区域的电力运送;对煤炭依托度低,可再生资源丰厚度低的区域,着眼未来,活泼转向可再生动力电力,并量体裁衣,拟定契合当地经济展开规划的动力战略。

  可再生动力企业可凭借绿色电力买卖和碳买卖,添加项目收益,一起凭借债券等金融手法,前进其财物的盈余才干,然后前进可再生动力的全体报答。

  现在让咱们来看看美国电力低碳化的思路。参阅之资,能够攻玉,期望多维度能够为我国电力职业脱碳供给有利的参阅。

  美国电力职业的脱碳道路年完结零碳污染电力体系”的方针,这是美国完结到2030年碳减排50%~52%、2050年净零排放的重要内容。【1】 麦肯锡研讨发现,电力职业提前完结大幅碳减排,是通往脱碳经济很多途径的一个要害要素。【2】在美国大部分商场,太阳能、风能等可再生动力比较煤和天然气现已具有本钱竞争力,并且电力减排是推进如交通运送(电动轿车)、修建(电力供暖)等其它职业绿色低碳转型的必备根底。

  本文将依据“2035年净零排放”脱碳景象打开论述,在该景象下,各区域电力商场将无需其它职业的碳抵消就可完结2035年温室气体(GHG)净零排放。该模型还考虑了由于交通运送、修建供暖电气化以及工业部分支撑整个经济完结2030年碳减排50%~52%和2050年净零排放方针而添加的电力需求。本质上,这一景象所代表的是在保证电网可靠性和耐性的前提下,完结电力职业碳减排的最低本钱途径。【3】

  本文所剖析的美国电力体系碳减排的要害理念和战略举动,是从美国实践状况动身的一种或许途径。咱们信任也有其它可行道路图,并且跟着咱们认知的前进和技能的前进,不论是电力职业仍是全体经济,新思路将连续呈现。比照之下,“坚持现状景象”是指假设联邦政府不加大减排力度,那么技能的持续前进和现有各州的减排许诺,很或许呈现减碳缓慢乏力的景象。咱们估量,“坚持现状景象”下美国电力体系到2040年的碳排放水平相较2005年下降59%。

  美国碳减排的一个要害抓手,在于交通运送和采暖要从运用化石燃料转为“清洁”的可再生动力。要完结这一转型,电力职业在减排的一起还要满意2035年电网负荷添加约40%的要求(见图1)。这适当于在未来十年用电负荷年增速将到达2%,而在基准景象下年增速仅为0.5%(作为参照,曩昔15年美国电力负荷增速接近于零)。

  跟着住所电气化及水暖电气化的加速遍及,用电负荷曲线或许会产生明显改动,冬天用电顶峰或将一再呈现。在气候冰冷的新英格兰等区域,部分本地电网的负荷顶峰现已转向冬天。咱们的剖析显现,跟着热泵运用量的添加,或许简直一切冰冷区域的商场都会在2035年完结这一改变。与此一起,气候比较温暖的加利福尼亚、德克萨斯州等大型商场将坚持夏日负荷顶峰,可是由于采暖的添加,冬天用电需求也将呈现明显上升。

  2035年净零排放景象估量联邦政府的减排计划将箭步走在各州前面。考虑到电力职业所起到的要害效果,电力用户、建议人士和监管部分对其减排速度和各州的最终方针抱以更高的期望。五年前,罕见电力公司做出全面减排许诺。现在美国23个州拟定了规划,力求电力职业或是全体经济在2050年前完结至少80%的碳减排,许多电力公司还设立了比各州愈加急进的减排方针。

  尽管各州及联邦层面的碳减排途径或有不确认性,电力和天然气职业的抢先企业现在也应拟定相关的战略决策。如前所述,完结2035年温室气体净零排放存在多种可行途径(拜见附文“百分百电力减排的可行挑选”)。下面是一些可供项目开发商及运营商、电力公司、科技企业、政府和其它相关方参阅的举动,这些或许是现在电力职业低碳转型评论中所缺失的。咱们期望,这些具体做法能够协助利益相关者归纳考量本钱分配、技能晋级、下降危险等要素,然后找到更优的处理计划。

  本文以2035年完结电力职业净零排放为假定景象。可是,咱们评论的一些最严峻的应战在于怎么完结最终10%~20%的碳减排。假设电力职业到2035年能完结80%~90%的减排方针,再用十年左右的时刻补偿剩下距离,那将有助于消除本钱项目装备危险,一起为包含新式太阳能和储能计划(如钙钛矿及长时储能)、商业验证可行的SMR或聚变、漂浮式海优势电、直接空气捕碳等多种新技能的推行供给加速跑道。

  着眼久远的减排计划还能下降总体体系本钱。依照猜测的技能学习曲线,老练的可再生动力技能将在2035到2045年间额定降本10%~20%(美元/千瓦)。还可下降由供应链严重引起的提价危险,为修建节能改造供给额定的时刻。假设电力以外的其他部分也想遵从相同的减排道路,或许需求加速脱碳脚步。可是,大局考量减排、本钱、可靠性会带来更好的成果。

  1. 经过改进选址和提效批阅流程、扩展供应链,跨过风能和太阳能装机容量的S型曲线年,新的太阳能、陆上和海优势能将占到总装机容量的60%,这就意味着太阳能和风能职业的年均装机增速需求前进近七倍,才干完结在未来15年内布置1,500吉瓦可再生动力装机容量的方针。这就要求更多高技能的劳动力、更富余的供应链产能和新建的海优势能港口设备。尽管可再生动力需求的土地不到美国本乡陆地总面积的1%,但由于土地有限且运用较为涣散,加上制作输电线路的所需的路权较难获批,使得新建经济可行的新动力项目困难重重。纽约可再生动力选址办公室供给了一个战胜种种应战的前期参阅样本,【4】其主旨是经过标准化请求答应和其它流程的改进大幅加速新项目布置。可是,要在全国范围内推行并获得大范围的成功仍需全方位的不懈尽力。【5】

  2. 扩展跨州输电通道。在可再生动力浸透率较高的区域,输电拥堵状况日益频繁,导致互连本钱昂扬,许多可再生动力项目也因而停步。事实上, 2014年以来,美国仅开发了3吉瓦跨州输电网络,而我国开发了近260吉瓦的跨省和远距输电网络。【6】放眼未来,输电才干的受限还会添加对当地发电的依托,即便当地发电或许本钱更高。例如,模型显现,扩展新英格兰区域与加拿大之间的输电网络有利于美国进口低本钱水电,而不必新建15吉瓦本钱更高的风能和太阳能。联邦及各州政府机构正采纳一系列举动尽力将这一处理计划加以推行,如近期到达的联邦根底设备法案,包含730亿美元清洁动力输电拨款以及联邦政府机构州际项目提速的新办法和东西。【7】

  3. 前进电网日内灵敏性。低碳电力职业的发电将首要依托间歇性可再生动力。按每小时匹配电力供应与需求,灵敏性资源的布置应与低本钱可再生动力构成互补(见图2)。树立300吉瓦以上的短时呼应才干才干满意日内电力需求。电网级储能,例如锂电池储能,在整合可再生动力的一起还能前进输电基制作的运用率。走运的是,到2020年末,美国电网互连行列中电池储能已超越200吉瓦,标志着商场正快速增加。【8】在配电体系内缜密布置电池储能,不只要助于办理电气化带来的电力负荷大幅动摇,还能强化老旧配电网络根底设备的耐性和可靠性。此外,需求端抓手的重要性日积月累,包含完结交通运送电气化的充电办理以及采暖及热水蓄能中的智能修建动力办理,这两种做法越来越遭到欢迎。【9】最终,商业及工业电力需求呼应也能发挥要害效果,可调度负荷如双燃料工业供热、高延时数据中心、低谷期抽水蓄能,以及灵敏电解制氢等,具有明显的平衡潜力,一起又对终端用户的财政(或实践)影响很小,基本可忽略不计。

  4. 加速煤电退役。由于排放约束和经济效益欠安,在2035年净零排放景象下,煤基发电将会快速退役(未来15年退役245吉瓦以上装机容量)。近年来,煤电装机退役的声响有增无减。依照现在规划,2035年产能较2015年基准线%)。不过余下的煤电厂中有适当一部分决议着受监管电力公司的费率基准,在财物负债表上保有很多的价值,因而一个可行的退役计划必须将这些价值考虑其间。

  现在已拟定的计划包含煤电厂用户电费价值的证券化、加速退役以及财物减记等,证券化可鼓励电力公司将本钱重新布置到可再生动力。例如,2020年密歇根公共服务委员会同意了Consumers Energy公司的提案,允许其以发行6.88亿美元债券的方法完结D. E. Karn煤电厂的退役。此举估量可为用户节约1.24亿美元,且可为新的低碳出资筹集本钱。【10】全体的煤电退役计划也需求考虑煤电厂下岗职工的过渡安顿。

  5. 持续运营现存核电设备。依据已发布的退役计划以及现有答应证到期状况,咱们估量到2035年将有超越20吉瓦的核电装机退役。尽管如此,模型显现保存剩下的60吉瓦产能仍具有经济、减排和可靠性效益,现在许多核电厂由于低电价和高固定本钱面临运营困难。【11】各州和联邦政府正就供给额定财政帮助以保证部分核电厂正常工作展开评论。例如,伊利诺伊州在宣告封闭拜伦和德雷斯顿两家核电站后,又同意了新的财政支撑以坚持其运营。最低本钱剖析显现,坚持这些核电厂的正常运营能带来全体体系效益,一起也印证了关于核电的评论往往非常扎手。

  6. 布置可调度的零碳发电,包含清晰天然气的人物。在2035年净零排放景象下,天然气发电装机量有望持续添加。这部分增加既可供给时节灵敏性,又能补齐区域可再生动力产值较低时期的缺口,到2035年运营装机将从现在的414吉瓦添加到590吉瓦(见图3)。只不过依照净零排放趋势,这些燃气电厂或许无法像现在这样运营。因而,咱们或许需求对氢、生物甲烷、可再生天然气和氨等零碳或低碳燃料进行组合运用,供给调峰产能,应对极点气候下的电力缺少。一起,那些发电设备运用小时数较高,处理结构性不均衡或时节性失配的气电企业,则需求进行碳捕集改造。再者,生物动力与碳捕集和封存相结合(BECCS)可构成负排放财物,尽管运营本钱不菲,但也能为完结电力净零排放做出重要贡献。

  本钱最优景象显现,只需布置得当是有或许将以上三种选项有机结合的。例如,加利福尼亚计划制作燃气调峰电厂,以处理近期呈现的电力缺少问题。别的,长时储能或小型模块化核反应堆(SMR)也能起到相同的效果,不过推行这类技能以完结2035年净零方针,或许会比运用已有天然气根底设备和已验证技能更具应战性。

  7. 简化表后发电 (用户侧或分布式发电)并推行使用。分布式太阳能和储能、家电电气化、以及修建能效晋级等只要大规模推行才干完结碳减排方针。可是太阳能的遍及面临多重应战,包含互连和答应方面的复杂性。实践上,到2021年美国已设备300万套住所太阳能体系(家庭浸透率约为2.4%),德国约为200万套(家庭浸透率为6.0%)。【12】表后处理计划还能削减晋级输电网络的必要性,下降大规模可再生动力项目带来的应战及危险。并且,住所太阳能体系可让用户和相关运营商自主办理,有利于增强群众对动力转型的参加认识。【13】这些处理计划或许需求各州做出实在许诺,以开释本钱、扩展人力、规划适宜的鼓励办法。

  8. 强化电网耐性。曩昔两年来,电网运营商一直在尽力处理因极点气候、现代历史上最大的山火喷射、以及有记载以来最活泼飓风等自然灾害形成的大规模断电问题。最杰出的两个比如是2021年2月德克萨斯州电力和天然气服务大面积中止,以及新奥尔良州受飓风艾达突击后持续断电。气候变化导致的极点气候现象还会产生,一起将有更大份额的经济活动要依托电网。这意味着需求强化电网耐性,不论是经过打造新的猜测才干、拟定更严厉的电气规划标准,仍是大力加强网络安全。这方面值得重视的项目包含2012年以来联合爱迪生电力公司新增的10亿美元投入【14】、以及佛罗里达电力照明公司进行中的电网耐性项目。【15】

  9. 重建商场和监管机制。各州、各区域电力商场以及联邦政府能够考虑以下几种新东西推进大幅减碳。榜首,监管层面临排放的约束有助于保证减排进展契合预期;第二,政府层面的支撑有利于下降技能本钱(如研制和布置本钱)、推进遍及(经过加速答应)、保证中心配套根底设备制作到位;第三,出台针对性计划,如低收入家庭动力帮助计划(LIHEAP)等可为弱势家庭供给针对性支撑;【16】 第四,许多大型工商业客户的电价现已从电度电价改为容量电价,有助于影响展开需求呼应,削减对确认发电的需求(从智能轿车充电设备到热水器,已有多种产品经过技能验证并可快速推行);第五,动力商场或许需求探究新的定价机制,应能充沛补偿电力边沿本钱接近于零的电力体系内的可调度装机;最终,树立依据绩效的、旨在和谐商业鼓励与用户服务方针的监管结构,也能为使用可再生动力及其它新技能的电力公司供给道路图。跟着这些革新的推进,各州与独立体系运营商之间或许在多州商场运营的区域输电安排之间的各种拉锯或许会持续存在乃至有所加重。

  10. 打造一个全国性的氢能和碳捕集运送网络。布置新式氢燃料和碳捕集根底设备非常要害 ——关于完结可调度的低碳发电如此,关于其它职业选用电气化以外的低碳代替计划亦是如此,特别是在电气化遭受技能应战(如高温工业用热或清洁交通的燃料密度),或许天然气作为工业过程中的一种质料可被代替(如水泥和肥料)的状况下。【17】例如,美国低本钱天然气和地质碳封存的呈现,意味着与国际其它大部分区域选用的绿色电解氢技能比较,低碳甲烷制氢或“蓝氢”(经过蒸汽甲烷重整或自发性热重整)的经济效益从短期来看或许愈加有利。依据剖析,直到2040年绿氢才将在以经济为首要驱动的新建项目中“胜出”,并将持续运用已有的管道网络,一起完结需求灵敏性,以推进更高水平的间歇性可再生动力发电(见图4)。欧洲正活泼评论树立广泛的氢能网络,有力地支撑了价值链各环节企业采纳战略举动以扩展出资。【18】