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世界风电和光电的现状及未来,1996-2050年

2019-11-4 11:01| 发布者: redchina| 查看: 18337| 评论: 0|原作者: 红色经济观察

摘要: 如果要完全用光电来满足中国2050年预期的电力生产需要,将需要光电装机容量166.71亿千瓦(大约相当于全世界现有各种发电技术总装机容量的两倍半),所需要的光伏用途土地将达到417000平方公里,占中国国土面积的4.3%。

2019年度红色经济观察(四十五)

世界风电和光电的现状及未来,1996-2050

 

       一个发电厂或者发电设施的装机容量指的是该发电厂(或设施)的发电功率(运转时单位时间内的发电能力)。比如,一个装机容量达100万千瓦的大型发电厂,在有效发电时,一小时可以发电100万千瓦时(即100万度)。如果该发电厂全年都满负荷运转(理论上的假想情况),则该发电厂全年可以发电100万千瓦时 * 24小时 * 365 = 87.6亿千瓦时。按“热值当量”计算,这相当于使用燃料198万吨油当量(283万吨标准煤或399万吨中国原煤)、热电转换效率38%的火电厂的发电量(44.194亿千瓦时 = 100万吨油当量)

       据美国能源信息署2019年发布的《国际能源展望》,2018年,全世界以煤炭为燃料的火电(即煤电)装机容量达到21.04亿千瓦;以天然气为燃料的火电(即气电)装机容量达到16.44亿千瓦;以石油产品为燃料的火电(即油电)装机容量达到3.33亿千瓦;核电装机容量达到3.62亿千瓦;水电装机容量达到11.69亿千瓦。

       另据英国石油公司2019年发布的《世界能源统计评论》,截至2018年底,世界累计风电装机容量达到5.64亿千瓦;世界累计太阳能光伏发电(即光电)装机容量达到4.88亿千瓦。此外(仍据美国能源信息署),2018年,地热发电、生物质发电和其他可再生能源发电的装机容量达到1.2亿千瓦。

       以上各项相加,2018年,全世界各种发电设备总装机容量达到67.84亿千瓦。其中,煤电占31%,气电占24.2%,油电占4.9%,核电占5.3%,水电占17.2%,风电占8.3%,光电占7.2%,其他可再生能源发电占1.8%

       据英国石油公司2019年发布的《世界能源统计评论》,2018年,煤电占全世界总发电量的38%,气电占23.2%,油电占3%,核电占10.2%,水电占15.8%,风电占4.8%,光电占2.2%,其他可再生能源发电占2.4%(见红色经济观察2019年第44期)。

       两相比较,可以看出煤电、核电占发电量的比例显著超出它们占装机容量的比例。这是因为,核电的全部和煤电的大部分主要用于承担基础负荷发电(即提供稳定持续的电力),因而能力利用率比较高。相比之下,风电、光电占发电量的比例大大低于它们占装机容量的比例。这是因为,风电、光电受到间歇性和季节性的限制,能力利用率比较低,需要与气电、油电等调峰发电技术(即可以在短时间内根据电网需要快速增加或减少发电量的发电技术)相配合,才能保持电网稳定。此外,水力发电也受到季节性的限制。

 

       一个发电厂或者发电设施的能力利用率可以用该发电厂(设施)一年中的实际发电量除以该发电厂(设施)的年平均装机容量在全年满负荷运转的假想情况下的理想发电量来计算。年平均装机容量可以用年初和年底装机容量的平均值来粗估。具体计算公式为:

 

发电厂能力利用率 = 全年实际发电量 / [(年初装机容量+年底装机容量)/ 2 * 8760]

 

       据此计算,2018年,全球煤电的平均能力利用率为55%,气电平均能力利用率为43.1%,油电平均能力利用率为26.7%,核电平均能力利用率为86%,水电平均能力利用率为41.8%,风电平均能力利用率为26.9%,光电平均能力利用率为15.2%,其他可再生电力的平均能力利用率为61.3%。此外,风电和光电的加权平均能力利用率为21.7%

 

       在各种可再生能源中,目前只有风电和光电可望在可预见的将来对化石燃料实现大规模替代,只有光电在理论上可能有足够多的资源来全面替代化石燃料并保障未来的世界经济增长。但是风电和光电都面临若干个难以克服的重大局限性。

       首先,风能和太阳能目前基本上完全用于发电,因而不适合尚没有采用电能或不能被电能替代的领域,比如大部分交通运输、高温工业过程、化学工业、冬季取暖等。

       其次,就发电来说,风能和太阳能属于间歇性能源,如果不与大规模储能技术或调峰备用电源相配合,就不能保证电网稳定。这一问题,在风电和光电占总发电量的份额接近或超过它们的能力利用率时就会变得突出。由于储能技术仍然不成熟,在可预见的将来,风电和光电仍然离不开调峰电源(特别是气电)的配合。

       风电和光电的建设都需要占用大量土地。据2017年发表在《可再生和可持续能源评论》上的一篇论文估算,如果要完全用光电来满足各国2009年的电力生产需要,英国、比利时、卢森堡、荷兰、丹麦、芬兰、捷克共和国、希腊、马耳他、韩国等国所需要的光电用途土地将超过这些国家现在尚未利用的全部土地。以全部欧盟27国来说,则需要使用欧盟全部尚未利用土地的大约一半(Capellan-Perez et al., “Assessing Vulnerabilities and Limits in the Transition to Renewable Energies: Land Requirements under 100% Solar Energy Scenarios”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 77(2017): 760-782)。

       就中国来说,如果要完全用光电来满足中国2009年的电力生产需要(37147亿千瓦时),所需要的光伏用途土地约为72000平方公里,占中国国土面积的0.75%。如果按光电能力利用率15%来估算,要生产37147亿千瓦时的电力,需要的光电装机容量为28.27亿千瓦(中国2018年底各种发电技术的全部装机容量为19亿千瓦)。就是说,每建设一亿千瓦的光伏装机容量大约需要2500平方公里的土地。

       如果要完全用光电来满足中国2018年的电力生产需要(71118亿千瓦时),所需要的光电装机容量为54.12亿千瓦,所需要的光伏用途土地将达到135000平方公里,占中国国土面积的1.4%

       如果中国资本主义经济在未来保持“顺利”发展,预计中国的人均发电量将于2050年达到15990千瓦时(见红色经济观察2019年第44期)。估计到那时中国总人口将比现在略有减少,保持在13.7亿。据此测算,至2050年,中国的总发电量将增加到219063亿千瓦时。如果要完全用光电来满足中国2050年预期的电力生产需要,将需要光电装机容量166.71亿千瓦(大约相当于全世界现有各种发电技术总装机容量的两倍半),所需要的光伏用途土地将达到417000平方公里,占中国国土面积的4.3%

       相比之下,中国现有的全部居民点和工矿用地为321000平方公里(占国土面积的3.3%)。在扣除耕地、森林、园林、牧场草原、居民点和工矿用地和其他现已利用的土地以后,中国在理论上“尚未利用的土地”为254.5万平方公里(占国土面积的8.7%)。但是这些尚未利用的土地,几乎全部为人迹罕至的高原荒漠。光伏电站的建设,需要大面积的平整土地,以及适当的气候、交通条件且便于接入电网等。所以在尚未利用的土地上,可能只有很小一部分适合于光伏电站的建设。即使只利用其中的1%25000平方公里)来进行光伏建设,可能也会遇到很大的困难。即使为了满足中国2009年的电力生产需要,所需要的光伏用途土地也要占到全部尚未利用土地的2.8%,接近现在的居民点和工矿建成区占全部国土面积的比例。

 

       图一说明了世界风光电年装机量的增量与年装机量之比(大致相当于年装机量的增长率)和风光电年装机量之间的关系。其中,年装机量增量与年装机量之比取十年滞后平均(比如,2007年的数值是1998-2007年十年的平均值),以消除短期波动。


图一 世界风光电年装机量(2007-2018年和趋势)

 

       图一说明,随着世界风光电年装机量的增长,年装机量增量与年装机量之比有逐年下降的趋势。比如,2007年,世界风电和光电的年装机量之和是2064万千瓦,1998-2007年的年装机量增量与年装机量之比的十年平均值是0.2172018年,世界风电和光电的年装机量之和是1.45亿千瓦,2009-2018年的年装机量增量与年装机量之比的十年平均值是0.136。对2007-2018年的数据做线性回归,回归结果表明,世界风光电年装机量每增加一亿千瓦,则年装机量增量与年装机量之比倾向于下降0.052。据此推算,世界风光电年装机量未来的最大高峰值为4.5亿千瓦(图一中趋势线与横轴相交处)。

       根据图一所显示的世界未来风光电年装机量的变化趋势,可以进一步推算世界未来风光电累计装机量的变化趋势。图二说明了世界风光电累计装机量在1996-2018年的实际变化情况和2019-2050年的预期变化情况。


图二 世界风光电累计装机量(1996-2050年)

 

       世界风光电的累计装机量从1996年的624万千瓦增长到2018年的10.52亿千瓦。如果图一中所显示的世界风光电年装机量变化趋势保持不变,世界风光电累计装机量将于2050年达到134.38亿千瓦(大约相当于2018年世界全部发电设备装机容量的两倍)。

       如果世界风光电的平均能力利用率大致保持其现有水平,那么,至2050年,世界风电和光电的发电量之和将达到251173.9亿千瓦时(大约相当于2018年世界总发电量的94%)。由于2050年的世界总发电量将显著高于2018年的水平并且世界电力消费所代表的初级能源仅占全部初级能源消费的一半左右,可以预期,在2050年以前,风电、光电等可再生能源将不会在电力生产领域全面替代化石燃料;而在全部初级能源消费中,化石燃料仍将占一半以上。

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