2050年歐洲能實現100%可再生能源電力系統嗎

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構建100%可再生能源（RES）電力系統將面臨技術、經濟和政策等多方面挑戰。William Zappa 等人考慮新能源產電的強不確定性，在滿足投資約束、電力電量平衡、調節能力等多維需求下構建經濟合理的100% RES 電力系統，得到2050歐洲實現100%可再生的電力系統的相關路徑及解決方案。

為了避免氣候變化的最嚴重影響，《巴黎協定》要求將全球變暖控制在1.5℃以下，最好不超過2℃的范圍內。目前，地球氣溫已經比19世紀末高出約1.1℃，排放量還在繼續上升。

為此，很多國家提出減排和碳中和目標。2011年歐盟（EU）就提出了其氣候目標，即到2050年將溫室氣體（GHG）排放量比1990年的水平減少80-95%，這是保證全球變暖的必要步驟。

為了實現這些目標，電力部門的排放量必須首先降至零，甚至到2050年變為負數。這將需要大規模實施低碳能源和負碳技術，例如可再生能源（RES）、核電和碳捕獲與儲存（CCS）。

近日，歐洲委員會能源副總干事Mechthild Worsdorfer 表示，考慮到俄烏戰爭帶來的能源問題，歐盟委員會支持提高可再生能源占比的目標，即到2030年使之占比達45%。

德國提出的目標更激進。德國聯邦政府內閣近日通過了旨在擺脫化石燃料、加速清潔能源發展的一系列立法草案，其中設立了兩階段目標：2030年實現80%的可再生能源供電，2035年爭取實現100%可再生能源供電。

隨著火電機組逐步關停及高比例風電、光伏等的并網，可再生能源電力系統將具有強不確定性和不穩定特征，其運行形態十分復雜、調節能力和穩定性水平大幅下降，對于規劃設計、調度運行、穩定控制、電能質量等各環節均提出了尚待解決的科學問題。

構建100%可再生能源電力系統，不只是提高風電和太陽能占比那么簡單，還將面臨技術、經濟和政策等多方面挑戰，更關鍵的是，還需要對各種可再生能源的規劃需要一個合理比例，需要打造一個軟性的、可靈活協調的智能電網，需要建立一個可調節的大容量電力交易市場等。

那么，歐洲未來如何構建100%可再生能源電力系統？最具成本效益的可再生能源發電和輸電網絡容量組合是什么？對中國構建新型電力系統有什么啟發意義？以下結合一些專家觀點，對此進行分析。

1 什么是100%可再生能源電力系統

早在1975年丹麥物理學家B.S?rensen 在《Science》期刊中率先提出100%可再生能源電力系統的構建設想，但此后的進展較為緩慢。在能源革命熱潮的驅動下，目前對100%可再生能源電力系統理論研究逐漸深入，但也面臨技術、經濟和政策等多方面挑戰。100%可再生能源電力系統是指完全利用水能、風能、太陽能、生物質能、海洋能、地熱能等非化石燃料且可再生的能源，經過水電/風電機組、太陽能集熱器/電池板（CSP）等各類發電裝置轉化為電能，最終通過輸配電網達到用戶側。

與其概念相近又不完全等同的還有碳中和電力系統（Zero-carbon Power System） 以及純清潔能源電力系統（100% Clean Energy Power System）。其中，碳中和電力系統是由核電、可再生能源機組以及帶有CCS 的火電機組構成，該系統CO2的凈排放量為零甚至為負是其主要特征。而對于純清潔能源電力系統，國內外尚未形成統一定義。

100%可再生能源電力系統由于需要實現發電資源完全可再生，故需在碳中和的電力系統基礎上完全退出核電，并充分利用CCS 和天然氣合成技術來滿足系統部分的儲能及供電需求，最終形成100%可再生能源電力系統。

2 100%可再生能源的電力系統的顧慮

荷蘭烏得勒支大學哥白尼可持續發展研究所William Zappa 等表示：僅可再生能源（RES）供應充足并不能說明100%可再生能源電力系統是可行的，因為風能和太陽能等的間歇性，使得電力需求和供應的平衡存在困難。

除了可變的可再生能源外，剩余需求必須由可調度的RES 發電技術（水力、地熱等）或儲能來提供。在短期內，技術限制意味著這些工廠可能無法以足夠快的速度達到供需平衡，從而導致網絡中出現過電壓或能源欠缺。從長遠來看，有些年份的陽光充足或多風，這意味著不能依靠風能和光伏裝置每年產生相同數量的電力。因此，William 等人認為，對100% RES 電力系統可行性的任何評估都應包括對其長期和短期可靠性的分析。

目前針對構建100%可再生能源的電力系統研究的一些缺陷主要集中在：

研究依賴于CSP、地熱、季節性儲存或生物質等技術的顯著能力，但這些技術目前幾乎沒有增長跡象。模擬只運行一個任意的或幾個年份的天氣情況，不能保證系統在最可再生資源短缺的年份的供應充足性。假定可再生能源技術具有固定的容量，而實際上這些隨位置和時間的變化而變化。對生物質燃料發電進行粗略處理，或者不考慮供應潛力和成本的區域差異等一系列問題。

3 歐洲未來100%可再生電力系統可行嗎

構建100%可再生電力系統的電源規劃方案時，需重點考慮新能源出力的強不確定性，在滿足投資約束、電力電量平衡、調節能力等多維需求下構建經濟合理的電源規劃方案，確定多階段煤電機組退出策略和可再生能源發電裝機構成及容量。

William 等人研究的地理范圍包括歐盟27國以及英國在內，考慮了廣泛的可再生能源發電技術組合：包括風能（陸上和海上）、光伏（公用事業和屋頂）、生物電、CSP、地熱和水電。將投資和運營總成本最低為目標，供需平衡、碳排放量、儲能容量、各類可再生能源的開發潛力等條件為約束，建立線性化的綜合能源系統規劃模型，求得包含電源配置在內的多能源系統規劃方案。

100% RES 系統需要提高跨境輸電容量。歐洲被構建為一個單一的綜合電力系統，在該系統中國家之間可以共享電力容量。這種完全互連的電力系統對傳輸的可靠性和確保系統的充足性變至關重要。要實現高需求情景下的輸電網絡穩定性，需要從2016年到2050年每年安裝10吉瓦的新輸電能力，是目前計劃速度的兩倍。

100% RES 系統需要足夠的風能和光伏容量。據預測，歐洲陸上風能主要安裝在與北海和波羅的海接壤的國家，因為它們有利的風速，并且位于歐洲的中心位置，可以最大限度地減少傳輸損失。大多數國家到2050年將大力發展光伏。在國家內部，光伏容量通常安裝在偏南的位置，或靠近負載中心以降低成本。William 等表示，到2050年，歐洲可以部署足夠的風能和光伏容量，以支持100%可再生能源電力系統。

100% RES 系統需要顯著增加生物質的使用：與風能和光伏已經裝機顯著并正在增長不同，2015年固體生物質、沼氣、CSP 和地熱的總裝機容量分別僅為18吉瓦、10吉瓦、2.3吉瓦和0.8吉瓦。任何技術的部署率不超過1吉瓦/年。為了達到基本情景中的2050年裝機容量，從2016年到2050年，CSP 和地熱裝機容量需要平均每年分別為6吉瓦和1.4吉瓦。

雖然生物質將在2050年在100% RES 電力系統中發揮關鍵作用，但生物質的未來成本和潛在供應是不確定的，并且將取決于未來的降雨模式、農業實踐和來自其他國家的生物質需求部門。依靠生物質來提供穩定容量的100% RES 電力系統將容易受到最終稀缺且相對昂貴的燃料的影響。

100% RES 系統需要顯著下降可再生能源技術成本。不同發電技術的不同成本發展將影響優化可再生能源組合的構成，以及它們與非可再生能源替代品的競爭力。盡管近年來可再生能源的成本迅速下降，但仍需需要比基本水平再下降70%。100%可再生能源系統的年總成本將至少為5300億歐元每年，比包含核電或碳捕獲和儲存的系統高出約30%。此外，這些成本將隨著需求的增加而相對增加。

100%的可再生能源電力系統需要大量水電、CSP、地熱、生物質或季節性儲存提供容量來平衡可變的風力和光伏發電，并在風力和太陽能供應不足時滿足需求。但這些技術目前都沒有部署到支持2050年100%可再生電力系統所需的水平。

研究人員表示，即使是100%的可再生能源系統也可能無法提供實現歐洲氣候目標所需的減排水平，仍然需要CCS 技術捕獲和封存的生物質的負排放。因此，在引導向符合歐洲氣候目標的可靠的、具有成本效益的電力系統過渡時，政策制定者應確保所有的技術選擇組合性、合理性。