[论文解读] The effect of inhomogeneous carbon prices on the cost-optimal design of a simplified European power system

Markus Schlott, Fabian Hofmann+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2019

Integrated Energy Systems Optimization参考文献 16被引用 3

一句话总结

本研究探讨了基于人均GDP的区域性碳定价对简化欧洲电力系统成本最优设计的影响。通过线性优化模型发现，非统一的碳定价导致显著的碳泄漏，由于碳价较低，东欧和东南欧地区仍持续使用煤电，从而威胁欧盟整体脱碳目标。

ABSTRACT

Carbon prices are one of the most prominent methods to reduce global greenhouse gas emissions and have been adopted by several countries around the world. However, regionally different carbon prices can lead to carbon leakage. We investigate a simplified European power system where carbon prices are varied with respect to GDP per capita and find that inhomogeneous carbon prices lead to significant carbon leakage due to coal-fired generation remaining a major source of power in Eastern Europe.

研究动机与目标

• 分析基于区域人均GDP的区域性碳定价对欧洲电力系统成本最优配置的影响。
• 评估当碳价根据区域人均GDP设定时，是否会产生碳泄漏。
• 评估非统一碳定价是否损害长期欧盟脱碳目标。
• 探讨区域经济差异与系统整体减排之间的权衡。
• 为欧洲能源转型中的统一碳定价政策提供启示。

提出的方法

• 基于人均GDP将欧洲划分为11个聚合区域节点，构建简化的欧洲电力系统模型。
• 碳价定义为人均GDP的函数，采用参数化公式：µCO2(GDP) = α¯µGDP / (ḠDP) + ¯µ − ¯µα，确保碳价非负。
• 采用线性优化模型，最小化总系统成本，包括资本成本和边际发电成本，受节点功率平衡和发电容量限制约束。
• 模型包含多种技术：风电、光伏、煤电、燃气轮机、电池储能和水电，按全年小时级进行经济调度。
• 通过关联矩阵建模输电约束，功率流动由网络拓扑决定。
• 通过改变分布参数α（控制碳价非统一程度）进行敏感性分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于人均GDP的区域性碳价差异如何影响欧洲电力系统发电技术的成本最优组合？
• RQ2 非统一碳定价在多大程度上导致碳泄漏，特别是低价格地区持续使用煤电？
• RQ3 碳价差异化对整体系统成本和可再生能源部署有何影响？
• RQ4 输电约束和相关可再生能源出力对低碳价地区可再生能源部署效率有何影响？
• RQ5 基于区域差异的碳定价方案是否仍能支持欧盟范围的脱碳目标？

主要发现

• 基于人均GDP的非统一碳定价导致显著碳泄漏，东欧和东南欧地区仍以煤电为主要电源。
• 当α = 2时，碳价在第9–11区（东欧和东南欧）降至零，而北欧和阿尔卑斯地区等富裕地区碳价超过150 MU/吨。
• 尽管东南欧（第11区）太阳能条件优越，但在高非统一程度下（α = 2），光伏部署仍消失，原因在于输电约束和出力相关性。
• 第11区每兆瓦时系统成本从α = 0时的0.801 MU/MWh上升至α = 2时的1.35 MU/MWh，表明在碳价非统一下可再生能源整合效率低下。
• 整体系统成本并非随碳价非统一程度单调上升，表明存在相互抵消效应：高碳价地区减排减少，但低收入地区排放增加和效率下降。
• 研究结果表明，非统一碳定价下碳从西欧向东欧转移，严重威胁实现长期欧盟脱碳目标。