當(dāng)前，我國正將碳達峰、碳中和氣候承諾納入經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)整體布局。一方面，在電力發(fā)展政策方面，中央要求建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)；習(xí)近平主席在美國總統(tǒng)拜登組織的氣候領(lǐng)導(dǎo)人峰會上首次在國家元首層面上明確“十四五”期間將嚴(yán)控煤電項目的目標(biāo)；另一方面，至少近中期內(nèi)保障我國電力安全依然離不開煤電，2021年很多省區(qū)都已出現(xiàn)電力尖峰資源不足的問題。2021年電力增長大超預(yù)期，也進一步強化了“十四五”期間繼續(xù)大建煤電的聲音。
因此，關(guān)于煤電在未來電力系統(tǒng)中地位的爭議不斷。不少資深電力人士和能源專家，從電力安全和能源安全角度出發(fā)，堅持認(rèn)為煤電的“壓艙石”地位將長期不變。而也有不少聲音認(rèn)為，建設(shè)以新能源為主的新型電力系統(tǒng)要逐步擺脫對煤炭的依賴，未來隨著終端電氣化的大幅提升，煤炭在一次能源中的角色在碳中和的強約束下也必須大大弱化。
本文首先簡要梳理了國內(nèi)關(guān)于煤電的爭議，然后分析了煤電退出的國際進展，再者介紹了電力系統(tǒng)脫碳前沿研究的發(fā)現(xiàn)與結(jié)論，最后剖析我國煤電在碳中和愿景下的長期去向。
（文丨袁家海 張浩楠）
國內(nèi)爭議：煤電在電力系統(tǒng)中的“壓艙石”地位是否長期不變？
長期以來，煤電在我國占據(jù)主力電源地位，起著保供托底的“壓艙石”作用。如圖1所示，截至2020年底，我國煤電裝機容量達到10.8億千瓦，占全部電源裝機的49.1%，在電力系統(tǒng)中占據(jù)著半壁江山，年新增裝機維持在3000萬千瓦左右，還有相當(dāng)數(shù)量的煤電處于在建與規(guī)劃狀態(tài)。盡管“十三五”期間煤電年利用小時數(shù)已降至4100—4400小時區(qū)間內(nèi)，但2020年煤電發(fā)電量比重依然高達60.7%。同時，煤電作為傳統(tǒng)基建，機組單機容量大、投資體量達數(shù)十億元、壽命期長達30年，而我國煤電的加權(quán)平均壽命僅15年左右，還有相當(dāng)長的路要走。隨著煤電裝機比重首次降至50%以下，明確以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)發(fā)展方向以及要實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，我國煤電在電力系統(tǒng)中的角色地位要發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。
▲圖1 2015—2020年我國各類電源裝機情況
近中期煤電如何發(fā)展是電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的主要問題之一。表1梳理了各研究機構(gòu)對“十四五”時期電力發(fā)展的展望。對煤電裝機規(guī)模預(yù)計結(jié)果的不同，體現(xiàn)了各方在我國能源轉(zhuǎn)型與碳中和承諾持續(xù)推進過程中，對煤電在電力系統(tǒng)中的角色認(rèn)知的巨大差異。
一方認(rèn)為，能源轉(zhuǎn)型是發(fā)展的必然趨勢，煤電退出應(yīng)早做打算，尋求可持續(xù)發(fā)展的清潔新能源作為替代。在很多激進的電力轉(zhuǎn)型方案里，2050年的情景里已沒有了煤電的影子。體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)動向上，國家開發(fā)投資集團董事長王會生明確表示，新能源是未來發(fā)展的方向，集團在國內(nèi)已不再投資火電廠。同樣，中國華能集團董事長舒印彪對于減煤問題也是旗幟鮮明、態(tài)度明確，認(rèn)為能源轉(zhuǎn)型趨勢不可逆轉(zhuǎn)，一定要持續(xù)提高可再生能源裝機比重，煤電必須加快結(jié)構(gòu)調(diào)整和布局優(yōu)化，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。
對立一方則認(rèn)為，碳中和電力系統(tǒng)并不意味著零碳，重點是“減排”而不是“減煤”。中國工程院院士凌文認(rèn)為，雖然要向新領(lǐng)域轉(zhuǎn)型，但“污名化”煤炭的說法并不可取，“大力推進煤炭的清潔高效利用”才是明智的選擇。中國工程院院士謝平和也指出，從美國、德國、日本等國家碳達峰后的經(jīng)驗來看，即使有可替代煤炭的能源，碳達峰后仍然會使用煤炭，只是煤炭的用途發(fā)展了變化。國電環(huán)境保護研究院院長朱法華則提出，我國應(yīng)以節(jié)能與摻燒為引領(lǐng)，保留火電機組不少于8億千瓦。
“十三五”期間，我國能源電力需求增速和投資規(guī)模整體下降，行業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級，規(guī)劃目標(biāo)完成度超過八成?！笆奈濉逼陂g，將繼續(xù)推進能源轉(zhuǎn)型，新增能源需求主要由清潔能源滿足，而煤電則需要把更多注意力放到現(xiàn)有的煤電系統(tǒng)如何發(fā)揮好在能源轉(zhuǎn)型中的靈活性服務(wù)、熱電聯(lián)產(chǎn)供熱、耦合新能源發(fā)電以及在區(qū)域或產(chǎn)業(yè)循環(huán)中的能量、物質(zhì)、價值流的綜合作用上，要嚴(yán)格限制單純以提供電量為目的的煤電項目建設(shè)。同時，為煤電的有序退出做好法規(guī)、政策、規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)等方面的統(tǒng)籌研究和準(zhǔn)備工作。
國際鏡鑒：歐洲和美國在電力系統(tǒng)減排進程中煤電角色的弱化
2017年，在德國波恩舉行的聯(lián)合國氣候峰會上，全球助力淘汰煤炭聯(lián)盟（Powering Past Coal Alliance）成立，成員包括丹麥、法國、芬蘭等20多個國家。發(fā)達國家特別是歐洲國家制定了一系列脫碳政策和目標(biāo)，并公布了逐步淘汰煤炭的時間表（見表2）。
歐洲“退煤”進展迅速，得益于可再生能源和天然氣發(fā)電的快速發(fā)展，雖然天然氣主要依賴進口，但穩(wěn)定的燃?xì)夤?yīng)和較強的電價承受能力能夠保證兼具基荷和調(diào)節(jié)功能的天然氣發(fā)電順利發(fā)展。據(jù)BP數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計[6]，2020年，歐洲煤電發(fā)電量比重已降至14.8%，而可再生能源發(fā)電（含水電）和氣電發(fā)電量比重則分別達到了40.7%和19.6%。其中，德國的電力轉(zhuǎn)型成效最為顯著，為實現(xiàn)2016年氣候保護計劃中規(guī)定的目標(biāo)，即到2030年能源行業(yè)二氧化碳排放量比2014年減少60%—62%，于2020年7月頒布了“退煤法案”，提出煤電發(fā)電量比重從2010年的43%降至2020年的23.6%，同時期可再生能源發(fā)電量比重則由16.6%增至44%。
美國煤電發(fā)電量也在逐年減少，2020年煤電首次成為繼天然氣發(fā)電和核電之后的第三大電源。但是，美國的“退煤”成效很大程度上是由于頁巖氣革命推動的氣電競爭力提升和更為嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，而非來自應(yīng)對氣候變化的壓力，因為美國可再生能源發(fā)電量比重并不高，2020年含水電的可再生能源份額為19.6%。
國際經(jīng)驗表明，煤電在電力系統(tǒng)中的主導(dǎo)地位總體處于不斷弱化態(tài)勢，會應(yīng)能源技術(shù)創(chuàng)新和氣候變化的壓力而持續(xù)改變。
研究前沿：高比例可再生電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)到底是怎樣的？
構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要戰(zhàn)略舉措，其核心特征在于以風(fēng)光等新能源為代表的可再生能源成為提供電量支撐的主體電源。未來隨著可再生能源發(fā)電大規(guī)模集群并網(wǎng)和高滲透分散接入，風(fēng)光等電源出力的波動性和不確定性將給電力系統(tǒng)帶來更為復(fù)雜的安全穩(wěn)定挑戰(zhàn)。高比例可再生電力系統(tǒng)中電化學(xué)儲能（如鋰電池）是保障電力供應(yīng)的重要一環(huán)，但受限于無法長時連續(xù)運行的特性，僅依靠鋰電池（或其他具有類似特性的儲能技術(shù)）來增加可再生發(fā)電容量并不是一種成本效益高的脫碳電力系統(tǒng)策略[7,8]。而即使可再生能源資源豐富、電化學(xué)儲能成本降至較低水平，穩(wěn)定的低碳發(fā)電資源依然不可或缺，這是因其不僅能夠提供穩(wěn)定可靠且可調(diào)節(jié)的電力輸出，還可以顯著降低深度脫碳的成本[7]。預(yù)計未來電力資源將構(gòu)成“三分天下、互為補充”的格局（見圖2），即可再生能源成為電量主體，并提供一定的電力支撐；大型可控電源，作為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的基石，并提供基礎(chǔ)的調(diào)節(jié)服務(wù)；無所不在的短時電池儲能與必要的長時儲能互補構(gòu)成全時間尺度的系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。
▲圖2 新型電力系統(tǒng)電力資源架構(gòu)體系
目前受到普遍關(guān)注的鋰離子電池等電化學(xué)儲能可提供小時級乃至超短時調(diào)節(jié)能力[9]，將滿足日內(nèi)調(diào)節(jié)需求；抽蓄、氫燃料電池、往復(fù)式熱泵儲能等儲能技術(shù)可提供數(shù)天乃至跨季節(jié)長時調(diào)節(jié)能力[9]，將滿足季節(jié)性波動或極端氣候條件下負(fù)荷和可再生電源出力的大幅波動，但因受技術(shù)成熟度和高成本限制，電池儲能和除抽蓄外的長時儲能仍未實現(xiàn)商業(yè)化。
美國麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)和英國帝國理工大學(xué)的電力系統(tǒng)脫碳路徑研究均表明，低碳可控電源能持續(xù)降低脫碳電力系統(tǒng)成本，而如果沒有這些資源，未來碳排放上限接近于零時，電力成本會迅速上升，且電池儲能和需求側(cè)靈活性不能完全替代穩(wěn)定的可控電源。故在電池和長時儲能技術(shù)商業(yè)化之前，可調(diào)節(jié)的水電（包括抽水蓄能）、核電、生物質(zhì)能和CCS改造后的天然氣發(fā)電等大型穩(wěn)定可控電源是推動可再生能源規(guī)?；年P(guān)鍵[7]。在對未來零碳或低碳可控電源發(fā)展路徑的前沿探討中，盡管美國和歐洲對于核電的態(tài)度存有分歧，但無一例外地都關(guān)注CCS改造的氣電，而煤電已被排除出零碳電力系統(tǒng)的情景中。
本文觀點：遠(yuǎn)期常規(guī)煤電必須退出，BECCS改造煤電為電力系統(tǒng)貢獻負(fù)碳
為順利實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，大規(guī)模發(fā)展非化石能源是必然選擇。
要積極發(fā)展水電，挖掘水能資源潛力，重視抽水蓄能電站的發(fā)展布局。安全高效發(fā)展核電，在沿海適宜廠址建設(shè)大型先進核電項目，并示范檢驗多用途小堆核電項目在園區(qū)綜合能源、供熱、海水淡化等應(yīng)用場景的安全經(jīng)濟適用性（如中核集團“玲龍一號”項目已在海南開工），待驗證后可有序在北方采暖地區(qū)甚至內(nèi)陸地區(qū)推廣；具有更高安全水平、滿足內(nèi)陸建設(shè)條件的四代核電技術(shù)經(jīng)示范后也應(yīng)有序部署。風(fēng)電和太陽能發(fā)電具有較高的資源容量上限，是我國未來發(fā)電量的主要貢獻者，但其發(fā)展需要大量的靈活性資源與之配套。我國天然氣發(fā)電受資源供應(yīng)能力限制，并不能發(fā)展成為類似歐美國家那般的過渡電源。但天然氣發(fā)電作為優(yōu)質(zhì)的靈活性電源，對未來一段時期內(nèi)建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)將發(fā)揮積極作用，而基荷天然氣機組只能因地制宜、以地方可負(fù)擔(dān)為前提適度發(fā)展。
本文認(rèn)為，2020—2030年期間，煤電裝機規(guī)模仍可能有小幅增長，期間煤電政策的核心關(guān)鍵詞是“嚴(yán)控規(guī)?！焙汀按罅D(zhuǎn)型”，因此煤電的電量支撐、靈活服務(wù)和電力保障的基礎(chǔ)地位不會發(fā)生根本性變化，期間要解決好其他穩(wěn)定可控電源的大力發(fā)展，煤電靈活性改造與抽蓄、氣電、儲能和需求響應(yīng)等靈活性資源的多元系統(tǒng)發(fā)展問題。而展望2035年后，在碳排放深度減排的約束下，新能源開始逐步替代存量煤電電量，煤電的電量支撐角色會逐步弱化直至最終退出。在此進程中，其他穩(wěn)定可控電源的有效供給將成為很大的挑戰(zhàn)?？赡艿慕鉀Q方案如下：部分應(yīng)退役的煤電機組可封存為戰(zhàn)略備用機組，部分適宜改造的機組進行碳捕獲改造，并與摻燒生物質(zhì)燃料協(xié)同；可再生能源轉(zhuǎn)向就地開發(fā)、就地消納和轉(zhuǎn)化模式為主，電網(wǎng)運行從大容量、遠(yuǎn)距離輸電轉(zhuǎn)向就地平衡為主、大電網(wǎng)提供備用支撐為輔，這種電源開發(fā)和電網(wǎng)運行模式的轉(zhuǎn)變也將適度降低對穩(wěn)定調(diào)節(jié)型電源的需求；在生態(tài)優(yōu)先的原則下積極開發(fā)大型可調(diào)節(jié)水電資源，利用非常規(guī)選址資源（如廢棄的煤礦礦井）繼續(xù)大力發(fā)展抽水蓄能電站；因地制宜發(fā)展天然氣發(fā)電，特別是調(diào)節(jié)性能好的調(diào)峰氣電；大型三代核電、多用途小堆和四代核電的有序部署、示范與應(yīng)用；可再生制氫與氫作為載能體提供長時儲能能力，和其他長時儲能技術(shù)共同示范與部署。2035年以后，隨著交通電氣化的深度提升，無處不在的電池儲能在靈活的商業(yè)模式和有效的經(jīng)濟激勵引導(dǎo)下，將極大提升短時和日內(nèi)尺度的系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。
對碳中和目標(biāo)內(nèi)涵的不同理解下，即便是狹義的二氧化碳中和，電力系統(tǒng)也要實現(xiàn)零碳；而廣義的溫室氣體中和則要求電力系統(tǒng)貢獻負(fù)碳。日前，中國氣候變化事務(wù)特使解振華明確表示中國2060年前要實現(xiàn)全部溫室體系碳中和，不只是二氧化碳。因此，2060年仍保留大量的高碳排放的常規(guī)煤電機組顯然與碳中和目標(biāo)相悖。長期來看，常規(guī)煤電的壓艙石地位不再，將在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過程中逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)節(jié)電源、補充電源、備用電源、直至完全退出。考慮到僅是煤電加CCS只能變成低排放電源，而BECCS改造則成為遠(yuǎn)期適度留存煤電和實現(xiàn)電力負(fù)碳的可行選擇。根據(jù)生物質(zhì)資源量和要求實現(xiàn)的負(fù)碳規(guī)模，遠(yuǎn)期BECCS改造機組可考慮為2—3億千瓦規(guī)模，按照50%的摻燒率（實物量單位）和90%的捕獲率，貢獻2.2—3億噸二氧化碳當(dāng)量的負(fù)碳規(guī)模。考慮到2060年航空與遠(yuǎn)洋貨運、化工和工業(yè)工程和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“不得不排放”的二氧化碳體量約在15—20億噸，而森林碳匯的合理貢獻估值在10億噸左右，因此煤電BECCS貢獻的負(fù)碳很可能成為保障整個能源系統(tǒng)脫碳的“壓艙石”。
如果關(guān)于遠(yuǎn)期煤電角色的判斷方向不錯的話，考慮到煤電不少于30年的服役期，“十四五”的煤電政策空間其實已非常有限?！笆奈濉睍r期是我國落實“雙碳”目標(biāo)的起步階段，也是實現(xiàn)經(jīng)濟綠色轉(zhuǎn)型、參與國際氣候博弈的關(guān)鍵時期，僅出于短期供電安全考慮，大規(guī)模增加煤電項目將帶來多方面不利影響。無論是從可能引發(fā)的產(chǎn)能過剩風(fēng)險，還是長期電力轉(zhuǎn)型中的煤電資產(chǎn)擱置風(fēng)險和轉(zhuǎn)型成本角度看，都不應(yīng)繼續(xù)大建煤電。從氣候政策的角度看，習(xí)近平主席在國家領(lǐng)導(dǎo)人層面上明確要嚴(yán)控煤電項目，充分說明了在全球氣候政策博弈的進程中，煤電問題已不是單純國內(nèi)能源政策和電力供應(yīng)問題，繼續(xù)興建煤電顯然不利于我國在新時期引領(lǐng)國際氣候進程和參與國際合作。
(本文作者袁家海系華北電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院教授，并與張浩楠共同供職于華北電力大學(xué)新能源電力與低碳發(fā)展研究北京市重點實驗室)
參考文獻：
[1]國網(wǎng)能源研究院.《中國能源電力發(fā)展展望2019》,2019.12.
[2]全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織.《中國“十四五”電力發(fā)展規(guī)劃研究》,2020.06.
[3]電力規(guī)劃設(shè)計總院.《中國電力發(fā)展報告2019》,2020.08.
[4]中國電力企業(yè)聯(lián)合會.《電力行業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃研究》,2020.12.
[5]華北電力大學(xué).《“十四五”電力行業(yè)煤炭消費控制政策研究》,2021.06.
[6]BP.《BP世界能源統(tǒng)計年鑒2021》,2021.07.
[7]Nestor A. Sepulveda et al. The Role of Firm Low-Carbon Electricity Resources in Deep Decarbonization of Power Generation[J]. Joule, 2018, 2(11): 2403-2420.
[8]Tuttman, M. & Litzelman, S. Why Long-Duration Energy Storage Matters [EB/OL]. (ARPA-E, 2020); https://arpa-e.energy.gov/news-and-media/blog-posts/why-long-duration-energy-storage-matters (accessed 20 October 2020).
[9]Sepulveda Nestor A.,Jenkins Jesse D.,Edington Aurora,Mallapragada Dharik S.,Lester Richard K.. The design space for long-duration energy storage in decarbonized power systems[J]. Nature Energy,2021,6(5)
