2020年5月，Mckinsey&Company發布了《全球電力系統如何脫碳》，分析了電力系統在50%~60%、80%~90%以及100%脫碳率水平下的技術可行性、系統變化、脫碳成本。由于氣候、自然資源和基礎設施的差異，報告分別研究了四種典型的脫碳途徑。

 

電力行業正在經歷全球轉型。過去十年，可再生能源發電成本已大幅下降(太陽能發電成本降低了80%，風能發電成本降低了約40%)，在全球絕大多數地區與傳統燃料(例如煤炭和天然氣)相比已具有競爭力。2018年，可再生能源貢獻了大部分的新增發電容量。在大多數市場上，可再生能源已是增加邊際容量的最便宜的選擇，同時也是所有國家減少溫室氣體排放計劃的重要組成部分。

到2040年，電力系統脫碳率達到50%~60%在技術上并不困難，通常也是最經濟的選擇。從50%~60%到90%通常在技術上是可行的，但有時成本很高。要達到100%的脫碳率，在技術上和經濟上可能都很困難。

大多數市場只需很少甚至不增加額外投資就可以實現50%~60%的脫碳率。太陽能、風能以及儲能是脫碳方案的重要組成部分，其成本已大幅下降且下降速度很快。太陽能的日波動周期適合配置4~8小時的儲能，確保穩定的電力供應。太陽能和風能能夠實現互補，同時擁有這兩種資源的市場能夠更好的管理間歇性。

50%~60%的脫碳率通常不會對電力系統運行產生實質影響。這種情況下，棄電率約為2%~5%，火電利用率(發電時間百分比)維持在50%~60%，廉價可再生能源的接入可能會使一些機組退役，幾乎不需新建輸電線路。總之，電力系統無需太多改變，即可達到50%~60%的脫碳率。

80%~90%的脫碳率會增加系統成本和復雜度。雖然不需要新技術，但儲能使用時間更長，需求側管理更嚴格(主動管理建筑物供暖、制冷，轉移工業負荷)。一些市場可能需要新建輸電線路，匯集可再生能源，將基荷在更大地理范圍內分攤。

80%~90%脫碳率的系統與之前已明顯不同。棄電率增至7%~10%，火電利用率降至20%~35%，許多電廠作為可再生能源發電的備用。此時，脫碳成本在不同市場間差異很大，若發電成本高于市場平均成本，其系統總成本可能略有下降(每年1%~2%);若發電成本低于市場平均成本，其系統總成本可能會上漲。

100%的脫碳率會使系統更加復雜，成本因市場而異。火電利用率進一步降至4%~6%。從根本上說，由于可再生能源的間歇性，系統完全脫碳需要填補更長的時間間隔，這在技術上是可行的，但其成本可能比最低成本的方案高出25%。一些新技術可能會幫助縮小這些間隔，以構建100%脫碳率的系統，包括生物質燃料，碳捕集、利用和封存(CCUS)，生物質能結合碳捕集與封存技術(BECCS)，電轉氣轉電(P2G2P)，直接空氣捕集(DAC)等。

由于氣候、自然資源和基礎設施的差異，不同的市場需要采取不同的途徑對其電力系統進行脫碳。

01 孤島市場

孤島市場通常需要進口發電燃料，缺乏電力互聯，發電成本較高。但很多孤島市場太陽能資源豐富(例如夏威夷)，太陽能發電成本的下降和高昂的進口化石燃料價格，使其不需要額外激勵就可以自然脫碳。若采用成本最低的電源組合，預計其脫碳率可達到82%。

90%脫碳率。綜合利用太陽能、風能和儲能技術，脫碳率可達到90%。但間歇性將導致棄電率達到10%。考慮到可再生能源發電成本的下降，90%的脫碳率路徑到2040年的發電成本會大幅下降。

90%~100%脫碳率。最佳解決方案是P2G2P，盡管邊際成本很高，但使用頻率不高，在提供可調度發電資源方面仍然具有成本效益。利用多余的太陽能或風能生產清潔燃料，棄電率可降至6%，火電利用率降至4%。到2040年，將脫碳率從90%提高到100%會使系統總成本增加3%~5%。

02 重火電成熟市場

這類市場通常擁有大量人口，良好的電力互聯互通以及大量的化石燃料，電源系統可靠，負荷量大，例如德國電力市場和美國PJM互聯市場。

90%脫碳率。增加風電裝機容量，并輔以大量儲能，可實現90%的脫碳率。棄電率可低至1%，火電利用率可降至20%~25%。但由于這類市場擁有大量火電基礎設施，利用率的下降將導致其承受四類市場中最高昂的脫碳成本。

90%~100%脫碳率。需要投資CCUS以實現100%的脫碳率，尤其是對于物理空間不足以支持足夠可再生能源的場景。熱電廠的利用率將穩定在約48%，棄電率可忽略不計。但是，CCUS工廠建造成本高昂，到2040年，將脫碳率從90%提高到100%可能會使系統總成本增加12%到16%。

03 清潔基荷市場

這類市場已經擁有大量零碳基荷，例如擁有大量核電的法國，擁有水電資源的巴西和北歐地區。這類市場具有可調度的清潔能源基礎和結構優勢，能夠以很少的成本實現大量脫碳。

90%脫碳率。棄電率僅為1%，火電利用率僅為12%。到2040年，可再生能源替代一些現有火電容量，系統成本增加不到1%。

90%~100%脫碳率。可采用負排放技術，用以抵消負荷高峰時少量的天然氣發電。DAC可能是成本最低的選擇，棄電率將保持在1%左右，火電利用率將降至3%。到2040年，將脫碳率從90%提高到100%將使系統總成本增加10%到12%。

04 大型多元化市場

這類市場覆蓋區域廣闊，并且具有可再生能源潛力，通常是風能、太陽能或沿河運行的水力發電，例如加利福尼亞、墨西哥和澳大利亞東部部分地區。另外，這類市場通常沒有足夠的基荷功率。

90%脫碳率。關鍵技術可能是太陽能加儲能，并輔以天然氣來幫助管理間歇性。火電利用率將下降到13%，棄電率將是14%。隨著太陽能和儲能成本的持續下降，到2040年，許多市場都將實現90%的脫碳率，而系統總成本也將下降。

90%~100%脫碳率。P2G2P技術可能是替代化石燃料的最佳選擇。火電利用率將下降至6%，棄電率將增加到16%。到2040年，將脫碳率從90%提高到100%將使系統總成本增加10%到12%。