中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：“碳中和”目標(biāo)的提出給能源轉(zhuǎn)型帶來(lái)諸多機(jī)遇與挑戰(zhàn)。不同能源領(lǐng)域、不同地區(qū)如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)成為近期業(yè)內(nèi)熱議的焦點(diǎn)話題。占能源領(lǐng)域碳排放總量四成的電力系統(tǒng)和面臨保障電力供應(yīng)安全壓力的中東部省份江西都極具代表性（見(jiàn)本次推送第二條）。他們的低碳轉(zhuǎn)型之路，或能為不同能源領(lǐng)域和地區(qū)實(shí)現(xiàn)“碳中和”提供思考。
文丨張運(yùn)洲 代紅才 張寧
我國(guó)稍早前提出了“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，為我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、加快能源轉(zhuǎn)型提供了方向指引。
目前，我國(guó)能源領(lǐng)域是二氧化碳排放的主體，約占總排放量的85%，能源系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)碳排放目標(biāo)起決定性作用，未來(lái)能源碳排放應(yīng)及早達(dá)峰，且盡可能控制峰值，為非能源二氧化碳排放、非二氧化碳溫室氣體排放爭(zhēng)取更多空間。
在能源碳排放中，電力系統(tǒng)排放約占四成，未來(lái)電力將扮演越來(lái)越重要的角色，應(yīng)通過(guò)電能替代方式減少終端用能部門的直接碳排放，并以自身加速減排推動(dòng)能源碳排放大幅降低。
電力系統(tǒng)碳排放有望在2025年后達(dá)峰
電力系統(tǒng)在能源低碳發(fā)展中承擔(dān)著越來(lái)越重要的作用，考慮到經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的電力需求和各類電源的發(fā)展約束，以在2030年前盡早實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰為目標(biāo)，對(duì)近中期電力低碳發(fā)展進(jìn)行量化分析。“十四五”和“十五五”期間電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)如下低碳發(fā)展態(tài)勢(shì)：
一是新能源裝機(jī)規(guī)模將快速提升。
“十四五”期間，新能源將實(shí)現(xiàn)“倍增”式發(fā)展，按年均增長(zhǎng)1.2億千瓦規(guī)劃，其中風(fēng)電4500萬(wàn)千瓦，光伏7500萬(wàn)千瓦。2025年新能源裝機(jī)量將達(dá)到約11億千瓦，較2020年提高一倍以上，新能源裝機(jī)占比約35%。
在“十五五”期間，新能源規(guī)模將進(jìn)一步提升，2030年風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量將分別達(dá)到約8.1億千瓦、9.3億千瓦，在電源裝機(jī)容量中占比達(dá)到約44%。新能源發(fā)電量占比顯著提升。2025年，新能源發(fā)電占比約18%，提升9個(gè)百分點(diǎn)。2030年，新能源發(fā)電量達(dá)到約3.2萬(wàn)億千瓦時(shí)，占比約為28%。
二是各類電源將呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢(shì)。
“十四五”期間煤電裝機(jī)容量仍有小幅增長(zhǎng)空間，2025年前后達(dá)峰，峰值約為12億-13億千瓦。煤電裝機(jī)容量雖將呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)，但未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，我國(guó)約9億千瓦高參數(shù)大容量低排放煤電機(jī)組仍將在電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。
同時(shí)，氣電、核電、水電穩(wěn)步發(fā)展，2025年裝機(jī)容量或?qū)⒎謩e達(dá)到約1.2億千瓦、0.9億千瓦、3.9億千瓦。2025年全國(guó)電源裝機(jī)總規(guī)模達(dá)到約30億千瓦。
三是電力碳排放將達(dá)峰并保持穩(wěn)中有降態(tài)勢(shì)。
“十四五”期間電力碳排放總量增速放緩，2025年碳排放量達(dá)到約44億噸，并有望在稍后達(dá)峰，峰值控制在45億噸以內(nèi)，此后穩(wěn)中有降。度電排放強(qiáng)度顯著下降，2025年降至約460g/kWh，較當(dāng)前水平下降約120g/kWh。非化石能源特別是新能源裝機(jī)占比持續(xù)提升，是電力碳減排的主要貢獻(xiàn)因素。
電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵在于消納高比例新能源
遠(yuǎn)期來(lái)看，低碳電力系統(tǒng)的發(fā)展更加有賴于技術(shù)創(chuàng)新突破，面臨更多不確定性。因此，應(yīng)通過(guò)設(shè)置不同路徑，探討未來(lái)電力低碳發(fā)展情景。新能源大規(guī)模發(fā)展是實(shí)現(xiàn)碳中和愿景的必然要求，電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵在于高比例新能源的消納利用。
圍繞解決高比例新能源消納的不同技術(shù)路線，設(shè)置以下三種路徑：路徑一主要依靠電力系統(tǒng)自身實(shí)現(xiàn)高比例新能源消納利用；路徑二是通過(guò)大規(guī)模發(fā)展電制氫，跟蹤新能源波動(dòng)性出力，助力新能源利用；路徑三是基于綠氫和煤電CCUS產(chǎn)生的二氧化碳制取甲烷、甲醇，實(shí)現(xiàn)電-氫-碳協(xié)同發(fā)展。
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路徑一：依靠電力系統(tǒng)自身消納利用高比例新能源
新能源主要通過(guò)轉(zhuǎn)化為電力進(jìn)行利用，提升電力系統(tǒng)自身的新能源消納利用能力是未來(lái)能源電力低碳發(fā)展的基本要求和關(guān)鍵所在。該路徑下，需要電力系統(tǒng)源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各環(huán)節(jié)全面發(fā)力，持續(xù)優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)互聯(lián)電網(wǎng)建設(shè)，挖掘需求響應(yīng)資源，推動(dòng)新型儲(chǔ)能快速發(fā)展，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)新能源的消納利用能力。但隨著新能源滲透率大幅提高，電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力和安全穩(wěn)定運(yùn)行將面臨更大考驗(yàn)，新能源發(fā)展規(guī)?？赡苁芟?。
由于新能源發(fā)電出力存在高度波動(dòng)性和不確定性，隨著裝機(jī)規(guī)模逐步擴(kuò)大，其出力波動(dòng)范圍和波動(dòng)速率也將日益增大。因此，亟需多措并舉提升系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力。在電源側(cè)激發(fā)多元電源的協(xié)同調(diào)節(jié)潛能，在電網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)更加靈活優(yōu)化的運(yùn)行方式，在負(fù)荷側(cè)推動(dòng)需求響應(yīng)常態(tài)化，在儲(chǔ)能側(cè)引導(dǎo)各類儲(chǔ)能資源參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)。
此外，新能源大量接入導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低，頻率問(wèn)題逐漸凸顯，動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力降低，易誘發(fā)機(jī)理復(fù)雜的寬頻震蕩，當(dāng)發(fā)生大規(guī)模脫網(wǎng)時(shí)將以潮流轉(zhuǎn)移等形式引發(fā)級(jí)聯(lián)故障，擴(kuò)大停電范圍，引發(fā)惡性循環(huán)。
因此，亟需加強(qiáng)“雙高”（高比例新能源、高度電力電子化）電力系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理和穩(wěn)定特性研究，對(duì)多類型電力電子裝備精準(zhǔn)建模，進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真，通過(guò)廣泛部署同步調(diào)相機(jī)等設(shè)施提高電壓支撐能力，持續(xù)完善“三道防線”。
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路徑二：以電-氫協(xié)同助力新能源消納利用
利用清潔能源發(fā)電制氫被稱為綠氫，是未來(lái)氫能發(fā)展的重要方向。電制氫設(shè)備能夠容許較大程度的輸入電力波動(dòng)，大規(guī)模制氫是平抑新能源出力波動(dòng)的有效途徑。該路徑下，可充分發(fā)揮制氫負(fù)荷的靈活性，通過(guò)離網(wǎng)、并網(wǎng)等方式大規(guī)模部署電制氫設(shè)施，在源側(cè)和網(wǎng)側(cè)實(shí)時(shí)跟蹤新能源發(fā)電波動(dòng)性出力，有效解決高比例新能源下電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)問(wèn)題。
從氫能制取-儲(chǔ)運(yùn)-終端利用環(huán)節(jié)來(lái)看，堿性電解水和質(zhì)子交換膜電解水能接受波動(dòng)性電源輸入，適合作為消納新能源的主要電制氫技術(shù)。儲(chǔ)運(yùn)是制約氫能大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵因素。氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)效率低，液體儲(chǔ)運(yùn)成本高，安全、經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)有待突破。目前國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫罐關(guān)鍵材料依賴進(jìn)口，低溫液氫技術(shù)、儲(chǔ)氫材料技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)水平存在較大差距，產(chǎn)業(yè)化相距甚遠(yuǎn)。在氫能的終端利用方面，氫能在重卡等終端消費(fèi)細(xì)分市場(chǎng)具有一定應(yīng)用前景，可作為電能的重要補(bǔ)充，預(yù)計(jì)2050年氫能在我國(guó)終端能源消費(fèi)中占比有望達(dá)到10%左右。
從經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，現(xiàn)階段氫氣的終端應(yīng)用領(lǐng)域和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力相對(duì)不高，但隨著電制氫技術(shù)的成熟、新能源發(fā)電成本持續(xù)降低以及氫氣儲(chǔ)運(yùn)瓶頸的突破，電制氫將實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，“綠氫”全鏈條經(jīng)濟(jì)性將逐步增強(qiáng)。預(yù)計(jì)2030年之后綠氫的熱當(dāng)量成本有望與油氣大致相當(dāng)。同時(shí)，從電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)角度看，未來(lái)電制氫裝置的初始投資與儲(chǔ)能大致相當(dāng)，同時(shí)可產(chǎn)生氫、氧等產(chǎn)品，收益方式更加多元，建設(shè)電制氫裝置將是提供系統(tǒng)靈活性的一種可能路徑。
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路徑三：以電-氫-碳協(xié)同實(shí)現(xiàn)全鏈條優(yōu)化
在發(fā)揮電制氫靈活調(diào)節(jié)性能的基礎(chǔ)上，通過(guò)在煤電機(jī)組加裝CCUS，為系統(tǒng)保留轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的同時(shí)可捕捉二氧化碳，與綠氫廣泛結(jié)合大規(guī)模制取甲烷或甲醇，在終端替代進(jìn)口油氣。從全環(huán)節(jié)來(lái)看，該路徑不僅可以有效支撐大規(guī)模新能源消納利用、促進(jìn)煤電資產(chǎn)的高效低碳延壽使用，還可以大幅降低我國(guó)能源對(duì)外依存度、提升國(guó)家能源安全，綜合效益顯著。
相較于氫氣，甲烷和甲醇更易存儲(chǔ)和運(yùn)輸。從儲(chǔ)存來(lái)看，甲烷的液化溫度高于氫氣，液化成本較低；甲醇無(wú)需液化。從運(yùn)輸來(lái)看，氫氣管道造價(jià)較高，且甲烷可注入天然氣管道；甲醇可通過(guò)汽運(yùn)方式運(yùn)輸。從安全性來(lái)看，相較于氫氣，甲烷的擴(kuò)散系數(shù)更低、點(diǎn)火能量更高，更加安全；甲醇作為液體，不易擴(kuò)散，安全性高。
未來(lái)，隨著新能源度電成本的下降，甲烷和甲醇在終端利用的經(jīng)濟(jì)性將逐步顯現(xiàn)，可作為動(dòng)力替代進(jìn)口油氣。初步測(cè)算表明，當(dāng)新能源度電成本降至0.1元/kWh左右時(shí)，制取的甲醇相比傳統(tǒng)油氣具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。
同時(shí)，制取甲烷或甲醇為火電廠CCUS捕集的二氧化碳提供了應(yīng)用場(chǎng)景，是發(fā)展循環(huán)碳經(jīng)濟(jì)的可行方式。我國(guó)未來(lái)仍將存在大量高參數(shù)大容量低排放煤電機(jī)組，如何利用好現(xiàn)有的高效率煤電機(jī)組是未來(lái)我國(guó)電力低碳發(fā)展亟待回答的重大問(wèn)題。煤電加裝CCUS在實(shí)現(xiàn)凈零排放的同時(shí)，保留了系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有助于保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，是符合我國(guó)國(guó)情的戰(zhàn)略性選擇。
從經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，預(yù)計(jì)2030年前后我國(guó)加裝CCUS的度電增量成本和新能源并網(wǎng)的度電系統(tǒng)成本大致相當(dāng)，都在0.2元/kWh左右，加裝CCUS相較于發(fā)展新能源替代煤電并不會(huì)明顯推高系統(tǒng)成本。隨著第二代CCUS技術(shù)的逐步成熟，2050年CCUS技術(shù)的成本有望進(jìn)一步下降至100元/噸左右，煤電加裝CCUS的度電增量成本有望下降至約0.1元/kWh，經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力更加明顯。
總體來(lái)看，以上三種路徑各有千秋，未來(lái)電力系統(tǒng)低碳發(fā)展應(yīng)當(dāng)是多種路徑融合發(fā)展的結(jié)果。電力系統(tǒng)需要不斷提升自身對(duì)高比例新能源的消納利用能力，同時(shí)充分發(fā)揮電制氫的調(diào)節(jié)作用，并積極探索電制甲醇等P2X技術(shù)路線，共同支撐新能源的大規(guī)模發(fā)展。
展望未來(lái)，我國(guó)電力低碳化發(fā)展路徑將大致經(jīng)歷以下三個(gè)階段：近期，以電力系統(tǒng)支撐新能源消納利用為主；中期，僅依靠電力系統(tǒng)消納高比例新能源難度日益增大，需探索電、氫、碳多元耦合發(fā)展方式；遠(yuǎn)期，多元化路徑并存，要多措并舉支撐大規(guī)模新能源消納利用，助力循環(huán)碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
作者丨張運(yùn)洲系國(guó)網(wǎng)能源研究院有限公司董事長(zhǎng)（院長(zhǎng)）；代紅才、張寧均供職于該公司
