在2020年9月的聯(lián)合國大會上，中國向全世界作出了2060年前實現(xiàn)碳中和的承諾。在三個月后的氣候雄心峰會上，中國又宣布了國家自主貢獻(xiàn)的新舉措。中國在減排方面一系列重大目標(biāo)的宣布，無疑是2020年國際社會在應(yīng)對氣候變化領(lǐng)域中最重大的事件之一。中國作為全球最大的發(fā)展中國家，能源消費占全球能源總消費量的23%。從能源結(jié)構(gòu)來看，中國能源消費主要以煤炭等化石能源為主，化石能源在一次能源消費中占比接近85%。中國碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)，對于實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》確定的目標(biāo)具有重大意義。隨著碳中和目標(biāo)的提出，中國未來能源轉(zhuǎn)型的方向也就基本確定了。
電力是終端消費零排放的能源，但是電力生產(chǎn)過程卻產(chǎn)生了中國能源系統(tǒng)近52%的CO2排放量，因而大力發(fā)展可再生能源，實現(xiàn)對化石能源的替代，將是推動中國實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的必由之路。在碳中和的背景下，中國電力發(fā)展之路也備受關(guān)注，在這里進(jìn)行粗淺分析。
如何滿足未來電力需求的增長？
（1）2030年電力需求如何滿足？
中國國家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)中與能源電力相關(guān)的要點如下：單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放量將比2005年下降65%以上；非化石能源占一次能源消費比重將達(dá)到25%左右；風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達(dá)到12億千瓦以上。
根據(jù)國家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)，參考現(xiàn)狀的能源消費結(jié)構(gòu)和電力結(jié)構(gòu)（主要是2019年），并結(jié)合2030年GDP增長情況以及用電需求預(yù)測成果，可以大概推算出2030年中國電力需求空間及電力結(jié)構(gòu)。
總發(fā)電量：采用彈性系數(shù)法預(yù)測，2030全國電力需求約為10.1萬億kWh，考慮輸配電消耗后，估算總發(fā)電量約需10.6萬億kWh。
化石能源發(fā)電量：2030年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放量比2005年下降65%。結(jié)合2005-2030年GDP的增長情況，CO2排放量增加幅度不能高于2.34倍。假設(shè)CO2排放量中電力和非電力領(lǐng)域的排放量比例維持現(xiàn)狀不變，2030年化石能源發(fā)電量不能超過2005年化石能源發(fā)電量的3.34倍，即化石能源發(fā)電量不能超過6.8萬億kWh。
非化石能源發(fā)電量：2019年中國一次能源消費約為48.7億tce，非化石能源占比為15.3%，其中非化石能源發(fā)電量23917億kWh。采用彈性系數(shù)法預(yù)測2030年全國一次能源消費約為57億tce。按照非化石能源占一次能源消費比重將達(dá)到25%左右推算，非化石能源發(fā)電量至少要達(dá)到4.6萬億kWh以上，相應(yīng)化石能源發(fā)電量不得超過6萬億kWh?？梢詽M足單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放量的下降65%的目標(biāo)。
風(fēng)電光伏發(fā)電量：國家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)要求風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機在12億kW以上，考慮兩者裝機相近，分別為6億kW，其中風(fēng)電的6億kW中包含3000萬kW的海上風(fēng)電。按現(xiàn)狀風(fēng)電光伏的平均利用小時數(shù)，測算得到2030年風(fēng)電光伏發(fā)電量合計為1.8萬億kWh。
根據(jù)以上分析，可以匡算出2030年非化石能源發(fā)電量至少要達(dá)到4.6萬億kWh，其中風(fēng)電光伏發(fā)電量為1.8萬億kWh，也就是說，在達(dá)到國家自主貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，為了滿足電力需求，還需要2.7萬億kWh的非化石能源發(fā)電量，扣除現(xiàn)有裝機的水電、生物質(zhì)、核電等非化石能源發(fā)電量，還有9777億kWh的電量缺口。
如果這些發(fā)電量缺口由風(fēng)光來提供，相應(yīng)風(fēng)光的總規(guī)模必須達(dá)到18億kW以上。
圖1 2030年中國電力結(jié)構(gòu)測算分析
（2）2060年電力需求如何滿足？
按照2030年電力需求預(yù)測的思路，分析2060年電力發(fā)展情況。2060年電力發(fā)展重點考慮實現(xiàn)電力碳中和情景。
電力總需求：2060年電力總需求參考清華大學(xué)張希良教授的預(yù)測結(jié)果，達(dá)到15萬億kWh。
化石能源發(fā)電量：考慮到為了滿足電網(wǎng)和重大負(fù)荷的支撐作用需要保留適當(dāng)必要的氣電、煤電等火電機組，結(jié)合CCS或CCUS技術(shù)可實現(xiàn)這部分電力的零碳排放。假設(shè)10%的電量來自于火電，也就是1.5萬億kWh。
風(fēng)光發(fā)電量：假設(shè)2060年實現(xiàn)風(fēng)電的30?60目標(biāo)，屆時風(fēng)電裝機達(dá)到30億kW（其中海上風(fēng)電假設(shè)為6000萬kW），光伏也按照30億kW的規(guī)模考慮。參考現(xiàn)狀條件下風(fēng)電光伏的評價利用小時數(shù)，測算得到2060年風(fēng)電光伏發(fā)電量合計為9.1萬億kWh。
根據(jù)以上分析，在考慮電力碳中和的背景下，為了滿足電力需求，除了必要的火電、風(fēng)電和光伏，還需要4.4萬億kWh的非化石能源發(fā)電量，扣除現(xiàn)有裝機的水電、生物質(zhì)、核電等非化石能源發(fā)電量，還有2.6萬億kWh的電量缺口。
如果這些發(fā)電量缺口由風(fēng)光來提供，相應(yīng)風(fēng)光的總規(guī)模必須達(dá)到77億kW以上。
圖2 2060年中國電力結(jié)構(gòu)測算分析
（3）實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)僅僅靠風(fēng)光夠不夠？
從電量平衡角度分析，不管是滿足2030年的國家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)，還是滿足2060年的碳中和目標(biāo)，就算按現(xiàn)有遠(yuǎn)景目標(biāo)去實現(xiàn)風(fēng)電光伏的開發(fā)，也還是滿足不了電力增長的需求。未來補足電量缺口可能的方式有：一是進(jìn)一步加速風(fēng)電和光伏的開發(fā)，二是推進(jìn)水電和核電等其他傳統(tǒng)非化石能源的開發(fā)。但值得注意的是，水電的開發(fā)是有天花板的，我國水電的技術(shù)可開發(fā)量是6.87億kW，截至2019年年底技術(shù)開發(fā)程度約為52%。即使2060年水電技術(shù)開發(fā)程度達(dá)到90%，也還會存在1.5萬億kWh的電力缺口。
歐美發(fā)達(dá)國家如何實現(xiàn)低碳電力？
（1）各國碳中和目標(biāo)制定及實現(xiàn)措施情況如何？
截止目前，全球已有30個國家或地區(qū)設(shè)立了凈零排放或碳中和的目標(biāo)，各國在達(dá)成碳中和目標(biāo)所采取的措施主要分為以下幾個方面：
一是提升能源利用效率，加快技術(shù)創(chuàng)新，包括挪威、葡萄牙、西班牙等24個國家均提出了相應(yīng)措施，特別是英國、法國等國家以立法的形式支持鼓勵加快能源創(chuàng)新；
二是大力提升可再生能源占比，包括奧地利、愛爾蘭等18個國家均提出了通過加大可再生能源的投資、擴大可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中比例的方式來實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，其中如奧地利等國將加大撥款及減免可再生能源稅收；
三是減少對化石能源依賴，包括匈牙利、愛爾蘭、丹麥等15國均不同程度的提出了削減化石能源的應(yīng)用，其中丹麥、匈牙利等國更是通過立法等措施關(guān)閉燃煤電站、減少汽油或柴油動力的汽車等措施達(dá)到節(jié)能減排的目的；
四是通過立法等措施給低碳產(chǎn)業(yè)提供扶持，包括斐濟、韓國、日本等國家通過立法等措施減排，如韓國推行的《國家能源基本計劃》。
（2）如何實現(xiàn)電力低碳？
在碳排放較為集中的電力行業(yè)，加快發(fā)展非化石能源，減少對化石能源電力的依賴，是全球減少電力行業(yè)碳排放的共同行動。基于BP、FITCH、IEA、IRENA等機構(gòu)發(fā)布的研究成果，對35個典型國家的非化石能源發(fā)電量占比進(jìn)行統(tǒng)計。從35個國家的電力結(jié)構(gòu)來看，非化石能源發(fā)電比例超過50%的國家共有18個，主要分布在歐美發(fā)達(dá)國家，以及巴西、智利等水電發(fā)展較好的發(fā)展中國家。
圖3 主要國家非化石能源發(fā)電占比
（數(shù)據(jù)來源：BP，F(xiàn)itch，IEA，IRENA）
具體到非化石能源發(fā)電的構(gòu)成，非化石能源發(fā)電占比超過50%的18個國家中，有13個國家非化石能源發(fā)電結(jié)構(gòu)以水電或核電為主；非化石能源發(fā)電占比超過80%的國家均為水電或核電構(gòu)成了非化石能源發(fā)電的主力電源。也就是說，從當(dāng)前非化石能源發(fā)電量占比較高的國家經(jīng)驗來看，水電和核電是大部分國家替代化石能源發(fā)電的主力電源。只有丹麥、西班牙、德國、英國、葡萄牙五個國家是非化石能源發(fā)電量以風(fēng)電和光伏為主，這些國家可以實現(xiàn)通過波動性較大的風(fēng)電和光伏承擔(dān)起非化石主力電源的很大一部分原因可以歸功于歐盟成熟的電力市場交易體系，在風(fēng)光發(fā)電不能滿足電力需求時，可以通過電力市場購得電力，從而減少電力供應(yīng)系統(tǒng)的備用容量。
（3）大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電光伏有何挑戰(zhàn)？
對于風(fēng)電、光伏等新能源而言，能源供給的不穩(wěn)定性和價格偏高是主要的短板。為了實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，實現(xiàn)風(fēng)電光伏的大規(guī)模發(fā)展，如何破解新能源不可能三角，找到“供給穩(wěn)定安全”與“價格低廉”之間的平衡是關(guān)鍵問題。近年來新能源成本大幅下降，很多區(qū)域風(fēng)電光伏趨于平價，未來價格短板問題有望逐步緩解，但是供電不穩(wěn)定性卻一時無法找到經(jīng)濟有效的破解途徑。
從國際經(jīng)驗來看，利用成熟的電力市場交易體系平衡發(fā)電與電力需求的時間不匹配，是破解新能源出力不穩(wěn)定的手段之一，但經(jīng)過電力市場的統(tǒng)一調(diào)度與平衡，往往會推高終端電力消費者的用電成本。歐美發(fā)達(dá)國家的發(fā)展經(jīng)驗也證實了這一點，風(fēng)電光伏等新能源在電力結(jié)構(gòu)中占比最高的丹麥和德國，2020年居民平均電價分別達(dá)到0.33和0.38美元/kWh，是全球居民電價高的兩個國家。德國自2010年以來，風(fēng)電和光伏裝機增長了140%，為了配合風(fēng)電光伏間歇性和出力不穩(wěn)定的運行特點，德國很多時間都需要從歐洲電力市場購買電力才能穩(wěn)定電網(wǎng)，伴隨而來的便是電價增長了約30%。
圖4 2010年上半年（2010 S1）~2020年上半年（2020 S1）德國平均電價變化趨勢（數(shù)據(jù)來源：statista）
從現(xiàn)有的技術(shù)水平來看，新能源+儲能技術(shù)也是提高新能源出力穩(wěn)定性的有效手段。儲能技術(shù)包括機械儲能、電化學(xué)儲能和電磁儲能，其中機械儲能又包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等。
抽水蓄能已有100多年的發(fā)展歷史，是發(fā)展較為成熟的儲能技術(shù)。加上抽水蓄能長達(dá)80~100年的使用壽命以及可達(dá)80%的整體效率，抽水蓄能擁有其他儲能技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢。但是抽水蓄能電站的選址對地形條件要求較高，無法像電化學(xué)儲能一樣與其他電站靈活搭配。在區(qū)域范圍內(nèi)建設(shè)抽水蓄能電站，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的電力出力穩(wěn)定性是未來主要的發(fā)展方向。在歐美發(fā)達(dá)國家，抽水蓄能配合水電站、核電站、風(fēng)電和光伏等新能源電站運行方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗。截至2019年年底，全球抽水蓄能裝機總量為158GW，在抽水蓄能電站裝機排名前十的國家中，日本、美國、意大利、德國等歐美發(fā)達(dá)國家占據(jù)八席，這些國家抽水蓄能裝機總量占全球總裝機的一半以上。中國以30.3GW的抽水蓄能裝機位列全球第一，但是從電力裝機占比來看，與歐美發(fā)達(dá)國家還有較大差距。氣電啟停靈活且相對較為清潔，是較為理想的調(diào)峰電源，而在氣電裝機占比較大的美國和德國，抽水蓄能裝機占比也高于中國。由此可見，中國抽水蓄能裝機比例還處于較低的水平。考慮到中國未來新能源裝機的進(jìn)一步增長，作為重要調(diào)節(jié)容量之一的抽水蓄能還有很大發(fā)展空間。
表1 2019年各國抽水蓄能及氣電裝機情況
電化學(xué)儲能具有配置靈活、建設(shè)期短、響應(yīng)快速等優(yōu)勢，近年來取得了較快的發(fā)展。在歐洲、美國，電化學(xué)儲能得到了較為廣泛的應(yīng)用，主要是基于以下兩種情景：一是在電力市場里參與交易，電力現(xiàn)貨市場的高峰和低谷價格相差30倍以上，同時電化學(xué)儲能可以提供調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)；二是分布式電源用戶在需要擴容的時候可以選擇“分布式電源+電化學(xué)儲能”的方式，以規(guī)避相對高昂的電網(wǎng)“接入費用”。因而，國際上新能源與電化學(xué)儲能廣泛應(yīng)用的并不是在電源端用于充放電量的場景，歐美國家儲能的快速發(fā)展很大程度取決于成熟的電力現(xiàn)貨市場和電網(wǎng)接入費用，其規(guī)?；l(fā)展的經(jīng)驗并不完全適用于中國。
那么在電源端發(fā)展新能源+儲能通過電量充放的方式提高新能源出力穩(wěn)定性，經(jīng)濟性如何？我們做了一個簡單的測算。目前國內(nèi)電化學(xué)儲能成本在1.6~1.8元/Wh左右，按現(xiàn)在17省要求新能源發(fā)電項目配套5%~20%的儲能，以及儲能時間2小時測算，相當(dāng)于增加了160~720元/kW的電站建設(shè)成本。假設(shè)儲能全生命周期充放電次數(shù)為4000~5000次，按綜合效率90%測算，儲能度電成本約為0.36~0.44元/kWh。如果考慮儲能電池逐年衰減的效果，實際電價還要更高。目前全國I～I(xiàn)II類資源區(qū)新增集中式光伏電站指導(dǎo)價為0.35~0.49元/kWh；2021年前新核準(zhǔn)的陸上風(fēng)電項目上網(wǎng)電價為0.29~0.47元/kWh，而2021年以后新核準(zhǔn)的陸上風(fēng)電項目將實現(xiàn)平價上網(wǎng)，其上網(wǎng)電價可能會進(jìn)一步降低。對比風(fēng)電、光伏的上網(wǎng)電價與儲能的度電成本，在電源端配備容量型儲能的方案雖然能提高新能源供電穩(wěn)定性，但會推高用電價格。雖然未來儲能存在成本下降是大勢所趨，但是在新能源平價上網(wǎng)和競價上網(wǎng)趨勢推動下，儲能成本下降速度將是保障新能源+儲能方式的關(guān)鍵。
（4）歐美發(fā)達(dá)國家有哪些經(jīng)驗值得我們借鑒？
充分發(fā)揮水電、核電等出力穩(wěn)定的清潔能源電力的作用。從35個典型國家非化石能源發(fā)電占比的統(tǒng)計結(jié)果來看，非化石能源發(fā)電占比超過50%的共有18個國家，這18個國家非化石能源發(fā)電量占比平均達(dá)到73.4%，其中水電和核電合計貢獻(xiàn)了51.6%的占比，風(fēng)電、光伏貢獻(xiàn)的占比不足15%。水電、核電等傳統(tǒng)非化石能源出力穩(wěn)定、技術(shù)成熟，可作為替代化石能源發(fā)電的主力電源。
完善的電力市場交易體系可有效減少電力系統(tǒng)備用容量。歐洲成熟的電力交易市場實現(xiàn)了有效的跨境交易和接近實時的電力交易，實現(xiàn)了平衡市場的跨境整合，削減了電力系統(tǒng)的備用容量，能有效提高系統(tǒng)中風(fēng)電、光伏等波動性較大的新能源發(fā)電占比。但通過現(xiàn)貨交易實現(xiàn)更大區(qū)域的電量平衡，通常會將平衡成本向終端用戶疏導(dǎo)，進(jìn)而推高用戶用電成本。
抽水蓄能的建設(shè)對于保障新能源出力穩(wěn)定具有重要作用。抽水蓄能技術(shù)成熟，度電成本約為0.2元/kWh，經(jīng)濟性較好，是當(dāng)前儲能的主要形式。截至2019年年底，全球儲能項目中有93.4%為抽水蓄能項目。目前全球一半以上的抽水蓄能裝機集中在日本、美國、意大利、德國等歐美發(fā)達(dá)國家，在提高電網(wǎng)靈活性、保障新能源電力消納方面發(fā)揮著重要的作用。
歐美發(fā)達(dá)國家儲能的快速發(fā)展經(jīng)驗并不完全適用于中國。歐美發(fā)達(dá)國家儲能技術(shù)的快速發(fā)展很大程度上取決于成熟的電力現(xiàn)貨市場，用戶端分布式儲能的發(fā)展動力很多是為了避免電網(wǎng)接入費。由于電力市場發(fā)展階段和輸配電價體系的不同，儲能發(fā)展的歐美經(jīng)驗并不完全適用于中國，而在電源端發(fā)展容量型儲能在當(dāng)前階段經(jīng)濟性相對較差，并不具備較強的市場競爭力。
碳中和背景下中國電力發(fā)展路徑思考
電力碳中和的實現(xiàn)意味著需要高比例地實現(xiàn)非化石能源對化石能源發(fā)電的替代，需要從經(jīng)濟性和供電安全性出發(fā)，統(tǒng)籌發(fā)展多種非化石能源的發(fā)展。
從未來電力需求來看，實現(xiàn)碳中和30?60目標(biāo)，即使實現(xiàn)了風(fēng)電光伏的已有規(guī)劃目標(biāo)，還是不能完全滿足電力需求。需要進(jìn)一步加大水電和核電的開發(fā)，同時風(fēng)電和光伏的發(fā)展應(yīng)不局限于已定的規(guī)劃目標(biāo)，可以按超預(yù)期目標(biāo)發(fā)展。
要突破風(fēng)電光伏的能源不平衡三角悖論，需要尋找“供給穩(wěn)定安全”與“價格低廉”之間的平衡點，一方面需要依賴合理的政策引導(dǎo)推動成本下降，另一方面也需要通過不同的手段避免風(fēng)電光伏出力不穩(wěn)定造成的問題。具體而言，需要進(jìn)一步加強電力市場建設(shè)，利用成熟的電力現(xiàn)貨市場實現(xiàn)新能源的跨區(qū)交易，促進(jìn)新能源電力消納，最終提高新能源發(fā)電占比。同時，應(yīng)進(jìn)一步加快推進(jìn)抽水蓄能電站建設(shè)，推動電化學(xué)儲能成本下降，鼓勵儲能參與電力輔助服務(wù)，進(jìn)一步增加電力系統(tǒng)靈活性。
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