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本文選自中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》2022年第3期
作者：舒印彪 ，謝典 ，趙良 ，高亞靜 ，趙勇 ，周朝陽
來源：碳中和目標(biāo)下我國(guó)再電氣化研究[J].中國(guó)工程科學(xué),2022,24(3):195-204.
編者按
我國(guó)已將碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)總體布局，電力在引領(lǐng)綠色發(fā)展中將發(fā)揮更加重要的作用。再電氣化是推進(jìn)能源清潔利用、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的主要途徑，為此，實(shí)施再電氣化，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)側(cè)“清潔替代”和能源消費(fèi)側(cè)“電能替代”，對(duì)我國(guó)如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)具有重要意義。
中國(guó)工程院舒印彪院士研究團(tuán)隊(duì)在中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》2022年第3期發(fā)表《碳中和目標(biāo)下我國(guó)再電氣化研究》一文。文章剖析了再電氣化的核心內(nèi)涵，結(jié)合基本國(guó)情及資源稟賦，提出以再電氣化助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展；按照“終端能源需求—能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)—一次能源結(jié)構(gòu)”的研究框架，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、政策、環(huán)境等要素，分析了不同情景下我國(guó)能源電力演變趨勢(shì)，提出再電氣化發(fā)展前景。文章研究表明，實(shí)施再電氣化將有力推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，2060 年非化石能源消費(fèi)比重達(dá)80%以上、清潔能源發(fā)電量比重達(dá)90%、終端電能消費(fèi)比重達(dá)70%。研究建議，一是統(tǒng)籌協(xié)調(diào)好各行業(yè)碳預(yù)算與減排路徑，二是加快經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，三是推動(dòng)關(guān)鍵領(lǐng)域科技創(chuàng)新，四是完善電力市場(chǎng)、碳市場(chǎng)體系建設(shè)。
一、前言
氣候變化是人類面臨的共同挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)外已有多個(gè)國(guó)家和地區(qū)提出碳中和目標(biāo)并已開展了一系列行動(dòng)計(jì)劃]。我國(guó)始終高度重視應(yīng)對(duì)氣候變化，堅(jiān)持節(jié)能優(yōu)先、綠色發(fā)展，2016年簽署了《巴黎協(xié)定》并不斷加大國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，2020年9月正式宣布CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)峰、努力爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。
能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型是碳中和行動(dòng)的主要技術(shù)手段，對(duì)國(guó)家能源安全、可持續(xù)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)等均具有重要意義。能源轉(zhuǎn)型的核心是大幅減少化石能源消費(fèi)、大力發(fā)展可再生能源，90%以上非化石能源需要通過轉(zhuǎn)化為電能加以利用，因此，再電氣化是推進(jìn)能源清潔利用、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的主要途徑。再電氣化的內(nèi)涵包括清潔化、電氣化、數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化，即在能源生產(chǎn)側(cè)實(shí)現(xiàn)“清潔替代”，增加清潔能源供應(yīng)；在能源消費(fèi)側(cè)推進(jìn)“電能替代”，建設(shè)高度電氣化社會(huì)；通過數(shù)字化為能源電力賦能，實(shí)現(xiàn)高度感知、雙向互動(dòng)、靈活高效；以標(biāo)準(zhǔn)化促進(jìn)科技創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化，建設(shè)與國(guó)際接軌的碳標(biāo)準(zhǔn)體系，推動(dòng)低碳技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)升級(jí)和成果共享。
在終端電氣化推進(jìn)方面，許多學(xué)者開展了相關(guān)研究，包括電能替代的戰(zhàn)略路徑、挑戰(zhàn)與潛力分析等。再電氣化本質(zhì)是高效利用清潔能源，以清潔電能替代化石能源直接消費(fèi)，其不僅涉及能源系統(tǒng)本身的轉(zhuǎn)型升級(jí)，更是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)變革。有研究結(jié)合我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，從價(jià)格彈性和技術(shù)擴(kuò)散的角度，分析“電能替代”“多能互補(bǔ)”等轉(zhuǎn)型模式的科學(xué)性和可行性。對(duì)于可再生能源發(fā)展的影響，雖然大部分學(xué)者認(rèn)為其有助于社會(huì)發(fā)展，但也有觀點(diǎn)認(rèn)為需要區(qū)分不同國(guó)家、不同地區(qū)進(jìn)行研究、討論。
綜上所述，實(shí)施再電氣化推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)低碳轉(zhuǎn)型，需要堅(jiān)持系統(tǒng)觀念，充分考慮能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境各要素，提出科學(xué)合理的發(fā)展路徑。本文從再電氣化的內(nèi)涵出發(fā)，分析其發(fā)展需求、重點(diǎn)推進(jìn)領(lǐng)域及主要影響因素，以力爭(zhēng)2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和為目標(biāo)，構(gòu)建模型研究我國(guó)再電氣化路徑，提出對(duì)策建議。
二、再電氣化需求分析
（一）環(huán)境驅(qū)動(dòng)力
現(xiàn)階段，我國(guó)面臨著日益嚴(yán)重的局地大氣污染物和CO2減排雙重壓力。大氣污染物與CO2排放的同根同源性、措施的同效性使得兩者之間的協(xié)同控制具有較大潛力，主要調(diào)控措施是以可再生能源大規(guī)模替代傳統(tǒng)化石能源。目前我國(guó)CO2排放量巨大，約占世界CO2排放總量的28%，碳減排任務(wù)艱巨，對(duì)化石能源減量控制和環(huán)境污染物治理，要求我國(guó)加強(qiáng)節(jié)能措施和“雙高”產(chǎn)業(yè)管控，加快開發(fā)利用清潔能源提升電氣化水平。
（二）經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力
以能源革命推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展成為當(dāng)前世界的主流。改革開放以來，經(jīng)過40年發(fā)展，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展步入新常態(tài)，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式需要培育新的支柱產(chǎn)業(yè)和新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，促進(jìn)我國(guó)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。能源行業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的傳統(tǒng)支柱行業(yè)，對(duì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有重要影響，一方面能源產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，另一方面能源作為重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，對(duì)其他行業(yè)發(fā)展的支撐作用至關(guān)重要。當(dāng)前，我國(guó)已進(jìn)入新發(fā)展階段，要求加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與轉(zhuǎn)型升級(jí)。2020年9月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)等4部委聯(lián)合發(fā)文提出擴(kuò)大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)投資、培育壯大新增長(zhǎng)點(diǎn)和增長(zhǎng)極，涉及新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、高端裝備制造產(chǎn)業(yè)、新能源產(chǎn)業(yè)等。2020年11月，國(guó)務(wù)院發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》，電動(dòng)汽車將進(jìn)入快速發(fā)展階段。《“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)建議》再次強(qiáng)調(diào)，將加快發(fā)展現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，推進(jìn)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化。根據(jù)預(yù)測(cè)，僅“十四五”期間，“新基建”直接用電需求將達(dá)到6.5×1011~7×1011 kW·h，占全社會(huì)用電量的7%~7.6%。我國(guó)產(chǎn)業(yè)調(diào)整和高質(zhì)量發(fā)展，帶來電能需求快速增長(zhǎng)，成為實(shí)施再電氣化的有力推手。
（三）技術(shù)驅(qū)動(dòng)力
在能源生產(chǎn)側(cè)，以風(fēng)電、光伏為代表的清潔發(fā)電技術(shù)處于快速發(fā)展期。據(jù)國(guó)際可再生能源署（IRENA）分析，2010年以來光伏發(fā)電成本下降了82%，是成本下降最快的發(fā)電技術(shù)，風(fēng)電、光伏進(jìn)入平價(jià)上網(wǎng)階段，高參數(shù)、超低排放的燃煤發(fā)電技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，碳捕獲與封存 / 二氧化碳捕集、利用與封存（CCS/CCUS）、生物能源與碳捕獲和儲(chǔ)存（BECCS）等零碳或負(fù)碳技術(shù)正在加大力度研發(fā)。在能源消費(fèi)側(cè)，電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力和電耗水平進(jìn)步顯著，我國(guó)純電動(dòng)乘用車電耗平均值已降至8.6 Wh/(100 km·kg），節(jié)能效果顯著，快充技術(shù)正在不斷發(fā)展；電弧爐、電窯爐等工業(yè)電力設(shè)備已具備推廣應(yīng)用價(jià)值；高效熱泵、蓄熱式電鍋爐等清潔供暖方式正在逐步推廣應(yīng)用。此外，智能用電、新型儲(chǔ)能、智慧能源管理、需求響應(yīng)等技術(shù)快速進(jìn)步，為再電氣化發(fā)展提供了技術(shù)支撐。
三、再電氣化重點(diǎn)領(lǐng)域及關(guān)鍵影響因素
（一）重點(diǎn)領(lǐng)域
再電氣化的關(guān)鍵路徑是全面提升清潔能源的利用程度。從重點(diǎn)領(lǐng)域看，主要涉及終端的工業(yè)、建筑、交通三大部門以及實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換的電力部門。如圖1所示，電力部門通過發(fā)電將清潔能源大規(guī)模轉(zhuǎn)換為清潔電力，工業(yè)、建筑、交通等部門擴(kuò)大電能使用規(guī)模和范圍，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全社會(huì)清潔能源高效開發(fā)利用。
圖1 再電氣化重點(diǎn)領(lǐng)域
1. 工業(yè)部門
目前工業(yè)部門能源消費(fèi)量占終端能源消費(fèi)總量的占比超過60%，且以化石能源為主，電氣化率僅為26%，碳排放占全國(guó)能源相關(guān)碳排放的37%。鋼鐵、水泥、化工等重點(diǎn)高耗能、高排放行業(yè)是工業(yè)減排的重點(diǎn)，也是電能替代的重要領(lǐng)域，未來需要大力提升能效和電氣化水平，降低工業(yè)化石能源需求。
2. 建筑部門
建筑能源主要用于供暖、制冷、照明、炊事、家用電器、生活熱水等方面，從能源形式看，主要是電能和熱能，建筑熱力需求以低品位熱能為主，能通過高效的電熱泵、電鍋爐等技術(shù)滿足。建筑部門當(dāng)前的電氣化率已超過40%，是終端電氣化率最高的部門，未來仍具有巨大提升潛力，用電能替代建筑領(lǐng)域的煤炭、石油、天然氣消費(fèi)，將大幅減少二氧化碳和污染物排放。
3. 交通部門
交通部門包括公路、鐵路（含城市軌道交通）、航運(yùn)、航空與管道運(yùn)輸，能源消費(fèi)以石油為主，電氣化率尚不足4%，是目前化石能源占比最高的終端部門。公路是交通部門的主要用能領(lǐng)域，隨著新能源汽車的快速發(fā)展，有望實(shí)現(xiàn)高度電氣化，大幅減少燃油汽車使用；目前鐵路的電氣化率已達(dá)70%以上，未來將繼續(xù)穩(wěn)步推進(jìn)電能替代；在航運(yùn)和航空方面，電能亦將在港口岸電、短途運(yùn)輸?shù)确矫姘l(fā)揮一定作用。
4. 電力部門
電力系統(tǒng)是目前碳排放最高的部門，同時(shí)又是能源轉(zhuǎn)換平臺(tái)，是能源生產(chǎn)側(cè)和能源消費(fèi)側(cè)的樞紐環(huán)節(jié)，在規(guī)模高效利用清潔能源、推動(dòng)全社會(huì)實(shí)現(xiàn)碳中和方面將發(fā)揮主要作用。隨著清潔能源占比不斷提升，核能、水能、風(fēng)能、太陽能等大規(guī)模轉(zhuǎn)換為電能，形成多能協(xié)同、互聯(lián)集成的低碳電力系統(tǒng)，在消費(fèi)側(cè)發(fā)揮電能清潔、高效、靈活、便捷的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)深度節(jié)能減排。
（二）關(guān)鍵影響因素
1. 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)
不同產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)能源強(qiáng)度差異較大，通常第三產(chǎn)業(yè)能源強(qiáng)度遠(yuǎn)低于第二產(chǎn)業(yè)。鋼鐵、水泥、乙烯等高耗能產(chǎn)業(yè)單位產(chǎn)值能耗水平高，且對(duì)能源需求多為高品位熱能，以化石能源消耗為主，是通過提高電氣化水平促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)的關(guān)鍵領(lǐng)域。高端制造業(yè)、服務(wù)業(yè)、新一代信息技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)消耗能源以電能為主，產(chǎn)業(yè)發(fā)展將助力提升全社會(huì)電氣化水平。
2. 能效水平
能效水平的提升與節(jié)能管理、技術(shù)進(jìn)步密切相關(guān)。隨著節(jié)能水平的提升，余能回收利用程度提高，將降低終端有效能的需求總量。在已有的各種終端用能技術(shù)中，電能利用效率最高，因此增加電能使用成為提升能效水平的重要措施。
3. 電能替代技術(shù)
電能替代技術(shù)的廣泛應(yīng)用直接推動(dòng)終端電氣化水平提升。電能替代技術(shù)可應(yīng)用于工業(yè)、建筑、交通多個(gè)領(lǐng)域，從技術(shù)層面分析，絕大多數(shù)行業(yè)、場(chǎng)景均可采用電能替代終端化石能源，電動(dòng)汽車、熱泵、電鍋爐、電窯爐等技術(shù)逐步成熟。從經(jīng)濟(jì)性考慮，目前電能在終端應(yīng)用的成本總體較高，尚不具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)，通過降低可再生能源發(fā)電成本以及通過碳市場(chǎng)機(jī)制提高其綜合成本競(jìng)爭(zhēng)力，有望使電能更具經(jīng)濟(jì)性。
4. 氫能等的發(fā)展與應(yīng)用
氫能、生物燃料及其他合成燃料在工業(yè)、建筑、交通等多個(gè)領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛地被推廣應(yīng)用。在一些低品位用能領(lǐng)域，生物燃料可直接利用；在能量密度要求較高、難以直接電氣化的應(yīng)用領(lǐng)域，氫能、生物燃料等也將發(fā)揮補(bǔ)充作用。隨著綠氫制備技術(shù)的逐步成熟，氫能的使用比重提升也將提高用電需求，間接推動(dòng)電氣化。
5. 非化石能源開發(fā)利用水平
在能源生產(chǎn)側(cè)，主要通過大規(guī)模開發(fā)非化石能源發(fā)電，尤其是風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電來實(shí)現(xiàn)再電氣化。新能源高質(zhì)量發(fā)展是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，新能源發(fā)電平準(zhǔn)化度電成本和并網(wǎng)友好性是實(shí)現(xiàn)深度再電氣化的關(guān)鍵要素。此外，先進(jìn)水電和核電技術(shù)將成為能源生產(chǎn)側(cè)再電氣化的重要補(bǔ)充。
6. CCS/CCUS、BECCS等零碳或負(fù)碳技術(shù)
基于可預(yù)見的技術(shù)發(fā)展，煤電等可控電源在保障電力系統(tǒng)安全、支撐新能源等波動(dòng)性電源發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。煤電或天然氣發(fā)電機(jī)組等主要通過加裝CCS/CCUS減少二氧化碳排放，因此未來CCS/CCUS技術(shù)將得到更快發(fā)展以保障碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。此外，還可在推動(dòng)生物質(zhì)發(fā)電的同時(shí)應(yīng)用BECCS技術(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)碳，在一定程度上支撐必要的化石能源應(yīng)用。
7. 碳市場(chǎng)、電力市場(chǎng)建設(shè)
碳市場(chǎng)是引導(dǎo)社會(huì)減排的重要市場(chǎng)化手段，國(guó)外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，碳市場(chǎng)在推動(dòng)綠色轉(zhuǎn)型方面發(fā)揮著重要作用。2013年，我國(guó)在7個(gè)省市啟動(dòng)了碳市場(chǎng)交易地方試點(diǎn)。2021年，我國(guó)碳市場(chǎng)正式運(yùn)行，成為全球涵蓋碳排放量規(guī)模最大的碳市場(chǎng)。我國(guó)陸續(xù)出臺(tái)多項(xiàng)全國(guó)碳市場(chǎng)建設(shè)相關(guān)政策，配額也將逐步從免費(fèi)分配轉(zhuǎn)變?yōu)橛袃敺峙洌瑢⒂欣谔嵘稍偕茉吹木C合競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)電氣化水平提高。
電力市場(chǎng)在促進(jìn)新能源消納，發(fā)揮煤電調(diào)頻調(diào)峰輔助服務(wù)，充分挖掘電動(dòng)汽車等需求側(cè)負(fù)荷響應(yīng)方面具有重要作用。我國(guó)已建成32個(gè)地區(qū)電力交易中心和2個(gè)區(qū)域電力交易中心，電力市場(chǎng)交易以電能量直接交易為主，在容量市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)等方面還有待進(jìn)一步完善。
四、再電氣化路徑
（一）研究思路
從終端用能需求出發(fā)，綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、政策等因素，根據(jù)宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、人口變化、城鎮(zhèn)化率、能源替代等要素，預(yù)測(cè)終端用能結(jié)構(gòu)?；谀茉促Y源稟賦及當(dāng)前能源供給結(jié)構(gòu)、發(fā)電裝機(jī)規(guī)模等現(xiàn)狀，充分考慮各類能源轉(zhuǎn)換技術(shù)（發(fā)電、供熱、制氫等）、儲(chǔ)能技術(shù)等的成熟度和發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合能源安全、碳排放和污染物排放控制等約束，得到優(yōu)化的一次能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)和能源加工轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)（主要體現(xiàn)為發(fā)電量結(jié)構(gòu)），從而提出我國(guó)再電氣化的前景及路徑。
（二）主要評(píng)價(jià)指標(biāo)
再電氣化與傳統(tǒng)電氣化的主要區(qū)別在于目標(biāo)是構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源系統(tǒng)，以電能為平臺(tái)樞紐，實(shí)現(xiàn)各種能源交匯轉(zhuǎn)換，保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。傳統(tǒng)電氣化的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是發(fā)電能源占一次能源消費(fèi)比重和電能占終端能源消費(fèi)比重。由于再電氣化的內(nèi)涵與傳統(tǒng)電氣化產(chǎn)生了差異，再電氣化不僅是提高電能比重，更是實(shí)現(xiàn)整體能源系統(tǒng)的低碳化和高效化。根據(jù)再電氣化的目標(biāo)要求，可將其特征概括為4個(gè)維度：電力生產(chǎn)清潔低碳、電力消費(fèi)廣泛普遍、電力系統(tǒng)安全可靠、用電用能經(jīng)濟(jì)高效。以這4個(gè)特性作為一級(jí)指標(biāo)構(gòu)建再電氣化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示。
表1 再電氣化評(píng)價(jià)指標(biāo)
表1中，1~6項(xiàng)體現(xiàn)了再電氣化的核心內(nèi)涵，為關(guān)鍵指標(biāo)；7~12項(xiàng)是體現(xiàn)再電氣化經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益的指標(biāo)，為輔助性指標(biāo)。開展再電氣化進(jìn)程的定量研究時(shí)，宜主要采用1~6項(xiàng)指標(biāo)為主要評(píng)價(jià)依據(jù)。
表1中，“含P2H的電能占終端能源消費(fèi)比重”（用α表示）主要是為了體現(xiàn)未來電力作為轉(zhuǎn)換能源的作用，將電能制取的氫能等其他終端能源折算為消耗的電能。計(jì)算公式如下：
上式中，E終為終端能源消費(fèi)總量，H為終端消耗的通過電能制取的氫能等能源，Ph為制備氫能等能源消耗的電能。
（三）情景設(shè)置
以2060年前我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和為目標(biāo)，倒逼能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型和社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整。當(dāng)前我國(guó)森林、海洋等碳匯存量?jī)H6×108~7×108 t，考慮未來生態(tài)碳匯增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2060年也不超過1.5×109 t，同時(shí)考慮工業(yè)過程二氧化碳排放與非二氧化碳溫室氣體等尚無有效減排途徑，生態(tài)碳匯將主要分配于這些領(lǐng)域，能源系統(tǒng)只能保留少量化石能源消費(fèi)，電力行業(yè)著力構(gòu)建零碳新型電力系統(tǒng)。到2060年，電力系統(tǒng)保留的火電排放的CO2將全部通過加裝CCS/CCUS、BECCS等移除，情景相關(guān)設(shè)定詳見表2。
（四）路徑分析
1. 碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下的能源電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)
（1）一次能源消費(fèi)中，非化石能源占比和發(fā)電能源占比快速提高。非化石能源來源廣泛，除了主要用于發(fā)電的風(fēng)能、太陽能等之外，還包括太陽能直接熱利用、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)直接利用等，將構(gòu)成一次能源的主要部分。由于消費(fèi)側(cè)電能替代不斷加強(qiáng)，電能需求量持續(xù)上漲，直接用于終端消費(fèi)的能源持續(xù)降低，發(fā)電能源占比持續(xù)提升。我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)如圖2所示。2020年，我國(guó)一次能源消費(fèi)中，非化石能源占比和發(fā)電能源占比分別為16%和47%。預(yù)計(jì)2030年，一次能源消費(fèi)總量將達(dá)到峰值的5.7×109 tce，非化石能源占比和發(fā)電能源占比分別達(dá)到28%和57%。2060年，一次能源消費(fèi)總量將降至4.8×109 tce，非化石能源消費(fèi)占比達(dá)到85%，發(fā)電能源占比達(dá)到91%。
（2）電力行業(yè)碳減排加速將成為全社會(huì)低碳轉(zhuǎn)型的主力軍。2020年，我國(guó)電力行業(yè)碳排放量約占全國(guó)碳排放總量的38%，非化石能源發(fā)電量占比達(dá)到34%。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，要大力推動(dòng)電力生產(chǎn)低碳化，統(tǒng)籌好電力保障與清潔發(fā)展，在西部北部建設(shè)多能互補(bǔ)大型清潔能源基地，大力發(fā)展海上風(fēng)電，東中部因地制宜發(fā)展分布式能源；積極開發(fā)西南水電，在確保安全前提下積極有序發(fā)展核電；實(shí)現(xiàn)火電由電量提供主體向電力提供主體的功能轉(zhuǎn)變，推動(dòng)碳捕集、利用與封存技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，促進(jìn)電力系統(tǒng)向零碳方向發(fā)展。
圖2 我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)
表2 關(guān)鍵影響因素及相關(guān)設(shè)定
2030年前，電力行業(yè)碳排放達(dá)到峰值的4.5×109 t左右，經(jīng)歷34年平臺(tái)期后快速下降，2060年前實(shí)現(xiàn)電力零碳排放。我國(guó)發(fā)電量結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)如圖3所示。2030年，我國(guó)總發(fā)電量為1.18×1013 kW·h，非化石能源發(fā)電量占比和新能源發(fā)電量占比分別為49%和26%。2060年，總發(fā)電量達(dá)到1.57×1013 kW·h，非化石能源發(fā)電量占比達(dá)到90%，新能源發(fā)電量占比達(dá)到64%，電力裝機(jī)達(dá)7×109 kW，其中新能源裝機(jī)超過5×109 kW。
2. 終端電氣化水平的發(fā)展趨勢(shì)
（1）終端能源消費(fèi)總量持續(xù)降低，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，能效水平顯著提升。2020年，我國(guó)終端能源消費(fèi)約為3.5×109 tce，工業(yè)、建筑、交通和其他部門用能占比分別為61%、22%、14%和3%。隨著落后產(chǎn)能不斷被淘汰，城鎮(zhèn)化率持續(xù)提升并趨于穩(wěn)定，對(duì)鋼鐵、水泥等高耗能產(chǎn)品的需求減少，高端制造業(yè)、信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)和服務(wù)業(yè)成為未來終端能源的消耗主體，工業(yè)用能占比不斷降低，建筑和交通部門用能占比穩(wěn)步提高，預(yù)計(jì)到2060年，我國(guó)終端能源消費(fèi)量為2.2×109 tce，工業(yè)、建筑、交通和其他部門用能占比分別為49%、27%、22%和2%。
（2）電能成為終端消費(fèi)的主要能源，終端化石能源燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放占能源活動(dòng)碳排放的一半以上，隨著低碳轉(zhuǎn)型的深度推進(jìn)，必須加快以電代煤、以電代油、以電代氣，以清潔、高效、便捷的電能滿足更多用能需求。終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)如圖4所示，預(yù)計(jì)到2060年，電能占終端能源消費(fèi)比重達(dá)到70%。在工業(yè)領(lǐng)域，推廣工業(yè)電爐、高溫蒸汽熱泵等電能裝備應(yīng)用，深度拓展工業(yè)電氣化，提高綜合能效和綠色用能水平。在建筑領(lǐng)域，應(yīng)積極推進(jìn)建筑供冷供暖電氣化，健全市場(chǎng)化改造機(jī)制，鼓勵(lì)利用建筑屋頂、墻壁發(fā)展分布式光儲(chǔ)系統(tǒng)。在交通領(lǐng)域，未來應(yīng)大力發(fā)展電動(dòng)汽車、軌道交通、港口岸電等，形成交通綜合能源系統(tǒng)。預(yù)計(jì)到2030年，工業(yè)、建筑、交通電氣化率分別為40%、51%和10%，到2060年分別達(dá)71%、81%和54%。
圖3 我國(guó)發(fā)電量結(jié)構(gòu)
圖4 我國(guó)終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)
（3）在難以實(shí)現(xiàn)直接電氣化的領(lǐng)域，主要通過綠氫、生物質(zhì)等低碳能源以及“化石能源+CCS/CCUS”等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)減碳。在燃料方面，對(duì)于能量密度要求較高的用能領(lǐng)域，電能較難完全替代化石能源。在工業(yè)領(lǐng)域，長(zhǎng)流程煉鋼過程中高爐煉鐵、燒結(jié)、焦化等工藝環(huán)節(jié)較難使用電能，水泥煅燒的燃煤窯爐尚不能采用電窯爐進(jìn)行替代，化工行業(yè)中純堿、燒堿、合成氨等產(chǎn)品制備的熱力需求難以全部用電鍋爐滿足，其他的大部分輕工產(chǎn)業(yè)所需要的熱力、動(dòng)力均可實(shí)現(xiàn)電氣化。在建筑領(lǐng)域，從技術(shù)層面看，除嚴(yán)寒地區(qū)的供暖難以利用電能外，其他用能領(lǐng)域均可全面推進(jìn)電氣化。在交通領(lǐng)域，盡管電動(dòng)重卡、電動(dòng)船舶已有應(yīng)用，電動(dòng)飛機(jī)也在研發(fā)中，但預(yù)計(jì)主要用于短途運(yùn)輸，長(zhǎng)距離重載公路貨運(yùn)、遠(yuǎn)洋船舶、遠(yuǎn)程航空等方面仍較難實(shí)現(xiàn)電氣化。在原料方面，工業(yè)原料帶來的碳排放無法通過電氣化移除，需要發(fā)展低碳原料實(shí)現(xiàn)減排。到2060年，電制氫在終端能源消費(fèi)中占比達(dá)到10%，含P2H的電能占終端能源消費(fèi)比重將超過80%。
（五）綜合效益
（1）再電氣化有助于提升能源利用效率。在能源消費(fèi)側(cè)，電力設(shè)備效率遠(yuǎn)高于其他用能設(shè)備，工業(yè)領(lǐng)域的電窯爐效率可達(dá)85%，燃煤窯爐效率僅為30%；建筑供暖的熱泵能效比（COP）為35，傳統(tǒng)的燃煤鍋爐效率通常不足80%；電動(dòng)汽車百公里耗電約為20 kW·h，同類型燃油車百公里油耗為6~8 L，熱值約為5070 kW·h，考慮發(fā)電過程損失后，在諸多應(yīng)用領(lǐng)域提高電氣化率具有節(jié)能效益。隨著可再生能源發(fā)電比重的不斷提升，若按照電熱當(dāng)量法進(jìn)行折算，再電氣化對(duì)于提升能源綜合利用效率的作用將更加凸顯。
（2）再電氣化是規(guī)?；梅腔茉吹闹饕緩?，有利于實(shí)現(xiàn)集中控碳脫碳，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳中和。在能源生產(chǎn)側(cè)，電力是能源互聯(lián)集成的樞紐、清潔能源體系的核心，是唯一可以與其他能源直接大規(guī)模轉(zhuǎn)換的能源；在能源消費(fèi)側(cè)，通過綠色電力替代化石能源的直接消費(fèi)，改變傳統(tǒng)行業(yè)用能方式，是降低終端碳排放和污染物的有效手段。2020年，我國(guó)能源領(lǐng)域相關(guān)碳排放量約為9.9×109 t、終端能源消費(fèi)直接碳排放量為5.7×109 t，通過電力系統(tǒng)清潔化、終端用能電氣化，加快減少二氧化碳排放，再電氣化將為我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)貢獻(xiàn)80%以上的碳減排。
（3）再電氣化將推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，帶來產(chǎn)業(yè)、就業(yè)、環(huán)境等方面的綜合效益。電力不僅是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的動(dòng)力保障，也將帶動(dòng)能源技術(shù)與數(shù)字技術(shù)深度融合，推動(dòng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，再電氣化還將減少極端氣候事件、改善空氣質(zhì)量、提升人類健康水平，從而改善勞動(dòng)力供應(yīng)水平，提高民生福祉，減少醫(yī)療支出和社會(huì)總體碳成本，提升經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展質(zhì)量。2020—2060年，預(yù)計(jì)再電氣化相關(guān)投資規(guī)模累計(jì)將達(dá)到百萬億元級(jí)，有力促進(jìn)上下游產(chǎn)業(yè)聯(lián)動(dòng)，帶動(dòng)裝備和制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。2060年，再電氣化將帶來就業(yè)崗位增量達(dá)千萬個(gè)，由于減排改善了碳排放的負(fù)外部性，環(huán)境效益估值有望達(dá)十萬億元，在產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、再電氣化水平提升等共同推動(dòng)下，單位GDP能耗和碳排放強(qiáng)度分別較2020年下降80%和92%以上。
五、研究結(jié)論及對(duì)策建議
（一）研究結(jié)論
（1）本文以碳達(dá)峰、碳中和為目標(biāo)，提出了再電氣化的內(nèi)涵，包括清潔化、電氣化、數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化。在傳統(tǒng)電氣化評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出了再電氣化評(píng)價(jià)指標(biāo)，體現(xiàn)電能促進(jìn)綠色發(fā)展、作為能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換樞紐的作用。
（2）開展了我國(guó)再電氣化進(jìn)程定量研究，以碳中和為目標(biāo)，設(shè)定了情景參數(shù)研究我國(guó)再電氣化路徑。到2060年，我國(guó)能源系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)“70/80/90”目標(biāo)，即終端電能消費(fèi)比重達(dá)70%、非化石能源消費(fèi)比重達(dá)80%以上、清潔能源發(fā)電量比重達(dá)90%以上。
（3）能源生產(chǎn)側(cè)將大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電、太陽能發(fā)電等非化石能源發(fā)電，由于高比例的新能源接入將對(duì)電力系統(tǒng)安全產(chǎn)生巨大挑戰(zhàn)，預(yù)計(jì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)仍需要維持一定的煤電和天然氣發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)應(yīng)急備用、兜底保供和調(diào)峰調(diào)頻，所產(chǎn)生的二氧化碳排放通過碳捕集、封存和利用等技術(shù)移除。能源消費(fèi)側(cè)電能替代成為關(guān)鍵路徑，2060年，工業(yè)、建筑、交通領(lǐng)域電能消費(fèi)占比將分別達(dá)到71%、81%和54%，形成以電能為中心的清潔低碳安全高效能源體系。
（4）再電氣化將有助于經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)綜合能效提升、碳排放大幅下降。另一方面，再電氣化仍面臨經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、市場(chǎng)、體制等多方面挑戰(zhàn)，需要各地區(qū)、各行業(yè)協(xié)同努力，合力推進(jìn)清潔低碳發(fā)展與電能替代技術(shù)攻關(guān)，構(gòu)建良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，促進(jìn)全社會(huì)低碳發(fā)展。
（二）對(duì)策建議
1. 加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌推動(dòng)能源電力低碳轉(zhuǎn)型
統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各行業(yè)碳減排預(yù)算，特別是需綜合考慮電能替代其他能源引起的碳排放轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步明確電力行業(yè)碳預(yù)算。在電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型過程中，統(tǒng)籌清潔發(fā)展和能源安全，短期內(nèi)我國(guó)煤電仍是電力供應(yīng)的重要保障，中長(zhǎng)期煤電占比大幅下降、發(fā)揮靈活調(diào)節(jié)作用，應(yīng)針對(duì)不同時(shí)期制定相適應(yīng)、彼此銜接的政策，保障煤電實(shí)現(xiàn)功能定位轉(zhuǎn)變。充分利用多元化清潔能源、需求側(cè)資源保障電力供需平衡；在規(guī)劃層面，應(yīng)合理考慮新能源容量置信度，以科學(xué)合理方式參與電力平衡，發(fā)揮多元化清潔能源、需求側(cè)資源和傳統(tǒng)火電作用，全方位保障電力平衡。充分發(fā)揮電網(wǎng)的能源轉(zhuǎn)換樞紐和基礎(chǔ)平臺(tái)作用，加快完善以特高壓為骨干網(wǎng)架的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，著力打造可靠性高、互動(dòng)友好、經(jīng)濟(jì)高效的主動(dòng)配電網(wǎng)。
2. 堅(jiān)持節(jié)能優(yōu)先，加快經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐
強(qiáng)化節(jié)能提效，既要優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，又要大力推廣電氣化等高能效技術(shù)。加快經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，嚴(yán)控“雙高”產(chǎn)業(yè)無序擴(kuò)張，壓減落后產(chǎn)能，推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)高端化、智能化、綠色化，加快發(fā)展新一代信息技術(shù)、新能源、新材料、高端裝備等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。大力發(fā)展綜合能源服務(wù)，在工業(yè)領(lǐng)域廣泛推廣重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)和工業(yè)電爐應(yīng)用；在建筑領(lǐng)域深化建筑節(jié)能改造、提高綠色建筑比例、發(fā)展建筑分布式能源，實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展；在交通領(lǐng)域加快構(gòu)建節(jié)能高效的綜合交通運(yùn)輸體系，重點(diǎn)發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，加強(qiáng)充換電基礎(chǔ)設(shè)施和智慧車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
3. 加快科技創(chuàng)新，推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、示范和產(chǎn)業(yè)化整體布局
電力減排路徑設(shè)計(jì)要充分考慮技術(shù)突破前瞻性，加強(qiáng)科技戰(zhàn)略引領(lǐng)，制定/修訂新型電力系統(tǒng)科技發(fā)展規(guī)劃。持續(xù)加強(qiáng)碳中和、再電氣化相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和示范工程支持力度，完善配套政策體系，為產(chǎn)業(yè)化提供激勵(lì)政策。提前布局重大技術(shù)研發(fā)，力爭(zhēng)顛覆性技術(shù)實(shí)現(xiàn)重大突破，加快商業(yè)化應(yīng)用。推動(dòng)低碳清潔能源生產(chǎn) ? 分配 ? 流通 ? 消費(fèi)全環(huán)節(jié)技術(shù)進(jìn)步，高效低成本儲(chǔ)能、CCUS、氫能、終端高效用電等關(guān)鍵技術(shù)成熟度將對(duì)再電氣化推進(jìn)、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有深刻影響，應(yīng)提前布局，盡早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
4. 完善體制機(jī)制，建立電力市場(chǎng)、碳市場(chǎng)等政策體系
制定全國(guó)統(tǒng)一電力市場(chǎng)頂層設(shè)計(jì)方案和實(shí)施路線圖，從發(fā)電側(cè)、用電側(cè)雙向發(fā)力研究出臺(tái)相關(guān)政策，進(jìn)一步放開發(fā)/用電計(jì)劃，擴(kuò)大市場(chǎng)范圍，通過市場(chǎng)機(jī)制充分激發(fā)發(fā)/用電兩側(cè)消納新能源的潛能，形成“源荷互動(dòng)”的良好消納格局。在可再生能源消納責(zé)任權(quán)重下，對(duì)現(xiàn)有超額消納量與自愿認(rèn)購(gòu)綠色證書進(jìn)行優(yōu)化整合，依托綠色電力交易建立統(tǒng)一的綠色消費(fèi)認(rèn)證體系。做好消納責(zé)任權(quán)重、碳配額、碳稅等相關(guān)政策的統(tǒng)籌銜接，促進(jìn)碳市場(chǎng)、綠電市場(chǎng)和綠證市場(chǎng)的目標(biāo)協(xié)同、機(jī)制協(xié)同，形成同向合力。積極出臺(tái)綠色金融發(fā)展支持政策，通過出臺(tái)政策和制度使企業(yè)或項(xiàng)目的環(huán)境成本內(nèi)部化，更好發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制在綠色金融中的作用，激發(fā)相關(guān)產(chǎn)業(yè)參與綠色信貸的活力與積極性。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。
