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风电价格优势分析及与其他能源价格比较

日期:2021-04-13    来源:Windpower Monthly

国际风力发电网

2021
04/13
09:26
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关键词: 风力发电价格 风电价格优势 风电成本

随着政府致力于推广无碳发电,风电已开始作为领先的成熟技术进入新的十年。目前,风电被公认为是最具成本效益的发电方式之一,但它正面临来自太阳能光伏的日益激烈的竞争。

风力发电正面临来自太阳能光伏发电的日益激烈的竞争

尽管新冠疫情给全球带来了巨大冲击,但随着各国政府提高承诺以促进能源过渡,并将无碳发电放在首位,风能进入了21世纪的第三个十年。

现在,风能被公认为是最具成本效益的发电方式之一。尽管在一些地区,燃气发电可能看起来更便宜,但征收碳税很可能使风能更受青睐。

然而,风能正面临来自太阳能光伏(PV)的日益激烈的竞争。一些权威人士认为,光伏发电可能会便宜一些,但大多数人表示,一般来说风电的成本略低。

未来,二者顺序可能会发生变化,但大多数能源转型研究都表明,这两种技术都将发挥重要作用。

巨变

最近,以数据看世界(Our World in Data)发表的一篇论文表明,发电成本在过去十年发生了惊人的巨变。其中引用的数据主要来自Lazard的《平准化能源成本分析》,清楚说明了可再生能源、化石燃料和核能的情况。

下图(图1)最显著的特征是太阳能光伏发电的价格急剧下降,从2009年的359美元/MWh跌至2019年的40美元/MWh。一般认为,光伏平均价格可能会稳定在略低于风能的水平。但是,在特定资源最强的情况下,两者中的任何一个都可能更便宜。

图1  2009-2019年,化石燃料、太阳能、风能和核能的能源成本估算

风速影响

必须强调的是,对于任何技术而言,成本分摊都很难确定平均值。如果是风,最好的地点往往是在丘陵地区,但由于偏僻会增加安装成本。另一方面,开发人员渴望充分利用这些站点,并在可能的情况下安装大型项目,以实现规模经济。

下图(图2)显示了陆上风电安装成本和风速之间的联系。最高成本(2,500美元/kW以上)位于风速低于6.5m/s的地点,这可能意味着这些地区项目的规模较小。风速约为8.5m/s的站点安装成本最低,仅为1,500美元/kW以下。

图2  安装成本与风速

在较高的风速下,成本可能再次攀升,这可能是由于偏远地区难以到达以及需要安装专为较高风速设计的风力涡轮机所致。

在国际上,安装成本的最大变化是由于风电场的位置。国际可再生能源机构(Irena)的最新数据显示,印度的陆上风电项目安装成本最低(1,055美元/kW)。在除印度和中国之外的亚洲地区,陆上风电的安装成本最高(2,368美元/kW),其价格差异特别大。

更低的资本成本

该分析用于推算发电成本的陆上风电资本成本自去年以来已略有下降,最高价格为1,550美元/kW,均值为1,300美元/千瓦,最低价格为1,050美元/kW。

尽管这些资本(或安装)成本仅比去年略低,但由于全球范围内普遍存在低利率,以及投资者对风能技术的信心增强,仍然导致能源成本显著下降。

美国Lawrence Berkeley国家实验室最新一期《风能技术市场报告》显示,债务利率降至1.5%左右(所有利率均为“实际利率”,即扣除通货膨胀率),股票收益率降至略高于6%以上。因此,美国能源部的年度技术数据库使用了2.4%的加权平均资本成本。

由于发展海上风电的国家较少,且市场发展迅速,量化代表性成本更加困难。在此情况下,最低成本预计为3,000美元/kW——接近中国所报告的数字;均值预计为3,800美元/kW——略低于欧洲平均水平;最高成本预计为4,600美元/kW——与美国平均水平相当。

对于陆上风能,资本成本的均值预计为1300美元/kW,风速为7.5m/s,成本估算为48美元/MWh。如果安装成本较低,在相同风速下,这将降至39美元/MWh。年平均风速为9m/s的海上风能,发电成本均值预计为114美元/MWh,而如果资本成本较低(3,000美元/kW),则为86美元/MWh。在最近的拍卖中,由于把安装成本的预测因素考虑在内(例如2023-2024年),因而出现了较低的价格。

图3  与其他可再生能源和化石燃料的发电成本比较

与其他可再生能源的竞争

目前,风力发电的主要竞争对手是太阳能光伏发电。一些分析表明风能的成本均值更低,另一些分析则认为光伏发电更低。实际上,这取决于所处地区的不同。

由于光伏成本呈强劲的下降趋势,因此平均价格可能会低于风能价格。太阳能光伏发电的主要优势是没有活动部件,劣势则是性能会随时间流逝而下降,并且需要大面积的土地(或海洋)。

聚光太阳能发电取得了稳步进展,但与风能和光伏发电相比,项目数量要少得多,全球总容量约为6.3GW。Irena建议,能源的总容量加权成本为182美元/MWh,最低报告值约为110美元/MWh。该技术的一个主要优点是,它通常与工作流体的存储设备相连,从而使发电过程更加顺畅,并提高了其在电网中的价值。

由于水力资源和地热资源都受地理位置限制,目前发展有限。正在建设的大型水电设施很少,而大多数则属于径流式。但是,当找到合适的站点——意大利、挪威、美国、巴西和印度都有新发展——发电成本可以低至20美元/MWh。这一数字是基于3%的资本成本得出的,随着技术发展,其假设值会更低。

仅当可以在地表附近开采热水或蒸汽时,地热发电才具有吸引力。意大利正在开发四个总发电量为70MW的项目,预计最低发电成本为41美元/MWh。

生物能源涵盖固体和液体燃料的一系列选择。2019年,世界生物能源发电量为523TWh,略低于太阳能光伏发电量,占总发电量的4.5%。

燃料来源有时是免费的,甚至可能是负成本,这往往会抵消很多小规模电厂的低热效率。在利率7%的情况下,发电成本约为54美元/MWh以上。

与化石燃料和核能的竞争

疫情导致化石燃料价格下降。美国天然气价格曾平均在8美元/MWh左右,在跌至略高于5美元/MWh时又有所回升。

2020年11月,Henry Hub天然气现货价格平均约为9美元/MWh。美国能源信息署预计,到2021年1月,月平均价将达到约10.5美元/MWh。

相应地,发电成本约为35美元/MWh,接近风能和光伏发电的平均成本,但其中不包括碳成本补贴。国际能源机构(IEA)提出的基准价格为每吨二氧化碳20美元,这将使天然气价格增加10美元/MWh。

除印度和中国等少数例外,大多国家对新燃煤发电的兴趣不大。尽管其燃料成本略低于天然气成本,但燃煤设施效率较低,总发电成本中的燃料部分基本相同。然而,电厂成本和发电成本都高得多,其范围从韩国的52美元/MWh左右到105美元/MWh左右(不包括碳成本)。

尽管缺乏关于核电站发电成本的信息,但目前它比风能或太阳能的成本高得多。

一个可靠的估计来自英国政府就萨默塞特郡欣克利角在建电厂的电价谈判。2012年的价格为92.5英镑/MWh,相当于2020年的130美元/MWh。目前正在建造两个类似的反应堆,一个在芬兰,另一个在法国。两者进度都有所滞后,并超出预算。

《2020年世界核工业报告》援引法国一家审计院的分析认为,诺曼底Flamanville-3核电站最终将以与英国核电站相同的价格发电。根据2020年12月IEA发布的《发电成本预测》,韩国、俄罗斯、中国和印度的价格较低,约为66美元/MWh(按7%利率计算)。

处理可变性

电力系统中,可变可再生能源的比例上升,管理电力系统的额外成本也随之增加。与这些系统成本相关的问题已多次讨论,并且估算范围非常广泛。

随着能源转型的推进,如今许多地方设想的可再生能源普及率很高,这些额外成本预计在12美元/MWh以上。目前风能比生物质燃料或化石燃料便宜,因此,在不损害风能竞争地位的情况下,有足够空间来容纳这些可变性成本。

生物能源可以为风能与太阳能占很大比例的电力系统提供所需的备用能源。水力和地热可以提供另一种方案,但如前所述,这些方案的范围是有限的。

小型分布式风电

根据美国太平洋西北国家实验室(US Pacific Northwest National Laboratory)定义,小型风电是指额定功率为100kW及以下的涡轮机,而分布式风电是指离网安装,通常使用亚兆瓦级电机。截至2019年底,美国此类项目发电量约为1,145MW。

尽管此类别中有一些公用事业场地,但大多数是为住宅或商业业主提供的,用于农场或工业用途。

这些风电项目的成本往往明显高于大型公用事业项目,并且随着规模的减小而急剧上升。相比之下,光伏项目的成本随着规模的减小增长相当缓慢。

由于小型风电项目的风速往往低于大型项目,因此其容量系数也较低,能源成本随规模减小而急剧上升,当涡轮机功率低于100kW时,能源成本将达到400美元/MWh。

太阳能光伏的规模经济优势不太明显,因此容量系数仅会适度降低,这是由于从直流电到交流电的转换效率可能较低。

对于500kW以下的项目,分布式风电成本高于100美元/MWh,但小型光伏发电的能源成本通常较低。

近年来,至少在美国,人们对小型风电的兴趣一直在下降。然而,在日照度较低且没有电网供应的偏远地区,可能会有利基市场。


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