新能源发展的消纳风险研究

新能源发展的消纳风险研究（报告出品方/作者：信达证券，左前明、李春驰）“双碳”目标下构建新型电力系统，“先立后破”强调系统安全稳定1、构建新型电力系统是实现“双碳”目标的必要条件和重要路径在当前我国全社会二氧化碳的排放量中，将近90%来自于能源相关的活动，主要来自于电力、工业、建筑、交通四部分。其中电力行业碳排放占比最高，超过40%。新能源发电的碳排放强度远低于煤炭等传统能源。因此，加强煤炭清洁高效利用，大力发展风能、太阳能等新能源是实现“双碳”目标的关键，电力系统清洁低碳发展是实现“双碳”目标的必要条件。从“双碳”目标的实施路径来看，电力作为二次能源，可以由煤、油、气等传统一次能源转化，也可以由风、光、水、核等清洁能源转化。因此，电力系统不仅有自身脱碳转型的需求，也可以在实现低碳转型后以“终端用能电气化+电力系统脱碳”的模式助力其他能源系统实现降碳转型。新能源占比逐渐升高的新型电力系统已成为实现“双碳”目标的重要路径。2、坚持先立后破，新型电力系统发展节奏有所调整近年来，我国新能源发电量占比逐步提升，但火力发电仍然占据着主体地位。国内煤炭价格的快速上涨导致火电企业发电成本大幅上涨，“市场煤、计划电”之间的“煤电顶牛”矛盾凸显，火电企业发电成本难以向下游合理疏导，加之新能源发电本身具有较强的随机性、波动性和间歇性，由此导致我国部分地区阶段性出现电力供应紧张的问题。我国能源体系的不可能三角矛盾凸显，即难以同时满足安全性、清洁性和经济性。当前时点，我国能源系统亟需在安全性、清洁性和经济性三方面实现再平衡。自2021年缺电频发以来，国家能源政策开始出现调整。从政策角度看，2021年7月中共中央政治局首次指出“先立后破”，强调能源供给与保障安全。2022年5月，国家发改委、国家能源局发布《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》，提出“加快构建适应新能源占比逐渐提高的新型电力系统”。相较之前“构建以新能源为主体的新型电力系统”表述，本次《实施方案》提出的“构建适应新能源占比逐渐提高的新型电力系统”则反映了对新型电力系统的新认识，不再强调以新能源为主体，转而强调新能源占比逐步提高，即需要逐渐发展，其节奏已有所调整。源荷时空错配叠加调节资源缺乏，新能源消纳风险需给予更多关注1、消纳压力逐渐显现，部分区域风光利用率下行新能源消纳情况指的是，在常规电源装机、负荷水平、以及电网安全稳定运行约束下，并网的新能源电源实际发电量与理论发电量的对比情况。在“十三五”初，新能源装机容量快速增长曾一度导致弃风、弃光率上升至较高水平。2015年，甘肃、吉林、新疆三省的弃风率分别高达39%/32%/32%。为解决新能源消纳问题，发改委于2018年出台《清洁能源消纳行动计划（2018-2020年）》，提出“2020年，确保全国平均风电利用率达到国际先进水平（力争达到95%左右），弃风率控制在合理水平（力争控制在5%左右）；光伏发电利用率高于95%，弃光率低于5%”。受益于政策推动及落实，以及特高压、灵活性改造以及新能源交易市场等建设，2019年以来我国新能源消纳问题明显缓解，2021年，我国弃风/弃光率已分别下降至3.1%/2.0%。就全国整体情况而言，2022年全国风电利用率达到96.8%，光伏利用率达到98.3%。整体而言，2022年全国整体新能源消纳情况尚可，但弃风率较2021年已经出现边际上升。分地区对比来看，2022年部分新能源大基地所在地区消纳率较低。根据全国新能源消纳监测预警中心数据，2022年蒙西风电消纳率92.9%，相较于2021年上升1.8pct；蒙东风电消纳率90.0%，相较于2021年下降7.6pct；甘肃风电消纳率93.8%，相较于2021年下降2.1pct；青海风电消纳率92.7%，相较于2022年上升3.4pct。内蒙、甘肃、青海是新能源大基地的重点建设地区，但目前风电消纳率均已远低于《清洁能源消纳行动计划（2018-2020）》要求水平。“十四五”中后期，若新能源年新增装机容量仍保持快速增长，我们预计新能源消纳形势将愈加严峻，特别是新能源大基地布局所在的西北地区。目前第一批大基地风光项目尚未实现全面并网，第二批大基地部分项目已经开始开展前期工作与陆续开工，在特高压建设等外送条件暂时欠缺的情况下，内蒙古、甘肃、青海等西北省（区）新能源消纳压力恐将更加明显。2、新能源出力的同质性与反负荷特性在装机占比快速提升后更为显现，“零电价”“负电价”频现新能源出力具有边际零成本，同质性和反负荷特性，即新能源每多发一度电的边际成本为0；光伏发电集中在上午10时至下午15时，风电出力集中在0点后的夜间；用电负荷端存在上午工商业用电高峰和傍晚时刻的居民用电高峰，而新能源难以覆盖傍晚17时至20时的居民用电高峰。因此，新能源出力的同质性导致新能源出现“内卷”，即在白天光伏同时出力，导致电力供需供大于求，同时新能源边际零成本特性使其在电力现货市场中可以实现优先出清，从而拉低电力现货市场的现货价格；傍晚居民负荷晚高峰出现，但新能源的反负荷特性导致傍晚时刻新能源难以为电力系统提供出力，导致电力供需供不应求，从而抬高电力现货市场的现货价格。早在2014-2015年，美国加利福尼亚州已经因为居民屋顶分布式光伏的大规模接入和电力市场的发展，出现了有名的“鸭子曲线”，即电力系统净负荷（用电负荷减去新能源出力后的负荷需求）在上午逐步走低，至午后14时反而出现深谷；在下午16时后在2~3小时内急速拉升，至18时出现尖峰。在电力市场改革推进后，山东、山西等具备电力现货市场的新能源大省在现货电价方面也出现“鸭子曲线”，并因市场规则的不同出现“零电价”（山西）和“负电价”（山东）。据我们统计，山东电力现货市场2022年共有176天全天最低电价小于0元/kWh，即出现负电价；其中共有135天出现-0.08元/kWh的最低负电价。以天计算，全年负电价出现概率48%。对于新能源而言，边际零成本，同质性和反负荷特性的特点在现存“基于边际成本出清”的电力现货市场环境下会导致新能源大发的时刻电价较低，而又难以在高电价时段获利，收益率存在下行风险。同时，电力现货市场的“零电价”，“负电价”也表明在山西、山东等新能源大省，已经出现新能源装机较高，部分时段消纳压力较大的情况。分时分地区的消纳困境已经出现。3、“消纳难”源于源荷时空错配，且难度伴随新能源电量占比提升而加大，其带来的系统成本也呈现非线性增长特征新能源发电的电源侧和负荷侧存在时间错配的问题。一方面，风光发电存在日内尺度上的电力供需错配，风电出力主要集中在傍晚及夜间，约18点-6点；光伏出力主要集中在中午，约10点-15点。但用电负荷高峰集中在8点-10点和18点-22点。另一方面，风光发电存在季度尺度上的电量供需错配。由于居民和三产在夏季制冷和冬季供暖需求较高、二产在年底由于赶工而存在用电旺季，导致用电侧存在明显的季节性特征，而风电在用电高峰夏季出力相对较弱，光伏发电在冬季出力有所不足。因此，新能源发电源荷时间错配存在于日内错配和季节错配两个维度，新能源发电占比提升或将加剧源荷时间的错配程度，加大消纳难度。此外，新能源装机容量在地理上分布不均匀，与用电负荷侧存在空间错配的问题。我国的能源资源分布与能源负荷中心呈逆向分布关系，风光资源富集在西部和北部地区，而能源消费负荷集中在东中部地区。目前电能大规模的远距离直接传输仍存在困难，大规模跨省输送与电力系统安全稳定经济运行之间存在矛盾。以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地项目自2022年起陆续并网投产，新能源项目地域分布较为集中，西部和北部部分地区消纳压力增大。当新能源电量占比和装机占比逐渐升高时，系统消纳新能源的难度逐渐加大。“十三五”初期，新能源电量占比仅5%左右时，全国性的风电消纳的问题曾严重凸显，平均弃风率达15%以上。国家能源局通过出台制定解决弃风弃光弃水“三弃”问题的实施方案，弃风弃光率逐步下降，在2019年即被控制在5%以内。但在2022年新能源电量占比已经接近15%时，持续向下的弃风率反而出现边际升高，表明消纳的成本与难度随新能源渗透率出现同步抬升。4、电网与调节资源分析：特高压建设慢于电源建设速度，电力系统调节能力有待进一步加强立足于电力系统电力电量平衡的要求和我国新能源源荷错配的现状，新能源的利用和消纳本质上受到全国电力负荷空间、跨省跨区输电网络建设情况和平抑新能源波动，匹配电力供需的灵活性资源情况的影响。在经济稳中向好，用电量增长稳步发展的情况下，全国电力负荷空间有望保持稳定增长，而新增的新能源消纳情况在供给侧主要取决于跨省跨区电网建设和灵活性资源的发展。作为跨省跨区电网建设的重中之重，特高压电网是电力系统内连接能源资源中心与负荷中心的能源桥梁，通过远距离电力输送，实现大范围资源配置与优化。“十三五”以来有赖于特高压通道支撑，三北及西南地区外送电量持续提升，特别是三北地区的外送电量绝对值和在总发电量中占比趋势上行。“十四五”期间，国网规划建设特高压线路为“24交14直”，并且在“十四五”后期逐步开展“十五五”的特高压研究规划工作。在“十四五”期间，大型风电光伏基地成为“双碳”目标下新能源建设的中流砥柱，并在不断地加速推进。大型风电光伏基地大多位于三北和西南地区，其建设将扩大上述地区发用电不平衡性。考虑到特高压工程建设周期较长（平均周期为1.5-2年），明显高于风电与光伏建设周期，其建设工作理应更早启动。特高压规划较早，但开工建设工程进度不及预期。2022年国网提出年内将再开工建设“十交三直”特高压工程。但受特高压专项审计周期较长，及环评和疫情拖延开工的影响，2022年特高压开工进度不及预期，仅开工“七交”，直流尚未开工，整体建设节奏慢于大基地电源端。但与此同时，与特高压工程紧密相关的电网投资并未因高比例新能源装机并网而出现阶段性大幅增长，而是依然按既定计划维持平缓增长。从“十四五”投资总额来看，国家电网董事长辛保安2022年8月发文称，“十四五”期间国家电网计划投入电网投资2.4万亿元。相比于“十三五”国家电网总投资23785.1亿元，同比仅增长0.9%，远不能满足新增西北风光大基地的新能源电力外送需求。从近三年实际投资情况看，实际投资比计划投资增幅幅度逐年收窄，由2020年的12.9%收窄至2022年的0%，为近三年最低。相比于光伏产业链的火热投资情况，当前电网投资计划较为平稳，，与新能源投资强度和热度形成错配。因此，在电网投资并未显著增加，计划外超额投资逐步萎缩的情况下，特高压工程建设推进恐将滞后于风光大基地电源建设。调节资源方面，我国灵活性资源较欧美先天不足。我国电力系统内可用的灵活性资源包括可控电源机组、电化学储能、抽水蓄能和需求侧响应等。提升调节能力是实现新能源大规模消纳的必要条件。相较于新能源渗透率更高的欧盟与德国（截至2022年末，欧盟新能源渗透率达22.9%，德国新能源渗透率达36.7%，我国新能源渗透率仅为13.7%），我国的优质调节资源气电装机占比较低，调节能力较差的煤电装机占比较高，调节能力相对较差。因此在未来较长一段时间内，结合潜力规模和经济性来看，我国新能源消纳的着力点或应以火电灵活性改造、抽水蓄能电站、电化学储能、可调节负荷为主加快投资建设，加快提升电力系统调节能力。可控电源中，由于我国的煤电装机占比高达43.75%，可控电源以煤电为主。然而，煤电的启停和爬坡速度较慢，难以满足秒级/分钟级的调峰调频需求。同时，频繁的出力调节和启停还会导致煤电机组设备受损、寿命缩短。从响应能力看，以煤电机组为主的火电仅能满足变化缓慢的波动，难以及时响应短时电力供需不平衡。因此，针对以煤电机组为主的可控电源，需要进行火电灵活性改造，以适配新能源出力的间歇性和波动性。然而，由于市场化机制改革滞后，改造成本难以疏导，“十三五”期间火电灵活性改造实际规模远低于规划目标。《电力发展“十三五”规划》中提出灵活性改造2.2亿千瓦，但“十三五”实际完成煤电灵活性改造仅约1.6亿千瓦，改造规模与规划存在较大差距。2021年，国家发改委发布《全国煤电机组改造升级实施方案》，提出“十四五”期间完成2亿千瓦，增加系统调节能力3000-4000万千瓦的改造目标。但由于市场化改革推进仍然较为缓慢，改造成本疏导机制和调峰调频费用分摊机制仍未完全落实，发电企业对于灵活性改造的积极性或不及预期。抽水蓄能电站是具备调峰填谷、调频调相、事故备用和黑启动等多种功能的灵活性资源。2021年8月，国家能源局综合司印发《抽水蓄能中长期发展规划（2021-2035年）》，提出“十四五”期间开工1.8亿千瓦，2025年投产总规模6200万千瓦，到2030年，抽水蓄能投产总规模达1.2亿千瓦”的提速发展目标。但抽水蓄能限于其工期较长（5~8年），自然条件要求较高（要求有河流有落差），建设情况较为复杂（涉及移民拆迁等社会问题），短期内或难以实现大幅超预期的增量发展。电化学储能方面，短期来看在部分地区开展独立储能租赁业务的背景下，锂电池储能已具备一定经济性，且受益于新能源强制配储的政策和建设速度快的优势下（仅需3-6月），据中关村储能产业技术联盟，2023年预计新增装机可达1500万千瓦，装机有望迎来大幅增长。然而，目前电化学储能受限于较小体量（截止2022年底，电化学储能在运容量仅870万千瓦），利用率低，且电化学储能的充放时间约2~6小时，仅能支撑小时级的调节，难以解决电力系统日以上时间尺度的电力电量平衡问题，在当前时点下仍难以实现大规模推广。此外，电化学储能的进一步发展仍限于其高企的成本。目前锂电池储能度电调峰成本仍在0.5元/kWh以上，相比于火电灵活性改造0.1元/kWh和抽水蓄能0.2元/kWh的调峰成本仍有较大差距。长期而言，电化学储能的发展仍需要技术进步、持续降本带来经济性提升，以及相关市场化机制实现成本的疏导转移。需求侧响应目前仍在发展初期，且由于我国电力市场化改革尚在进程中、市场化交易机制尚未成熟、补偿收益尚不到位。即便在2025年，全国电力系统需求侧响应可以达到尖峰负荷的3%~5%，负荷参与积极性、调节效果及相关补偿情况仍有待观察。5、风光制造成本下降与系统性成本上升情况得益于技术进步和硅料成本下降，新能源产业链成本在过去十年实现了快速下降。据国际可再生能源机构(IRENA)报告显示，十年内，光伏的电力成本下降了85%，陆上风电的成本下降了56%，海上风电的成本下降了48%。作为过去制约光伏产业链发展的瓶颈，硅料产能不断实现逐步释放，实现硅料价格的快速降低。同时，规模化生产的PERC光伏产业链不断提高组件生产效率，与硅料产能共同推进光伏组件的降本。目前，风电光伏均已实现平价上网（即风电光伏保障性收购价格为当地燃煤基准价）。基于此，有研究观点认为，当前新能源在大量接入电网时仍可继续实现快速降本，从而为电网建设和灵活性资源投资让渡利润。我们认为，高比例新能源接入下的电网将面临系统性成本快速抬升的问题，辅助服务费用或将出现指数式的上升。以国内情况为例，2019年全国新能源电量占比为7%，国家能源局公布全国辅助服务费用占全社会电费比例为1.47%；而根据山西电力现货市场的经验，在2022年新能源电量占比达到16%时，其辅助服务电费占全社会电费比例为5%左右。因此，在新能源渗透率翻一番时，辅助服务费用即系统调节成本出现了接近翻两番的情况，呈指数性抬升。展望2023年，虽然硅料产能有望实现进一步释放，但硅料价格对于组件降价的边际影响或将逐步减弱，反观系统的容量备用与调节性等成本却伴随新能源占比提升而快速增长，并呈现非线性特征。同时，PERC光伏产业链的生产效率提升已经逐步趋缓，再进一步通过技术进步与规模化生产实现降本的空间相较过去有限。因此，我们预计风光降本速度较过去将会逐步减缓，降本出让的利润空间可能难以覆盖非线性上升的系统调节成本。理性看待消纳空间1、新能源消纳空间测算新能源消纳空间主要受电力负荷空间、跨省跨区输电网络建设情况和灵活性资源情况三者约束。计算新能源消纳空间需要以电力系统生产模拟法，模拟电力系统实际生产运行状态，以每个时段（颗粒度可为5分钟、1小时等）进行电力平衡分析，分析接入一定风电和光伏发电装机情况下，系统全年所产生的弃风弃光电量，得到在保证新能源利用率不低于95%的情况下接入新能源装机，即为系统新能源消纳空间。电力系统生产模拟法需要考虑的约束众多，包括电力电量平衡约束，机组爬坡和出力约束，火电机组启停时间约束，水电出力约束，强制开机约束等。综合考虑新型电力系统构建在电源侧、电网侧、负荷侧各种边界条件的实际情况和变化趋势，通过逐年生产模拟模型计算“十四五”期间逐年新能源消纳空间。据测算，2023年在保持新能源弃电率不低于5%的情况下，电网角度下全国新能源消纳空间基本稳定在1-1.2亿千瓦左右；2025年新能源消纳空间保守测算将逐步提高至1.4-1.7亿千瓦左右。若考虑额外配建新型储能，火电灵活性改造推进的情况，2023年新能源消纳能力预计可以提升到1.3-1.5亿千瓦左右。2025年逐步提升到1.7-1.9亿千瓦左右。再叠加计算无需大电网提供消纳的一般工商业分布式光伏（以2022年装机2587万千瓦，年均增速10%计算），2023年新能源消纳能力预计可提升到1.6-1.9亿千瓦左右。2025年预计逐步提升到2-2.2亿千瓦左右。资本市场对于新能源发展的预期，同时来源于自上而下的“碳达峰，碳中和”目标下的能源转型顶层设计，和自下而上的新能源成本下降而引发的内生需求。2021年以来，双碳目标基本已经成为经济工作的刚性约束。随着光伏和风电的平价上网落地，新能源产业依赖财政补贴形成的周期性正在迅速下降，而其受益于技术进步形成的成本优势使得其需求持续上行，因而，新能源行业的成长属性取代周期属性而成为主要属性。在此种背景下，二级市场对于新能源的发展预期较高，甚至远超电力系统的实际接纳能力。从新能源装机预期增速及预期增量的角度看，市场多数研究观点认为，“十四五”期间风电光伏合计新增年均装机将保持2亿千瓦及以上，并呈“前低后高”形势发展，即“十四五”期间新能源装机将保持每年高增量的发展，或较为乐观。我们认为，2023至2025年新能源消纳空间在1.6-2.1亿千瓦/年。受限于消纳空间以及非线性上涨且难以疏导的系统成本，新能源新增装机年均保持2亿千瓦及以上的市场预期实际可能难以实现。而“十四五”之后电力系统消纳空间将主要取决于“十四五”末特高压工程建设推进情况，以及存量火电灵活性改造和新型储能等灵活性资源发展情况。中远期特高压与灵活性资源的建设节奏存在一定的不确定性，若实际推进进度不及预期，则“十四五”之后的新能源消纳压力恐将进一步加大。2、消纳困境或悄