為什麼電力行業需要VALCOE

為什麼電力行業需要VALCOE

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  • 來源:能源雜誌

在平準化度電成本LCOE存在明顯缺陷的情況下,新的評價體系需要被我們重視起來。

文 | 朝克圖

作者供職於國家能源集團技術經濟研究院

國際能源署引入平準化度電成本(levelised cost of electricity,以下簡稱為LCOE)之後,被國內部分研究機構與學者奉為經典,並經常用來比較風、光等可再生能源與煤電、氣電和核電等傳統電源之間的經濟性。

然而,國際能源署發現用LCOE評價各類發電技術存在明顯不足,並引入了VALCOE這個新的評估指標,但國內卻鮮有報道。本文意在探討LCOE與VALCOE之間的差異,為國內決策者、研究機構和學者提供一個全新的角度和思路。

LCOE存在明顯不足

多年來,各國政策制訂者、科研人員和發電商常用LCOE來衡量各類發電技術的經濟性與成本。LCOE通常被認為是全生命周期內可變和固定成本(包括建造、融資、燃料、維護和稅收等)之和除以項目全生命周期內的發電量。

然而,隨着風光等間歇性發電電源的不斷增加,讓一個電力系統安全可靠運行所付出的成本遠遠超過LCOE所包含的內容。舉例而言,在一個具有高比例太陽能的電力系統中,電網需要購買額外的發電能力以應對太陽落山之後的高峰負荷需求。此外,電網還需要黑啟動、調峰和調頻等靈活性來維持電力系統的可靠性。但上述成本並沒有被LCOE所包含。

為了消納更的可再生能源,電網和具備調壓、調峰、調頻和黑啟動等具有保障電網安全功能的傳統電源承擔了上述成本。可再生能源雖然是綠色清潔能源,但沒有承擔傳統電源所具備的保障電網安全、全天候保障客戶用電需求等核心功能。單單對比不同發電技術的LCOE顯然以偏概全,應當放在整個電力系統中考慮才不會犯管中窺豹、盲人摸象的錯誤。

在現有的電力系統中,燃煤火電等傳統電源的供電穩定性不僅不會隨天氣情況的變化而發生巨大波動,而且自帶能夠提供調峰調頻等輔助服務能力,尤其是可以為電力系統提供轉動慣量以保護電網安全。但在間歇性、波動性極強的風光等可再生能源大比例接入電力系統之後,給電網帶來了巨大的干擾和負面影響,不僅對電網的安全可靠運行帶來了巨大的風險,更重要的是,無法在負荷高峰期提供相應的頂峰容量。這就是在極端天氣情況下或者冬夏雙峰時期全國各省缺電斷電事件頻發的重要因素。

由於可再生能源的間歇性、波動性、不可預測性以及反調峰性,給電網帶來了極大的安全隱患。在負荷高峰期,如夏季晚間高峰負荷期,極熱無風,夜間無光,風光均不能出力,更無法互補,此時此刻風光互補就是個偽命題。冬季負荷高峰期,寒潮或者極寒天氣(東北和湖南江西等省區近年均出現過類似情況),風機恭弘=叶 恭弘片受凝凍無法正常運行,夜晚無光,風光又都無法出力,彼時彼刻風光互補還是個偽命題。

綜上,在最需要出力的關鍵時刻,如冬夏雙峰,風光等隨機性電源的反調峰性造成頂峰負荷只能依靠燃煤火電、氣電和核電等傳統可靠電源。在傳統的電力系統中,電力供應的可靠性與安全性均由電網和傳統電源共同承擔。在新型電力系統中,靠天吃飯的可再生能源無法、無力保障電力供應的可靠性與安全性。

VALCOE的優點

基於上述原因,國際能源署(以下簡稱為IEA)於2018年引入新的指標價值調整后的平準化度電成本(value-adjusted levelised cost of electricity,以下簡稱為VALCOE)來反映因技術選擇有關的完全度電成本。VALCOE用來完整評估不同形式的可再生能源和化石燃料發電技術的相對競爭力,不僅需要考慮各類發電技術的成本,還要考慮它的價值。這個新指標涵蓋了不同發電技術下對電網系統的整體影響因素。

VALCOE建立在LCOE之上,還增加了衡量電網系統價值的三個維度指標,一是能量,二是靈活性,三是容量。電力供應的可靠性和安全性正是由能量、容量和靈活性這三個指標來衡量。在對所有發電技術按能量、靈活性和容量等三個指標進行調整后,VALCOE為評估該種發電技術的競爭力提供了一個更為科學的評判基準,數值最低的技術就是最具競爭力的技術。

能量指標是衡量為滿足電力需求而提供的能源。一般來說,當電力需求增加時(即電力供應稀缺時),能量價值就會上升;當能源需求減少時(即相對於電力需求而言,電力供給更充裕時),能量價值就會降低。

因此,在最需要的時候提供可靠供應的技術獲得相對較高的能量值。為了計算不同技術的能量價值,IEA在其世界能源模型中對選定地區的電力需求和供應的分時平衡進行了模擬,使用了按場景預測的裝機容量。

在歐盟的2030年新政策情景方式下,IEA預測其電力需求、滿足需求的電力來源的組合以及由此產生的邊際批發市場價格在一天內每小時會出現顯著波動,匯總後再計算其年平均值,即全年的平均價格($/MWh)。

測算結果显示,2030年歐盟燃煤和燃氣發電廠的年平均能量價值最高,遠高於年平均批發市場價格,核電基本持平,風電和光伏則遠低於年平均批發市場價格。結論表明,燃煤電廠等傳統電源的能量價值遠高於風電和光伏等可再生能源。能量指標也反映出煤電和氣電等常規電源在需要時隨時可用的基本常識。

能量指標衡量不同發電技術的價值。能量價值以基準年當地每小時的批發價為基礎,通過分時調度,折算為年平均發電成本。根據系統平均電價和每種技術產生的平均電價之間的差額。能量這個指標衡量的是該種技術產生的電力價值,能夠在高電價情況下發電的技術都具有低VALCOE。

靈活性值指標包括電力系統所需的各類輔助服務,如一次和二次調頻、儲能和轉動慣量。靈活性指標反映了這項技術的靈活性。靈活性這個指標衡量這種技術在系統中的快速響應能力。能夠快速響應的技術具有低VALCOE。例如,燃氣電廠能夠比燃煤電廠更快地響應系統需求,儲能也往往具有很高的靈活性價值,它能夠非常快速和準確地響應系統需求。靈活性指標用以調整這種技術對電網需求的響應能力,如根據供給或者需求的意外變化而快速響應。靈活性指標最高的是尖峰電廠,如燃油發電廠或者燃氣發電廠。

容量指標反映了這項發電技術對電力系統充裕性做出可靠貢獻的能力。計算方法為該項技術的可用係數乘以其有效裝機容量。燃煤發電廠的可用係數很高(大多數情況下超過85%),因為它們在運營期內可以控制輸出容量,除了非停和檢修外。另一方面,風光等間歇性能源的可用係數很低(10%或更低),因為它們可能在一年中的特定時段無法使用。

容量指標代表了這種技術在負荷高峰期對系統充足性的貢獻,是指在電力負荷最緊缺時的發電能力,是衡量該種發電技術對電力系統充分性的貢獻指標。例如,在電力負荷高峰期能夠可靠發電的技術都具有低VALCOE。貢獻低的技術將被降級。舉例來說,隨着可再生能源滲透率增加可再生能源發電量卻有所下降,但熱力發電廠的頂峰負荷能力卻可以長期保持不變。

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綜上,看起來似乎一項特定技術的能量價值指標也包含了它的靈活性指標和容量指標,因為一項特定技術產生的能源價格會根據其供應的豐富性或稀缺性而變化。但上述三個指標的不同之處在於,能量指標反映的是該種發電技術所發的總電量,而靈活性指標是指能量指標之外的附加服務,容量指標反映的是從電力規劃角度考慮的電力系統的充分性和電網的安全性,而不是各類發電廠商的經營活動。

VALCOE越來越被當做首選模型來對比不同發電技術下的度電成本。VALCOE指標完整而清晰地說詮釋了從整個電力系統的成本效益綜合評判,具有LCOE最低的技術可能不是最有競爭力的技術。

舉例來說,給光伏發電增加存儲設施會增加LCOE,因為LCOE僅考慮增加了儲能的成本,而VALCOE考慮了儲能與光伏配對后增強匹配系統需求的能力,包括尖峰負荷需求。對於電力系統規劃者來說,給光伏配儲能可能是一個比單獨建光伏電站更好的選擇,對開發商來說用VALCOE衡量其經濟性也變得更加有利可圖。

VALCOE提供了依賴天氣的間歇性發電技術,如光伏和風力發電懷可調度技術(如燃煤或燃氣發電廠)之間更完整的比較。在決策投資新建電廠與現有電廠進行綜合比選時,將成本和價值結合起來非常重要,VALCOE可以更清楚地辨別,與繼續運營現有的燃煤或燃氣電廠相比,新建的光伏電站是否以及何時更具有成本優勢。

在清潔能源轉型過程中,超越LCOE的歷史局限性顯得尤為重要。隨着可變可再生能源市場佔比的逐年快速上升和電力市場改革的持續,某種發電技術的整體競爭力將更強烈地受到其運營屬性的影響。

綜上,VALCOE以LCOE為基礎,並用能量、容量和靈活性等三個指標對LCOE進行了相應調整。VALCOE比LCOE具有更綜合的比較優勢,而被普遍運用於國家或者地區能源發展規劃之中。

2040年前煤電仍具優勢

IEA引入VALCOE這個指標意在指出,儘管不同的可再生能源成本不斷下降,但是他們的發電量未能同比例增加,反而持續下降。根據IEA的相關預測,儘管2040年印度光伏的LCOE是全球最低並且低於煤電的四分之一,但將LCOE指標調整為VALCOE后,光伏的競爭性遠不及煤電。

根據IEA的相關預測,用VALCOE來對比光伏、風電、煤電、氣電等不同發電技術的成本表明下述事實:在2040年前,世界各主要地區的已建燃煤火電廠仍然具有明顯的成本競爭優勢,甚至於新建的燃煤火電廠的VALCOE也低於帶儲能的光伏電站。

2040年,因地區不同各類發電技術的VALCOE差異非常明顯。例如,在中國VALCOE由低至高的排序是已建煤電、已建燃氣電廠、光伏、新建煤電、帶儲能的光伏電站和陸上風電等。對於印度而言,VALCOE由低至高的排序是已建煤電、新建煤電、已建燃氣電廠、陸上風電和光伏等。對於美國和歐盟而言,已建煤電的VALCOE也是遠低於光伏和風電。對於東盟地區,光伏發電的VALCOE與超超臨界、超臨界燃煤發電機組大體相當,並沒有明顯的成本優勢。

根據IEA的相關預測,就中國而言,對於新建項目,無論是用LCOE還是用VALCOE指標,光伏和風電項目都有明顯的成本優勢,例如2030年光伏LCOE為20美元/MWh,而煤電為80美元/MWh。如果用VALCOE指標衡量,其差距較小,2030年光伏LCOE為45美元/MWh,而煤電為70美元/MWh。

這裏需要進一步指出的是,獨立的光伏發電不能連續可靠供電,如果光伏加上儲能和煤電相比,其經濟性還會變差。進一步解釋,如果在負荷高峰期或者極端天氣情況下無法出力,無論該種發電技術的成本如何有競爭優勢,如果難以保障連續工業生產用戶和居民的正常用電安全。那麼,該種技術的經濟性優勢大打折扣,平時看上去很美不算是真美,關鍵時刻拉得上、頂得住才是真美。

VALCOE仍有進一步優化空間

由此可見,國際能源署已經意識到的用LCOE測算和對標傳統發電電源與新能源存在重大缺陷和不足,甚至可能會誤導各國能源規劃和政策制訂者。所以,國內專業人員也應與時俱進,建立以VALCOE的全新指標體系用來衡量各類電源的度電成本,盡量做到科學、系統和完整。

儘管IEA將LCOE調整為VALCOE,但IEA也指出目前的VALCOE指標還有不足,仍需改進,例如VALCOE還沒有各類發電技術的環境成本納入其中。

筆者認為,吸取IEA研究思路,科學評判各類發電技術的綜合成本。間歇性和波動性較強的可再生能源應考慮其財務度電成本加上系統成本(對電力系統的提供的可靠性和安全性不足,尤其是頂峰能力的欠缺)才是其完全成本。傳統電源的財務度電成本加上其環保成本(即碳價),也才是其完全成本。兩者之間的比較可以用公式表示為:可再生能源度電成本+系統成本<?>傳統電源度電成本+環境成本,兩者之間的比較才更為全面、合理。

目前,全國新建光伏項目基本配置2個小時時長的儲能,國內碳稅保持在50-60元/噸的區間範圍之內。按照現有的邊界條件進行比較並不難。

但隨着碳中和進行的提速,燃煤火電機組的加速退出,配備幾小時才能能保持電力系統的安全可靠?各省區根據自己的裝機規模、電源結構和用電需求特點配備多大規模的儲能設施合適?碳稅未來二十年提高至多少為宜?隨着燃煤火電消可再生能源漲,燃煤火電機組每年退出多少最為科學、經濟?

上述問題不僅僅是各類電源之間的經濟性比較,更需要重點考慮保障電力系統的安全性、可靠性,保障全社會的正常合理用電需求不受長時間無風無光或微風微光或極端天氣情況的影響導致大範圍停電、斷電。

綜上,只有科學、全面地認識傳統電源和可再生能源等各類發電技術的特徵、功能定位、優勢與不足,才能科學綜合評判其經濟性,進而其判定全口徑度電成本何者更優。只有這樣,才能更好地為企業、政府決策者和電力從業研究人員服務,用來決策投資電力項目,制訂電力發展規劃,保障國民經濟的健康有序發展。

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