IEA:技术路线图——风能

中国华信  2015年01月04日

前言

 

目前,全球在能源供应和利用方面的发展趋势是不可持续的,这一问题表现在经济、环保和社会等各个方面。如果不采取果断行动,那么到2050年时,与能源相关的温室气体(GHG)的排放量将增加一倍以上,石油需求的增加将加剧人们对于供应安全问题的担忧。我们可以,并且必须改变我们目前所处的路径;可持续和低碳能源技术将在这样一个能源革命之中扮演重要的角色。

越来越多的人意识到需要将政府报告与分析成果转化为实际行动的紧迫性。为了应对这些挑战,在八国集团的要求之下,国际能源机构(IEA)已经确认了关于在2050年实现全球能源相关CO2排放量为当今标准的50%所需要最重要的科学技术。从而,它发展成为一系列的技术路线图,该路线图基于能源技术视角模型,能够评估每个技术的部署路径,并且一并考虑整体的能源供应量和需求量。

风能是最先进的“新兴”可再生能源技术,而且它是2009年IEA出版的路线图中的第一个主题。自那时以来,风能的开发和部署一直是一个在低碳科技部署方面难得的好消息。现在,在全世界范围内,有越来越多的国家和地区有了显著的风能发电能力。在一些国家,风力发电已经提供了总电力的15%到30%。相关技术在不断的迅速提高,陆上风力发电设施的成本在持续下降。风力发电现在正被部署在拥有良好资源但是却未推行财政奖励的国家之中。

因为这些在能源远景方面的改进和其他变化, 2050年的路线图将风力发电所占全球电力供应的目标份额更新为15%到18%;在2009年的路线图中,此项数据位12%。

但是为了确保这些目标被达成,还有相当多的工作有待完成,同时,还有必要继续改进技术。低成本风能的水平提高仍然需要可预测的,支持性的监管环境,和适当的市场设计。将更高级别的变量风能整合入网的挑战必须被解决。对于向海的风电——仍处于早期的部署阶段——还有许多关于开发合适的大规模系统以及降低成本的工作要做。


重要发现和行动

 

自2008年以来,风力发电的部署增加了一倍还多,累积安装能力接近300吉瓦,以中国(75吉瓦),美国(60吉瓦)和德国(31吉瓦)为主。风力发电目前提供了全球电力需求的2.5%,其中30%在丹麦,20%在葡萄牙和18%在西班牙。政策支持一直致力于刺激这项巨大的增长。

风能的发展在过去的五年里提高了能源产量(特别是在风资源低下的地区),降低了操作和维护(运营管理)的成本。在大部分地区,陆上风力发电成本范围从60到130美元每千瓦小时(美元/ 千瓦时)。在那些风力资源强大并且融资条件有利的地区,它已经很有竞争力了,但是在大多数国家,仍然需要支持。经过长达十年的增长,向海风力技术成本变得平稳,但仍高于陆上风力发电成本。

这个路线图的目标是在2050年,风能达到全球电力的15%到18%,与2009年的12%有了显著的增长。2300吉瓦到2800吉瓦的风电装机容量的这一新目标,将避免每年高达4.8千兆吨的二氧化碳(CO2)的排放。

为了实现这些目标,需要迅速加大当前每年风力发电容量的安装量(包括更新改造),从2012年的45吉瓦到2020年的65吉瓦,到2030年的90吉瓦,到2050年的104吉瓦。每年的投资需将达到1460亿美元到1700亿美元。

风能部署的地理模式是迅速变化的。虽然隶属于经济合作于发展组织(OECD)的国家主导了早期的发展,但是从2010年起,非经合组织国家安装了更多的风力涡轮机。2030年之后,非经合组织国家将会拥有超过50%的全球装机容量。

尽管实现或者超越这些目标没有什么根本性的障碍,但是仍然有些阻碍将会延缓发展的步伐,包括成本,网络集成问题和许可审批的困难。

这份路线图假定通过对于设计、材料、制造技术和可靠性的改善,性能的优化和减少工厂产量的不确定性的强大研发(R&D),能够在2050年将陆上能源成本减少25%,海上能源成本减少45%。根据数据显示,风力发电已经接收到了公共能源研发资金的2%,需要更大量的投资才能实现风能的全部潜力。

   

    只要市场不反映气候变化和其他环境外部性,将风能成本减少至有竞争力的水准需要获得可再生能源配额制(RPS),上网电价(FiTs),绿色证书或其他机制的支持。在没有缩小系统可靠性的前提下,为了达到较高的风能渗透变量,需要在电网基础设施和电力系统的灵活性和电力市场有所改进。

为了吸引公众对于风能的支持,改进后的技术需要针对社会环境的影响和风险进行评估、最小化和减轻。同时,需要针对风能价值和在实现气候目标、保护水、空气和土壤质量中的传播作用进行更多有力的沟通。

 

未来十年的关键行动

 

根据可预测的机制来制定长期目标,以推动投资并应用适当的碳定价。

处理非经济障碍。提前规划新植物,包括长期土地上的风能和海洋空间规划;发展合理的许可流程;解决由各方面(环境、建筑、交通、国防和导航)所提出来的关于土地利用和海洋空间规划的局限性。

加强研究、开发和示范(RD&D)的努力和资金筹措。增加当前公共资金的两到五倍的资金,以驱使涡轮机和支撑结构的成本降低,提高性能和可靠性(特别是在离岸和其他新市场领域)并且扩大海上涡轮机技术。

风力发电站设计需要适应特定的地理条件(例如寒冷的气候和低风速地区),渗透率,输电网连接成本以及影响整个系统的变化性。

优化跨越大区域的进程规划和审批;升级更新电网操作程序(例如平衡区域协调和快速区间的调度安排),提高电力系统的灵活性,对所有级别(包括风力)和需求响应使用配套服务;扩大并提高电力市场,并且适应他们对于不同变量的操作。

通过提高公众对于风能益处的了解(包括减排,安全供应和经济增长),以及伴随而来的额外传输需求,来提高公众的接受程度。

加强国际合作研发、标准化、大规模测试协调,提高风能集成。交流最佳做法,以帮助克服部署壁垒。

 

路线图行动计划和步骤

 

要实现到2050年,风能占据全球电能15%到18%的目标,主要的里程碑有:

鼓励成本的降低,以便到2020年陆上发电,2030年海上发电能够同新传统电力生产(包括煤炭价格)相竞争。

这意味着到2020年,增加两到五倍的风能资金分配。

到2020年,将不确定的资源评估降至预计年产风力发电厂的3%;将技术可靠性增加至95%,对于向海也一样。

到2020年为止:出版并鼓励对于项目发展的最佳实践指导、系统集成和社区参与的广泛使用。

到2020年为止:在长期范围内的风力发电规划有清晰的路线,以解决传送和安全距离转化为环境保护的部署壁垒。

到2020年:提高成本竞争力,通过设定一个通过碳排放交易体系的价格,这个价格是精心设计的,确保排放价格是有意义(完全成本反射)和稳定。

 

利益相关者的短期内行动指南

 

下面列举出了业界主要部门的最直接行动:

国际、国家及区域性、地方性的政府和政策制定者。他们的潜在任务是:消除部署壁垒;建立风能行业与更广泛的能源部门之间的密切合作;鼓励私营部门投资并增加公共投资。

政府需要主导以下行动:

设置或更新长期风能部署目标,包括短期的里程碑。

确保一个稳定的、可预见的融资环境。市场安排与价格竞争不会给投资者带来足够的激励,确保可预见的、长效的支持机制的存在。

解决现有的或潜在的部署障碍,从土地使用限制、公众抵制各部门之间缺乏协调沟通(如环境、建筑、交通、国防)等角度入手。

启动工作区域土地利用和海洋空间规划,并且要考虑到风力发电和输电的需要。协调和简化允许审批流程。

确立并提供一个适当水准的公共基金以用于风能研发,适当的成本降低目标以及电能生产与二氧化碳减排目标的潜在的技术。

促使越来越多的国际研发合作以便充分利用国家能力。

为加快建设廉洁风能资源需求中心的传输容量提供激励,确立用于领导大规模的,多方管辖的,配以监管和系统运营商。

对于向海的部署,提供足够的,并配以适当设备的大型港口空间。 研发自主机构的工作需要建立技术推动(如当需要津贴时的强制性报告)需要建立公共数据库(运营管理和风力资源)。

启动海上空间规划,包括海上风能领域的部署和开发合适的离岸规划制度。

风能行业包括涡轮机与零部件制造,风能植物和相关基础设施的开发人员,与研究部门有较强的合作。一个主要的目标是降低能源生产的生命周期成本,并减少风能产出预估和可靠度的不确定性。

到2015年,风能产业在短期研发结果的行动,应当关注以下几点:

风力特征:开发一个关于向岸风、离岸风资源以及环境条件的可靠数据库;制定和实施关于风力资源评估与选址的国际标准;进一步发展遥感技术;并且开发短期预测模型,用于电力系统操作(与系统运营商一同工作);

风力涡轮机技术:建立一个向海的操作经验共享数据库;开发用于不同场地条件的专用设计。

对于向海的部署,提供足够的,特定设计的船只并且提高安装策略。

与基金资助机构建立旨在研发支持项目,并启动长期新材料计划;改进设计工具;增加以下知识:向海方面、复杂地形和气候,空气动力学以及海上涡轮机和基础的设计。

电力系统的主要成员包括传输公司。系统运营商和由政府建立的独立电力行业监管机构,以及垂直一体化公用事业(在它们所存在的地方)。他们的主要作用是对于需要用于连接风力发电(以及其他发电机)的传输基础设施和移动电力负荷中心进行投资。他们同样也促使物理电力市场方式,在节约成本的条件下减少变化性的影响,并且在保证供应安全的同时增加了风能的价值。

电力系统参与者需要关注他们在以下领域内的短期工作:

开发支持互联的广域传播计划,预测风力发电部署和连接区域电力市场,确保供应安全;

建立成本回收和在风能充足地区新建传输建设的分配机制,以防传输成本不被顾客所覆盖。

对于尚不可行的地区,实现网格编码,以确保风力发电厂可以接触到输电网络,并与相邻区域合作来加强平衡;

继续推进市场设计变更进程和系统操作时间,确保融合可再生能源的大份额。

提高风力预测,包括在系统经营商中央控制室的在线数据。

向海输电网的改进,比如连接几个国家,对于地域性以及有合理经济性的区域进行连通组合;

开发用于评估额外电力系统灵活性需求的方法;执行输电网研究用于检查成本和风能的高收益;

开发电力系统灵活性,以增加研究价值;

支持标准开发,确保政府资助研发转化为行业内的最佳实践成果。

 

路线图的实现

 

这个路线图的实现可能通过国家路线图、目标、补贴和研发成果来实现。基于能源和工业政策,一个国家可以发展出一套相关的行动。

风能路线图的发展是一个考虑示范项目、政策以及国际合作的新发展的进程。

路线图是一个里程碑,被设定为国际社会可用来确保风能开发工作有望到2050年实现温室气体减排要求。因此,国际能源机构以及政府、企业和非政府组织(NGO)利益相关者会定期报告路线图所获成果的进展情况。


 
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