可再生能源发电成本:06水电

06    水电

《2021年可再生能源发电成本(06水电)》- 投稿作者:工程技术交流平台 - 发布于:翻身猫建筑自学网

重点

  • 2021年新投产水电项目的全球加权平均LCOE为0.048美元/千瓦时,比2020年的0.046美元/千瓦时高出4%,比2010年投产项目高出23%(图6.1)。

  • 由于新投产的化石燃料发电能力的成本在0.054美元/千瓦时到0.167美元/千瓦时之间,2021年投产的水电项目的LCOE在或低于这个范围内。此外,2021年投产的85%的水电容量的LCOE值低于最便宜的新型化石燃料成本选择。

  • 自2010年以来,LCOE的增长是由安装成本的上升推动的,特别是在亚洲,这是由与早期项目相比,开发条件更昂贵的项目数量的增加推动的。这可能是由于在场地条件更具挑战性的地点的项目增加。

  • 2021年,全球新投产水电项目的加权平均总安装成本增加到2 135美元/kW,高于2020年的1939美元/kW。尽管2021年至15 GW在中国的部署份额高于2020年的12 GW——但2021年的全球加权平均总安装成本是自2010年以来的最高记录价值。尽管中国的部署水平有所增加,但其安装成本普遍低于平均水平;2021年,中国安装了150亿瓦(GW),而2020年为12 GW。然而,这一水平不足以弥补在平均装机成本高于中国的国家或地区的装机容量部署的更高份额。例如,在加拿大,2021年增加了1.3 GW,马尼托巴省有一个相对偏远的大型项目上线,而2021年在欧亚大陆和其他亚洲的部署比例也高于2020年——所有地点的安装成本都高于平均水平。

  • 2010年至2021年,委托水电项目的全球加权平均容量因子在2010年的44%到2015年的51%之间变化。对于2021年委托运营的项目,这一比例为45%。

 

图6.1    2010-2021年全球水电加权平均总装机成本、容量系数和LCOE

 

《2021年可再生能源发电成本(06水电)》- 投稿作者:工程技术交流平台 - 发布于:翻身猫建筑自学网

资料来源:IRENA可再生能源成本数据库。

水电既成熟又可靠,也是应用最广泛的可再生能源发电技术,尽管其在全球可再生能源产能中的份额一直在缓慢下降。事实上,水力发电的市场份额从2010年的72%(881GW)下降到了2021年的40%。然而,到当年年底,全球水电装机容量(不包括抽水水电)已上升至1 230万千瓦。

水电提供了一个低成本的电力来源,如果工厂包括水库存储,也提供了一个灵活性的来源。这使得工厂能够提供灵活性服务,如频率响应、黑启动能力和旋转储备。这反过来又通过增加资产所有者的收入流来提高工厂的可行性,同时能够更好地整合可变的可再生能源,以实现脱碳目标。除了水电可以提供的电网灵活性服务外,它还可以根据水库的大小储存数周、数月、季节甚至几年的能源。

此外,水电项目还结合了能源和供水服务。这些措施包括灌溉计划、市政供水、干旱管理、航海和娱乐以及防洪——所有这些都提供了当地的社会经济效益。事实上,在某些情况下,水电能力的发展是由于现有的需要,将水电纳入设计。

虽然这些额外服务增加了水电项目的可行性,但本报告中进行的LCOE分析并没有计算发电以外的任何服务的价值,这些服务不是现场和电力市场的。

总安装成本

受项目位置的影响,水电项目的建设因规模和性质而异。还有一些关键的技术特征,它们决定了所用的汽轮机的类型和尺寸。

这些关键参数包括,“水头”(由位置和设计决定的涡轮机水滴);水库大小;最小下游流量;以及季节性流入。

此外,水电站还可分为三类:

  • 水库或蓄水水电,提供了水流入的解耦,水储存作为缓冲,大坝可以用来储存或调节水流入,将发电时间与流入解耦。

  • 河流水电,其中水电流入主要决定发电产量,因为很少或没有存储可以为流入的时间和大小提供缓冲。

  • 抽水蓄能水电,其中有上下蓄能水库,在低需求时(主要在非高峰时期)从下水库向上水库抽水,在高电力需求时释放。抽水水电主要用于峰值发电、电网稳定和辅助服务。它还可以用来整合更多变的可再生能源,通过储存大量的不需要的可再生能源。

 

水电是一项资本密集型技术,通常需要较长的交货期,对于大容量项目尤其如此。前置时间包括开发、许可、现场开发、建设和调试。水电项目是大型、复杂的土木工程项目和广泛的现场调查、收集流入数据(如果还没有)、环境评估和允许所有项目都需要时间。这些通常必须在进入和准备之前完成。

水电项目有两个主要的成本组成部分:

  • 水电电厂建设的土建工程,包括进入现场所需的任何基础设施开发、并网、与减轻确定的环境问题有关的任何工程以及项目开发成本。

  • 与机电设备相关的采购费用。

 

土建工程(包括大坝、隧道、运河和厂房建设)通常在大型水电站的总安装成本中占最大比例(表6.1)。此后,安装厂房的成本(在特定情况下,包括轴和机电设备)是第二大的资本支出,约占总成本的30%。

这些类型的水电项目的长提前期(7-9年或以上)意味着,由于建设期间需要营运资金和利息,业主成本(包括项目开发成本)也可能是总成本的很大一部分。

可显著增加总成本的其他项目包括预可行性和可行性研究、与当地利益攸关方和决策者的协商、环境和社会经济缓解措施以及土地征用。

然而,在某些情况下,成本份额可能差别很大。如果一个项目正在为现有的水电大坝或河流方案增加容量,或者正在为没有考虑发电而开发的现有大坝增加水电,这一点尤其正确。

2010年至2021年投产的大多数水电项目的总安装成本从600美元/千瓦到4 500美元/千瓦不等(图6.2)。然而,在这个范围之外的项目并不罕见。例如,为其他目的建造的现有大坝增加水力发电能力的成本可能低至450美元/kW,而基础设施差且远离现有输电网络的偏远地区,由于后勤、土木工程和电网连接成本较高,成本可能大大超过4 500美元/kW。

在2010年至2021年期间,新建水电的全球加权平均总安装成本从1 315美元/kW上升到2 135美元/kW。在2010年至2014年稳步上升后,与2020年之间的同比波动幅度在1 500美元/kW和1 940美元/kW的范围内。2021年代表了一个新的、更高的成本水平,增长不仅是因为不同地区的部署份额,而且是因为项目特定成本的上升趋势。

表6.1    2010年中国、印度和斯里兰卡、2010-2016年和2021年欧洲25个水电项目按组件和容量加权平均值划分的总安装成本。

《2021年可再生能源发电成本(06水电)》- 投稿作者:工程技术交流平台 - 发布于:翻身猫建筑自学网

资料来源:IRENA可再生能源成本数据库和国际水电协会(IHA)。

图6.2    2010-2021年按项目划分的总安装成本和水电全球加权平均值

《2021年可再生能源发电成本(06水电)》- 投稿作者:工程技术交流平台 - 发布于:翻身猫建筑自学网

资料来源:IRENA可再生能源成本数据库。

亚洲、欧洲、北美和南美项目的安装成本上升,推动了这一增长。数据似乎表明,在这背后是,这些地区的许多国家现在正在不太理想的地点开发水电项目。这些项目可能位于离现有基础设施或传输网络更远的地方,从而提高物流成本,并提高电网连接成本。它们也可能是在地质条件更具挑战性的地方,需要更广泛和昂贵的工作来建设大坝本身。总的来说,这导致了更高的安装成本。

观察大型水电(容量大于10兆瓦)和小型水电(10兆瓦或以下)的全球加权平均总安装成本趋势表明,小型水电的平均安装成本增长的速度快于大型水电项目(图6.3)。然而,鉴于爱尔兰那小型水电项目可再生能源成本数据库2016-2018年的数据明显较薄,这一趋势仍有待证实。

查看大型水电站(容量大于10兆瓦)和小型水电站(10兆瓦或以下)的全球加权平均总装机成本趋势表明,小型水电站的平均装机成本增长速度快于大型水电站项目(图6.3)。然而,鉴于IRENA可再生能源成本数据库中关于小型水电项目的数据在2016年至2018年明显减少,这一趋势仍有待确认。

2000年可再生成本数据库中2020年水电项目的完整数据集(表6.2)并不表明规模在450兆瓦以下的水电项目具有强大的规模经济。然而,项目的数量并不是均匀分布的,而且可能会支持不同的假设。700兆瓦以上的项目有明显的规模经济,但这些仅占2000年至2021年调试期间水电数据容量的6%左右。

图6.4显示了IRENA可再生能源成本数据库中小型和大型水电项目按容量划分的总装机成本分布。由于全球加权平均值在这两个时期都有所上升,因此可以从大型水电数据中看出原因。

图6.3    2010-2021年大小水电项目的总安装成本和全球加权平均值

《2021年可再生能源发电成本(06水电)》- 投稿作者:工程技术交流平台 - 发布于:翻身猫建筑自学网

资料来源:IRENA可再生能源成本数据库。

表6.2    2000-2021年按加权平均和容量范围计算的水电总装机成本

《2021年可再生能源发电成本(06水电)》- 投稿作者:工程技术交流平台 - 发布于:翻身猫建筑自学网

资料来源:IRENA可再生能源成本数据库。

图6.4    2010-2015年、2016-2021年大、小水电项目总装机成本分容量分布图

《2021年可再生能源发电成本(06水电)》- 投稿作者:工程技术交流平台 - 发布于:翻身猫建筑自学网

资料来源:IRENA可再生能源成本数据库。

与2010年至2015年相比,2016年至2021年的数据显示,新委托项目的份额从600美元/kW下降至1 200美元/kW,项目的产能增加。小型水电项目分配的变化更加明显,但也伴随着项目分配倾斜的减少,尽管与2010年至2016年期间相比,更昂贵的项目的后期也出现了增长。

在2016年至2021年期间,大型水电(超过10兆瓦)的总安装成本在大洋洲和北美地区最高。在这两个地区,加权平均安装成本分别为4 128美元/kW和3 588美元/kW。其次,成本最高的是中美洲和加勒比地区,其加权平均值为3 576美元/千瓦。

大型水电的安装成本最低的是印度和巴西(图6.5)。在那里,印度的加权平均安装成本为1 432美元/千瓦,而在巴西为1 521美元/千瓦。在中国,成本是1 596美元/千瓦,而在其他亚洲地区,成本是1 755美元/千瓦。在中东,成本为1 787美元/千瓦,而在欧洲则为2 050美元/千瓦。在欧亚大陆、其他南美洲和非洲,加权平均安装成本分别为2 203美元/kW、2 233美元/kW和2 535美元/kW。不出所料,成本较高的地区的部署率往往较低。

由于水电项目的具体开发成本,水电安装成本范围往往很大。

部分原因是由于开发、土木工程、物流和电网连接成本的变化。一些变化也可能是由在不同项目中集成的非能源需求引起的。例如,这些服务可以包括提供其他服务的义务,如饮用水、防洪、灌溉和导航。这些服务包括在水电项目的成本中,但通常没有报酬。因此,值得注意的是,这些好处并不包括在本章的LCOE计算中。

比较大型和小型水电站的安装成本,发现小型水电站的安装成本一般比大型水电站高20%至80%。中美洲、加勒比和大洋洲地区除外,由于这些地区开发的大型项目相对较少,大型水电站的安装成本相对较高(图6.6)。

2016年至2021年期间,印度小型水电项目的总安装成本为1 864美元/千瓦,略高于2010年至2015年期间。2016年至2021年期间,巴西小型水电的总安装成本平均为2 213美元/千瓦,比2010年至2015年期间低了7%。2010年至2015年,中国小型水电的加权平均安装成本为1 214美元/kW,2016年至2021年的数据有限,不具有代表性。

在中美洲、加勒比地区、大洋洲和其他南美洲地区,2016-2021年期间委托实施的小型水电项目的数据很少。因此,研究结果仅显示了2010年至2015年期间的总安装成本。

2010年至2015年期间,大洋洲小型水电的加权平均安装成本为3 485美元/kW,而中美洲和加勒比地区的加权平均安装成本为3 032美元/kW,其他南美洲为2 912美元/kW。

图6.5    2010-2021年按国家/地区划分的大型水电项目的项目总安装成本和容量加权平均值

《2021年可再生能源发电成本(06水电)》- 投稿作者:工程技术交流平台 - 发布于:翻身猫建筑自学网

资料来源:IRENA可再生能源成本数据库。

图6.6    2010-2021年按国家/地区划分的小型水电项目的项目总安装成本和容量加权平均值

《2021年可再生能源发电成本(06水电)》- 投稿作者:工程技术交流平台 - 发布于:翻身猫建筑自学网

资料来源:IRENA可再生能源成本数据库。

容量因子

2010年至2021年,新规模水电项目全球加权平均产能因子从44%上升到45%。然而,这一期间的平均增长为47%,第5和第95百分位数的项目在23%至80%之间。考虑到每个水电项目具有非常不同的场地特征,这是可以预期的,而低容量因素有时是一种设计选择,涡轮机大小帮助满足峰值需求,并提供其他辅助电网服务和非能源服务,如防洪,水位可能故意保持在一年的某些时间的低水平。

2010年至2021年期间,委托使用的项目的平均产能系数为48%,小型水电项目为50%,大多数项目在25%至80%之间(表6.3和6.4)。欧洲是一个明显的例外,它有一系列项目的产能系数低于20%。

2010年至2021年,大型水电项目第5百分位的全球年加权平均产能因子从2017年的23%到2021年的36%。在第95百分位的人群中,这一数字从2010年的61%到2015年的80%不等。2021年的这个数字是64%。

同期,新委托的小型水电项目的全球加权平均产能因子从2010年的48%上升到2021年的57%。排除2017年和2018年缺乏数据的年份,2010年至2021年,全球小型水电项目第五百分位的年度加权平均产能因子从2012年的29%到2016年的39%不等。对于第95百分位数,这些能力因子从2011年的69%到2016年的81%不等。

在IRENA数据库中,加权平均容量因子往往存在显著的区域差异。表6.3和表6.4为按国家和地区划分的大型和小型水电项目的水电项目容量系数和容量加权平均值。

2010年至2015年,新委托的大型水电项目的平均产能系数在巴西和南美最高,分别为61%和62%,而2015年至2021年,南美的平均产能系数最高,为60%,其次是非洲的54%。与此同时,2010年至2015年,北美新委托的大型水电项目的平均产能系数最低,为37%,而2016年至2021年,欧洲的平均产能系数最低,为35%。

小型水电项目(小于10 MW)在国家层面的加权平均变化范围较小(表6.4)。在2010年至2015年和2016年至2021年期间,中国的国家层面的平均低点分别为46%和38%。同样,2010年至2015年期间,新委托的小型水电项目的加权平均容量因子在其他南美和巴西地区最高,分别为65%和63%。

在2015年至2021年期间,由于在南美其他地区的数据库中新委托的小型水电项目数量有限,该地区的加权平均容量因子被认为不具有代表性。欧亚大陆的加权平均产能因子最高,为58%,其次是其他亚洲,为56%,而非洲和巴西的加权平均产能因子分别下降至55%和54%。

表6.3    2010-2021年按国家/地区划分的大型水电项目容量系数和容量加权平均值

《2021年可再生能源发电成本(06水电)》- 投稿作者:工程技术交流平台 - 发布于:翻身猫建筑自学网

资料来源:IRENA可再生能源成本数据库。

表6.4    2010-2021年按国家/地区划分的小型水电项目容量系数和容量加权平均值

《2021年可再生能源发电成本(06水电)》- 投稿作者:工程技术交流平台 - 发布于:翻身猫建筑自学网

资料来源:IRENA可再生能源成本数据库。

运维费用

年度运营和维护(O&M)成本通常以每年每千瓦投资成本的百分比报价,典型值从1%到4%不等。

IRENA之前收集了25个项目(Irena,2018年)的运维数据,发现每年平均运维成本在总安装成本的1%到3%之间,平均略低于2%。

较大的项目的运维成本低于2%的平均水平,而较小的项目则接近最大水平,或高于平。

表6.5显示了样本中各项运维项目的成本分布。可以看出,运营和工资在运维预算中占最大比例。维护费用占总运维成本的20%到61%不等,而工资从13%到74%不等。材料估计约占4%(表6.5)。

国际能源机构(IEA)假设大型水电项目的运营成本为2.2%,小型项目的运营成本为2.2%至3%,全球平均水平约为2.5%(国际能源机构,2010年)。这将使大型水电站的运维成本范围类似,以总安装成本的百分比表示,尽管没有太阳能光伏(PV)的运维成本低。当沿河安装一系列工厂时,集中控制、远程管理和专门的运营团队来管理车站链也可以将运维成本降低到更低的水平。

然而,其他消息来源则引用较低或较高的值。例如,对于2020年投产的常规500 MW水电站,能源信息局(EIA)假设总安装成本的0.06%作为固定的年度运行维护成本,以及0.003美元/kWh作为可变运行维护成本(EIA,2017a)。

其他研究(EREC/绿色和平组织,2010年)表明,固定的运营和维护成本占总资本成本的4%。这个数字可能代表小规模水电,大型水电站的运维成本显著降低。运维成本平均值为2%至2.5%被认为是大型项目的标准(IPCC,2011),相当于IRENA可再生成本数据库的平均成本为20美元/kw/年至60美元/千瓦/年。

运维费用通常包括机械和电气设备的定期翻新津贴,如汽轮机检修、发电机再绕组和通信和控制系统的再投资。然而,它们通常不包括机电设备的重大翻新,或翻新压力管道、尾水渠等。更换这些设备很少见,机电设备的设计寿命为30年或以上,而压力管道和尾水渠的设计寿命为50年或以上。这意味着在这些投资需要进行时,原始投资已经完全摊销,因此它们不包括在本文介绍的LCOE分析中。然而,在水电项目全部摊销之前,它们可能是一个经济机会,以提高发电量。

表6.5    25个项目的水电项目运维成本

《2021年可再生能源发电成本(06水电)》- 投稿作者:工程技术交流平台 - 发布于:翻身猫建筑自学网

资料来源:IRENA可再生能源成本数据库。

电的水平化成本

水电在历史上一直为世界上许多国家提供低成本电力的支柱。从挪威到加拿大,从新西兰到中国,从巴拉圭到巴西和安哥拉——仅举几个例子。然而,投资成本高度依赖于地点和场地条件,这也解释了工厂安装成本的广泛范围,以及项目之间LCOE的大部分差异。同样重要的是,水电项目的设计可以彼此之间非常不同,这使简单的LCOE评估变得复杂。

例如,一个安装电容量较低的工厂可以连续运行,以确保高平均容量系数,但代价是能够提高产量以满足峰值需求负荷。另外,将设计一个具有高装机容量和低容量系数的工厂,以帮助满足高峰需求,并提供旋转储备和其他辅助电网服务。后一种战略将涉及更高的安装成本和更低的容量因素,但在电力系统需要这些服务时,水电往往是满足这些需求的最便宜和最有效的解决方案。

在每种情况下所采取的战略将取决于场地流入的特点和当地市场的需要。这是在考虑到具有大量水库储存的水电系统的增值之前,这可以提供非常低的成本和长期的电力储存,以帮助促进可变可再生能源份额的增长。

2021年,全球水电加权平均发电成本为0.048美元/千瓦时,较2010年的0.039美元/千瓦时增长了24%。2010年至2015年投产的水电项目的全球加权平均电价平均为0.041美元/千瓦时。在2016年至2021年,投产的项目,平均为0.054美元/千瓦时。

然而,尽管随着时间的推移,2021年投产的98%的水电项目的LCOE都在或低于新投产的化石燃料发电成本范围内。此外,2021年投产的85%的水电容量的LCOE值低于最便宜的新型化石燃料成本选择。这是在考虑到成本超过最低化石燃料成本的项目中,很大一部分可能部署在偏远地区。在这些地区,水电仍然是最便宜的新电力来源,因为它广泛使用小型水电,特别是在偏远地区提供低成本电力和全面电气化方面。

IRENA可再生能源成本数据库中大小水电项目的加权平均国家/地区LCOE反映了现场特定和国家特定项目装机成本和容量因素的变化。2021,按国家划分的项目数字从印度100兆瓦项目的低值0.021美元/千瓦时到印尼2兆瓦偏远项目的高值0.25美元/千瓦小时不等。

图6.7和图6.8显示了大小水电项目的lcoe和按国家/地区划分的容量加权平均值。对于大型水电项目,一些国家/地区在2010年至2015年至2021年期间,一些国家/地区的加权平均LCOE有所增长。

欧洲、印度和北美是例外,它们的加权平均LCOE下降,而中国在2010年至2015年至2016-2021年期间的加权平均LCOE增长了31%。在2010年至2015年至2016年至2021年期间,大部分国家和地区的小型水电项目的加权平均LCOE均有所增长。然而,在其他亚洲有不同的趋势,加权平均LCOE增加。

图6.7    2010-2021年大型水电项目LCOE和国家/地区容量加权平均值

《2021年可再生能源发电成本(06水电)》- 投稿作者:工程技术交流平台 - 发布于:翻身猫建筑自学网

资料来源:IRENA可再生能源成本数据库。

图6.8    2010-2021年国家/地区小型水电项目LCOE和容量加权平均值

《2021年可再生能源发电成本(06水电)》- 投稿作者:工程技术交流平台 - 发布于:翻身猫建筑自学网

 

 

 


本文来自公众号「工程技术交流平台」,不代表本站立场。
文章版权归作者工程技术交流平台所有,如需转载请先经得作者确认授权(可通过本站私信文章作者)。文中图片出处为水印文字,由文章作者整理上传,若有侵权请告知翻身猫处理。

0
分享海报
显示验证码