要適應(yīng)可再生能源的份額要求，化石能源對應(yīng)的最優(yōu)份額在何種水平?
為了應(yīng)對普遍存在的局地環(huán)境污染、能源安全與全球氣候變化問題，能源轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為越來越多國家的選擇。而發(fā)展風(fēng)電與光伏成了能源轉(zhuǎn)型的主要與重要內(nèi)容。風(fēng)電與光伏具有區(qū)別于傳統(tǒng)化石能源機(jī)組的波動性、間歇性的出力特點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)高比例的可再生能源利用，電力系統(tǒng)需要適應(yīng)可再生能源的這一特點(diǎn)。
那么，可再生能源在系統(tǒng)中的最優(yōu)份額如何?相應(yīng)的，要適應(yīng)這一可再生能源的份額要求(以滿足各種物理、排放約束)，化石能源對應(yīng)的最優(yōu)份額在何種水平?現(xiàn)實(shí)中的可行性相比理論上的可能性存在哪些額外的障礙?目前，我們的煤電行業(yè)存在相對數(shù)量的過剩產(chǎn)能，公共政策的關(guān)注視角應(yīng)該在哪個方面?這是本文探討的主要問題。
? 風(fēng)電光伏的最優(yōu)份額 ?
可再生能源發(fā)展多少，發(fā)展多快的問題，不應(yīng)該從系統(tǒng)平衡的視角出發(fā)，而應(yīng)該從節(jié)能減排需要的“必要性”出發(fā)。這也是需要反復(fù)強(qiáng)調(diào)“可再生能源友好型的電力系統(tǒng)”的原因。可再生能源是目標(biāo)，而電力系統(tǒng)是條件。系統(tǒng)的平衡與成本最小化無論在運(yùn)行還是新建環(huán)節(jié)都是需要保證的約束。這存在以可再生能源更大份額為前提的政策與技術(shù)可以發(fā)揮作用的空間。
那么，可再生能源的最優(yōu)份額是多少呢?基于滿足本地環(huán)境污染與全球氣候安全的約束，這部分的份額顯然要遠(yuǎn)高于目前的水平。但是，也肯定不會是100%，因?yàn)?00%的波動性可再生能源，物理的平衡約束都可能無法滿足。此外，可再生能源開發(fā)大到一定程度，其開發(fā)的成本會上升，而自身的市場價值卻在下降，因此必然也存在一個依賴于政策環(huán)境(可能會影響市場的電價，也就是可再生能源避免的成本)最優(yōu)的水平。
對這些政策與各種競爭性技術(shù)(比如能效、碳捕集、利用和封存)的不同程度的考慮，以及可再生發(fā)電成本最終下降程度的預(yù)期，會導(dǎo)致截然不同的最優(yōu)份額的結(jié)果。目前的實(shí)證研究給出的結(jié)果范圍在20%-70%左右，而且結(jié)果高度依賴于生物質(zhì)發(fā)電與碳回收方面(二者聯(lián)合可以構(gòu)成負(fù)排放)的利用程度。這無疑是一個需要繼續(xù)研究的方面。
當(dāng)然，這僅是考慮部分現(xiàn)實(shí)約束的情況。如果現(xiàn)實(shí)中，其他的競爭性技術(shù)由于各種原因缺乏考慮邊界之外的可行性，那么可再生能源的份額還需要進(jìn)一步加大。比如碳回收目前仍舊是一個充滿風(fēng)險與缺乏社會接受度的技術(shù)，而能源效率提升也總是處于“理論潛力很大，實(shí)際實(shí)現(xiàn)程度非常有限”的境地，我國一直倡導(dǎo)的節(jié)能優(yōu)先仍舊處于缺乏機(jī)制設(shè)計與集體行動邏輯、不知道相對什么優(yōu)先的套話階段。
因此，總體上，從“多一點(diǎn)還是少一點(diǎn)”的問題出發(fā)，我國的可再生能源的發(fā)展份額，距離其最優(yōu)份額還非常之遠(yuǎn)，仍舊需要堅定的政治與政策承諾，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的投資者提供確定穩(wěn)定的長期預(yù)期，降低投資風(fēng)險從而降低資本成本，促進(jìn)更快的成本下降。
? 基于剩余負(fù)荷曲線與Screening Curve的2020年化石能源最優(yōu)電源結(jié)構(gòu) ?
筆者之前的文章一再強(qiáng)調(diào)，煤電的過剩在于偏離了其最優(yōu)系統(tǒng)份額，而非總量平衡意義上的衡量。那么，煤電等化石能源發(fā)電在系統(tǒng)中的最優(yōu)份額在何種水平呢?這可以通過剩余負(fù)荷曲線(總負(fù)荷減去需要優(yōu)先調(diào)度的可再生能源)與Screening Curve的結(jié)合來簡單推算。
基于持續(xù)負(fù)荷曲線，如果以費(fèi)用為縱坐標(biāo), 以每年利用小時數(shù)8760 h 為橫坐標(biāo), 把電力系統(tǒng)中各種不同發(fā)電機(jī)組(如果太多, 可以分類, 同類的用一種典型機(jī)組特性代表) 的年費(fèi)用曲線畫在同一圖上, 則可得到類似于圖1的曲線族(上部)。每條年費(fèi)用曲線與縱軸的交點(diǎn)處的數(shù)值表示年固定成本費(fèi)用的大小, 曲線的斜率表示每發(fā)1 度電的(單位) 可變成本。在圖中, 由年費(fèi)用曲線的交點(diǎn)可以確定出兩個時間交點(diǎn)。顯然, 當(dāng)機(jī)組的年利用小時大于第二個時間點(diǎn)時，基荷機(jī)組——煤電的年總費(fèi)用最小。當(dāng)年利用小時數(shù)小于第一個時間點(diǎn)時, 則第1 類機(jī)組——天然氣單循環(huán)最經(jīng)濟(jì)。當(dāng)年利用小時數(shù)位于二者之間, 第2 類機(jī)組CC的年總費(fèi)用最小。
可再生能源并不在這個體系中考慮，仍舊屬于政策驅(qū)動，技術(shù)學(xué)習(xí)的階段。到2020年，風(fēng)電按照裝機(jī)2.2億千瓦，利用小時數(shù)200小時，光伏按照裝機(jī)1.5億千瓦，利用小時數(shù)1100設(shè)定。水電與核電都是我國電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)成。它們的發(fā)展、布局以及運(yùn)營對社會系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)布局、空間規(guī)劃都會有重大影響，外部性非常明顯。因此，水電與核電的發(fā)展在所有國家都往往是政府控制節(jié)奏的電源類型，而不(應(yīng)該)是項(xiàng)目業(yè)主根據(jù)自身的盈利前景進(jìn)行分散決策，這區(qū)別于宏觀影響并不大的煤電等機(jī)組。基于此，水電與核電的規(guī)模與節(jié)奏外生設(shè)定，根據(jù)政府規(guī)劃設(shè)定為2020年3.1億與5800萬千瓦。
基于扣除這部分非化石能源發(fā)電之后的剩余持續(xù)負(fù)荷曲線，通過模型優(yōu)化得到化石能源發(fā)電(主要是煤電與天然氣發(fā)電)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。模擬現(xiàn)實(shí)，到2020年，化石能源電力結(jié)構(gòu)仍舊是高度的以煤電為主，天然氣(單循環(huán)與聯(lián)合循環(huán))的裝機(jī)容量在1億千瓦左右。這一方面來源于煤電的廉價(并未征收較高的碳稅)，更與可再生能源在2020年的份額還不大(不超過15%)高度相關(guān)。
? 最優(yōu)結(jié)構(gòu)下的市場電力價格與可再生系統(tǒng)價值 ?
由于風(fēng)電與光伏在市場中的份額還相對較低(<15%),持續(xù)負(fù)荷曲線的性質(zhì)改變還相對比較小，系統(tǒng)仍舊存在相當(dāng)數(shù)量的基荷發(fā)電，也就是全年都可以運(yùn)行的機(jī)組。在1年的大部分時段，市場的價格都是燃煤電廠的邊際成本(也就是煤電廠是邊際電廠)(圖 3)，只有1100小時左右是天然氣聯(lián)合循環(huán)與單循環(huán)成為邊際電廠，市場價格上升1-2倍。
在個別時段(幾十個小時)，系統(tǒng)處于價格暴漲的階段，總的發(fā)電負(fù)荷要小于總需求，價格上漲到系統(tǒng)設(shè)定的最大電價水平(7元/度左右)。此時，切除負(fù)荷變成了最合理的選擇。
全年來看，市場的平均價格是230元/MWh，這大大低于目前大部分省市的標(biāo)桿電價水平，顯示了在電力過剩背景下相比市場形成價格與形成理性未來預(yù)期的仍舊虛高的標(biāo)桿電價水平。
在2020年可再生能源8%左右的市場份額下，在大部分時段可再生能源(特別是風(fēng)電)由于與電力需求之間的不匹配，呈現(xiàn)其收益小于其他可控電源的情況。
平均來看，相對于2020年230元/MWh左右的市場平均價格，風(fēng)電的市場價值要低9%，光伏要低5%。光伏在最初進(jìn)入市場時，其出力特性與需求特性相對一致，但是它將很快使得中午左右的用電高峰徹底消失，而改變整個電力價格曲線的時間分布，自身的價值相比風(fēng)電也將隨著份額增加更加迅速地下降。
基于其他條件相同(所謂all others equal)的2020年情景下，風(fēng)電的份額如果從6%上升到15%，其系統(tǒng)價值將進(jìn)一步下降為市場平均水平的85%。
? 煤電冗余的影響 ?
隨著可再生能源進(jìn)入系統(tǒng)份額的增加，煤電等化石能源的利用率水平都隨著剩余負(fù)荷曲線的變化而減少。這意味著在系統(tǒng)成本最小化的要求下，大規(guī)模的發(fā)電類型將越來越失去競爭力(資本攤薄的機(jī)會在逐漸減少)。這體現(xiàn)在最優(yōu)結(jié)構(gòu)中，即使負(fù)荷在增加，但是隨著風(fēng)電、太陽能份額的增加，“應(yīng)該”增加的煤電份額是越來越少的(如果目前的煤電份額已經(jīng)超出了最優(yōu)份額，那么需要減少的程度更多)。圖4對此以風(fēng)電份額從5%增長到15%做了說明。
但是，必須指出，目前中國有超過2億千瓦，甚至更多的煤電機(jī)組已經(jīng)核準(zhǔn)、在建或者接近完成。這在短期內(nèi)將提升中國煤電的總體裝機(jī)容量至10億千瓦以上。這部分機(jī)組將是系統(tǒng)的“冗余容量”，他們?nèi)绻麉⑴c市場競爭，獲得市場份額，將對其本身及其他機(jī)組的利用小時數(shù)產(chǎn)生明顯的影響。煤電的小時數(shù)，將在很大程度上實(shí)現(xiàn)不了“最優(yōu)結(jié)構(gòu)”狀態(tài)下的利用水平。
? 公共政策視角應(yīng)該更關(guān)注的范疇 ?
公共政策的視角，應(yīng)該更關(guān)注那些影響系統(tǒng)全社會成本最小化的方面，比如平均大鍋飯的市場份額劃定，缺乏有效競爭機(jī)制等;而不是私人成本嚴(yán)格等于社會成本的方面，比如所謂煤電總量過剩的問題。總量過剩的成本是分散到每一個獨(dú)立市場參與者上的，消費(fèi)者往往還能從總量過剩中得到好處。這不應(yīng)該是公共政策需要操心的范疇。