大规模波动性可再生能源部署和再电气化使得能源供需两端波动性日益增加，能源系统灵活性挑战愈加紧迫。以往的综合评估模型和能源系统模型大多依赖较粗糙的时间切片，难以准确捕捉日内负荷爬坡、极端负荷高峰以及需求侧灵活性带来的协同效应。因此，提高综合评估模型的时间分辨率，将长期战略规划与短期运行动态相结合，是评估深度脱碳可行性的重要发展方向。
鉴于此，清华大学能源环境经济研究所陈文颖教授课题组，提出了嵌套小时级系统运行约束的能源环境经济模型China TIMES 2.0，内生构建了未来逐小时用能曲线，能够模拟亚年度级电力供需平衡动态，对中国碳中和路径下的供需双侧灵活性需求进行了量化。研究评估了模型时间分辨率对转型路径和成本的影响，指出了需求侧响应在降低储能投资与平抑电价中的经济价值。4月11日，相关论文以《考虑能源系统灵活性的中国净零转型可行路径》(Exploring the feasible net-zero transition pathway in China considering energy system flexibility)为题，刊发于Nature Communications。
为了在长期战略规划与短期系统运行动态之间取得平衡，模型采用了高分辨率的时间嵌套架构，构建了“年-季-周-日-小时”嵌套的56个代表性时间切片，对四个季节、工作日与周末、全天四个典型时段(晨、昼、夕、夜)以及典型夏季工作日逐小时的能源供需动态进行刻画。
研究创新性地实现了基于微观行为的负荷曲线内生生成，通过将微观用能行为与宏观经济驱动的服务需求相耦合，不仅预测了电力总需求，更预测了负荷曲线的形状变化。研究人员系统考虑了数百种能源供应技术和千余种能源需求技术的调节性能，引入了爬坡、启停及最小出力等运行约束，针对能源供应、输配和使用全环节的灵活性提升措施进行了集成建模，精准量化了电源、储能、柔性负荷、需求侧响应措施的物理调节潜力与经济价值。
图1.China TIMES 2.0模型框架示意图(模型涵盖了从资源开采到能源终端使用的全链条，通过内生优化小时级需求曲线、可再生能源出力特征、电源调节性能以及多种灵活性提升选项，实现多时间尺度的电力供需平衡)。
研究结果表明，提升时间分辨率到小时级，模型揭示出更高的减排成本和更严格的运行约束。火电作为灵活性电源的需求被量化，车网互联(V2G)、工业负荷时移和绿氢生产等需求侧响应机制在削减峰值负荷和替代储能投资方面发挥了重要作用。具体结论如下：
当模型细化到小时级时，高比例风光并网的物理约束显著收紧。与年度情景相比，边际减排成本上升了9%以上，终端能源需求下降约3%。若不引入需求侧灵活性措施，为满足系统平衡，光伏并网发电量将比年度模型降低12%。
图2.亚年度级建模对能源系统转型的影响(评估了在不同时间颗粒度和系统灵活性情景下，减排策略、能源需求、电力供应及可调度资源和系统成本的差异，数字代表相对于无亚年度级建模情景的百分比变化)。
在碳中和目标下，未来能源系统对可调度资源的需求急剧上升，传统电源角色将会重塑，火电、核电与水电需要逐步由“主体电源”向“灵活性电源”转变，抽水蓄能的装机较以往模型预测增长43%~135%，未来电力负荷的峰谷将发生结构性转移。通过引导有序用电与绿氢生产，能够降低整体用能成本，并且提供日内及跨季节的系统平衡能力。
图3. 2060年电力供需的季节与日内波动。(a)夏季工作日分行业电力需求逐时变化，(b)不同季节各行业的电力需求比较，(c)夏季工作日分技术的电力供应逐时变化，(d)不同季节各行业的电力供应比较。
工业负荷时移和V2G展现了显著的经济优越性。V2G技术在2060年仅转移7%的系统峰值负荷，投入约49亿美元的激励，即可为整体电力系统节省高达140亿美元的投资，并使对抽水蓄能的新增投资需求大幅下降23%。在缓解极端电价方面，需求侧响应可将晚高峰时段的极端边际电价削减一半。
图4. 保障系统灵活性所需的年度投资与转型成本。(a-d)分别展示了电力生产、氢气生产、储能以及上游能源供应部门的投资需求，(e-f)展示了夏季工作日不同时间边际电价与边际氢价的波动特征。
本研究为未来的系统规划、储能部署及电力市场机制设计提供以下量化参考和建议：需求侧管理的经济性优于简单的电源扩建，随着终端电气化的深化，充电桩等基础设施建设应逐步提高快充比例，通过市场调节和政策激励，引导电动汽车充电负荷与可再生能源出力相协同。防范传统火电的搁浅资产风险，在2040年面临大规模退役压力前，对现存燃煤机组进行低碳化与灵活性改造，可为系统提供至少20年的关键过渡期灵活性支持。市场机制必须反映灵活性的真实价值，在高比例可再生能源电网中，传统调度策略越来越难以满足需求，建议适度扩大峰谷电价差和浮动范围，建立针对新型储能的容量电价机制，并丰富辅助服务市场，以经济激励引导各类资源参与系统灵活性建设。
研究所助理研究员张枢为第一作者，陈文颖教授为通讯作者。研究受科技部、教育部、国家自然科学基金资助，并得到了欧盟Horizon Europe和Horizon 2020项目，以及气候变化与碳中和国际合作联合行动的支持。
相关文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71410-2
素材：张枢