構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，天然氣是什么角色？

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，未來能源轉(zhuǎn)型將進(jìn)入加速發(fā)展期。以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)需要新的體制機(jī)制支撐，包括儲能、需求側(cè)響應(yīng)都需要建立新的商業(yè)模式及完善的市場機(jī)制。能源市場化是支撐“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要條件，天然氣行業(yè)要想實(shí)現(xiàn)輝煌，需要技術(shù)創(chuàng)新和商業(yè)模式創(chuàng)新，包括改革和政策等方面做出更大的努力，才能使天然氣在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮更好的作用，走綜合能源發(fā)展之路，才能支撐碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

文 | 楊雷 北京大學(xué)能源研究院，石油商報(bào)

天然氣是重要的碳減排來源

天然氣減排的一個典型例子是美國。美國在2007年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰后，現(xiàn)已進(jìn)入二氧化碳的快速減排階段。這與同期美國頁巖氣革命的成功密不可分，美國的天然氣產(chǎn)業(yè)近年來獲得了長足的發(fā)展，資源得天獨(dú)厚，價錢便宜，氣電成本得以大幅下降。最近十幾年來，可再生能源得到快速發(fā)展，貢獻(xiàn)了30%的減碳量。而****的減碳來源仍然是天然氣，減排貢獻(xiàn)為40%。

天然氣替代煤炭發(fā)電，對于二氧化碳排放的快速下降發(fā)揮了重要的作用。天然氣在減少污染方面也發(fā)揮了重要作用。在碳減排的過程中，氣電的環(huán)境效應(yīng)非常顯著，尤其是對于顆粒物和硫化物等的減排。據(jù)統(tǒng)計(jì)，燃?xì)怆姀S較燃煤電廠的氮氧化物排放量減少26%，二氧化硫減少95%，煙塵減少64.3%。在同等發(fā)電量的情況下，燃煤電廠的二氧化碳排放量是氣電的2倍，這也是美國氣電代替煤電后減排效果顯著的原因。隨著天然氣消費(fèi)量的逐漸增長，包括對燃煤鍋爐的淘汰，天然氣將發(fā)揮重要作用。

天然氣是電力系統(tǒng)重要的靈活性來源

在碳中和愿景下，能源低碳轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為共識。中國的碳中和承諾，意味著到2045年左右，風(fēng)電和光伏將成為最主要的一次能源；據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2060 年，對煤炭的需求將下降80%以上，石油需求下降約60%，天然氣需求下降40%以上。截至2020年，中國能源結(jié)構(gòu)中化石能源占比仍在85%左右，而以可再生能源為主的非化石能源占比不足16%。中國關(guān)于碳達(dá)峰碳中和的指導(dǎo)意見明確提出非化石能源占比要達(dá)到80%以上，今后的目標(biāo)是可再生能源為主的非化石能源替代現(xiàn)在的化石能源成為主體。

在這個過程中，能源系統(tǒng)優(yōu)化是邁不過去的坎。以可再生能源為主體的供電系統(tǒng)，其日波動、季節(jié)波動性非常顯著，與原來的、能夠很好調(diào)度的電力系統(tǒng)有很大的差別。風(fēng)電、光伏變動性大的能源對電力系統(tǒng)提出了全新要求。這就需要構(gòu)建一個新型的能源系統(tǒng)和電力系統(tǒng)。

根據(jù)IEA 等的研究，當(dāng)變動性可再生能源發(fā)電量占比在5%以下時，通過電網(wǎng)調(diào)度基本可以解決，以前說風(fēng)電光伏占比達(dá)5%即為上限，而德國通過技術(shù)的不斷突破，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)可再生能源占比達(dá)到80%。當(dāng)可再生電力占比超過5%后，電力系統(tǒng)將進(jìn)入一個新的階段，需要擁有更多的備用容量，如抽水蓄能、氣電、火電的靈活性改造，以支撐更多的變動性可再生能源，但隨之而來的系統(tǒng)成本也越來越大。

當(dāng)可再生電力占比超過10%后，系統(tǒng)成本急劇升高，這就需要對電力系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化，提高整個源、網(wǎng)、荷、儲在內(nèi)的系統(tǒng)靈活性。中國已經(jīng)進(jìn)入這一階段，需要對電力系統(tǒng)進(jìn)行整體升級優(yōu)化，比如源網(wǎng)荷儲一體化、風(fēng)光水火一體化等系統(tǒng)的重新構(gòu)造，這是構(gòu)建新型能源系統(tǒng)邁不過去的坎。系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行成為關(guān)鍵問題，需要采取先進(jìn)靈活性技術(shù)加以保障。未來新型能源系統(tǒng)將以集中式為主逐步轉(zhuǎn)向分布式、集中式并重，最終發(fā)展成為以分布式能源廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)。

系統(tǒng)靈活性越來越重要。IEA2021年5月的一項(xiàng)研究表明，隨著可再生能源或者非化石能源比例的增加，全球能源系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)凈零排放，目前電力系統(tǒng)的靈活性需要提高4倍，才能支撐未來系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、靈活供應(yīng)。天然氣是目前****的跨季節(jié)大規(guī)模儲能的方式，未來綠氫將是有力的挑戰(zhàn)者。

氣電是優(yōu)質(zhì)的調(diào)峰來源。隨著可再生電源的大量接入，中國電力系統(tǒng)調(diào)峰面臨更大壓力。天然氣發(fā)電運(yùn)行靈活，啟停時間短，爬坡速率快，較煤電具有很強(qiáng)大的調(diào)峰能力和調(diào)峰速度。氣電特別大的優(yōu)勢是跨季節(jié)調(diào)峰能力，當(dāng)冬季光伏發(fā)電能力降低時，要實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的季節(jié)調(diào)峰，目前還需依賴氣電。在德國的電力結(jié)構(gòu)中，氣電占比達(dá)到了13%，由于利用小時數(shù)較低，其裝機(jī)容量很大，以支撐高比例的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。

在風(fēng)電、光伏裝機(jī)占比較高的情景下，天然氣發(fā)電裝機(jī)需求將持續(xù)增加，氣電在電力系統(tǒng)中更多充當(dāng)尖峰電源，支撐可再生能源并網(wǎng)。如果能夠用更多的氣電來參與調(diào)峰，對未來這種新型能源系統(tǒng)的構(gòu)建是非常的重要。尤其是到2030～2040年，氣電將發(fā)揮非常重要的作用，這也是能夠保證能源安全，支撐更多可再生能源并網(wǎng)的重要手段。

未來新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建離不開天然氣

現(xiàn)有電力系統(tǒng)靈活性面臨巨大挑戰(zhàn)。在“十三五”規(guī)劃目標(biāo)中，煤電裝機(jī)為11億千瓦、靈活性電源（包括抽水蓄能、氣電和煤電靈活性改造）3.7億千瓦、變動性可再生電源（風(fēng)電+光伏）3.2 億千瓦，到2020 年煤電達(dá)到10.8億千瓦，基本達(dá)到預(yù)期，有效控制了煤電的增長；靈活性電源為1.9億千瓦，僅為目標(biāo)的一半，而變動性可再生電源裝機(jī)達(dá)到了5.3億千瓦，大大超出預(yù)期。這也對“十四五”期間靈活性電源的發(fā)展提出了更高的要求。

我國氣電的比例較低。2010～2020年，天然氣發(fā)電取得了較快增長，但由于發(fā)電小時數(shù)較低，氣電量占比不是很高，裝機(jī)占比超過4%，而發(fā)電量占比在電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)中由1.8%小幅升至3.4%。全球典型國家的天然氣發(fā)電量，印度為4.6%，德國14.9%，美國氣電（40.9%）是主要的電力來源。我國氣電裝機(jī)不到1億千瓦，天然氣價格也比國際上的水平要高，氣電企業(yè)就很難盈利。此外，由于氣源得不到有效保障，影響了氣電發(fā)展的積極性。

我國氣電現(xiàn)階段調(diào)峰能力很弱。近幾年燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)增長相對較快，約占總裝機(jī)比例60%。廣東、江蘇、浙江、上海是我國燃?xì)怆姀S最為密集的地區(qū)，裝機(jī)容量全國占比約60%。京津地區(qū)燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)呈快速上升勢頭，裝機(jī)容量全國占比17%。而熱電聯(lián)產(chǎn)的機(jī)型并不適合調(diào)峰。

我國氣電價格水平較高。我國各地發(fā)電氣價在2.2～2.7元/立方米，在此氣價水平下，我國典型地區(qū)燃?xì)怆姀S發(fā)電成本約為0.56～0.58 元/千瓦時，其中，燃料成本占比約70%～75%。氣電上網(wǎng)電價相對較高，近幾年氣電發(fā)電小時維持在約2600 小時以下的較低水平。

氣電發(fā)展需要政策支持。北京大學(xué)氣候變化和能源轉(zhuǎn)型項(xiàng)目組的研究表明，到2025 年，天然氣將呈快速增長態(tài)勢。在積極的能源轉(zhuǎn)型情景下，要盡早實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，天然氣在發(fā)電領(lǐng)域?qū)�發(fā)揮更加重要的作用。一直到2040年前，天然氣的發(fā)展空間都非常廣闊。

明確天然氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)政策將有助于天然氣發(fā)揮更好的作用。天然氣市場化改革與電力市場化改革的深化是發(fā)揮氣電作用的重要條件。天然氣市場化進(jìn)入了深水區(qū)，如何能夠借鑒國際的成功經(jīng)驗(yàn)，少走彎路，能夠盡快地建立一個能夠優(yōu)化資源配置的市場化價格體系，將是非常重要的。這樣才能夠使這個資源的調(diào)配符合實(shí)際的情況，也會能提高天然氣價格的國際話語權(quán)。

未來新型能源系統(tǒng)、電力系統(tǒng)的構(gòu)建，需要天然氣這樣的靈活性資源，如何能夠使天然氣發(fā)電，在未來的這樣一個能源轉(zhuǎn)型中，有可預(yù)期的投資環(huán)境是非常重要的，要明確這樣的定位和相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策。

隨著備用容量市場規(guī)模的擴(kuò)大，建立市場化機(jī)制也可以確保將來建設(shè)安全可持續(xù)的電力系統(tǒng)。電力現(xiàn)貨市場，包括較高的調(diào)峰電價，包括輔助服務(wù)市場體系的建設(shè)，對氣電發(fā)展非常重要，同時，也包括容量市場的構(gòu)建，為備用容量付費(fèi)，也是吸引氣電等靈活性資源投資的關(guān)鍵手段。

深化市場化改革是必由之路。全面推進(jìn)電力市場化改革，加快培育發(fā)展配售電環(huán)節(jié)獨(dú)立市場主體，完善中長期市場、現(xiàn)貨市場和輔助服務(wù)市場銜接機(jī)制，擴(kuò)大市場化交易規(guī)模是黨中央國務(wù)院的明確要求。應(yīng)深入推進(jìn)電網(wǎng)體制改革，明確以消納可再生能源為主的增量配電網(wǎng)、微電網(wǎng)和分布式電源的市場主體地位。加快形成以儲能和調(diào)峰能力為基礎(chǔ)支撐的新增電力裝機(jī)發(fā)展機(jī)制。完善電力等能源品種價格市場化形成機(jī)制。從有利于節(jié)能的角度深化電價改革，理順輸配電價結(jié)構(gòu)，全面放開競爭性環(huán)節(jié)電價。

推進(jìn)煤炭、油氣等市場化改革，加快完善能源統(tǒng)一市場。應(yīng)該說，完善的市場機(jī)制和價格信號是構(gòu)建新型能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)碳中和愿景的重要保障。