印度东部电力行业实现净零排放的最低成本替代路径建模——自下而上的方法

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Modelling of least cost alternative pathways towards net zero transition for the power sector of the eastern region of India – A bottom-up approach

　　阿里吉特·穆克吉|索里什·查特吉|阿努帕姆·德布萨卡尔|苏迪普塔·德印度加尔各答贾达普大学全球变化研究项目，邮编700032摘要本文基于印度东部地区，探讨了低碳和零碳替代能源转型方案，旨在减少对煤炭的过度依赖。该次国家层级模型依据不同的技术和经济参数及约束条件，分析了多种脱碳方案。研究中通过针对这一煤炭资源丰富地区的特点调整各类参数，制定了成本最低的转型方案。本研究采用了开源能源建模平台Switch来构建不同目标年份的转型方案。在所制定的方案中纳入需求侧灵活性措施后，目标年份所需的整体装机容量也会相应减少。储能需求则取决于不同目标年份内各类替代能源的新增容量。到2050年，在结合需求侧灵活性措施与可再生能源及核能的方案下，储能需求可降低80%；而在仅采用热电联产与核能并结合需求侧灵活性措施的方案下，储能需求可降低59%。在DSFTMN和DSFRN方案下，太阳能、风能和核能新增装机所占用的土地比例分别为2.64%和2.69%。与常规发展情景相比，到2050年，TMN和DSFTMN方案下的碳排放量分别可降低93%和96%。引言气候变化是全球面临的重大挑战，其主要源于无序且不可持续的人类活动。各国在制定和实施旨在减轻气候变化负面影响的政策时面临诸多障碍[1]。根据IPCC第六次评估报告，为将全球升温控制在2℃以内，到2050年，温室气体排放量和二氧化碳排放量分别需比2019年的水平减少64%和73%。这一目标要求各国制定结构合理、策略清晰的国家自主贡献计划[2]。为推动快速工业化并满足日益增长的能源需求，各国过度依赖化石燃料，从而导致碳排放量上升[3]。在此背景下，政府干预和公共政策框架成为减少化石燃料使用、实现向清洁能源过渡的关键手段[4]。作为全球南方国家中的重要成员，印度在第26届缔约方大会（COP26）上提出了到2070年实现净零排放的宏伟目标[5]。根据其国家自主贡献计划，印度承诺到2030年将其GDP的碳排放强度比2005年水平降低45%，并确保50%的累计装机电力容量来自非化石能源[6]。印度碳排放的主要来源包括电力行业、重工业、交通运输业以及建筑行业。其中，仅电力行业就约占全球二氧化碳总排放量的47%[7]。因此，实现印度电力行业的脱碳对于履行其国家自主贡献承诺至关重要。印度的国家电网由东部、西部、北部、南部和东北部五个区域电网组成[8]。这些地区在气候、地理、自然资源分布、地形以及土地用途等方面存在显著差异。印度的联邦治理结构使得各邦在自然资源管理和电价设定方面拥有较大自主权，这些工作由各邦的电力监管机构负责监督。这种分散式管理模式也导致了各地区在技术能力和财政工具方面的差异[9]。此外，中小型企业往往严重依赖本地资源，这进一步加剧了不同行业和次国家区域内脱碳带来的社会经济差异[10]。由于印度南部地区濒临印度洋，因此具备巨大的风能开发潜力[11]；西部各邦同样拥有丰富的风能资源[12]。相比之下，北部地区在太阳能发电方面具有优势[13]，而东北部各邦则具备发展小型水力发电的巨大潜力[14]。印度东部地区包括西孟加拉邦、比哈尔邦、奥里萨邦、贾坎德邦和锡金邦，这里拥有印度约59%的煤炭储量，其中三个邦的煤炭资源尤为丰富[15]。鉴于可再生能源资源的分布不均以及化石燃料储量的区域集中现象，为整个电力行业制定统一的脱碳政策既不可行也不公平。煤炭在保障国家能源安全方面仍发挥着重要作用，突然的政策转变可能会对那些依赖化石燃料的地区造成不成比例的影响，进而加剧其社会经济脆弱性[16]。尽管区域特征在能源转型中至关重要，但目前在印度次大陆范围内，针对次国家层级的研究还相当有限。Bhongade等人[17]的研究表明，在印度西部地区的中央邦达尔县，通过有效实施需求侧管理策略，可使电费降低20–25%，能源消耗量减少约15%。类似地，还有研究在印度南部电网的关键区域泰米尔纳德邦，分析了需求侧管理与供应侧管理相结合的应用效果，结果显示，引入可再生能源后，该地区的能源系统净现值降低了18%，二氧化碳排放量减少了23%[18]。鉴于现有研究的不足，本研究选择印度东部地区作为研究重点。之所以选择这一地区，主要是因为尽管其在印度电力行业转型中具有独特的能源结构和战略意义，但针对该地区的次国家层面分析却相对匮乏。本研究的主要目标是利用开源能源建模框架，为印度东部地区构建一个针对性的能源模型。该模型基于该地区的可再生能源资源潜力以及现有的政策环境，探讨如何逐步用替代能源取代煤炭，以实现长期的碳排放减排目标。模型中涉及的技术约束、成本参数、利率、折现因子、太阳能、风能等自然资源的容量系数、土地可用性、各类技术的现有装机容量以及资源潜力等要素，都是专门为印度东部地区量身定制的，这也是数据加工和方案设计过程中的重要环节。最终，本研究强调了需要制定基于证据、注重实际执行的政策决策，这些决策应针对不同电网区域的特点，从而助力印度实现电力行业脱碳的整体目标。整个研究致力于探索未来印度东部地区电力行业实现脱碳的替代路径。此前尚未有过使用Switch 2.0平台来构建能够提出低碳或零碳转型路径的特定模型。迄今为止的大多数研究都集中在根据印度国家自主贡献计划分析印度面临的转型挑战及相应的替代路径。然而，印度的整体情况并不能完全反映东部地区的特点[8]、[9]、[19]、[20]。通过针对不同地区制定差异化策略，印度完全可以实现其脱碳目标。由于不同地区的自然资源状况、地形地貌、技术可用性及其应用水平以及地缘政治环境都存在很大差异，因此无法为所有地区采用统一的脱碳策略。本研究分析了各类技术在未来不同目标年份的产能扩展技术经济可行性以及相应的储能需求，从而有助于制定出切实可行的政策来实现相关目标。本研究的主要贡献和创新点如下：•本研究开发了一个专为印度东部地区设计的次国家层级模型Switch-ERI。•该模型纳入了针对该地区特点定制的技术约束和资源潜力限制。•在模型构建过程中，还考虑了从MERRA2数据库获取的天气数据以及各类自然能源资源的季节性变化规律。•本研究共设计了18条替代路径，即6种方案对应3个目标年份。•每种方案都明确了潜在的能源转型路径，以及相应的储能和投资需求。•研究还纳入了需求侧灵活性因素，以分析在考虑该地区最新政策情况下，能源转型对储能需求和土地使用规模的影响。由于印度大部分煤炭储量都集中在东部地区，且该地区产生的电力中有很大一部分来自煤炭发电。因此，针对东部地区开展的研究结果表明，为实现脱碳目标，核能是一种非常可靠的替代能源，它不仅有助于减少对煤炭的依赖、保障电力供应稳定，还能降低二氧化碳排放水平。在DSFRN方案下，到2050年，通过部署11870兆瓦的核能发电设施，充分利用可再生能源，并搭配3110兆瓦的电池储能系统，即可将碳排放量降至零，同时投资规模可减少83%。与常规发展情景相比，到2050年，该方案的度电成本还可降低81%。在论文的“相关研究”部分，总结了关于能源转型中的开源建模方法、需求侧灵活性以及核能作为替代能源的相关研究成果。“印度东部地区当前电力状况及能源结构概述”一节介绍了该地区目前的电力供应状况、各类可再生能源的潜力以及土地资源情况。在“方法论”部分，则详细阐述了模型的构建过程及所使用的能源建模工具。“结果与讨论”部分描述了适合印度东部地区在不同目标年份的多种脱碳方案，包括相应的技术和财务要求，以及降低碳排放的策略建议，最后是本文的“结论”部分。章节摘录能源转型中的开源建模平台开源能源建模在基于现有资源进行能源规划与决策过程中发挥着重要作用。它通过连接产业界、学术界和研究机构，为政策制定提供有力支持[21]。自上而下和自下而上的建模方法从不同视角展现系统的运行状况。在处理涉及多种技术及资源可用性的优化问题时，自下而上的方法通常更为适用[22]。近年来，这一领域取得了显著进展。印度东部地区当前电力状况及能源结构概述印度东部地区由奥里萨邦、西孟加拉邦、贾坎德邦、比哈尔邦和锡金邦五个邦组成。印度的邦界是由印度政府划定的行政边界。这五个邦拥有印度全国约59%的煤炭储量[48]。图1展示了印度东部地区的分布情况。该地区的电力生产在很大程度上依赖于煤炭发电。由于印度是联邦制国家，各类能源设施的所有权也相应地分散在不同的邦手中。方法论本研究采用了开源建模平台Switch 2.0。通过在该平台上输入相关数据，研究人员构建并分析了多种不同的方案。结果与讨论本节详细分析了印度东部地区逐步减少对煤炭依赖的过程，最终在未来实现全面淘汰煤炭的目标。研究结果表明，即便在完全放弃煤炭发电的情景下，也能够满足该地区的全部电力需求，不会出现电力供应不足的情况。为全面分析在成本最低的规划框架下所能实现的目标，本节共分为五个小节。前两个小节介绍了最优的装机容量配置方案。结论本研究采用的是一种简化模型，未考虑输电和配电网络以及跨区域电力交换问题，将整个东部地区视为一个统一的整体区域。由于本研究仅针对单个地区展开，因此未考虑脱碳场景下的输电网络稳定性问题，也未涉及州际、区域间的输电网络、长时储能设施以及内在因素等内容。作者贡献声明阿里吉特·穆克吉：撰写原始稿件、审阅与编辑、可视化处理、验证工作、软件应用、方法论设计、研究实施、正式分析、数据整理、概念构建。索里什·查特吉：可视化处理、审阅与编辑工作。阿努帕姆·德布萨卡尔：项目监督、资金筹措、项目管理工作。苏迪普塔·德：项目监督、项目管理工作。利益冲突声明作者声明自己不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢作者衷心感谢环境保护基金会在“多国能源转型”项目下为这项研究提供的支持。