要適應(yīng)可再生能源的份額要求,，化石能源對(duì)應(yīng)的最優(yōu)份額在何種水平?

　　為了應(yīng)對(duì)普遍存在的局地環(huán)境污染,、能源安全與全球氣候變化問(wèn)題，能源轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為越來(lái)越多國(guó)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(dòng)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(duì)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(duì)數(shù)量的過(guò)剩產(chǎn)能,，公共政策的關(guān)注視角應(yīng)該在哪個(gè)方面?這是本文探討的主要問(wèn)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(wèn)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(wú)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(huì)是100%，因?yàn)?00%的波動(dòng)性可再生能源,，物理的平衡約束都可能無(wú)法滿足,。此外，可再生能源開(kāi)發(fā)大到一定程度,，其開(kāi)發(fā)的成本會(huì)上升,，而自身的市場(chǎng)價(jià)值卻在下降,，因此必然也存在一個(gè)依賴于政策環(huán)境(可能會(huì)影響市場(chǎng)的電價(jià),，也就是可再生能源避免的成本)最優(yōu)的水平。

　　對(duì)這些政策與各種競(jìng)爭(zhēng)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(huì)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(wú)疑是一個(gè)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(jìng)爭(zhēng)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(gè)充滿風(fēng)險(xiǎn)與缺乏社會(huì)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(guó)一直倡導(dǎo)的節(jié)能優(yōu)先仍舊處于缺乏機(jī)制設(shè)計(jì)與集體行動(dòng)邏輯,、不知道相對(duì)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(wèn)題出發(fā),，我國(guó)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(jiān)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(zhǎng)期預(yù)期，降低投資風(fēng)險(xiǎn)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?gòu)?qiáng)調(diào)，煤電的過(guò)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(guò)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(lái)簡(jiǎn)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(shí)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(huà)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(gè)時(shí)間交點(diǎn),。顯然, 當(dāng)機(jī)組的年利用小時(shí)大于第二個(gè)時(shí)間點(diǎn)時(shí)，基荷機(jī)組——煤電的年總費(fèi)用最小,。當(dāng)年利用小時(shí)數(shù)小于第一個(gè)時(shí)間點(diǎn)時(shí), 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(shí)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(gè)體系中考慮,，仍舊屬于政策驅(qū)動(dòng),，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(shí)數(shù)200小時(shí)，光伏按照裝機(jī)1.5億千瓦，利用小時(shí)數(shù)1100設(shè)定,。水電與核電都是我國(guó)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(yíng)對(duì)社會(huì)系統(tǒng),、經(jīng)濟(jì)布局,、空間規(guī)劃都會(huì)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(guó)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(wàn)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(guò)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(lái)源于煤電的廉價(jià)(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(guò)15%)高度相關(guān),。

　　? 最優(yōu)結(jié)構(gòu)下的市場(chǎng)電力價(jià)格與可再生系統(tǒng)價(jià)值 ?

　　由于風(fēng)電與光伏在市場(chǎng)中的份額還相對(duì)較低(<15%),持續(xù)負(fù)荷曲線的性質(zhì)改變還相對(duì)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(shí)段，市場(chǎng)的價(jià)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(shí)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(chǎng)價(jià)格上升1-2倍。

　　在個(gè)別時(shí)段(幾十個(gè)小時(shí)),，系統(tǒng)處于價(jià)格暴漲的階段,，總的發(fā)電負(fù)荷要小于總需求，價(jià)格上漲到系統(tǒng)設(shè)定的最大電價(jià)水平(7元/度左右),。此時(shí),，切除負(fù)荷變成了最合理的選擇。

　　全年來(lái)看,，市場(chǎng)的平均價(jià)格是230元/MWh，這大大低于目前大部分省市的標(biāo)桿電價(jià)水平，顯示了在電力過(guò)剩背景下相比市場(chǎng)形成價(jià)格與形成理性未來(lái)預(yù)期的仍舊虛高的標(biāo)桿電價(jià)水平,。

　　在2020年可再生能源8%左右的市場(chǎng)份額下,，在大部分時(shí)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(lái)看,，相對(duì)于2020年230元/MWh左右的市場(chǎng)平均價(jià)格，風(fēng)電的市場(chǎng)價(jià)值要低9%,，光伏要低5%,。光伏在最初進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，其出力特性與需求特性相對(duì)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(gè)電力價(jià)格曲線的時(shí)間分布，自身的價(jià)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(jià)值將進(jìn)一步下降為市場(chǎng)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(lái)越失去競(jìng)爭(zhēng)力(資本攤薄的機(jī)會(huì)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(yáng)能份額的增加，“應(yīng)該”增加的煤電份額是越來(lái)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(duì)此以風(fēng)電份額從5%增長(zhǎng)到15%做了說(shuō)明。

　　但是,，必須指出,，目前中國(guó)有超過(guò)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(guó)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),，獲得市場(chǎng)份額，將對(duì)其本身及其他機(jī)組的利用小時(shí)數(shù)產(chǎn)生明顯的影響,。煤電的小時(shí)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(huì)成本最小化的方面,，比如平均大鍋飯的市場(chǎng)份額劃定,，缺乏有效競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制等;而不是私人成本嚴(yán)格等于社會(huì)成本的方面，比如所謂煤電總量過(guò)剩的問(wèn)題,?？偭窟^(guò)剩的成本是分散到每一個(gè)獨(dú)立市場(chǎng)參與者上的，消費(fèi)者往往還能從總量過(guò)剩中得到好處,。這不應(yīng)該是公共政策需要操心的范疇,。