中國儲能網(wǎng)訊:電力行業(yè)是我國碳排放大戶,占全行業(yè)排放總量近 40%。電力行業(yè)的 減排成效直接關系我國“雙碳”目標能否實現(xiàn)。本文闡述了我國電力行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和碳排放水平,預測了未來電力生產(chǎn)與消費總量,提出未來 40 年碳減排總量 30 億噸的目標。通過對比分析,確定我國電力行業(yè)可行的準零排放水平,提出不同場景下的減排路徑。對于構建新能源為主體的電力系統(tǒng),分析了資源開發(fā)、系統(tǒng)安全和經(jīng)濟性等面臨的制約因素,提出相應的對策措施和建議。
關鍵詞:碳達峰;碳中和;準零排放;新型電力系統(tǒng);系統(tǒng)安全
一、“雙碳”目標必將對中國電力行業(yè)產(chǎn)生巨大的影響
全球氣候變化日益成為人類生存和發(fā)展面臨的最為突出的非傳統(tǒng)安全威脅。應對氣候變化不僅是我國實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化面臨的最大挑戰(zhàn),同時也倒逼我國能源轉(zhuǎn)型、選擇綠色發(fā)展之路。對此,中國將采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于 2030 年前達到峰值,努力爭取 2060 年前實現(xiàn)碳中和。2020 年 10 月 29 日,中國共產(chǎn)黨第十九屆五次會議通過《中共中央關于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī) 劃和二〇三五年遠景目標的建議》,提出到 2035 年“廣泛形成綠色生產(chǎn)生活方式,碳排放達峰后穩(wěn)中有降,生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn),美麗中國建設目標基本實現(xiàn)”。2020 年 12 月 12 日,習近平主席在氣候雄心峰會上進一步宣布,到 2030 年,中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比 2005 年下降 65% 以上,非化石能源占一次能源消費比重將達到 25% 左右,風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到 12 億千瓦以上。中國成為全球主要排放國里首個設定碳中和目標期限的發(fā)展中國家, 這也是中國繼《巴黎協(xié)定》承諾的基礎上,在碳排放達峰時間和長期碳中和問題上設立的更高目標。
中國首次提出碳達峰碳中和的目標,引起了國際社會的極大關注。中國能源碳排放量占世界能源碳排放總量的比重為 28.8%。無論對于整個世界還是對于中國自身而言,中國探索到 21 世紀中葉實現(xiàn)“近零碳排放”的戰(zhàn)略路徑意義重大,對全球?qū)崿F(xiàn)碳達峰碳中和目標具有至關重要的作用。
電力行業(yè)是我國碳排放大戶,占能源行業(yè)排放總量四成多。因此,電力行業(yè)的減排成效關系到我國總減排目標能否實現(xiàn)。我國電力供給是以火電為主體的生產(chǎn)體系。根據(jù)國家能源局、國家統(tǒng)計局和中電聯(lián)發(fā)布數(shù)據(jù)整理,以裝機容量計,2021 年全國電力總裝機 23.77 億千瓦,火電裝機容量 13 億千瓦,占到 54.69%;以發(fā)電量計, 2021 年全國發(fā)電量為 8.11 萬億千瓦時,火力發(fā)電約占 64.5%?;痣娙匀徽冀^對主導地位。電力行業(yè)減排的重要工作是調(diào)整以碳基為基礎的能源發(fā)電形式,減少火力發(fā)電量。
可見,電力行業(yè)的碳減排任務十分艱巨。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展,電力需求還將大幅增長。碳達峰不是“沖高峰”,中國電力行業(yè)要實現(xiàn)碳中和目標,理論上意味著碳達峰后不僅不能新增碳基電力,而且還需要在目前的基礎上減少 50% 以上的火力(以燃煤為主)發(fā)電量。電力結構將需要革命性調(diào)整。這種調(diào)整不僅需要非碳基電力的增量替代與存量替代同時進行,還要保證電力體系的安全穩(wěn)定,促進經(jīng)濟、社會、環(huán)境多目標的協(xié)同發(fā)展。“雙碳”目標必將對中國電力行業(yè)未來 40 年的發(fā)展帶來深刻而巨大的影響。
二、電力行業(yè)碳排放現(xiàn)狀
經(jīng)過 10 余年的努力,我國電力結構持續(xù)優(yōu)化,節(jié)能效率不斷提升,低碳發(fā)展取得很大進步。2012 年-2021 年期間,我國總發(fā)電量由 4.98 萬億千瓦時增長至 8.11 萬億千瓦時,其中火電發(fā)電量占比從 78.6% 下降至 64.5%,可再生能源發(fā)電量占比從 15.6% 上升至 30.5%?;痣?以煤電 為主)比例不斷下降,可再生能源快速增長。根據(jù)國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,2021 年我國可再生能源裝機規(guī)模突破 10 億千瓦,風電、光伏發(fā)電裝機均突破 3 億千瓦,海上風電裝機躍居世界第一。2021 年,我國可再生能源新增裝機 1.34 億千瓦,占全國新增發(fā)電裝機的 76.1%。其中,水電新增 2349 萬千瓦、風電新增 4757 萬千瓦、光伏發(fā)電新增 5488 萬千瓦、生物質(zhì)發(fā)電新增 808 萬千瓦,分別占全國新增裝機的 13.3%、 27%、31.1% 和 4.6%。2021 年, 全國可再生能源發(fā)電量達 2.48 萬億千瓦時,占全社會用電量的 29.8%。其中,水電 13401 億千瓦時,同比下降 1.1%;風電 6526 億千瓦時,同比增長 40.5%; 光伏發(fā)電 3259 億千瓦時,同比增長 25.1%;生物質(zhì)發(fā)電 1637 億千瓦時,同比增長 23.6%。
此外,在過去的 10 年中火電機組容量等級持續(xù)向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展,裝機容量 6000 千瓦及以上電廠供電標準煤耗從 2010 年的 335 克/千瓦時下降至 2021 年的 302.5 克/千瓦時,提高了利用效率,有效地減少了碳排放。
據(jù)全球碳計劃 Global Carbon Project(GCP) 估算,2020 年全球范圍內(nèi)二氧化碳排放約為 341 億噸,受新冠肺炎疫情影響,近 10 年來首次出現(xiàn) 下降。其中我國排放約 100 億噸,較 2019 年下降 1.7%,仍然是世界碳排放最高的國家。
表1 2012-2021年我國能源發(fā)電量與占比 單位:億千瓦時
數(shù)據(jù)來源:中國電力企業(yè)聯(lián)合會、國家可再生能源中心、中國核能行業(yè)協(xié)會。
根據(jù)國際能源署 International Energy Agency (IEA)最新發(fā)布數(shù)據(jù)顯示,2021 年全球能源相關二氧化碳排放量約為 363 億噸,達到有史以來的最高水平。世界經(jīng)濟從新冠肺炎危機中強勁反彈,并嚴重依賴煤炭來推動這一增長。盡管 2021年可再生能源發(fā)電創(chuàng)下了有史以來最大的增長,但碳排放因能源需求的復蘇、惡劣的天氣和能源市場條件而加劇,特別是天然氣價格的飆升,導致更多的煤炭燃燒。全球二氧化碳排放量增加超過 20 億噸,按絕對值計算是歷史上最大的,遠遠抵消了前一年下降。截至目前,暫未有官方權威渠道公布 2021 年度世界各國的碳排放總量,2019-2020 年世界主要國家(地區(qū))碳排放總量見表 2。
表2 2019-2020世界主要國家(地區(qū))碳排放總量
根據(jù)對中國碳核算數(shù)據(jù)庫China Emission Accounts and Datasets(CEADs) 分析,2019 年和 2020 年我國電力行業(yè)碳排放分別約為 39.35 億噸和 46.24 億噸。2020 年單位千瓦時碳排放為 594 克,相比 2005 年的 848 克/千瓦時下降了約 30%,但仍然遠高于世界平均水平和美國、歐盟等發(fā)達國家(地區(qū))。由此可見,無論是總排放量還是單位千瓦時排放量,我國電力行業(yè)減排空間很大。
表 3 2020 年世界主要國家(地區(qū))發(fā)電量和碳排放有關指標
數(shù)據(jù)來源:根據(jù) BP 和中國碳核算數(shù)據(jù)庫整理計算所得。
三、電力行業(yè)準零排放目標確定
如前所述,2020 年我國電力行業(yè)年碳排放總量約 46.24 億噸,排放水平約 594 克/千瓦時。如果橫向比較,中國電力行業(yè)碳排放比全球 487克/千瓦時的平均水平仍然高出了22%。對比全球主要國家,電力生產(chǎn)碳排放量從低到高大致分成五個檔次: 1近零排放標準是單位千瓦時碳排放 100 克以下,國家有挪威、瑞典、瑞士、法國等; 2超低排放區(qū)間是100 克到 200 克之間,國家有新西蘭、加拿大、奧地利、芬蘭、丹麥、比利時等; 3低排放是 200 克到 300 克之間,國家有英國、匈牙利、西班牙、葡萄牙、意大利等; 4中排放是 300 克到 500 克之間,國家有德國、荷蘭、 智利、美國、捷克、土耳其、墨西哥、以色列等; 5高排放是 500 克以上,國家有日本、韓國、 希臘、愛沙尼亞、中國、印度、波蘭、澳大利亞、 南非等。
碳中和國家并不是意味著一噸碳都不排放,只是碳排放和碳匯集之間盡可能達到平衡。電力的低碳化是一個國家碳中和的先決條件。大部分發(fā)達國家在 2050 年實現(xiàn)碳中和目標的情境下,電力行業(yè)都要基本實現(xiàn)脫碳化(零排放)或者近零排放。比如歐盟 2050 綠色新政實現(xiàn)碳中和的情景下,預計電力行業(yè) 80% 以上的裝機都將是可再生能源裝機,部分國家甚至是 90% 以上。由此,本文通過研究比較全球主要國家電力行業(yè)的碳排放標準,提出我國電力行業(yè)合理的碳排放水平,確定電力行業(yè)的近零排放目標。
(一)碳達峰至碳中和期間,電力生產(chǎn)總量年均增長率為 2.1% ~ 2.3%
電力生產(chǎn)與實際GDP、資本存量和熟練勞動力人口(年齡為14~65)三個變量之間存在自然對數(shù)關系。在此,我們采用三變量模型預測電力消費量,然后通過電力生產(chǎn)與消費的對應關系,計算得到電力生產(chǎn)量。
在電力預測中,三個自變量影響最為敏感的是 GDP 的取值。長期的 GDP 準確預測難度很大。對于中國未來經(jīng)濟,本文以 2040 年為界,認為之前可以保持中速增長,采用年均增長率為4%的假定;此后將逐漸減緩,每 10年降 1 個百分點,2050 年增速在 2%,2060 年保持在 1% 左右。對于資本存量,采用永久庫存法估計整個經(jīng)濟中每年的實際資本存量。14 歲~65 歲人口采用《2020 年中國人口老齡化市場分析報告》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)并做了一定修正。我國從 2015 年開始,14 歲~65 歲人口數(shù)量從 9.96 億的峰值穩(wěn)步下降,目前已降到 2010 年 9.8 億的水平。本文預測從 2020 年,老齡化使得這一年齡段的人口每年減少 200 萬,2060 年將下降至 9 億。80% 受教育程度保持在 12 年左右。熟練勞動人口數(shù)量變化有一定減少,但質(zhì)量變化不大。未考慮全社會產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整對電力消費的影響。
在碳達峰至碳中和期間,電力生產(chǎn)總量是增加的,年均增長率 2.1%~2.3%。2015年至2060 年,全國電力生產(chǎn)總量,以及火電、水電、核電、 風電和太陽能發(fā)電量變化趨勢如圖 1。
圖 1 碳中和目標下主要電力發(fā)展過程
(二)電力行業(yè)排放標準確定
本文對電力行業(yè)單位千瓦時碳排放量擬定了三個標準,分別為100克/千瓦時、50克/千瓦時和 10克/千瓦時。圖 2 是不同標準下的電力行業(yè)碳排放過程預測。
電力行業(yè)產(chǎn)生的碳排放量就將直接影響全行業(yè)總減碳量目標的實現(xiàn)。因此也會影響中國 2060 年碳中和目標的實現(xiàn)。
圖 2 電力行業(yè)不同標準下的碳排放過程預測
如果將電力碳排放標準設定為 10克/千瓦時,屆時碳排放總量為 1.7 億噸。這是一個極低的碳排放水平,接近“零碳排放”標準,達到這個標準難度將非常大。我國在 2060 年能源行業(yè)要實現(xiàn)碳中和,電力行業(yè)低碳發(fā)展目標是盡可能降低單位千瓦時碳排放,但對電力行業(yè)發(fā)展,甚至經(jīng)濟社會安全穩(wěn)定將是巨大的影響和挑戰(zhàn),因此極端的高限標準并不一定是最優(yōu)選擇。
為實現(xiàn)碳中和目標,把電力行業(yè)單位千瓦時碳排放標準確定為50 克更為合理可行。目前挪威、瑞士等國單位千瓦時的碳排放量已經(jīng)在 50 克以下,雖然國家間電力結構各異,但可以預見達到這個水平是可以實現(xiàn)的。
從 2020 年的 594 克/千瓦時碳排放現(xiàn)狀開始,到實現(xiàn) 2060 年 50 克/千瓦時的減排目標,意味著每 10年減少 130 多克,減排幅度也是很大的。不同排放標準下的減排預測見(圖 3)。
圖 3 不同場景下的減排過程
四、減排路徑
電力行業(yè)要達到“準零碳排放”標準,碳排放總量要比 2020 年減少 30 億噸。從發(fā)展過程來看, 50克/千瓦時的標準可以促使電力行業(yè)在 2027 年左右達峰,峰值排放量達到 42.95 億噸,如圖2。若以 100克/千瓦時的排放標準,碳達峰時間大約在 2037 年,后續(xù)的碳中和目標實現(xiàn)壓力很大。
火力發(fā)電供給量在 2027 年達峰值為 5.82 萬億千瓦時,隨后發(fā)電量需要逐年下降。無碳發(fā)電由增量替代轉(zhuǎn)換為存量替代。非水可再生能源發(fā)電量增長最快,未來 40 年的年均增長率為7.5%~8%,常規(guī)水電和抽水蓄能發(fā)電量也需要快速增長,2040 年之前的年均增長率 3.3%。核電以提供基荷電量為主,本文預計偏謹慎增長。
圖4 2060年不同電力種類發(fā)電量構成
2060 年,我國電力行業(yè)的發(fā)電量構成:風電 + 太陽能發(fā)電量占總發(fā)電量的 75%;水電發(fā)電量占比 15%;核電占 3%;火電占 7%。各類生物質(zhì)發(fā)電不足 1%,在此忽略。
如此高比例的新能源發(fā)電量,我們預測需要80億千瓦~90 億千瓦新能源裝機。我國并不缺乏新能源資源。根據(jù)國家可再生能源信息管理中心 提供數(shù)據(jù)顯示,我國陸地 50m、70m、100m高度層風能資源技術開發(fā)量分別為 20 億千瓦、26 億千瓦和 34 億千瓦,我國近海領域風電資源技術開發(fā)量約 1.9 億千瓦,深海風電資源技術可開發(fā)量約為 20 億千瓦,我國太陽能技術可開發(fā)量更是達到 156 億千瓦,可滿足技術可開發(fā)的容量要求。
從資源稟賦的角度,新能源替代化石能源在理論上是可行的。但這些低碳資源如何開發(fā)出來,又能夠安全地被電網(wǎng)消納,還要以可接受的價格被消費者所接納,無論中間還是兩端都存在不少的制約因素。
五、制約因素與對策
如前所述,電力行業(yè)要實現(xiàn)碳中和目標,75%的電量需由新能源發(fā)電來提供。未來打造有更強新能源消納能力的新型電力系統(tǒng),在資源開發(fā)、系統(tǒng)安全、經(jīng)濟性方面還存在以下制約因素。
(一)資源開發(fā)制約因素與對策
不同行業(yè)的發(fā)展規(guī)劃目標、任務以及措施對新能源開發(fā)形成掣肘。例如國土空間規(guī)劃和土地資源用途管制,一些地方的發(fā)展規(guī)劃設置了太多限制開發(fā)的紅線,新能源開發(fā)可利用的土地資源非常有限;環(huán)境規(guī)劃一方面要求碳減排,另一方面又不讓開發(fā)。更有甚者認為,只要開發(fā)就是破壞環(huán)境,環(huán)境保護與資源開發(fā)在理念上形成了對立。
應進一步開展全國風能、太陽能等新能源資源勘查和評估,確保資源的精準、高效利用,最大程度提高太陽能、光伏、生物質(zhì)、地熱等新能源發(fā)電形式的總體發(fā)電量,滿足未來發(fā)電總量的增長需求;形成規(guī)模布局集中式多能互補可再生能源發(fā)電基地和因地制宜部署分布式生產(chǎn)、消納電源形式相結合的發(fā)展格局;推動新能源發(fā)電技術進步,提高新能源資源利用效率和電力經(jīng)濟性,做好關鍵技術研發(fā)與重大工程布局。在發(fā)展新能源的同時,優(yōu)化電化學儲能、抽水蓄能、燃氣電站等靈活電源規(guī)劃,支撐新能源消納能力持續(xù)提升。
(二)系統(tǒng)安全制約因素與對策
高比例新能源接入對電網(wǎng)安全和運行穩(wěn)定提出了巨大挑戰(zhàn)。隨著新能源大規(guī)模接入,常規(guī)電源被大量替代,系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量和調(diào)頻、調(diào)壓能力持續(xù)降低,電網(wǎng)發(fā)生大范圍、寬頻帶、連鎖性故障的風險持續(xù)累積。此外,大量分布式新能源接入配電網(wǎng)可能引起系統(tǒng)功率失衡、線路過載、節(jié)點電壓超限等問題,對供電可靠性帶來極大挑戰(zhàn),這說明中國目前的電力系統(tǒng)還沒有為可再生能源 大規(guī)模接入做好轉(zhuǎn)型準備,更無法適應未來可再生能源裝機占比逐年上升的發(fā)展趨勢。而我國電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力目前還存在短板,抽水蓄能電站、燃氣發(fā)電等靈活調(diào)節(jié)電源比重僅為6%, 大型水電、附加碳捕集與封存技術的煤電靈活性改造容量效益的保障政策缺失,制約可再生能源發(fā)展。
從根本上解決可再生能源發(fā)展和電力系統(tǒng)不匹配的問題,要從電源側、電網(wǎng)側和用戶側充分挖掘靈活性資源的潛力,以新規(guī)劃理念引導“源網(wǎng)荷儲備”各類靈活性資源的協(xié)調(diào)發(fā)展。
在電源側,要提高新能源資源富集地區(qū)靈活性電源的比重,規(guī)劃建設調(diào)節(jié)性能好的大型水電站、抽水蓄能電站和燃氣電站;利用現(xiàn)有水電基地,規(guī)劃建設“水風光儲”清潔能源基地;發(fā)揮梯級電站群調(diào)節(jié)性能優(yōu)勢,優(yōu)化風、光資源的配比,在電源側打捆電力外送,減小對電網(wǎng)沖擊。
在電網(wǎng)側,可借助人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術,提升電網(wǎng)對新能源發(fā)電設備的運行管理能力,建立高精度、高可信度的新能源功率預測系統(tǒng),為高比例新能源并網(wǎng)優(yōu)化運行奠定堅實基礎。
在用戶側,儲能技術能夠解決新能源消納和波動性問題,調(diào)節(jié)負荷,大大提高電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。儲能系統(tǒng)可以峰谷套利,參與電網(wǎng)需求側響應,提供應急備電等多種功能,在工商業(yè)儲能領域、需求側響應、分布式光伏優(yōu)化、充電站擴容、家庭儲能等眾多用戶側方面有著較大的應用價值。
(三)經(jīng)濟性制約因素與對策
目前,全球已有超過 30 個國家的風電和光伏成本低于化石燃料發(fā)電,這只是表象。從系統(tǒng)整體來看,新能源并沒有實現(xiàn)真正意義上的“平價”。配套電網(wǎng)建設、調(diào)度運行優(yōu)化、備用服務、容量補償?shù)容o助性的投資不斷增加,整個電力系統(tǒng)成本隨之增加,最終將由終端用戶買單,傳導到全社會。2019 年,德國可再生能源裝機占比接近 40%,10 年提高了 24 個百分點,而電價上漲了 30%。近 10 年以來,澳大利亞電力價格指數(shù)已飆升 117%,遠高于同期 CPI。其中,南澳州電價更是高居全球度電稅后價格第三,僅次于丹麥、德國。
我國電價改革 40 多年來已明顯低于發(fā)達國家的電價,確保了接近發(fā)達國家的供電保障能力和電力服務水平。隨著“雙碳”目標的推進,新能源裝機比例的提高,可以預測未來的系統(tǒng)成本必將是上升的。屆時降電價的預期與系統(tǒng)成本上漲之間的矛盾會愈發(fā)突出。
從電力系統(tǒng)總體發(fā)展來看,預計在“十四五” “十五五”期間,新能源“平價”利用面臨挑戰(zhàn),但合理控制發(fā)展節(jié)奏,將有利于緩減新能源利用成本上升。同時也需要通過市場競爭機制,推動全社會共擔綠色發(fā)展成本。要注重經(jīng)濟效益與社會效益協(xié)同,既要算好“經(jīng)濟賬”,也要算好“民生賬”。一是在考慮新能源輔助投資的基礎上,加快技術進步,以降低新能源發(fā)電成本的進一步; 二是兼顧公平滿足兜底,保障基本公共服務供給,妥善處理電價交叉補貼,確保居民、農(nóng)業(yè)、重要公用事業(yè)和公益性服務等用電價格相對平穩(wěn);三是向公眾普及低碳綠色轉(zhuǎn)型成本,增進社會各方對價格改革的理解支持,形成共同推動實現(xiàn)碳達峰碳中和的全社會合力。
六、結論和展望
我國電力行業(yè)碳排放總量居世界首位,碳排放水平也高于世界平均水平。預測中國未來 40 年電力生產(chǎn)與消費總量還將增長。2060 年電力生產(chǎn) 將超過 17 萬億千瓦時,碳排放水平需降低至50克/千瓦時以下,才能實現(xiàn)電力行業(yè)的碳中和。
目前,我國是以煤電為主體的電力生產(chǎn)體系,可再生能源電力只占 27%,非水可再生電力占比更是不足10%。未來,將構建以可再生能源為主的新型電力系統(tǒng),非水可再生電力占比將超過 75%,煤電的發(fā)電量占比需要降低至 7%。屆時,新能源發(fā)電量將達到 13 萬億千瓦時左右,總裝機容量超過 80 億千瓦。
建設超高比例的新能源電力系統(tǒng),將在資源開發(fā)、系統(tǒng)安全和經(jīng)濟供給等方面面臨諸多困 難和制約因素。但是,這些困難和制約因素并不是不可逾越的。我們要發(fā)揮社會主義集中力量辦大事的制度優(yōu)勢,加強頂層設計,制定多行業(yè)統(tǒng)一協(xié)調(diào)的碳中和資源發(fā)展規(guī)劃,促進新能源資源開發(fā)。
我國的智慧能源體系也將得到飛速發(fā)展。構建新型電力系統(tǒng)必將促進新能源功率高精度預測, 遠海風電電力遠距離輸送,大規(guī)模高精度交直流混聯(lián)電網(wǎng)仿真,自我感知能力的“源網(wǎng)荷儲備”多元接入的多級調(diào)度協(xié)同和廣域協(xié)調(diào)安全穩(wěn)定控制關鍵技術,高比例新能源和高比例電力電子裝備接入電網(wǎng)穩(wěn)定運行控制技術,新型制氫、儲氫技術等技術將快速發(fā)展。
(本文作者:杜效鵠,王繼琳,張 妍)
作者簡介
杜效鵠,男,工學博士,水電水利規(guī)劃設計總院正高級工程師,主要從事可再生能源規(guī)劃、自然災害防治、安全管理和風險評估等方 面的研究工作。
文章來源
本篇文章發(fā)表于《中國能源》雜志2022年第8期。




