近日，清華大學電機系張寧副教授與康重慶教授在我國電力系統碳中和轉型領域研究取得重要進展。電機系團隊聯合哈佛大學、清華大學氣候變化與可持續發展研究院、清華大學環境學院、全球能源互聯網發展合作組織開展我國電力系統碳中和轉型全要素規劃優化與運行類比研究，結合我國可再生能源資源稟賦與電力系統實際資料分析了雙碳目標對我國電力系統結構形態與轉型成本的關鍵影響，推演了電力系統實現雙碳目標的演化路徑。
我國風光可再生能源能源稟賦的地理分佈
我國電力系統現時年碳排放占全社會總碳排放量的40%以上。電力系統實現碳中和是我國實現全社會“3060”雙碳目標的重要組成部分。目前我國電力系統火力發電量占比達67%，可再生能源發電量占比約27%。電力系統現有的結構形態無法適應面向雙碳目標的發展需求。由於我國一次能源資源稟賦與其它國家區別較大，電力系統轉型沒有成熟的發展經驗可以借鑒。電力系統消納高比例可再生能源面臨負荷保供以及保持系統安全穩定等前所未有的挑戰。未來我國電力系統實現碳中和的科技路徑、潜在效益、轉型成本與最終結構形態尚不明確。
電力系統實現碳中和轉型是一項資源-科技-經濟耦合的複雜系統性工程。團隊立足於我國電力系統轉型挑戰與可再生能源資源稟賦，全面構建了我國電力系統中長期發展規劃所需的全要素資料庫，並基於此建立了考慮可再生能源資源稟賦的電力系統中長期轉型規劃模型，對陸上與海上風電、集中式與分佈式光伏、光熱、火電、水電、核電、生物質能、碳捕集電廠、抽水蓄能、電化學儲能、特高壓交直流電網等關鍵要素進行了詳細建模，同時考慮了系統低慣量、靈活性資源稀缺等碳中和電力系統將會面臨的安全性挑戰。
碳中和目標下我國各省電源發展規劃類比結果
研究表明，在碳中和目標下，我國電力系統結構形態將發生巨大變化。“風光等可再生能源電量占比快速新增，多種其他低碳發電與儲能科技共同發展”將是雙碳目標下我國電力系統發展的重要特徵。電力系統達到碳中和的階段時，電力負荷將主要由超過58億千瓦的風電與光伏機組支撐，其電量滲透率將超過70%。電力網絡逐步從單純的電力傳輸通道轉變為支撐不同區域間電力雙向互濟與共亯的平臺。此外，碳中和目標將使終端用電成本新增19.9%。研究指出電力系統碳中和轉型的道路上，宏觀政策需要關注可再生能源高品質發展、電力市場建設以及對儲能等新興電力科技的支持。
碳中和目標下我國省間電量傳輸類比結果
本項研究基於電機系張寧副教授帶領團隊自主開發的電力系統規劃決策軟件GOPT。該軟件被國家電網、南方電網以及國核電力規劃設計院等企業在日常電力規劃工作中長期使用，支撐我國十餘個省的電力規劃，支撐我校氣候變化與可持續發展研究院對電力系統碳達峰碳中和的研究。與此同時，該項研究工作構建的資料庫、建模方法、量化歸因評估方法以及實證結論能够為我國電力系統轉型和可持續發展提供基礎數據、研究工具及結論參攷。
研究成果以“中國電力系統實現碳中和的成本增量”（Cost Increase in the Electricity Supply to Achieve Carbon Neutrality in China）為題發表於國際學術期刊《自然·通訊》（Nature Communications）。
該論文的第一作者為清華大學電機系2017級博士生卓振宇，通訊作者為電機系張寧副教授與康重慶教授。其他作者包括清華大學氣候變化與可持續發展研究院杜爾順助理研究員、環境學院魯璽長聘副教授、哈佛大學約翰·保爾森（John A. Paulson）工程與應用科學學院克裡斯·P·尼爾森（Chris P.Nielsen）研究員，以及全球能源互聯網發展合作組織肖晋宇博士與吳佳瑋博士。該項目得到了國家自然科學基金重點專案、面上項目以及青年科學基金項目的資助。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30747-0