文/老C
碳中和核心是用清洁能源取代火电。而目前看,清洁能源只能指望光伏和风电。
5、
目前,全球主要发达国家,以及中国,都对碳中和时间表做出了承诺。那碳中和意味着什么?
全球二氧化碳排放量中,最大的是发电产生的排放,第二是交通,第三是工业。要想实现全球排放碳达峰,并进一步实现碳中和,首先要解决发电问题有了清洁的电力,交通和工业很多碳排放也可以减少。(新能源汽车,电炉/氢气炼钢等)
目前全球发电量的60%,还是来源于化石燃料,其中煤电占34%,天然气占23%,石油占4%。如果全球要实现2050-60年碳中和,首先就是绝大部分的发电都必须从化石能源变成清洁新能源。
这是个宏伟的目标,要把地球目前占发电量60%的火电取代掉。实现这个目标靠啥新能源呢?
从1985年到2020年,整体火电的比例,只从63%下降到了61%,基本原地踏步。
水电靠不住。能建设水电站的河流资源是有限的。而西方的环保主义者同样讨厌水电,对水电建设不热衷。1985年,水电占全球电力总量的20%,到2020年,反而下降到了16.9%。
核电更加靠不住,第一也未必这个清洁,第二西方环保主义者更讨厌核电。核电占全球电力总量的比例,从1985年的15%,下降到了2020年的10%。
可控核聚变,遥遥无期,永远是五十年后实现的梦想。
真正增长的新能源,就是风能和太阳能。2000年时,风能和太阳能发电加起来只占全球发电的0.2%,2020年,已经占到了9.4%。
虽然风能和太阳能有发电出力不稳,看天吃饭等诸多缺点。但这两个能源是唯一有可能大规模。无限制扩建,最终有可能取代火电的新能源。
对于一些欧洲国家,比如英国、德国,风能和太阳能已经能占到国家总发电量的30%左右。目前中国风能和太阳能合计发电量占到9.5%,和世界平均水平差不多。
6、
根据高盛公司的预测,全球到2050年的电力需求将是目前的3倍。其中,太阳能和风能提供的电力占比达到65%。其中太阳能占35%以上,风能接近30%。这意味2050年,全球太阳能的发电量将是现在的30倍,风能的发电量将是现在的15倍。
Bloomberg的预测保守一点,认为2050年,仍会有24%的能源由化石燃料提供。但风能和太阳能也会占到全部发电量的56%。
两家金融机构对风能和太阳能如此乐观,主要原因是过去十年的风能和太阳能发电的成本快速下降。从2010-2020年,太阳能模组的成本下降了89%,风机的成本下降了59%。
根据Bloomberg的预测,在2025年左右,无论中国还是美国,风能/太阳能的发电成本,都会低于火电的发电成本。成为最低成本的发电方式。当然,不能简单对比发电成本,风能和太阳能出力不稳的问题,还是需要通过储能等办法解决。
高盛对中国的预测是,到2060年,中国的电力需求有望增加到目前的3倍,而其中60%以上的电力将由太阳能和风能提供。这意味着,中国的太阳能的风能的发电能力,至少将是目前的20倍以上。(太阳能大概30多倍,风能大概12倍)
7、
老实说,太阳能和风能,并不是一种特别好的发电方式。最大的问题是有效利用小时低,以及发电出力不稳。对电力行业来说,出力不稳是一个巨大的问题。
简单介绍一下电力行业:
我们想象一下,有一个巨大的池子,一边有成百上千的水管往里面灌水,这些是发电厂;另外一边有成千上万的水管出水,这些是用电的企业、居民等等。但是,这个池子无法用来蓄水,水位必须保持稳定,不能高也不能低。水位比标准水位高了,池子会崩掉,比标准水位低了,也会崩掉。这个标准水位,就是我国交流电的频率50赫兹。供大于求,系统频率会高于50赫兹,供电低于需求,系统频率就会低于50赫兹,电网可能就无法安全运行了。
下图是这次东北电网拉闸限电的通知,里面的系统频率就是池子的水位。发电大于用电,频率上升,用电大于发电,频率下降。
那么,怎么保持水位呢?如果水位下降,要么堵住出水口,要么加大进水量。电网的调度,就是密切监控发电量和用电量,确保这个水位始终保持在标准水位上。
然而,一个国家的用电量是非常不稳定的。凌晨时间大家都在睡觉,用电量很低,每年下午,是用电高峰期。周末用电量低,平时上班用电量高。7月大家都要开空调,用电量高,冬天用电取暖,用电量次高,春秋季节用电量低。
在需求如此不稳定的情况下,如何保持“水位”始终处在标准水位线附近呢?只能靠供给侧调整。与电网并网的电厂,电网的调度是可以随时要求电厂调整发电量来匹配实时波动的用电需求。具体方法我就不细讲了,有自动发生的一次调频和主动干预的二次调频。
然而,发电端和用电端有很大的不同:灯泡你可以随时开随时关,电厂却不能随时开随时关。电厂也不是想开多大开多大,换句话说,电厂不能想什么时候发多少电就发多少电——存在技术极限。由于需求不稳定,发电一侧就得保持冗余的发电能力,必须能满足需求波峰最高点的用电量。在需求低谷,就得少发电,保证电网的“水位”不超过“标准水位”线。所以,为什么电价会有波峰波谷电价,工业电价波峰电价可以是波谷电价的3-4倍,就是因为波谷时,如果用电需求不足,大量发电厂被迫停机。闲着也是闲着,不如便宜点。
电厂也有很多种。核电火电这种,只要有燃料,就可以几乎不停机的运行下去,输出很稳定。水电的季节性就非常强,夏季丰水期发电量大,冬季枯水期发电量就小。以2020年为例,最高峰的7月份发电量超过1400亿度,而枯水期就只有700亿度。光伏电站是白天发电,晚上没电,要是来个阴天下雨,发电量就大幅下降。风电更是靠天吃饭,有没有风全看老天爷脸色。
一年一共是8760个小时,上表中可以看到,核电每年可以出力7453个小时,大约85%的时间都在运行。相当于每天工作超过20个小时。火电每年出力4216个小时,大概每天工作11.5个小时,相当于997。水电每年出力3827个小时,相当于996。而风电只有2073个小时,差不多朝9晚5加双休。光电就只有1281个小时,基本上每天8小时,每周上三天班。
而风电和光电,上班时间还不固定。有风有太阳时候发电,没风没太阳就没电。
用电需求不稳定,而供给侧除了火电和核电,也不稳定。咋办?核电虽然稳定,但也不能随便开机关机。比较苦逼的火电,就承担了调峰填谷的任务。别的地方发的少了,火电就得吭哧哧开机干活补上,别的地方发得多了,火电就得把机器关了停机。
所以,不稳定的新能源发电的电价,不仅仅需要和火电一样,得比火电还低很多,才算是真的有竞争力。好在光伏电站也基本上白天发电,和用电量的高峰比较一致。但风电,就是真的看天吃饭了。去年东北的拉闸限电,和内蒙东部东北风电场因为天气原因出力不足有很大关系。欧洲能源危机和欧洲最近风力低于预期,也有很大关系。
下文是《财经》杂志的报道:
而我国最近几年大力发展新能源,风电更是投入最大的领域。2020年,我国风电发电总投资高达2618亿元,是火电553亿元的4.7倍。风电的装机容量也从2011年的0.46亿千瓦,上升到2020年的2.8亿千瓦,10年翻了6倍,2020年装机容量达到了火电的23%。但因为风电发电不稳定,2020年风电的发电量仅为火电的9%。
随着发电不稳定的新能源在整体发电量的比例越来越大,整体电力生产的稳定性会随之下降。而为了维持稳定,火电厂必须保留更大的冗余能力,以帮助整体电网削峰填谷。这导致了火电设备的实际利用小时数不断下降。从2011年的5305小时,下降到2020年的4216小时。实际利用小时数的下降影响了火电厂的运营效率和盈利能力。随着新能源发电的进一步发展,火电的定位将逐渐由主体电源向补充性电源转变,提供更多的调峰调频服务。
如果新能源发电在极端情况下会全部失去出力,为了保证电网稳定,多少亿千瓦的新能源发电,就至少需要同等装机量的火电来帮助调峰。火电承担的净负荷=负荷-核电-风-光-储能。当风电光电的比例越大时,火电需要应对的调峰任务也就越来越大了。
中国的火电还有一个问题是,中国的火电大多数是大型煤电厂。大型煤电有一个缺点——灵活性差。功率爬坡速度慢,主力电厂的爬坡速度一般为2%每分钟,还有最小出力限制。欧洲和美国的火电厂大部分是烧天然气,燃气电厂调节速度快,没有最小出力限制。
新能源发电,不仅仅需要建设发电能力,同期突破储能技术,建设储能能力也至关重要。
8、
虽然水电风电光伏电站的发电不稳定,但同时,水电、风电、光伏不需要燃料。而核电站中原料铀占总生产成 本的5%左右,处理后的铀燃料占总生产成本的15%左 右。相比之下,火电站的燃料成本占总发电成本的70%左右。而燃料(煤、石油、天然气)的价格是非常不稳定的。
上图四1967-2021年美国CPI的年度变化,黄色线的是能源价格。可以看到能源价格变化波动远远超过整体的CPI。
经济学中有一个概念叫弹性,指某一产品价格变动时,该种产品需求(供给)量相应变动的灵敏度。产品价格上升会减少需求,增加供给 ,减少(增加)的量处于价格变化就称之为需求(供给)弹性。
一般而言,奢侈品,可替代品,非必需品价格弹性较高。比如,iPhone价格涨了一倍,大家就不去买iPhone了,需求会大幅下降。但如果粮食价格翻了一倍,该吃饭还得吃饭,需求不会有太大变化。
现代社会中,电是绝对的必需品,没有电就没有了一切。在电力供应出现异常短缺时,部分需求方会愿意出难以想象的高价格来保证电力供应。假如你的亲人在手术室面临断电的危险,你愿意出多少价格,来保证手术的供电?而完全市场竞争环境下,决定价格的就是愿意出最高价的人。在一个市场化的环境下,如果出现供电能力突然下降,电价就有可能一下子飙升到难以想象的高度。在极端环境下,电价在几天之间上涨上百倍都是可能的。
在比较市场化定价的美国得克萨斯州,就出现过多次电价危机。2019年8月,2021年1月都爆发过电价危机。在2021年初的电价危机中,批发电价在几天之内上涨了300倍。据媒体报道,有的家庭收到了上万美元的电费账单。然而,收到巨额账单的是选择了零售电价和批发电价挂钩的市场化定价的家庭。大部分选择固定电价的家庭并没有受到影响。
对火电行业来说,有三个核心价格指标 - 燃料价格、批发电价(电厂销售给电网的电价)、零售电价。在一个完全市场化的环境下,价格应该由供给和需求决定在大部分西方国家,燃料价格和批发电价更加市场化的,零售电价是政府监管的。美国大部分州,也不允许电网直接把批发电价的上涨直接转嫁给零售用户。在中国目前的情况是,批发电价和零售电价都是政府监管。而燃料价格(煤价)已经基本上市场化。
零售电价是政府监管的,价格比批发电价稳定得多。在燃料价格波动剧烈,而零售电价要保持稳定的前提下,要么是发电环节承担(即批发电价也被监管保持稳定),要么输电环节承担(批发电价波动,零售电价稳定)大部分西方国家,是批发电价和零售电价之间的输电环节承担风险。
那么零售电价比批发电价高多少呢?在比较重视环保的高电价的欧洲国家,一般零售电价的价格是批发电价的2.5-3倍,而在相对电价比较低的美国和加拿大,零售电价是批发电价的1.7-2倍。中国电网的加价幅度相比西方国家更低,大概在1.5倍左右。
中国的批发电价对于不同发电类型是不同的,不同地区也不一样,以煤电为例,最便宜的新疆只有0.25元/度,比较贵的广东达到0.5元/度。大致的平均水平在0.4元/度左右。零售电价不同地区也不一样,峰谷电价之间差3-4倍,大致平均水平在0.6元左右。美国2020年的批发电价折合人民币大约0.37元,比中国略低,零售电价折合人民币大约0.66元。比中国稍高。欧洲的零售电价远高于中国。在电价和能源价格比较稳定的2019年,欧盟国家的平均家庭零售电价是0.21欧元 / 度,折合人民币大约1.50元。其中,德国的零售电价最高,接近0.3欧元/度。而批发电价的价格,平均大约在0.06欧元,折合人民币0.45元/度,和中国差不多。
未完待续......
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