我国新能源开发路线图分析方法及模型

谢国辉，李娜娜，元博

我国新能源开发路线图分析方法及模型

谢国辉，李娜娜，元博

（国网能源研究院有限公司，北京市 昌平区 102209）

为科学制定我国中长期新能源发展规划，需要开展新能源开发路线图研究。根据我国能源发展战略和新能源发展的特点，建立了开发总量规模测算、开发时序编制、开发布局优化相应的分析模型，提出了涵盖新能源资源潜力评估、开发总量规模、开发时序、开发布局的一整套开发路线图分析方法，并实证分析了2030/2050年我国风电、光伏发电、光热发电的开发总量、时序和布局。研究结果表明：未来我国新能源仍将加快大规模发展，2030年后新能源将从替代能源向主导电源转变，风电布局将主要集中在“三北”地区，太阳能发电呈现出集中式开发和分布式利用相结合的特点。

新能源；开发路线图；开发总量；开发时序

0 引言

党的十八大以来，我国新能源发展取得显著成绩，新能源装机占电源总装机比重由2012年的5.6%提升至目前的20%[1]，实现了由“补充电源”向“替代电源”转变的跨越式发展。截至2019年年底，我国新能源装机容量达4.1亿kW，连续6年位居世界第一。然而，随着新能源规模越来越大，规划建设、运行消纳、市场机制等方面的矛盾与不足也愈发突出[2-6]。如何统筹做好新能源发展规划，引导新能源合理开发和有效消纳，成为未来我国新能源发展迫切需要解决的重大问题。

当前，国家能源主管部门启动了“十四五”新能源发展规划研究，涉及到新能源开发总量规模、时序和布局研究等关键问题研究。本文根据我国能源发展战略要求和新能源发展的特点，提出了涵盖新能源资源潜力评估、开发总量规模、开发时序、开发布局的一整套开发路线图分析方法，构建了相应的分析模型，并实证分析了2030/2050年我国风电、光伏发电、光热发电的开发总量、时序和布局，为我国中长期新能源发展规划提供参考依据。

1 新能源开发路线图的关键要素

制定我国科学合理的新能源开发路线图，关键是研究新能源资源开发潜力、新能源开发总量规模、新能源开发时序和开发布局4个基本要素。因此，本文围绕这4个要素开展研究，针对每个要素分析其影响因素及需要解决的关键问题，并依托或建立新能源资源评估模型、一次能源消费总量预测模型、新能源开发经济性分析模型、新能源消纳能力分析模型、新能源开发布局分析 模型等支撑关键问题研究，总体研究框架如图1所示。

首先，新能源资源潜力需要明确风电、光伏发电、光热发电等新能源开发潜力，需要根据各类新能源资源条件、地形地貌等因素综合确定，重点解决东中部地区分布式新能源开发潜力问题；其次，确定我国2030、2050年新能源开发总量规模，需要充分结合国家能源战略目标，以及水电、核电装机规模发展趋势等，研究提出风电、太阳能发电、生物质发电开发总量的底线需求；再次，新能源开发时序将在总量目标确定基础上，进一步考虑新能源行业的发展规律、发展节奏、技术成熟度等因素，提出逐年风电、太阳能发电开发合理规模；最后，新能源开发布局需要充分考虑不同地区新能源资源条件、开发经济性、市场消纳等因素，明确不同年份期间风电、太阳能发电区域布局，给出未来“三北”地区和东中部地区新能源开发规模占比。

图1 我国新能源开发路线图分析框架

2 分析方法和模型

2.1 开发规模测算方法

结合国家非化石能源战略目标、用电需求、水电/核电开发进程、新能源规划目标等约束条件测算2030、2050年新能源开发总量的底线需求，分析风电、光伏发电、光热发电、生物质发电等新能源装机结构，分析不同装机构成对全系统运营成本、全社会补贴可承受能力等方面的影响，提出新能源合理的装机结构，具体方法流程如 图2所示。

2.2 开发时序分析方法

新能源开发时序受新能源消纳、新能源发电技术应用、新能源补贴需求、常规电源发展进程等因素的影响。根据我国实际情况，2020年之前，我国新能源开发时序主要受新能源消纳、新能源补贴的影响；2020年之后，随着新能源消纳问题逐步缓解，新能源开发时序主要受新能源发电技术应用、成本趋势、常规电源发展进程等因素 影响。

1）新能源消纳。

近年来，我国新能源消纳状况明显改善，2019年，全国累计新能源弃电率3.3%，比2016年同期下降12.4个百分点。后续需要进一步判断近、中、远期“三北”地区风电、太阳能发电消纳情况，为合理制定风电、太阳能发电逐年开发规模提供可靠依据。

图2 新能源发电开发总量测算方法

2）新能源技术应用和成本趋势。

技术成熟度是新能源实现大规模开发利用的关键因素，目前风电、光伏发电技术相对成熟，市场应用前景广阔；光热发电技术尚不完全成熟，成本较高，总体上仍处于商业化应用的初期[7]。随着新能源大规模开发利用，需要综合考虑新能源发电成本，以及新能源并网引起的系统成本增加等因素。

3）新能源补贴需求。

此前我国新能源依靠高补贴政策实现大规模快速发展，导致全国可再生能源补贴资金存在较大缺口。未来随着平价上网政策的推广实施，需要考虑在无补贴情况下新能源开发规模和布局。

4）常规电源发展进程。

我国当前以燃煤火电为主的电源结构客观上决定了火电发展进程将对新能源开发时序带来重要影响。从目前趋势来看，煤电装机容量预计在2025年前出现峰值，其后进入总量递减阶段，非化石能源成为系统主导电源将在2030年左右实现，因此新能源进一步大规模发展预计出现在2030年之后。

我国新能源开发时序影响因素如图3所示。

图3 我国新能源开发时序影响因素

在影响因素作用范围分析的基础上，确定新能源总体开发时序，据此进一步分析风电、光伏发电、光热发电开发节奏，明确中远期我国新能源优先发展的重点领域。

2.3 开发布局优化模型

在全国新能源开发总量目标既定的情景下，按照存量和增量目标分解思路测算新能源开发布局。结合上述新能源开发布局的基本原则，将全国分品种新能源新增开发总量目标分解至区域和各省。建立全国分品种新能源开发目标分解模型。

新能源总量规模平衡约束为

式中C为第年新能源新增的开发总量规模。

资源和可支撑规模约束为

式中：r,i、g,i分别为第年区域或分省的新能源技术可开发量、可支撑新能源开发规模的上限。

最低开发规模约束为

式中P,i为第年区域或分省底线开发规模。

新能源开发布局计算流程如图4所示。

图4 新能源开发布局计算流程

3 新能源开发路线图

3.1 我国新能源资源开发潜力

根据中国气象局风能、太阳能资源详查和评价结果[8-9]，整理“三北”地区、东中部和南方地区分品种新能源资源开发潜力。如表1所示，全国风电、太阳能发电开发潜力分别超过35亿kW、61亿kW。其中，“三北”地区可开发的风电、光伏发电总量上限超过86亿kW，占全国总开发量的89%，是东中部和南方地区开发上限的8.5倍。

表1 分区域新能源资源潜力测算结果

3.2 新能源开发总量分析

3.2.1 边界条件分析

1）非化石能源消费占比。

根据最新国家能源战略，2030年非化石能源占一次能源消费比重达到25%；2050年非化石能源占一次能源消费比重超过50%。

2）一次能源消费总量。

2030年我国一次能源消费控制在60亿t标准煤以内；根据相关研究成果，我国一次能源消费将在2040年前达到峰值[10]，2050年预计回落到55亿t标准煤以内。

3）非化石能源总量需求测算。

按照25%非化石能源消费占比目标测算，2030年非化石能源供应总量需求15亿t标准煤；按照非发电利用的非化石能源总规模将达到约2亿t标准煤测算，发电利用的非化石能源总量需求达到约13亿t标煤；2050年发电利用的非化石能源总量需求达到约25.4亿t标准煤。

4）水电装机规模预测。

2030年，西南地区金沙江上游、雅砻江上游、怒江、雅鲁藏布江水电进一步开发，全国水电规模有望达到4亿kW左右。2050年，水电装机规模预计达到5.4亿kW左右[11]。

5）核电装机规模预测。

预计2021—2030年，我国核电仍会保持批量、规模化建设的步伐，到2030年全国核电装机规模有望超过1亿kW，2050提高到2.2亿kW[11]。

3.2.2 测算结果

按照上述边界条件测算，2030年新能源发电总装机规模至少要达到14.7亿kW，其中风电装机容量为6亿kW，光伏发电装机容量为8亿kW，光热发电装机容量为0.2亿kW，生物质发电装机容量为0.5亿kW，如表2所示。2050年新能源发电总装机规模至少要达到29亿kW，其中风电13亿kW，光伏发电14亿kW，光热发电1亿kW，生物质发电1亿kW，如表3所示。

3.3 新能源开发时序分析

3.3.1 风电开发时序

1）2021—2030年风电开发时序。

根据2030年全国风电总量目标6亿kW，2021—2030年累计新增风电装机规模接近3.5亿kW。根据技术成熟度研究结论[12]，风电技术预计在2024年左右达到成熟，预计2025—2030年期间我国风电将呈现加快发展态势。综合考虑这些因素变化，预计2021—2030年期间风电开发总体呈现加快发展态势，并且在最后5年增长速度更快。

表2 2030年新能源发电装机测算的底线需求

表3 2050年新能源发电装机测算的底线需求

2）2030年后风电开发时序。

2030年后我国非化石能源将接棒化石能源逐步成为电力系统的主导能源，风电在2031—2040年期间仍将加快发展，而后受资源开发条件约束，增长速度有所放缓，进入平稳增长期。至2050年，全国风电装机容量预计达到13亿kW。图5为风电开发时序图。

3.3.2 光伏发电开发时序

1）2021—2030年光伏发电开发时序。

根据2030年全国光伏发电总量目标8亿kW，2021—2030年累计新增光伏发电装机规模接近6亿kW。根据技术成熟度研究结论，光伏发电技术预计在2030年左右达到成熟，预计2021—2030年期间光伏发电开发总体上呈现加快发展态势。

图5 风电开发时序

2）2030年后光伏发电开发时序。

2030年后光伏发电技术全面成熟，并且光伏发电受太阳能资源约束比风电小，预计2030年后光伏发电将进入规模化加速发展阶段。至2050年，全国光伏发电装机容量预计达到14亿kW。图6为光伏发电开发时序图。

图6 光伏发电开发时序

3.4 新能源开发布局分析

3.4.1 风电开发布局

受风电红色预警政策影响，“十三五”期间“三北”地区风电开发总体放缓，随着“三北”地区开发成本不断下降、市场消纳问题缓解，风能资源优势充分体现，2021—2030年期间“三北”地区风电开发力度逐步加大，新增风电装机占比也随之上调。2030年后，东中部地区受资源条件约束，分散式风电装机受限，“三北”地区风电开发占比将进一步提高。

3.4.2 光伏发电开发布局

近年来，受“三北”地区光伏电站消纳影响，以及中东部地区分布式光伏快速发展，2020年“三北”地区光伏发电累计新增开发规模占比“十二五”期间有所下降；随着“三北”地区开发成本下降、局部地区市场消纳问题缓解，太阳能资源优势充分体现，2030年“三北”地区光伏发电开发力度逐步提高，新增光伏发电装机占比随之上调。考虑到东中部地区分布式光伏开发潜力较大，消纳市场空间充足[13]，预计东中部地区光伏开发占比在2030年之后将持续提高。

4 结论

针对中长期我国新能源开发路线图的关键问题展开研究，提出了涵盖新能源资源潜力评估、开发总量规模、开发时序、开发布局的一整套开发路线图分析方法，建立了相应的分析模型。通过实证分析，得到以下结论：

1）我国新能源资源开发潜力较大，全国风电、太阳能发电开发潜力分别超过35亿、61亿kW，远远超出当前的开发规模。

2）我国能源战略目标决定了未来新能源仍将加快大规模发展，2030年后新能源从替代能源向主导能源转变，2050年新能源发电装机占比将超过60%。

3）综合考虑资源条件、技术水平、消纳市场等因素，从开发布局来看，风电布局将主要集中在“三北”地区，太阳能发电呈现出集中式开发和分布式利用相结合的特点。

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Analysis Methods and Model of New Energy Developing Roadmap in China

XIE Guohui, LI Nana, YUAN Bo

(State Grid Energy Research Institute Co., Ltd., Changping District, Beijing 102209, China)

Studying on new energy developing roadmap helps to provide the important reference for the formulation of medium and long-term development plan of new energy in China. This paper put forward a set of analysis methods and models of development roadmap involving resources evaluations, total capacity, developing sequences and layout according to energy development strategy and characteristics of new energy development in China. The wind, photovoltaic and photothermal power generation developing capacity sequences and layout in 2030 and 2050 were also studied. The results show that there will be a rapid speed for China’s new energy development, pushing the new energy to become the dominated power after 2030. Wind power will be concentered in “Three North” areas, while the solar power presents a combination of centralized development and distributed utilization.

new energy; developing road map; developing capacity; developing sequence

10.12096/j.2096-4528.pgt.19174

TK 81; TM 73

国家自然科学基金项目(71471058)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (71471058).

2020-05-20。

(责任编辑 辛培裕)