王志軒:碳中和目標下中國電力轉型戰略思考

發布時間: 2020-11-13 14:38:33   來源:電力決策與輿情參考  作者:

  中國能源低碳轉型世紀大劇的幕布就此拉開,由能源低碳轉型為主導的、改變中國生產和生活方式的偉大實踐就要在中華大地展開。黨的十九大及十九屆二中、三中、四中、五中全會已經指明了中國經濟社會高質量發展的方向和節點,擘畫了藍圖,但針對這場世紀能源電力低碳轉型的進程和形態,還需要進一步刻畫和分析戰略要點及重大問題。

王志軒

(中國電力企業聯合會專職副理事長)

  一、中國碳中和承諾的歷史意義

  中國提出在2060年前“努力爭取實現碳中和”目標,這是自1992年《聯合國氣候變化框架公約》制定以來,國際社會在應對氣候變化領域中最重大的事件之一。這一宣示,標志著中國作為世界上最大的發展中國家,作為煤炭生產、消費、貿易量最大和煤炭消費為絕對主體的能源大國,作為世界上最大的電力系統以煤電為基礎的國家,在即將全面建成小康社會、開啟全面建設社會主義現代化國家新征程的初始階段,向世界莊嚴承諾要在40年之后實現碳中和目標,為實現《巴黎協定》確定的目標作出重大貢獻。屈指算來,大多數發達國家在20世紀90年代碳排放已經達到峰值,要在2050年實現碳中和目標需要約60年;中國在2030年前努力爭取二氧化碳排放達峰,要在2060年實現碳中和其過程是30年,是發達國家的一半時間,而且這一階段正是中國實現現代化的關鍵階段。

  中國能源低碳轉型世紀大劇的幕布就此拉開,由能源低碳轉型為主導的、改變中國生產和生活方式的偉大實踐就要在中華大地展開。黨的十九大及十九屆二中、三中、四中、五中全會已經指明了中國經濟社會高質量發展的方向和節點,擘畫了藍圖,但針對這場世紀能源電力低碳轉型的進程和形態,還需要進一步刻畫和分析戰略要點及重大問題。

  二、碳中和基本問題分析

  ——減少碳排放是碳中和的核心要義?!栋屠鑵f定》提出,要把全球平均氣溫升幅控制在工業化前水平以上低于2攝氏度之內,并努力將氣溫升幅限制在工業化前水平以上1.5攝氏度之內,需要盡快達到溫室氣體排放的全球峰值,并在“本世紀下半葉實現溫室氣體源的人為排放與匯的清除之間的平衡”。同時,《巴黎協定》設立了“國家自主貢獻”(NDCs)機制,即締約方應采取國內減緩措施,實現貢獻目標。筆者認為,對一個國家的NDC而言,碳中和是指,到2060年這個時間節點,將2060年度的國民經濟和社會發展中直接或間接產生的溫室氣體總量,與通過植樹造林、減碳或購買碳信用等措施減少的碳排放相加后的凈排放量為零??梢?,碳中和的要素中包含了時間節點、以年度為碳排放量核算時間單位、全國范圍、溫室氣體(折算到二氧化碳,簡稱碳)、直接排放(燃燒化石燃料排放或工業過程排放等)和間接排放(生產或服務過程中所消耗的中間產品中隱含的間接碳排放)、碳吸收、低碳、零碳、負碳排放(如采用生物質能發電并捕集和封存其碳排放)、購買碳排放權等因素。因此,碳中和包括減少碳排放和增加碳匯兩個方面。由于中國能源體系以化石能源尤其是以高碳的煤炭為支撐,減少煤炭的消費處于中國完成碳中和任務的支配地位。電力低碳轉型不僅是減少化石能源使用的主要措施,而且對于改變中國能源結構、促進經濟社會向低碳轉型發揮著基礎性和決定性作用,因此,本文主要研究電力低碳轉型的戰略問題。

  ——中國在2030年前實現碳達峰是迫切的現實問題,2060年實現碳中和是戰略問題。那么,中國承諾40年之后實現碳中和是權宜之計嗎?顯然不是。這個承諾可以在黨的十九大擘畫的宏偉藍圖之中找到答案。黨的十九大提出了中國到2050年建成富強民主文明和諧美麗的社會主義現代化強國,其中“美麗”的內涵必然包含了碳的標準,也可以說一個高碳甚至中碳的國家不會成為一個“社會主義現代化強國”。因此,中國的發展必然是在2030年前碳排放達到峰值之后,由高碳向中碳、再向低碳過渡,當實現了現代化強國之后,再奮斗10年到2060年實現碳中和社會,之后進一步發展形成負碳社會。這種以碳減少為特征的過程與黨的十九大提出的構建“綠色低碳循環發展的經濟體系”和“清潔低碳、安全高效的能源體系”是一脈相承的,也可以說是一體多面的表述,新的有關碳達峰及碳中和的承諾,進一步明確了中國低碳的進程和程度,是黨的十九大精神的深化和落實。

  ——中國的碳中和承諾是自我加壓的自覺行動。習近平主席多次強調,應對氣候變化不是別人要我們做,而是我們自己要做,對于碳中和這個世紀難題,以現在全人類的智慧和中國的實際情況,難以對四十年之后中國碳中和情況做出百分百的肯定判斷。事實上,不論世界上哪個國家提出了什么承諾,從本質上講都是有條件的和具有一定不確定性的。不論從主觀認識上還是從歷史看,中國定是竭盡全力、更愿意提前而不是推遲實現碳中和目標。再從世界范圍看,全世界對可持續發展、綠色發展、低碳發展已經形成了共識,隨著《聯合國氣候變化框架公約》《巴黎協定》等要求以及IPCC等機構的研究不斷深入,盡快實現碳中和目標必將會成為大多數國家的自覺行動。

  ——中國電力低碳轉型已經具備了必要基礎條件。碳中和雖然是新承諾,但以新能源發展為代表的低碳電力發展實踐在中華大地星火燎原。新能源發展的技術條件、產業條件和經濟性是實現碳中和的最重要基礎和動力。2006年到2019年,風力發電裝機由207萬千瓦增長到20915萬千瓦,增長了101倍,發電量增長了71倍。太陽能發電裝機由2011年的212萬千瓦增長到20418萬千瓦,增長了96倍,發電量增長了373倍。風電及光伏發電的造價分別由2011年的8231元/千瓦、14881元/千瓦分別下降到7862元/千瓦、5827元/千瓦,上網電價由2009年的0.51元/千瓦時(風電Ⅰ類資源區)、2011年的1.15元/千瓦時(光伏Ⅰ類資源區)下降到2020年的0.29元/千瓦時、0.35元/千瓦時(風光Ⅰ類資源區)。非化石能源消費占一次能源消費的比重不斷提高,2019年已經達到15.3%。新能源發展的規模效應、技術創新發展,顯著促進了成本下降,使得新能源與傳統能源在經濟上逐步有了同臺競爭的條件。而且,從現有技術發展趨勢看,新能源的經濟性還有較大的挖掘空間,給中國實現碳中和創造了最重要的基礎和條件。驅動能源低碳轉型的動力不僅僅是應對氣候變化的要求,還是解決能源資源短缺和保障能源安全的要求,而僅從經濟驅動力來看就有強大的生命力。能源轉型的驅動力已由被動的政策驅動型向主動的市場驅動型發展。此外,中國已經構建了生態文明建設的理論體系和制度框架,以促進新能源發展為標志的法律體系、政策體系、技術體系、產業體系等不斷發展和完善,給新能源發展提供了制度保障。

  ——中國先進而強大的電力系統為能源電力的低碳轉型提供了基礎保障。一是中國解決了幾十年來低水平用電下的大面積電力短缺問題。2019年中國人均裝機達到1.44千瓦/人,人均用電量達到5186千瓦時/人,超過世界人均水平,解決了無電人口的用電問題,使電力供應基本滿足國民經濟和社會發展的需要。二是建成了以特高壓為骨干網架、全國聯網、各電壓等級相互協調的堅強電網,智能電網技術不斷發展,為電力系統的安全穩定運行提供了基礎。三是已建成的10億千瓦級的高效而年青的煤電系統,既是能源電力低碳轉型的最大阻礙,也是當前中國能源系統優化、促進低碳電力發展、維護電力系統安全穩定運行的堅強支撐。中國煤電在低碳發展中的矛盾是由中國能源和電力特點所決定的。特點之一,中國煤炭年消費量約40億噸,電煤及熱電聯產供熱用煤占比約60%,其中煤電機組中約47%的機組是熱電聯產機組,由于中國煤電機組能效處于世界領先水平并成功地控制了大氣污染物排放,如二氧化硫、氮氧化物、煙塵年排放總量都下降到百萬噸級以下。煤電熱電聯產的不斷發展,成為中國幾十年來改善煤煙型污染的最大功臣。之二,中國煤電機組的平均運行年齡約12年,顯著低于歐美國家煤電平均運行40年的情況,大規模淘汰煤電顯然為時尚早。之三,如果過早以新能源大量替代煤電,不僅電力系統的安全穩定運行受到嚴重影響,而且經濟社會的運行也會受到重大影響。中國煤電在電力系統、能源系統和國民經濟中的作用和特點,是中國與發達國家在電力低碳轉型中最顯著的區別。如果不能做到辯證地看待這一區別,就不能正確地推進中國的低碳電力發展。之四,為了促進能源電力系統的轉型,國家出臺了積極支持分布式能源、儲能、電動汽車、需求響應、綜合能源服務等政策措施,大量的試點示范工程也在推進,為大規模開發利用新能源提供多方面的支持和儲備。另外CCUS在中國已進行多個試點,對此技術有了新的認識。成熟的儲能技術是改變能源低碳轉型進程和形態的關鍵因素,是大規模采用新能源、最終替代煤電的前提和基礎。

  ——我國已經初步具備了轉型的經濟社會基礎。碳中和不僅涉及電力低碳轉型,也涵蓋了經濟、社會等各個層面的低碳轉型,經過多年的供給側結構性改革,經濟結構、產業結構、消費結構向有利于低碳發展的方向和模式過渡;新能源汽車、低碳交通、低碳工業、低碳城市、低碳產業園區、低碳建筑、低碳農業等方面都得到了不同程度的發展,形成了眾多的經驗模式;中國傳統基礎設施建設高峰已過,高載(耗)能產業發展得到抑制;為了適應“雙循環”和高質量發展要求的新型基礎產業建設已開始布局和推進。同時,作為改變農業、林業、草地等生產方式和保護方式的“基于自然的解決方案”也在積極推進,使碳中和的“增加碳匯”發揮更大作用。

  以上基本情況和基礎條件,既是中國在推進低碳轉型發展中的成功實踐,也是中國承諾實現碳中和的底氣、能力和實力。

  同時,我們要認識到,實現碳中和這件事實在太大、太難、太復雜。如果認為不費力氣、自然而然就實現了碳中和則是大錯特錯。

  ——實現碳中和存在巨大的復雜性。中國碳中和涉及經濟、社會、能源各個領域;涉及國內、國際的政治、外交、國家關系、國際貿易活動等因素。當前,國際形勢出現了百年未有之大變局,而未來幾十年甚至更大變化的可能性是存在的。這些因素之間的互相影響,進一步增加了多維性、復雜性,而這些復雜性是難以用模型計算的,也是難以預測的。

  ——新能源大規模替代化石能源在技術上存在瓶頸。從技術層面看,可再生能源發電、儲能、系統靈活性等一些瓶頸性技術仍未突破,技術方向也存在不確定性,智能化技術的整體條件并未完全具備,使現有能源、電力系統還難以承受無任何約束的新能源大規模發展。

  ——碳中和的最大障礙是系統性的經濟性問題。能源轉型不是某一品種的能源在經濟上具有替代另一品種能源時就可以實現轉型,而是涉及到整個經濟、社會系統是否具有經濟性?,F階段不平衡不充分問題還有待解決。經濟社會的發展還處在爬坡階段,還難以背負更加沉重的有礙發展的負擔;高碳能源特性十分顯著。因此,碳中和前途是光明的,道路是曲折的。

  三、實現碳中和的路徑、原則及風險防范

  (一)能源科技革命是實現碳中和的根本力量

  當把歷史拉回到40年前的20世紀80年代,在當時,我們不會想象到今天衣食住行的諸多變化,而40年后會有更多新生事物是我們今天想象不到的,因為技術的發展和能源轉型的相互影響,會更加快速地改變世界。我們要對科技創新對碳中和的作用有一個基本的認識。實現碳中和是人類社會權衡各種因素后,在現實條件下達成的應對氣候變化的基本共識和有效途徑,它事關經濟社會長期發展的全局性戰略問題,充分體現了人們對可以預見的能源科技發展的期望和信心。就像人類解決糧食問題一樣,實現碳中和也需要通過能源科技革命來實現。從長遠看,人類對解決能源問題的信心是樂觀的,如受控核聚變技術一旦突破(也必將突破)并得到商業化應用,人類將擺脫分子水平的化學能約束進入到受控核聚變利用的時代,人類能源利用問題將得以根本性解決。但是,應對氣候變化的迫切要求,就是要在目前科技水平“基本”可以支撐的條件下,克服困難,逢山開路、遇水搭橋式地立即行動。正如風能光能雖然蘊藏量大,但實際開發利用中能量密度低、隨機性及波動性大,需要通過持續性科技創新和管理創新來解決能源系統的安全穩定運行問題。

  (二)實現碳中和“四個階段”

  在實現碳中和目標的40年中,初步分析大體可分為“四個階段”:2020~2030年碳總量減緩上升階段,2030~2040年碳總量由波動下行到穩中有降,2040~2050年碳總量線性下降階段,2050~2060年碳總量加速下降階段。在四個階段中,能源消費總量、能源消費結構、技術進步水平、能源品種供應結構以及電力系統的特征都會產生相應的變化。

  顯然,中國2030年前碳達峰目標與2060年前碳中和目標是遞進關系,從發展的一般規律看,碳達峰的時間越提前、峰值越低,對碳中和目標的實現就越有利,所以應促進峰值目標盡快達到和盡可能降低峰值。但是,這種“促進”也是有限度和需要符合中國客觀實際的。碳中和像是讓中國經濟社會低碳發展跑一場40年的“馬拉松”。如果開始松懈,后面再趕在規定的時間也達不到目的地;但一開始就超越實際使勁過大,傷及本體,也可能功虧一簣,全面下滑。因此,要把經濟社會發展的主要因素以及科技發展的因素考慮進去,提出基本合理的分階段路徑,并根據發展的情況及時評估修正。

  (三)實現碳中和應堅持的原則

  ——堅持創新、協調、綠色、開放、共享的新發展理念。這是中國高質量發展的中國特色的要求,五個方面就是五個維度,缺一不可,共同推動發展的政策、策略和成果。

  ——堅持安全、綠色(清潔、低碳、生態)、經濟、便捷。前三個要素是經濟社會發展的基本要求,也是全世界各國的共同價值追求。對大國而言,能源安全是第一位的,綠色和經濟是約束性因素。而“便捷”是基于以人為本,用戶需求為導向的必然。

  ——堅持因地制宜。承認地區的差異性和發展的不平衡性,使得碳中和在中國一些省(市區)、城市、行業率先實現,并起到示范和引導作用。在實現碳中和的過程中,不同地區和行業的融合性和互補性加大,更多的共享機制會出現。

  ——堅持底線思維和紅線思維。堅持保能源安全的底線思維和生態文明建設的紅線思維,碳中和的過程應統籌規劃,協調推進。

  ——堅持全國一盤棋原則。發揮中國國土空間大、市場空間大、環境和資源狀況不平衡、區域經濟發展不平衡的特點,做好時間、空間統籌規劃,推進農村能源革命、建筑能源革命、工業能源革命、交通能源革命等,化劣勢為優勢,發揮出大國優勢。在碳達峰和碳中和的行業(或地區)分目標制訂上,世界上各個國家和我國各行業(地區)的情況都不一樣,不能以某一行業(地區)是否率先、滯后達峰或者實現碳中和作為評判國家整體碳減排進程的指標。如中國電力行業可以做到率先達峰,但這樣的達峰對國家整體達峰是促進還是減緩需要整體考慮。中國用于供熱的散燒煤炭數以億噸計,在現階段還難用氣或電全部替代,最有效的利用方式是通過熱電聯產。如,中國寧夏回族自治區銀川市,采用華電靈武電廠百萬千瓦機組的空冷乏汽換熱與汽輪機抽汽聯合加熱技術,通過46千米長并經河底隧道穿越黃河的管線工程,給市區50萬戶、7000萬平米的居民集中供熱,電廠熱效率提高了23個百分點,已替代燃煤供熱鍋爐455臺套,是市區大氣環境根本性改善的最主要措施,取得了較好的社會、環境、能源、經濟效益。在這種情況下,電力行業的碳排放量總量即便是升高的,但總體上促進了全社會碳排放量減少和達峰提前。

  (四)要防范的各種風險

  ——既防范“速勝”也防范“慢慢來”。碳達峰和碳中和都是非常迫切而重大的系統工程,需要有時不我待的積極態度,更需要有嚴謹的科學精神。一方面要防止做急功近利的事,或者搞脫離實際的“一刀切”,其結果得不償失。碳中和之所以有四個階段,是因為客觀規律使然,只有在恰當的時機做正確的事情才能獲得較好的回報。如顛覆性技術對能源轉型進程有重大影響,但我們現在并不完全清楚什么時候可以出現顛覆性技術,過于快速推進一些不成熟的技術或項目,存在大量資金沉淀的風險和推倒重來的風險,不僅浪費了金錢,而且耽誤了轉型進程。如在火電廠脫硫工程的建設上,有些電廠在幾年內推倒重來了好幾次。另一方面,要鼓勵進行探索性實踐和創新,而不能等著慢慢來;同時,我們已經有了很多用于不同區域、行業、場合的低碳可行技術和商業模式,完全可以立即挖掘現有節能減碳空間。

  ——防范照搬硬套的拿來主義。面對中國特色的碳中和,歐盟或者一些國家的減碳方案并不一定適合我國,我們面臨的道路大多是前人沒有走過的道路,必須根據中國國情走中國特色的碳中和道路。

  ——防范“黑天鵝”“灰犀牛”事件的風險。中國低碳發展是首要動力、是內生要求推動,當技術快速進步、世界處于和平環境、多邊公平貿易推進順利時,會加快中國碳減排進程;當國際形勢向動蕩的方向變化,或遇重大自然災害等,會減慢這一進程。要有發生重大偶然事件影響碳減排進程的各種準備。

  ——防范各種重大碳鎖定工程建設。與增加碳排放量有關的重大工程建設,會造成碳鎖定效應,必須堅決防止。如不到萬不得已,不應選擇用新建純凝汽式煤電項目滿足電量需求的做法。

  ——防范CCS項目一哄而起??梢赃M行繼續研究、跟蹤有關技術進展,但不宜被誤導盲目決策或者補貼大規模、大范圍的CCS工程或者示范項目。說到底,能源低碳轉型是技術與經濟在項目、區域、社會各層面都能平衡的結果。在經濟上算不過賬的項目,或者指望政府補貼的項目是不可持續的,也難以在區域和社會層面大面積商業推廣應用。CCS難以成為未來減碳的重大措施,不僅因為技術仍不成熟,而且在碳“捕集”“封存”環節存在經濟性差、能耗高等頑癥難以解決,就其運輸環節而言也存在巨大的安全、經濟、運行條件上的種種障礙。如果考慮到以碳利用為目的的CCUS發展,則應當是在重點落實“U”的上面因地制宜開展相關工作。

  四、碳達峰和碳中和目標下電力系統特征分析

  “不謀萬世者,不足謀一時;不謀全局者,不足謀一域”,隨著能源電力轉型的推進,電力系統的形態必然會發生一些重要變化,我們現在還難以對轉型細節進行描述,但對一些客觀規律和重大變化還是可以把握的。把握這些規律和特征,有助于提前作好一些準備。

  由于碳中和包括源和匯兩個方面,從現有認識水平看,能源電力發展過程自身難以實現碳中和,初步分析,達到碳中和時的電力系統有可能有以下演變和特征:

  ——能源消費總量會在碳排放量達到峰值后逐步下降,但電能消費總量一直呈上升趨勢。上升的主要動力是總體消費水平提高,通過改變生活用能方式、交通用能方式、動力用能方式等替代煤、油、氣、分散使用的生物質能,以及用電能生產氫能和其他合成原材料。年人均用電量將會達到1萬千瓦時/人以上。

  ——低碳能源尤其是光伏發電、風電替代煤炭成為主體能源,其電能占比65%左右。

  ——能源結構多元化,其中核電、水電是低碳電力的重要構成,其電能占比20%左右;必要的氣電、煤電,對電網和重大負荷中心起著極為重要的電源支撐作用,其電能占比約10%左右;生物質能和其他綜合利用發電約占5%左右。

  ——堅持大電網支撐下的分布式能源協同發展。中國能源資源格局、能源負荷格局、能源安全穩定要求,決定了低碳能源的大范圍優化配置與就地平衡共存的特點,決定了分布式能源系統將是促進碳中和的重要能源供應形態,也決定了大電網與分布式能源系統是互補關系,好似骨骼和肌肉的關系,二者共同構成了能源電力系統的安全支撐。

  ——多種方式的儲能成為電力系統靈活性運行的主體。如水電站提高儲能功能、抽水蓄能、化學電池儲能、電動汽車參與儲能、壓縮空氣儲能、電熱冷儲能等技術廣泛應用于發電側、電網側和用戶側,與電網調節、發電側機組調節一起形成季、月、周、日、時、分、秒等不同時間尺度的電力、頻率、電壓、功角等各種電力平衡需求。

  ——由于儲能的高度發展,使得傳統的“發→輸→變→配→用”的單方向鏈式電能配置方式,通過儲能裝置連接形成了多向電能配置模式,也使電力供需主體屬性更加模糊,生產方式的變化反過來會促進生產關系的調整。

  ——電力供需平衡高度耦合,智能化的需求響應融入常態的電力供需平衡;綜合能源服務成為園區、社區、小型區域等用能主體的主要供能形態。

  ——就全國而言,終端能源使用以電能為主,占能源消費量的60%左右。

  ——中國仍然是世界上商品生產、流通和高端制造業大國,以現在產業劃分看,第二產業、第三產業和居民用電比例大致為40%、30%、30%左右(第一產業約為1%左右)。

  ——更多的電能成為中間能源產品。未來人均用電量的概念與現在已經不同,主要區別是電能不只是終端能源,還會成為能源中間產品用來優化終端用能(如儲能)、維護電力系統安全和改變終端用能結構(如電制氫及合成原料等),且作為中間產品的電能需求會大幅度增加。

  ——由于產業形態的重大變化,一些產業會消失,而一些新興產業會出現,三個產業的劃分會多次調整,甚至將信息和智能化產業分離出來,而儲能的電能交換會單獨統計和分析,由低碳、綠色電能生產出的二次能源如氫能,再由氫能生產出其他原料、產品所用的電能持續增加,會成為電能增量的重要主體。

  ——新基建的內涵根據轉型的需要不斷完善,其外延不斷變化,電網也不斷根據需求進行完善升級,使之成為真正的智能化電網,“大云物移智”在幾年后就已平淡無奇成為常態。

  五、碳達峰和碳中和目標下“十四五”電力發展的幾點建議

  “千里之行始于足下”。前已述及中國實現碳中和需經過碳的慢增長、波動下降、線性下降、加速下降四個階段。以碳中和承諾為起步點,“十四五”是第一階段的第一個5年,首先要邁出關鍵性步伐。從目標導向、問題導向、底線思維導向看,電力行業在“十四五”期間要做好的工作包括:保障電力安全、彌補電力系統短板、優化煤電功能、啟動一批核電和大型水電建設、推動儲能商業化發展和促進綜合能源服務、以碳統領完善節能減排政策體系等。同時要做好能源與交通、建筑等涉碳行業的銜接。

  ——保障電力安全。包括保障電力(熱電聯產的熱力)供應,持續改善用電營商環境,防范重大電力系統安全事故和重大電力生產安全事故等。“安全第一”是電力行業最具特點的行業性質,“人民電業為人民”行業宗旨也是底線思維的體現。保障電力安全同時包括電能的“量”和“質”兩個方面要求,但從科學上和系統經濟性上看,并不能保障在任何時候、任何范圍、任何條件下、對任何對象都百分百保障電力安全。電力安全在不同經濟發展階段、不同技術背景、不同電力水平下有不同量化要求和有序用電要求。在低碳電力轉型過程中,由于隨機性、波動性大的新能源發電大規模進入電力系統(并網或不并網),對電網、其他并網電源、部分電力負荷、熱電聯產的熱力供應等都造成不同程度的影響,一些新型風險(如互聯網黑客攻擊等)對電力系統也形成潛在安全隱患,這些因素對電力安全提出了更為嚴峻的挑戰,因此需要針對電力安全新特點,制訂專門的量化指標和防范要求。

  ——彌補電力系統短板。包括還未有效解決和進一步擴大新能源發展而形成的電力系統短板和問題進行有效彌補和防范。一是有效解決拖欠的風電、光伏發電的約3000億元補貼到位問題,緩解新能源企業的困難,增強新能源投資者的信心;同時,根據新能源的發展持續完善后續政策。二是優先解決為消納新能源而配套的電網輸送、電源優化、省(區)間聯網問題。三是提高電力系統靈活性,包括有序安排煤電機組的靈活性改造、燃氣電廠的建設、發電側和電網側重大儲能工程建設(如抽水蓄能電廠)。四是強化需求響應措施,鼓勵工業園區、公共機構、大型用電用能單元等建設熱電冷儲能設施。

  ——持續完善智能電網建設,更加重視智能配電網建設。能源互聯網、綜合能源服務、智能能源系統、智能電力系統等形式或模式,萬變不離其宗,其理想的實現方法都是在能源系統的各單元(對象)進行能量流和信息流的數字化,在此基礎上形成智能決策對系統進行智能操控。對于電力低碳轉型系統而言,智能電網是基本平臺(形態、構架),要根據能源轉型的要求不斷完善智能電網,并發揮其基礎性、關鍵性、支撐性作用。隨著分布式發電和微網的不斷擴大,更加有利于就地建設和消納可再生能源。因此,“十四五”應將智能配電網建設放到優先加強的位置。

  ——明確煤電定位,嚴格限制煤電建設。在保障能源安全和穩定供應上,煤電應承擔托底保供和重要負荷中心支撐性電源的作用,在促進新能源發展上要發揮靈活調節的主力電源作用,在能源資源大范圍優化配置上要發揮區域能源基地的作用。在嚴格限制新建燃煤電廠的同時,盡可能提高現有燃煤電廠的效率和效益,對于確需煤電支撐的電網區域,在滿足節能、節水、環保要求前提下,對接近設計壽命的電廠,開展針對性的評估和技術改造使其繼續發揮作用。這種做法相比新建燃煤電廠不僅經濟性好,而且原有的外部條件(土地、水源、電網、道路、運輸、社區等)得以充分利用,極大減少新增電源的全生命周期的碳排放和電力系統的整體碳排放,是一舉多得的好事。煤電的逐步大規模退出是必然的,但是何時退出,如何退出,不僅涉及煤炭和電廠兩個投資主體,而且根據電廠的不同,涉及鐵路公路運輸、電網格局、西電東送、支撐電源、供熱格局、水資源平衡、上下游產業、地方經濟、國際貿易等各個方面,對此,“十四五”期間應當開展周密而詳細的籌劃工作。

  ——在保障安全和保護生態的前提下啟動一批核電、大型水電建設。對于中國這樣一個以煤為主的能源大國而言,要實現碳中和離開了核電和大型水電是難以完成的,而且對于一個以可再生能源為主體的巨型電力系統而言,沒有一定的基礎性高能量密度的電源支撐是很難運行的。而且,核電和水電所解決的不僅僅是能源、電力問題,其與國民經濟和社會發展的各個方面都密切相關??紤]到核電和水電的建設周期長,前期工作量極大,要想不拖碳中和的后腿,“十四五”必須要有明確而堅定的行動。

  ——推動儲能商業化發展。儲能是解決以可再生能源為主體的能源低碳轉型的“終極”支撐,決定了能源轉型的形態和進程。但由于大規模、安全性和經濟性好的儲能技術和設備還難有商業規模,成為了碳中和進程中的最大瓶頸。“十四五”要有選擇地盡快推進一些有前景的儲能設備(模組)技術商業化發展。

  ——促進新電氣化發展,加強與各工業部門和農業電氣化溝通和合作??稍偕茉粗挥修D換為電能才能高質量、大規模、大范圍應用,因為在碳中和目標下,電氣化與低碳化是同義語。但低碳發展要求下的電氣化與傳統的電氣化從內涵上看是不同的。傳統的電氣化主要表現的是為了用電而發電,不考慮其發電能源和發電方式是什么,而新電氣化不僅是經濟社會發展和能源轉型的必然,也是為了低碳而用電,電的來源必須是低碳的,發電方式是綠色的。電氣化的主要部門是交通、工業、建筑、新產業部門以及農業部門,這些部門的電氣化與電力部門必須高度合作,互相了解需求和特點,在規劃中要增加部門間的溝通聯系(包括指標體系的構建),共同促進新電氣化發展。

  ——以碳統領完善節能減排政策。中國的節能減排經過幾十年的發展取得了巨大的成就,尤其是工業部門的節能減排大都達到了世界先進水平。但從碳指標來看還有很大的潛力可挖。碳減排與節能雖然具有較大的同效性,但在一些領域卻不完全一致,在碳中和的目標下,應當以碳減排作為直接目標,將節能減排統領在碳減排之下。這樣,可以更加有的放矢,而且有利于碳市場發展。碳市場已經是國家確定的基礎經濟政策,“十四五”的關鍵是要在啟動碳市場之后快速將碳市場擴大到工業和社會方面。尤其是將低碳政策與碳市場綜合考慮,以發揮碳市場的更大作用。

  2020年9月22日,國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話時提出,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年前實現碳中和。盡管還未明確實現碳中和的具體路徑,但作為全球最大的碳排放和能源消費主體,我國實現碳中和需要能源系統的顛覆性變革,必須從以化石能源為主轉向以可再生能源為主。從全球范圍來看,目前世界上已有30多個國家以政策宣誓或法律規定等不同方式設定了各自的碳中和目標時間,如表1所示,碳中和目標時間較早的國家包括烏拉圭和芬蘭等,分別設定了2030年和2035年實現碳中和。從表1可看到,絕大多數國家將碳中和目標時間設定在了2050年,我國是2060年,新加坡則設定在了本世紀后半葉早期。

  為實現2060年碳中和的目標,亟需加快能源轉型的步伐,電能作為清潔、高效的二次能源,在推動能源轉型、實現碳中和目標的過程中扮演著關鍵角色,提升我國各終端用能部門的電氣化水平是實現碳中和目標的必然路徑。而目前我國電力行業又是二氧化碳排放的主要來源,為應對氣候變化,實現我國既定的碳排放達峰目標和碳中和目標,電力行業亟需加速轉型,加快向以可再生能源為中心的電力系統轉型,加速能源電力系統深度脫碳進程。

  (一)從能源供給側分析

  為加速實現現有能源系統向清潔低碳、安全高效的能源系統轉變,實現2030年前二氧化碳排放達峰和2060年前碳中和的目標,重點在于明確形成“以電為中心”和加快以可再生能源為中心的新一代電力系統的轉型共識、健全新時代下的電力市場體系,加快開展頂層設計和總體部署,制定能源轉型路線和實施方案,明確可再生能源發展的長期目標和階段性目標,推動能源、電力領域關鍵技術的創新發展與應用,加速推進能源新基建,構建大規模高比例可再生能源的新一代電力系統。

  當前推動可再生能源發電需要從以下幾方面著手:1)制定對可再生能源發電新增裝機投資的量化目標;2)加大對清潔電力系統各個方面的投資力度,支持零碳電氣化的配套基礎設施投資,例如特高壓輸電、電動汽車、智能配電網、儲能和數字化電網等,以保障不斷增加的高比例可再生能源電力系統的穩定運行;3)加快新能源汽車充電基礎設施建設和加快氫燃料電池、熱泵及電解水制氫技術的創新發展。

  隨著大規模高比例可再生能源的新一代電力系統的構建,再電氣化對電力系統靈活可控、智能感知、安全可控等提出了更高要求,需要將數字化、智能化等現代信息技術與電力系統深度融合。未來可再生能源不僅要滿足電力需求增量,還要滿足煤電退出的存量缺口。一方面,風力發電、光伏發電等間歇性電源大規模、高比例并網,對電力系統安全運行、電量消納提出了挑戰。需要加強區域電網互聯、提高靈活調節能力,依托特高壓輸電技術、智能電網技術和電力市場,在全國大范圍內優化配置能源資源。另一方面,再電氣化促使電動汽車、微電網、分布式能源等交互式能源設施廣泛接入,以及綜合能源服務等新型需求大量涌現,使得電網負荷預測和潮流控制更為復雜,對電力系統智能互動水平也提出了更高要求。因此,需要推動大數據、云計算、物聯網、移動互聯網、人工智能、區塊鏈等現代信息技術與電力系統深度融合,增強源網荷儲之間的智能互動,實現更大規模的可再生能源消納,同時滿足更加多樣化、個性化、交互式的用能需求。

  (二)從能源消費側分析

  終端用能部門極高的電氣化率是支撐我國2060年碳中和目標實現的必然路徑(碳中和目標下2060年我國分部門終端能源消費構成展望如表2所示),針對三大終端用能部門脫碳路徑分析如下。

  1.工業部門。我國工業部門用能需要加速向清潔能源轉型,進一步提高工業部門的電氣化水平。目前,我國鋼鐵行業二氧化碳排放占全國排放總量的15%左右,水泥行業二氧化碳排放占全國排放總量的13%左右,此外,石化和化工行業也是二氧化碳排放的主要來源之一。針對鋼鐵行業,電爐鋼技術的碳強度遠低于高爐生產技術,隨著以可再生能源為中心的電力系統的構建和逐步成型,利用電爐鋼技術路徑可逐步實現鋼鐵生產的零碳目標。此外,利用電解水制氫,以氫氣直接還原鐵也能夠實現鋼鐵生產的零碳化,并能夠從整體上實現鋼鐵行業大幅度減排。對水泥行業而言,一種可行的脫碳路徑是用電氣化供熱和配合CCS技術。針對化工行業,其中一種可行的脫碳途徑是利用零碳電力的Power-to-X生產路徑。

  2.交通部門。為了實現我國交通部門的碳中和,需要將路面運輸(公路和鐵路服務)全面電氣化,同時長途航空和船運改用零碳燃料(氫氣、氨等)。1)路面交通。目前,我國高鐵已基本實現了全面電氣化,普通速度的鐵路交通在未來也將逐步實現全面電氣化。純電動汽車將在未來主導中短距離的交通出行,而氫燃料電池汽車則會在長距離貨運卡車和重型卡車中占據主要地位。2)航空和海運。針對航空海運領域,直接應用電氣化實現碳中和的空間較小,因此,航空和海運交通的脫碳則必須主要依靠零碳的新型燃料。對于航空領域,依靠生物航空燃油和合成航空燃油是實現碳中和的主要技術路徑。此外,未來需要使用生物燃料和氨對船運領域進行深度脫碳。綜上,零碳電能、氫能、航空燃油、生物燃料和氨等多種綜合能源的使用將會進一步加速我國碳中和目標的實現。

  3.建筑部門。電氣化是實現我國建筑部門碳中和目標的關鍵。目前,制冷、照明和家用電器均已實現了百分之百電氣化。未來熱泵技術在建筑部門的大規模應用和電力烹飪技術的進步,將進一步提升建筑部門的電氣化水平、加速該部門實現碳中和的進程。與此同時,隨著數字化、智能化等新一代信息技術在更大范圍內應用于建筑部門,以及智能家居、智能家用電器的普及和應用,建筑部門的電氣化水平將會得到迅速提升,從而進一步加速建筑部門的脫碳進程。

  綜上分析,在碳中和目標的引領下,我國電力系統電源側需要加速推進清潔能源電氣化,實現對化石能源的增量替代和存量替代。用戶側需要廣泛深入實施電能替代,實現能源消費高度電氣化。電氣化是我國構建安全、綠色、高效、智慧新一代能源系統和實現碳中和目標的必然選擇,這就要求電能需要來源于零碳電力。因此,碳中和目標下,嚴控煤電規模、轉變煤電功能定位、調整煤電區域布局、樹立煤電峰值意識、明確煤電退出路徑是實現我國煤電高質量發展,推動我國能源轉型的關鍵。

  六、電力行業碳排放提早達峰,“十四五”是關鍵

  (一)電力行業碳排放空間預算

  2015年由近200個國家參與的巴黎氣候大會通過了《巴黎協定》,旨在控制全球平均氣溫升幅在2攝氏度以內,爭取控制在1.5攝氏度以內,來應對能源與氣候危機。此次我國提出2030年前實現碳排放達峰,2060年前實現碳中和,這對碳排放主要部門的電力行業來說無疑是一個巨大挑戰,電力行業應在2025年左右提前實現碳排放達峰,才能確保2030年前碳排放達峰的實現。我國要實現低于2攝氏度的目標,需要控制2011~2050年期間累積二氧化碳排放量在2800億~4000億噸內。能源相關行業二氧化碳排放量占全國碳排放總量的比例一般在75%左右,在加速電氣化的情況下,估算2020~2050年電力行業碳排放空間在600億~900億噸。

  為實現我國電力行業2025年左右實現碳排放達峰,按照前文估算出的電力行業二氧化碳排放預算空間,設定基準情景、高碳情景和低碳情景來分析電力行業年度碳排放空間。

  基準情景下我國電力行業二氧化碳排放預算為690億噸,煤電行業的碳排放在2025年達到峰值45億噸,2050年后實現凈零排放,年排放估算如圖1所示。

  高碳情景下我國電力行業二氧化碳排放預算為900億噸,煤電行業的碳排放在2025年為46.2億噸,并將在2027年左右達到峰值47.1億噸,2055年后煤電實現凈零排放,年排放估算如圖1所示。

  低碳情景下中國煤電部門二氧化碳排放預算為560億噸,煤電行業的碳排放在2023年達到峰值44億噸,在2025年降為43.2億噸,2045年后實現凈零排放,年排放估算如圖1所示。

  (二)“十四五”電力需求預測

  若電力行業在2025年提早實現碳排放達峰,首先應確定“十四五”期間電力需求情況。新基建可以對沖新冠肺炎疫情對經濟發展與電力消費的抑制作用,對電力消費拉動作用巨大。為實現2060年碳中和目標,我國積極推進電氣化來降低一次能源利用。雖然新基建和電氣化對電力消費有巨大的拉動作用,但規模有限。新基建的拉動作用從整體來看是優化經濟產業結構,拉動作用并不會那么夸張,是一個長周期性、引領性的拉動。而電能替代和提升電氣化率則會在短期內拉高用電需求,把未來終端消費要轉為用電的部分能源需求提前釋放或實現,因此從中長期來看并不會改變電力需求增速穩步放緩的大趨勢。從人均GDP和人均電力消費的變化情況來看,2025年人均用電量可達6000~6200千瓦時/人,結合2025年人口14.2億的預估,預計全社會用電量約為8.5~8.9萬億千瓦時,考慮能效技術進步、終端電氣化提高等情況,“十四五”期間的年均增速約為3%~4%。

  (三)碳排放情境下電力規劃情景

  在滿足8.9萬億千瓦時的高電力需求前提下,對三種碳排放情景所對應電力供給進行設定:1.高碳情景:考慮到“十四五”期間煤電仍為提供電力供應的主力軍,除正常機組退役淘汰以外,計劃內的煤電項目繼續新建??稍偕茉囱b機保持勻速發展,2025年非化石能源裝機占比50.5%;2.基準情景:根據“電改9號文”和“能源安全新戰略”等,考慮“十四五”期間將引入現貨市場、推動跨省區電力交易和實現可再生能源平價上網,不再新核準建設煤電項目,只續建“十三五”期間停緩建的項目,2025年非化石能源裝機占比52.7%;3.低碳情景:為履行《巴黎協定》低于2攝氏度氣候變化目標,電力行業在“十四五”期間進一步壓縮煤炭消費,不再建設煤電項目,進一步優化跨省區電力調度,大力強化能源效率,2025年非化石能源裝機占比達55.3%,詳見表3。

  在滿足“十四五”期間電力需求、各類型資源可開發潛力、可再生能源發電競爭力、可調動的需求響應規模、系統靈活性及非化石能源發展目標等約束下,采用規劃模型測算三種電力發展情景中2025年全國電源裝機規模及發電量如下表3。三種電力發展情景中,2025年全國電源裝機規模分別為27.28億千瓦、27.71億千瓦和27.75億千瓦,非化石能源發電裝機比重分別為50.5%、52.7%和55.3%,非化石能源發電量比重分別為41.2%、43.1%和45.3%,二氧化碳排放量分別為46.2億噸、45億噸和43.2億噸。

  從全國整體煤電裝機規模來看,假設“十四五”期間繼續新增1億千瓦煤電裝機,正常退役3300萬千瓦,則2025年煤電裝機規模約為11.5億千瓦。這是不考慮政策干預和需求響應削峰的基準結果,根據前文對“十四五”期間電力供需分析,在高需求(8.9萬億千瓦時)情況下三種電力供應模擬基本滿足用電需求,且煤電年利用小時數保持在4068~4167小時(高于4000小時)區間,基準和低碳情景在可接受范圍,高碳情境下12億千瓦煤電裝機產能過剩嚴重,且拖延電力行業碳排放達峰時間。在當前輸電線路通道能力約束下,考慮需求響應削峰及系統可靠性,全國2025年煤電裝機合理規模應保持在10.6~10.8億千瓦左右,若需求響應削峰規模達不到預期目標(只形成最高用電負荷3%的需求響應規模),則煤電合理規模應保持在10.6~11.5億千瓦(11.5億千瓦中0.5億千瓦為戰略備用機組)。

  七、“十四五”加速電力脫碳的路徑:供給側改革與市場化協同

  截至2019年底,全國煤電裝機10.4億千瓦,占全國總裝機比重達51.7%;2019年煤電發電量4.56萬億千瓦時,占全國發電量比重達63%。如此看來,在目前我國煤電碳減排潛力見底的形勢下,“十四五”期間如何正確引導煤電定位、煤電退出是決定我國電力行業碳排放達峰的關鍵。

  (一)嚴控煤電規模

  2020年2月國家能源局發布的2023年煤電規劃建設風險預警結果中,國內29個省份中僅3個省的煤電裝機預警為紅色。嚴控煤電規模,順應新基建的清潔高效發展方向,為提升可再生能源消納創造空間。我國目前各開發階段(在建、緩建、停建、封存、核準、核準前開發和宣布)煤電項目的容量共計4.13億千瓦。如若不加以控制,“十四五”期間煤電規??蛇_到14億千瓦,不僅造成未來煤電產能進一步過剩,擱淺資產規模進一步擴大,還會推遲我國電力行業碳排放達峰。如若實現“十四五”期間電力行業碳排放達峰,煤電合理規模應嚴控在11億千瓦以內。確保“十四五”期間煤電裝機達峰、發電量達峰和碳排放達峰,并盡可能降低其峰值水平,是確保能源系統2060年實現碳中和的關鍵。

  (二)優化煤電存量機組

  優化煤電存量機組是實現我國煤電清潔高效發展的重要舉措。節能減排改造、“上大壓小”、淘汰落后機組仍是建立清潔高效煤電體系的關鍵路徑。

  2019年底我國共有8.9億千瓦煤電機組實現了超低排放,占全部煤電機組的85%。“十四五”期間繼續推進剩余具備條件的煤電機組超低排放和節能改造,對于不具備條件的煤電機組適當采取“上大壓小”的方式進行替代,進一步降低煤電平均供電煤耗。

  在保證電力、熱力供應安全的前提下,繼續淘汰關停排放、能效不達標的落后煤電機組。引導非供熱亞臨界煤電機組優先退出,控制煤電規模在11億千瓦以內。

  (三)推動煤電區域性功能定位調整

  由于我國區域性資源和負荷差異較大,風電、光伏發電資源主要集中在東北、西北,水電資源主要集中在西南,而負荷主要集中在華北、華中、華南和華東等地區。針對區域性差異,煤電要從電量型電源向電力電量型電源轉變,充分發揮自身基礎電源的優勢,保證電力安全的同時,通過提供靈活性服務來提升新能源消納。

  東北、西北、西南等新能源資源豐富的省份需要大規模、低成本儲能技術商業化應用解決新能源電力可信容量不足的問題,引導原本充當尖峰負荷的煤電機組退出。華北、華南、華中等負荷較高、新能源發展潛力較大的省份,需要通過大力發展新能源和煤電靈活性改造,引導煤電由充當腰荷資源向充當尖峰負荷資源轉變。華中、華東等負荷較大且煤電體量較大的省份,需要通過加強需求側管理、重視儲能、推進煤電靈活性改造等措施,引導煤電由充當基荷資源向充當腰荷資源轉變。將煤電增量重點放在西部,支撐可再生能源外送;中部省市要加強對本地電力供應結構的優化,明確電源、負荷、儲能等不同電力資源的系統功能定位;只有在出現基荷電力不足趨勢的情況下,才可適度新建煤電。

  面對未來高比例可再生能源并網,提升系統靈活性將成為“十四五”及中長期煤電發展的關鍵詞,尤其是在電力市場競爭環境下,不具備發電成本優勢的煤電機組需要提供靈活性輔助服務來獲得更多的收益。引導煤電功能定位調整不僅可以改善煤電的利用效率,化解煤電生存困難的窘境,還可以提升可再生能源的消納。從而可再生能源將逐步替代煤電在電力供給中的主導地位,以實現電力行業碳排放達峰,甚至碳中和的目標。

  (四)碳市場和電力市場耦合,助力煤電退出

  由于煤電技術進步和結構優化空間受限,加之可再生能源發電即將實現平價上網,繼續采取行政導向的煤電退出效果將觸底。在電力市場化改革加速推進的背景下,如要進一步有效控制電力行業碳排放,工作重心應轉移到市場機制設計與配套政策完善上。

  為實現碳排放達峰和碳中和目標,未來在電力市場基礎上引入碳市場。充分發揮現貨市場競價規則的作用,碳市場將提升煤電發電成本,從而倒逼落后的低效煤電機組的競爭性淘汰??紤]碳排放成本時,燃煤機組出力有所減少,燃氣機組出力有所增加。而水電機組出力調整快,套利能力強,基本不受影響。在電力系統調峰能力足夠的基礎上,風電和光伏出力也不會受到太大影響,儲能設備一般在電價較低的低谷時充電,在電價較高的高峰時放電,兩者的差額減小,其通過充放電的套利行為也將有所減少。碳市場和電力市場耦合下會拉高邊際出清機組報價,這樣也會發出價格信號,吸引更豐富的需求響應、儲能等靈活性資源進入市場,系統發電的碳排放總量將不斷減少,最終以市場為驅動力實現脫碳。接下來需要進一步完善省間交易機制,打破僵化的利益分配格局,做大跨區輸電的 “盤子”,實現在更大范圍內的資源調配與電力互濟。

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      關鍵詞: 電力轉型,王志軒
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