受伊頓公司(Eaton)與可再生能源協(xié)會(RenewableEnergyAssociation)委托，彭博新能源財經(jīng)主持的針對高比例可再生能源電力系統(tǒng)的研究成果重磅發(fā)布。該研究以彭博新能源財經(jīng)的《新能源展望》（《NewEnergyOutlook》）為基礎，強調風電和光伏將如何快速成為主要發(fā)電來源，并探討可能隨之出現(xiàn)的靈活性挑戰(zhàn)。
歐洲新能源發(fā)展三大轉折點
受快速增長的先進技術和持續(xù)增加的規(guī)模影響，風電和太陽能發(fā)電的成本持續(xù)下降，同樣，這樣的趨勢也發(fā)生在鋰電池儲能業(yè)。根據(jù)彭博新能源財經(jīng)發(fā)布的《新能源展望》預測，在整個歐洲，風電和光伏發(fā)電技術有望在2040年前將這兩種資源的發(fā)電成本至少下降一半。先進技術的廣泛應用將促使風電和光伏在2020年中期成為最大的電源類型。同樣，鋰電池成本的下降也將使電儲能成為更經(jīng)濟的系統(tǒng)裝備，從終端用戶儲能到平衡系統(tǒng)峰值需求，電儲能都將被廣泛應用。
多重因素驅使新能源整體發(fā)電成本的下降，這其中包含以下不同的先進技術：
——陸上風電平準化電力成本從2017年66美元/兆瓦時下降至2040年35美元/兆瓦時。分攤成本下降的最大因素是新型低風速風電機組利用率的提升。
——離岸風電平準化發(fā)電成本從2017年171美元/兆瓦時下降至2040年50美元/兆瓦時，成本下降得益于安裝成本的下降，以及大型風電機組的普及和實際運行經(jīng)驗的提升。
——公共事業(yè)范圍光伏平準化發(fā)電成本從2017年的66美元/兆瓦時下降至2040年23美元/兆瓦時。光伏元件生產(chǎn)成本的下降是減少光伏平準化發(fā)電成本的最重要因素。
——鋰電池價格從2017年的273美元/千瓦時下降至2030年的73美元/千瓦時。電池化工生產(chǎn)工程的推進有效促進了電池成本的下降。
上述范圍內成本的下降，將促使歐洲能源系統(tǒng)內產(chǎn)生三個轉折點：
轉折點一——當風電和光伏發(fā)電成為最經(jīng)濟的電源類型。實際上在歐洲大部分地區(qū)，該轉折點已經(jīng)被實際觸碰，這兩種發(fā)電技術已經(jīng)促使風電和光伏發(fā)電成本較新建燃煤和氣電站更具經(jīng)濟優(yōu)勢，促使它們成為電力供應最經(jīng)濟的選擇。
轉折點二——當新建光伏和風電廠的運行成本低于現(xiàn)有化石能源發(fā)電成本。在2020年末，大部分風電和光伏發(fā)電項目運行成本將有望低于現(xiàn)有氣電和煤電的運行成本。
轉折點三——當屋頂光伏系統(tǒng)的運行成本低于從電網(wǎng)購電的成本。目前歐洲大部分地區(qū)已經(jīng)跨過了這一經(jīng)濟轉折點，未來的增長將受到消費者使用、地方監(jiān)管和屋頂資源量來共同推動。
在不同的國家，在何時將電儲能加入系統(tǒng)來進一步提升經(jīng)濟性，還取決于當?shù)氐奶柲苜Y源，電力零售價格等，以及儲存系統(tǒng)的互補價值流的可用性。
新能源將以驚人的速度
引領歐洲電力系統(tǒng)發(fā)生巨變
根據(jù)《新能源展望》分析，電力需求的下降將導致2017~2030年電力投資疲軟。2030年以后，電動汽車將有助于電力需求再次回升。到2040年電動汽車的市場占比達到12%，將會創(chuàng)造新的電力容量需求，但這并不存在于整個歐洲市場。當然，當電力系統(tǒng)在風電和太陽能發(fā)電遭遇陰雨天氣時，仍需要氣電或煤電來進行削峰填谷，這也會導致新建風電和太陽能發(fā)電投資趨緩。
在英國，風電和光伏發(fā)電將在2030年占比達到39%，到2040年達到50%。根據(jù)彭博新能源財經(jīng)《新能源展望》，英國的風電和太陽能發(fā)電容量將在2017~2040年增長45吉瓦，其中風電容量增加25吉瓦。這其中，到2027年主要的增長是依靠于補貼政策下的離岸風電容量增長；2028年~2040年，基于有利的風速以及增長的電力需求，將使陸上風電成為最經(jīng)濟的選擇，這期間，英國將增加13吉瓦的陸上風電容量。
在同一時間段，該國還將增加20吉瓦光伏發(fā)電容量。但基于該國貧瘠的太陽能資源，意味著到2040年，光伏發(fā)電為該國新能源發(fā)電容量增長所作出的貢獻率僅為8%，盡管到2030年左右，光伏發(fā)電就即將成為最具經(jīng)濟性的發(fā)電類型。
在德國，到2030年風電和光伏發(fā)電在整個電力系統(tǒng)中的占比將達到47%，到2040年將達到61%。2017~2040年，德國的光伏和風電裝機容量將增長超過127吉瓦。其中，光伏裝機容量增加108吉瓦。增長的首要因素是小規(guī)模的光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，當然，這也受到高昂的零售價格和屋頂資源的限制。
同時，風電容量的增長僅為18吉瓦。這樣的小幅增長是受到電力需求下降以及光伏的大規(guī)模應用的沖擊，到2040年，德國風電總裝機將達到80吉瓦，并穩(wěn)定在該區(qū)域范圍內。
2040年，德國仍將保持50吉瓦化石能源發(fā)電能力，目前，德國現(xiàn)有化石能源發(fā)電總容量71吉瓦。
在北歐市場（挪威、瑞士、丹麥及芬蘭），到2030年風電和光伏發(fā)電占比將達到15%，到2040年回落至11%。2017~2040年期間，基于該地區(qū)良好的水電資源利用，風電和太陽能發(fā)電能力將保持穩(wěn)定。2017年，水電在該地區(qū)的總容量達到51吉瓦，在整個電力系統(tǒng)中的占比超過一半，并滿足2/3的電力需求。這也將導致北歐地區(qū)光伏發(fā)電容量僅增加6吉瓦，離岸風電容量僅增加2吉瓦，陸上風電容量回縮6吉瓦，當然，這樣的下降也是由于老舊風電場達到其運行年限而沒有被及時重建。
英國
據(jù)彭博新能源財經(jīng)《新能源展望》預測，基于迅速下降的新能源發(fā)電成本，英國能源系統(tǒng)中新能源的占比將持續(xù)增加。到2026年，英國新能源占比將超過整個能源系統(tǒng)占比的一半以上，到2040年，該國新能源發(fā)電量將超過63%。其中，低成本的風電、光伏發(fā)電資源將在2030年占比達到40%，到2040年達到50%，新能源將逐步滿足英國的電力需求。
2017年，風電和光伏發(fā)電僅滿足該國25%的電力需求。到2040年，這些可再生資源將滿足超過49%的電力需求，同時，根據(jù)增加的頻率，風電和太陽能將逐漸滿足所有電力需求。到2030年，該國的棄風棄光率僅為1%，但到了2040年，當750小時滿負荷輸出滿足電力需求，棄風棄光率將提升至3%（該數(shù)據(jù)不包括電網(wǎng)或其他限制，并且有可能會達到更高的數(shù)值）。
這一情況將成就儲能技術的爆發(fā)，這也將更好地滿足靈活性的需求，比如電動汽車充換電以及工業(yè)生產(chǎn)過程，將更好地利用有可能被棄掉的可再生能源。同時，電網(wǎng)互聯(lián)工程將發(fā)揮更大的作用，來支持電力電能的輸出。
基于風電和光伏發(fā)電所具有的波動性，其他柔性資源也需要加大或減少出力，來達到電力供需的瞬時平衡。根據(jù)模型測算，2017年英國電力系統(tǒng)波動率中上升最大幅度達到10吉瓦/小時，下降最大波動率達到11吉瓦/小時，這要求該國1/3的氣電機組啟動或關停1小時來平抑波動。
到了2040年，這樣的波動將達到上升幅度21吉瓦以及下降幅度25吉瓦，這就要求該國20%~25%的發(fā)電機組全部關停或啟動1小時。這將助力儲能、需求響應、氣電等具備快速啟停性資源迅猛發(fā)展，來滿足瞬時快速上升的電力需求。有可能會出現(xiàn)的需求極值將會對該國電力系統(tǒng)造成壓力，并使傳統(tǒng)的發(fā)電機組效率更低，需求響應和儲能技術有助于減輕這些影響。
最快在2030年，風電和光伏發(fā)電將滿足以周為計算周期內的每一天的電力需求，這也意味著類似于核能等“基荷電源”將沒有發(fā)電空間，新能源將滿足全天甚至數(shù)周的電力需求。基于英國風電資源特性，最高風電和光伏發(fā)電輸出集中在冬季，同時，夏季的電力需求較低，這意味著全年內，風電和太陽能發(fā)電的份額保持相對穩(wěn)定。
到2040年，當風電和太陽能發(fā)電輸出達到最大，可以滿足該國所有的電力需求，但當某些時刻新能源不能滿足以小時為記的電力需求，就需要儲能技術來輔助電力供應。隨著時間的遞進，多變的可再生能源逐漸接近于滿足全年的用電需求。但從最高電力輸出月可以滿足近70%的電力需求來看，仍需要其他類型的資源來助力可再生能源達到滿足全部電力需求的目標。
由于英國可能出現(xiàn)的長時間多云天氣，有很長時間可能出現(xiàn)無風電和太陽能發(fā)電出力的情況。這樣的情況多發(fā)生在夏天，風電出力表現(xiàn)為最低。盡管如此，我們仍可期待到2040年，在無風/太陽能的天氣下，新能源發(fā)電仍可滿足80%/72%的電力需求。這也導致了到2040年后備電源的需求量和2017年保有量持平。屆時，將由70吉瓦分布式電源（儲能、需求響應及電網(wǎng)互聯(lián)工程）來滿足低風電及低太陽能發(fā)電出力時的峰值需求。
同時，在英國，后備電源的需求將越來越少，在無風及無太陽能期間后備電源的平均利用率將從2017年的50%下降至2040年的29%。這也將損害現(xiàn)有發(fā)電裝機的經(jīng)濟性，主要包括循環(huán)氣電機組。
電儲能技術和靈活的需求響應可以很好地解決可再生能源帶來的短期波動性問題，例如在一天內將能源從一個小時轉移到另一個小時；甚至在一周內將能源從一天轉換到另一天。但電儲能技術仍將無法完全承擔后備電源的功能，當無風/太陽能持續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月，電儲能技術無法滿足電力需求。要解決這個長期性電力缺口問題，仍需要分布式以及靈活資源來調節(jié)。目前，僅有抽水蓄能、電網(wǎng)互聯(lián)以及氣電機組在實現(xiàn)經(jīng)濟性的前提下滿足長期電力缺口問題，其他技術比如大型水庫儲能，則仍需要在減少成本上持續(xù)推進。同時，儲能技術可以滿足短期內風電和太陽能發(fā)電對系統(tǒng)所提出的靈活性需求。盡管如此，目前季節(jié)間的儲能技術仍十分有限。
德國
根據(jù)彭博新能源財經(jīng)《新能源展望》預測，基于持續(xù)下降的成本因素，德國能源系統(tǒng)中的可再生能源占比仍持續(xù)增長。到2022年，可再生能源將占到整個德國電力容量的一半以上，到2040年，可再生能源發(fā)電占比將達到74%。這其中，低成本的風電和太陽能發(fā)電占比將在2030年達到49%，可再生能源發(fā)電將逐步滿足該國電力需求。
2017年，可再生能源（風能和太陽能）不足以滿足超過37%的每小時電力需求。到2040年，這些資源將滿足該國半年內超過71%的每小時電力需求，并且隨著時間推移，風電和太陽能發(fā)電量將逐步超越該國所有電力需求。在2030年，棄風棄光率達到3%，到2040年提升至16%，2300小時的發(fā)電輸出將超過電力需求，相當于全年利用小時的1/4（該數(shù)據(jù)不包括電網(wǎng)及其他限制，有可能會更高）。這一情況將助力電儲能技術的發(fā)展，還包括需求響應，以及電動汽車充換電等靈活需求的發(fā)展，來支持可再生能源的更廣泛使用。同時，電網(wǎng)互聯(lián)也將承擔更為重要的角色，來支持電力的出口。
正如風能和太陽能發(fā)電的波動性，其他靈活性資源也將需要上下波動調節(jié)出力以達到系統(tǒng)平衡。同時，在需求側也存在波動。根據(jù)模型測算，在2017年最大波動曲線率表現(xiàn)為上升階段13吉瓦/小時，以及下降階段11吉瓦/小時。這意味著近半數(shù)的德國氣電機組啟停1小時。到2040年，波動最大上升曲線為38吉瓦，最大下降曲線為34吉瓦，相當于近40%的德國分布式發(fā)電機組啟停1小時。
這對于具有快速啟停特性的資源來說是發(fā)展的良機，如儲能、需求響應，以及天然氣機組，以支持所需的系統(tǒng)平衡。極端的波動率可能會對系統(tǒng)造成壓力，并使常規(guī)發(fā)電機的運行效率降低；靈活的需求響應和儲存可能有助于減輕這些影響。
最早到2030年，風電和太陽能發(fā)電可以滿足該國一天內任何小時的電力需求，但這完全仰仗于基荷電源的持續(xù)穩(wěn)定輸出，同時對于“基荷電源”技術提出更多的挑戰(zhàn)。
目前在德國，最高的風電和太陽能發(fā)電輸出持續(xù)于冬季，屆時風力將達到最大。隨著太陽能發(fā)電的持續(xù)發(fā)展，這一現(xiàn)狀將被改變。到2040年，夏季的新能源發(fā)電輸出能力將和冬天持平。
可以預見，到2040年，當風電和太陽能發(fā)電輸出達到最大，將超過整體的電力需求。盡管風電和太陽能發(fā)電輸出與每小時的電力需求并不匹配，但其將在以周為單位的時間周期內，提供充足的電力以滿足用電需求。同時，也需要儲能和靈活的需求響應來輔助以達到供需平衡。隨著時間的推移，新能源發(fā)電將逐步達到年供需平均。風電、太陽能發(fā)電月度最大輸出值將滿足78%電力需求。但仍需其他類型的發(fā)電資源配合以達到天、周，甚至月度平衡。
相對來說，在德國，多云天氣可以持續(xù)很多天，偶爾也會有幾個小時幾乎沒有風力和太陽能發(fā)電的狀況出現(xiàn)。這樣的情況最常見于秋季和冬季，低風速也將出現(xiàn)于冬季，陽光也不像在夏季那樣充足。盡管這樣，到了2040年，我們仍可以期待在沒有風力和太陽能的整周時間內，風電和太陽能發(fā)電仍可滿足85%和63%的電力需求。同時，2040年后備電源的需求量和2017年持平，來輔助風電和太陽能發(fā)電。
到2040年，德國需要97吉瓦的分布式能源來平衡電力的峰值需求。但這些后備電源的需求量將逐步下降，平均利用率將從2017年的51%下滑至2040年的27%，這一情況也將逐步損害現(xiàn)有電源的經(jīng)濟性，包括煤電和氣電。
未來的德國能源體系以新能源為主，同時必須輔之以具有靈活性的資源。儲能技術和需求響應能夠很好地解決可再生能源帶來的短期波動問題，例如將能源從此小時轉移到彼小時，或從某一天轉移至另一天。到2040，德國有了大量的太陽能發(fā)電能力，這為日用儲能向日夜轉換儲能的發(fā)展提供機會。
然而，這些技術不能很好地適用于在風能和太陽能發(fā)電不足以滿足需求的情況下，提供數(shù)周和數(shù)月的能源儲備。為了滿足這些較長期的需求缺口，需要可調度的，理想的是具有靈活性的資源。目前，只有抽水蓄能、電網(wǎng)互聯(lián)和氣電能夠在滿足經(jīng)濟性的前提下進行。諸如氫存儲之類的其它技術仍將需要顯著的降低成本。
盡管在德國，風電和太陽能發(fā)電的占比達到60%，季節(jié)儲能的需求并不大。短期儲能和其他資源發(fā)電將為系統(tǒng)平衡提供充足的靈活性。
北歐地區(qū)
在這份報告中所述北歐地區(qū)，包括丹麥、芬蘭、挪威和瑞士。彭博新能源財經(jīng)《新能源展望》中預測，北歐地區(qū)能源系統(tǒng)主要以水電為主、風電和太陽能發(fā)電為輔。
和歐洲其他國家不同，北歐地區(qū)并未見到風電、太陽能發(fā)電由于成本下降而爆發(fā)式增長。包括水電的可再生能源已經(jīng)占據(jù)了北歐電力供應3/4的份額。到2040年，近78%的電力供應仍將以可再生能源為主導，其中水電獨大，占比67%。
最早到2030年，低成本的風電和太陽能發(fā)電資源將占比15%，但是到2040年，由于機組退役或補貼不足，該占比將回落至11%。
2017年，風電和太陽能發(fā)電在滿足電力需求中的小時需求占比17%，到2030年將提升至24%。到2040年，這些資源占比將回落至2017年水平，以及在2030年，甚至2040年，單純的風電和太陽能發(fā)電仍將無法滿足全部電力需求。
由于風電和太陽能發(fā)電輸出超過需求而導致的棄風棄光問題，將不會成為北歐地區(qū)的能源問題。同時，作為一個風電、太陽能發(fā)電滲透率較低的地區(qū)，北歐的系統(tǒng)波動性也不會有所增加。
根據(jù)模型測算，2017年系統(tǒng)波動率上升曲線為8吉瓦/小時，下降曲線為6吉瓦/小時。這意味著北歐地區(qū)1/6的水電機組關停一小時。到2040年，最大上升曲線為5吉瓦，以及最大下降曲線3吉瓦，較目前水平下降37%~50%。盡管大量的水電資源非常適合處理北歐的系統(tǒng)波動需求，然而當系統(tǒng)出現(xiàn)波動，在遠離水電站的區(qū)域或者偶然出現(xiàn)的線路擁塞情況下，仍然需要本地靈活性資源進行調劑。
和其他歐洲電力系統(tǒng)不同，盡管風電和太陽能發(fā)電持續(xù)增長，但北歐市場保持相對穩(wěn)定。風電和太陽能發(fā)電能力的增加相對較小，不會對現(xiàn)有發(fā)電機組的總體結構和運行產(chǎn)生重大影響。基于水電的占比，78%的可再生能源（其中風電和太陽能發(fā)電占比11%）不會產(chǎn)生系統(tǒng)波動性以及“棄風棄光”的情況，基荷電源將保持穩(wěn)定的占比。
北歐地區(qū)的水文循環(huán)情況大致是，在冬季水的流入量最低，大部分水被凍結；春季和夏季，雪融化時，水流入量最高。相對在冬季電力需求高的時候，風力發(fā)電更高，夏天則較低。盡管分析的是北歐電力市場，但實際上，主要的水電資源還是存在與挪威和瑞士。這些資源使整個區(qū)域既能實現(xiàn)深度脫碳，又能引進可變的風能和太陽能發(fā)電資源，而不會遭遇系統(tǒng)靈活性挑戰(zhàn)。
北歐的地域和資源優(yōu)勢，使得其可以利用廉價的風電和太陽能發(fā)電，減少了對其他類型的容量和資源的利用——包括儲能技術（這其中假定北歐國家之間有很強的電網(wǎng)互聯(lián)關系）。事實分析表明，該地區(qū)有足夠的靈活的水電資源來處理風電和太陽能發(fā)電的多變性，這為加強與英國和德國等其他歐洲國家的電網(wǎng)互聯(lián)提供了機會，以便北歐水電能夠為風電和太陽能發(fā)電可能達到更高滲透率的市場提供更多的靈活性選擇。
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