韩国省级层面混合可再生能源系统持续满足能源需求的科技经济可行性分析

《Renewable Energy Focus》：Techno-economic feasibility of hybrid renewable energy systems for continuous demand coverage at the provincial level in South Korea

本研究针对韩国化石能源转型需求，构建风-光-储混合系统，运用多目标粒子群优化算法分析2030年各区域电网平价潜力，发现光伏成本优势显著，94.4%地区光伏达平价，最优配置为风-光-储系统，为区域可再生能源规划提供技术支撑。

　　本研究关注于为实现净零二氧化碳排放和限制全球平均气温上升，提供替代当前化石燃料能源体系的解决方案。特别地，我们聚焦于开发混合可再生能源系统（HRES），该系统结合了风能、光伏发电以及能源存储，以满足韩国不断增长的可再生能源需求。通过采用多目标粒子群优化（MOPSO）算法，我们对HRES的最优配置进行了分析，评估标准为净现值成本（NPC），同时确保能源需求能够得到可靠满足。研究发现，太阳能光伏在韩国的94.4%地区有望在2030年前达到电网平价（grid parity），表明其在成本效益方面优于风能。然而，在大多数韩国地区，最优化的HRES配置是风力涡轮机-光伏系统-通用能源存储（WT-PV-ESS）的组合，这种配置提供了最具成本效益的解决方案。我们相信，这项研究为进一步探讨韩国可再生能源系统的分析与优化奠定了基础，有助于实现国家的能源目标。

在当前的全球能源格局中，气候变化已成为各国政府和国际组织关注的核心议题。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）指出，为将全球平均气温上升控制在1.5°C以内，必须在2050年前实现净零二氧化碳排放。这一目标促使了能源需求的显著转变，可再生能源（RE）正逐步取代化石燃料成为主要的能源来源。然而，可再生能源的集成面临诸多挑战，尤其是其高空间和时间变异性，这可能导致供应与需求之间的不平衡。因此，为了确保能源供应的持续性和稳定性，必须制定有效的能源管理策略和灵活的措施。研究表明，能源存储在解决这些问题方面具有显著优势，包括减少系统规模、提高可再生能源渗透率、降低可再生能源的弃风弃光现象，以及改善供需平衡。鉴于这些益处，识别最适合的系统配置和规模成为一项关键任务，这一决策需要综合考虑技术、经济和环境等多重因素。

韩国作为全球第14位制定法律以实现2050年碳中和目标的国家，其政策框架在推动可再生能源发展方面起到了重要作用。韩国还设定了一个中期目标，即到2030年，将碳排放量减少40%（相对于2018年的水平）。尽管韩国国内能源供应存在短缺，且超过90%的能源依赖进口，但该国正积极推动可再生能源的发展。2021年，韩国的总发电量为588.52太瓦时（TWh），其中可再生能源增长了18%（43,085吉瓦时，GWh），天然气发电增长了15.3%（168,262 GWh）。尽管煤炭发电仍占总发电量的约34%，但其使用正在逐渐减少。核能发电则占总发电量的近27%，并且有计划在2030年前将这一比例提升至至少30%。2020年，韩国发布了第九版长期电力供需基本计划（2020–2034），该计划每两到四年更新一次，为国家电力行业指明了发展方向。最新版本强调了实现碳中和目标的策略，包括增加天然气和可再生能源的使用比例，以减少对煤炭和核能的依赖。根据该计划，可再生能源预计将在2030年达到总发电能力的约34%，较目前的15%有显著提升。太阳能和风能将成为可再生能源增长的主要驱动力，其中海上风电预计将占韩国风电总产量的近40%。这些数据和趋势引发了关于韩国可再生能源何时能够实现电网平价、以及哪些地区可以率先实现这一目标的讨论。

电网平价（grid parity）是指可再生能源系统能够以与传统化石燃料发电相同的价格向消费者提供电力，而无需政府补贴。这一概念在可再生能源经济中具有重要意义，标志着可再生能源在市场中的经济可行性，并成为其广泛应用的催化剂。实现电网平价的关键在于可再生能源的成本竞争力，通常通过平准化电力成本（LCOE）来衡量。已有研究对电网平价的评估方法进行了深入探讨，例如Wang等人提出了一种结合LCOE计算、成本趋势预测和电价基准的结构化框架，强调了区域和系统集成成本的重要性。Poullikas等人则研究了塞浦路斯实现太阳能光伏电网平价的条件，指出光伏组件价格、能源产出和零售电价是关键因素。他们的研究还表明，在岛屿型能源系统中，由于电价较高，电网平价更容易实现。Wang等人进一步开发了一个增强型LCOE模型，结合了中国的可交易绿色证书（TGC）机制，证明政策工具可以将全国范围内的光伏LCOE降低超过5%，凸显了监管框架对电网平价时间线的影响。Haas等人分析了光伏系统的社会经济效益，得出电网平价能够为零售消费者提供足够的激励，使其在无需额外财政支持的情况下采用光伏系统。Mu等人则研究了中国宁夏地区的电网平价情况，指出在考虑环境效益和乐观的装机容量预测的情况下，集中式光伏有望实现平价。

在本研究中，电网平价被作为韩国可再生能源转型的重要概念进行分析。通过评估混合可再生能源系统的成本动态，我们探讨了在省级层面实现电网平价的潜力。此外，借鉴Zhang等人对中国分布式光伏电网平价的研究，以及Tu等人对政策激励和技术创新作用的分析，本研究提供了韩国地区的电网平价视角。这些发现为政策制定者和相关利益方提供了可操作的见解，强调了有针对性的投资和支持性监管框架在提升可再生能源系统经济竞争力方面的重要性。

在探讨混合可再生能源系统的优化配置时，本研究采用了多目标粒子群优化（MOPSO）算法，以最小化净现值成本（NPC）并确保系统在电力供应中断概率（LPSP）约束下的可靠性。假设一个固定为1MW的连续能源需求，我们分析了风能和光伏的未来发电成本，并将其与不同地区的电价进行比较。研究结果表明，太阳能光伏在韩国的94.4%地区有望在2030年前实现电网平价，显示出其在成本效益上的优势。然而，对于大多数韩国地区而言，最优化的HRES配置是风力涡轮机-光伏系统-通用能源存储（WT-PV-ESS）的组合，这种配置在满足能源需求的同时，能够提供最具成本效益的解决方案。研究进一步揭示了区域资源潜力与HRES成本效益之间的复杂关系，探讨了韩国地理多样性对系统可行性和成本动态的影响。通过这一分析，我们能够识别出适合不同地区特点的HRES配置，为韩国的能源转型提供更具针对性的建议。

本研究的成果不仅为韩国的可再生能源发展提供了科学依据，也为全球类似地区的能源转型规划提供了参考框架。通过结合技术经济分析和地理因素，我们构建了一个可扩展的模型，能够支持政策制定者和行业利益相关者制定区域化的可再生能源战略。研究发现，混合可再生能源系统的优化配置在不同地区具有显著差异，这种差异主要源于各地区的资源禀赋和经济条件。例如，太阳能资源丰富的地区可能更倾向于采用光伏为主的系统，而风能资源丰富的地区则可能更依赖风力涡轮机。此外，能源存储系统的类型和规模也需根据具体需求进行调整，以确保系统的可靠性和经济性。本研究还强调了政策和技术创新在推动可再生能源发展中的关键作用，特别是在降低系统成本和提高能源利用效率方面。

在方法论方面，本研究采用了多目标粒子群优化算法，该算法能够有效处理复杂的优化问题，尤其适用于涉及多个目标函数的系统配置分析。通过引入这一算法，我们能够在满足系统可靠性要求的前提下，寻找最优的HRES配置方案。此外，我们还对韩国各地区的气象数据进行了详尽分析，包括太阳辐射、空气温度、相对湿度和风速等关键参数。这些数据覆盖了2010年至2023年的时间范围，涵盖了韩国的主要省份和城市，如大邱、庆尚北道、首尔、京畿道、全州、全罗北道、光州、全罗南道和济州岛。通过对这些数据的分析，我们能够更准确地评估不同地区的资源潜力，并据此优化HRES配置。

在资源评估方面，本研究利用图表展示了韩国各地区的年平均风速、太阳能辐射和环境温度。此外，还通过图表呈现了各省的风能和光伏发电容量因子。从图表中可以看出，风能容量因子与风速呈正相关，这意味着风速较高的地区通常具备更高的风力发电效率。例如，济州岛等风速较高的地区，其风能利用效率显著高于其他地区。同时，太阳能辐射的分布也因地理位置的不同而有所差异，某些地区由于日照时间长、强度高，具备更高的太阳能发电潜力。通过对这些数据的深入分析，我们能够识别出哪些地区更适合采用特定的HRES配置，并为政策制定者提供基于区域特点的优化建议。

在结论部分，本研究强调了混合可再生能源系统在韩国实现能源可持续性中的关键作用。通过分析不同地区的资源潜力和经济条件，我们得出了一些重要的发现。首先，太阳能光伏在大多数地区具备实现电网平价的潜力，这为可再生能源的广泛应用提供了经济基础。其次，尽管太阳能在成本效益方面占优，但结合风能和能源存储的混合系统在大多数地区仍是最优解，这种配置能够有效平衡供需关系，提高能源供应的稳定性。此外，研究还揭示了韩国地理多样性对HRES成本效益和系统可行性的深远影响，这为制定更具针对性的可再生能源发展战略提供了重要依据。最后，本研究提出了若干关键建议，包括加强政策支持、推动技术创新、优化能源存储系统配置以及提高区域间的协同效应，以确保可再生能源在韩国的可持续发展。

本研究的成果不仅对韩国的能源政策具有重要意义，也为全球其他面临类似挑战的国家提供了可借鉴的经验。在实现碳中和目标的过程中，混合可再生能源系统的优化配置是关键一环，而电网平价的实现则是推动这一进程的重要经济动力。通过本研究的分析，我们能够更好地理解可再生能源在不同地区的发展潜力，并为政策制定者和行业参与者提供科学依据和实践指导。未来的研究可以进一步探讨不同技术组合对电网平价的影响，以及如何通过政策和市场机制促进可再生能源的广泛应用。同时，随着技术的不断进步和成本的持续下降，电网平价的实现时间表可能会进一步缩短，这将为全球能源转型带来新的机遇。