“碳中和”愿景下的四川電力減碳路徑構想

葉 強，胥威汀，汪 偉，王海燕，劉 陽，李 旻，唐 權

(國網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟技術研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

中國國家主席習近平2020年9月22日在第七十五屆聯(lián)合國大會宣布：中國將提高自主貢獻力度，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”。這是中國首次向全球明確實現(xiàn)“碳中和”的時間點，也是迄今為止各國中做出的最大減少全球變暖預期的氣候承諾。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，森林蓄積量將比2005年增加6.0×109m3，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到1200 GW以上。

四川是中國最大清潔能源基地，為支撐全國“碳中和”目標的實現(xiàn)，下面分析了“碳中和”的目的和意義、國內外“碳中和”措施和政策。根據(jù)新形勢下的變化分析了四川電力減碳的路徑構想，并提出了需提前準備應對大規(guī)模新能源接入、大范圍靈活性資源調配、低慣量大系統(tǒng)穩(wěn)定性及電網(wǎng)“高彈性”等全新的挑戰(zhàn)和要求。經(jīng)初步估算，該戰(zhàn)略路徑能為全國“碳中和”目標貢獻約3%的二氧化碳減排量。

1 “碳中和”的目的和意義

“碳中和”是指在一定時間內直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，通過植樹造林、節(jié)能減排等形式，以抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量，實現(xiàn)二氧化碳“零排放”。“碳中和”涉及政府行為、企業(yè)行為、個人行為，需要全民族的共識和全社會的行動。

“碳中和”旨在減少碳排放，控制溫室效應。為應對氣候變化所造成的影響，各國政府于2015年達成的《巴黎協(xié)定》提出要將全球平均氣溫相比于工業(yè)革命前的升幅控制在2 ℃以內，并努力控制在1.5 ℃以下。根據(jù)最新評估模型和情景研究，若要將溫升控制在2 ℃范圍內，中國需要在2080年左右實現(xiàn)“碳中和”；若要將溫升控制在1.5 ℃范圍內，需要在2060年左右實現(xiàn)“碳中和”。

實現(xiàn)“碳中和”有利于能源經(jīng)濟和生態(tài)文明良性發(fā)展。對內有利于經(jīng)濟結構、能源結構、產(chǎn)業(yè)結構轉型升級；有利于生態(tài)文明建設和生態(tài)環(huán)境保護、生態(tài)環(huán)境質量持續(xù)改善；有利于國內大循環(huán)為主體、國內國際雙循環(huán)發(fā)展格局的形成。對外有利于中國國際政治形象提升和國際影響力的增強；有利于生態(tài)文明和美麗地球建設；有利于全球“碳中和”目標的盡早實現(xiàn)。

2 “碳中和”國內外現(xiàn)狀

“碳中和”是世界各國應對氣候變化的重要手段，根據(jù)《巴黎協(xié)定》中各國碳排放承諾目標，全球各國均根據(jù)本國發(fā)展情況制定相關支持政策[1] 。

歐盟及日本等發(fā)達經(jīng)濟體采取較為積極支持政策，穩(wěn)步推進主要碳排放部門減排。歐盟委員會于2018年年底發(fā)布了2050年零凈碳排放量計劃，計劃到2050年實現(xiàn)“碳中和”，即將凈碳排放量降至0；日本于2019制定了《巴黎協(xié)定下的長期戰(zhàn)略》，其中提出到2030年溫室氣體較2013年減排26%，2050年減排80%，到本世紀下半葉盡早實現(xiàn)溫室氣體排放中和的目標。德國2019年可再生能源發(fā)電比例達到46%，創(chuàng)歷史新高，計劃到2050年實現(xiàn)總發(fā)電量中可再生能源占80%以上。法國計劃到2050年全國電力全部來自清潔能源。瑞典、奧地利已于2020年關閉了所有燃煤電廠。法國、英國分別宣布到2021年、2025年關閉所有燃煤電廠。芬蘭計劃更為徹底，到2030年將全面禁止使用煤炭。此外，挪威計劃到2025年禁售全部燃油汽車；丹麥、荷蘭、愛爾蘭計劃到2030年實現(xiàn)燃油車禁售；法國、西班牙、英國、葡萄牙計劃到2040年實現(xiàn)此目標。減碳措施總體而言：能源供應方面，提高可再生能源裝機及應用比例，減少煤炭利用；交通運輸方面，推廣電動汽車應用，降低燃油汽車排放標準；工業(yè)生產(chǎn)方面，促進碳排放與工業(yè)生產(chǎn)脫鉤，降低鋼鐵、水泥等行業(yè)碳排放量；建筑物排放方面，提高建筑物及設備能效標準，并要求新建房屋“零能耗”。美國、印度等國，在“碳中和”目標實現(xiàn)上政策較為保守甚至出現(xiàn)倒退。

中國采取有力措施應對應氣候變化。2013年制定了《國家適應氣候變化戰(zhàn)略》，出臺了行業(yè)適應氣候變化政策。2015年向聯(lián)合國提交了國家貢獻目標；二氧化碳排放2030年左右達到峰值并爭取盡早達到峰值。2016年在《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略2016—2030》制定出各階段目標，綜合運用調整產(chǎn)業(yè)結構和能源結構、節(jié)約能源和提高能效、增加森林碳匯和制度創(chuàng)新等多種手段，大幅度降低了能源消耗強度和二氧化碳排放強度，有效地控制了溫室氣體排放。2019年碳排放強度比2005年降低48.1%，提前完成2020年控制溫室氣體排放目標，據(jù)轉了二氧化碳排放快速增長的局面。

世界主要國家二氧化碳逐年排放量及2019年碳排放比例分別如圖1和圖2所示。

圖1 世界主要國家二氧化碳逐年排放量

圖2 2019年世界主要國家二氧化碳排放比例

3 四川電力減碳路徑構想

3.1 四川碳排放現(xiàn)狀

四川碳排放已階段性達到峰值。四川在有效的環(huán)保減排政策和“清潔替代、電能替代”等一系列舉措下，通過調整能源結構、提高節(jié)能技術、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構等措施，節(jié)能減排成效顯著，單位GDP能耗呈下降態(tài)勢，“十一五”和“十二五”分別降低了20.3%和25.2%，“十三五”以來降低了16.0%。二氧化碳排放總量在2013年階段性達到峰值3.42×108t，此后開始逐年下降，2019年已降至3.04×108t。相比于發(fā)達國家和東部發(fā)達地區(qū)，四川經(jīng)濟基礎較為薄弱，人均GDP、城鎮(zhèn)化率均低于全國平均水平，持續(xù)推進工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化對碳排放仍有剛性需求。伴隨著成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈的建設，碳排放極有可能出現(xiàn)新的峰值。四川逐年二氧化碳排放量和單位產(chǎn)值能耗見圖3。

圖3 四川逐年二氧化碳排放量和單位產(chǎn)值能耗

四川為減少碳排放作出了巨大貢獻。2019年四川可再生能源發(fā)電量341 500 GWh，占全部發(fā)電量的87.5%，高于全國平均水平56.4個百分點，相當于減排二氧化碳2.86×108t。碳排放強度為0.65 t/萬元，僅全國平均水平的66%，居全國22位，是中西部最低省份之一，僅高于西藏。

四川可率先實現(xiàn)“碳中和”。作為全國最大的清潔能源基地，四川省碳排放總量和人均排放均處于較低水平。2019年四川碳排放占全國3%，居全國第12位，而GDP占全國4.7%，居全國第六；人均碳排放約36 300 t/a，僅為全國平均水平的50%，是除西藏外人均碳排放最低的省份。清潔能源是四川目前保持較低碳排水平的重要原因。依托清潔能源優(yōu)勢，四川可提前實現(xiàn)省內“碳中和”，并可向省外輸出凈碳減排量。四川省碳排放總量和人均排放均還處于較低水平。

3.2 電力減碳的必要性

電力系統(tǒng)降低碳排放是實現(xiàn)“碳中和”的必然要求。自2005年起，中國已成為世界第一碳排放國，2019年全球二氧化碳排放總量為3.3×1010t左右，其中中國二氧化碳排放量達到28.8%，見圖1和圖2。能源生產(chǎn)，主要是電力和熱力生產(chǎn)是中國最大的二氧化碳排放行業(yè)，2018年電力和熱力生產(chǎn)行業(yè)二氧化碳排放量占總排放量比例已超過50%[3]，詳見圖4?？梢姡娏ο到y(tǒng)降低碳排放是“碳中和”中至關重要的一環(huán)，電力減碳是實現(xiàn)“碳中和”的重要路徑和手段。

圖4 1990—2018年中國主要排放行業(yè)二氧化碳排放量

3.3 減碳路徑

通過推動能源生產(chǎn)低碳化、能源消費電氣化及電網(wǎng)降損等措施，可大大降低二氧化碳排放量。以2060年實現(xiàn)以上減碳總量為目標，努力實現(xiàn)全國“碳中和”。

3.3.1 加速推進能源生產(chǎn)低碳化

持續(xù)開發(fā)水力發(fā)電，適度發(fā)展天然氣發(fā)電，大力發(fā)展風力和光伏發(fā)電[4]，適時發(fā)展生物質發(fā)電，安全高效發(fā)展核電，嚴控煤電規(guī)模并有序退出[5]。預計2060年清潔能源每年可發(fā)998 400 GWh電量，減排9.294 8×108t二氧化碳。相對2019年減排6.211 7×108t。

1)持續(xù)開發(fā)水力發(fā)電。水力發(fā)電效率高，不產(chǎn)生碳排放，綠色環(huán)保，具有較高的技術成熟度、能源密度以及較優(yōu)的經(jīng)濟性，長期在中國電力低碳轉型中發(fā)揮著戰(zhàn)略性作用。四川境內河流眾多，水力資源豐富，技術可開發(fā)量148 GW，年發(fā)電量676.4 TWh，位居全國第一；經(jīng)濟可開發(fā)量145 GW，年發(fā)電量659.4 TWh。水電是四川最具優(yōu)勢的清潔能源，目前已累計外送電量超過1000 TWh，為減排做出了巨大貢獻。2019年年底，四川水電裝機78 460 MW，開發(fā)率僅五成，后續(xù)開發(fā)空間依然較大。

2)適度發(fā)展天然氣發(fā)電。相比煤電，氣電碳排放低，每千瓦時的發(fā)電量的二氧化碳排放約為煤電的44%；相比風電光伏，氣電更加穩(wěn)定、靈活，有優(yōu)秀的調峰性能，建設一定比例的氣電，有利于維持電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。目前制約氣電發(fā)展的因素主要有天然氣對外依存度高、上網(wǎng)電價高以及燃氣發(fā)電核心技術尚未完全掌握。隨著國內燃機、頁巖氣開采技術的提升，氣電的發(fā)展空間巨大。四川天然氣資源豐富，是全國三大氣田之一，根據(jù)全國第二次油氣資源評價結果，四川盆地天然氣總資源量為7.185 1×1012m3，約占全國天然氣資源總量的19%。

3)嚴控煤電規(guī)模并有序退出

煤電在中國的發(fā)電結構中占有主導地位，約占發(fā)電量50%以上。要實現(xiàn)“碳中和”，必須嚴控煤電規(guī)模并有序退出，煤電的發(fā)電量由可再生能源來替代，這是實現(xiàn)電力減碳的重點所在。四川省煤炭資源貧乏，煤炭資源保有儲量約1.227×1010t，探明儲量僅占全國總儲量的1%左右，電煤主要依靠本地煤炭及鐵路運輸供給本地煤電機組。宜按“先小后大” 的原則有序退出煤電裝機，同時在電力系統(tǒng)中發(fā)展電化學儲能，提高電網(wǎng)運行靈活性。

4)安全高效發(fā)展核電。核電是一種清潔能源，不排放二氧化碳和煙塵，具有經(jīng)濟性、高效性和安全性的特點，發(fā)展核電是電力減碳的有效途徑。目前中國核電規(guī)模較小，發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｄ壳耙淹耆莆找匀A龍一號、AP1000為代表的三代核電技術，并具有完全自主知識產(chǎn)權，部分領域已達到了國際領先水平，并在積極開展小堆、四代堆、熱核聚變等新一代核電技術的研發(fā)。四川鈾礦資源豐富、地質穩(wěn)定、河流眾多，同時擁有中國核動力研究院、核工業(yè)西南物理研究院、中國工程物理研究院等核技術研發(fā)單位，有東方電氣等核電設備制造單位，發(fā)展核電具有得天獨厚的優(yōu)勢。

5)快速提升風電和光伏發(fā)電裝機。新能源分布廣，具備可再生特性，可供永續(xù)使用，不產(chǎn)生碳排放。四川省風能資源集中在川西高原和盆周山地，其中以德昌為中心的安寧河谷、茂縣為中心的岷江河谷、丹巴為中心的大渡河谷資源較好，盆周地區(qū)也具有潛在開發(fā)價值。初步估算目前全省離地50 m高的風能理論儲量為88 350 MW，潛在開發(fā)量15 000 MW。

川西高原太陽能相對富集，是四川省乃至中國太陽能的主要分布區(qū)，年總輻射量在5000 MJ/m2以上。全省太陽能理論蘊藏量每年約8.0×105t標準煤，其中三州一市約占全省的72%。

6)適時發(fā)展生物質發(fā)電。生物質屬于清潔的可再生能源，燃燒后的二氧化碳排放屬于自然界的碳循環(huán)，利用生物質發(fā)電可大限度降低環(huán)境污染問題，也可降低化石能源消耗。四川生物質能源比較豐富，每年有可待開發(fā)利用的人畜糞便3.149×107t，薪柴1.189×107t，秸稈4.212×107t，沼氣約1.0×109m3。適時建設一定規(guī)模的生物質發(fā)電，可減少二氧化碳的排放。

綜合考慮了四川能源資源稟賦、發(fā)電技術約束及電力電量平衡等因素，清潔能源裝機規(guī)模建議詳見表1。

3.3.2 持續(xù)推動終端用能電氣化

加快電能替代，推動電能在工業(yè)、建筑、交通等領域以電代煤、以電代油、以電代氣、以電代柴的廣泛應用，形成以電能為主的能源消費格局，將大幅提高中國能效水平，降低二氧化碳排放強度[6]。預計2060年汽車保有量約3000萬輛，全部實現(xiàn)電動化，用電量為4.5×1010kWh，節(jié)約替代燃油超過6.96×107t，減少二氧化碳排放超過1.166×108t。相對2019年減排1.164 8×108t。

3.3.3 提高電網(wǎng)傳輸效率

1)電網(wǎng)技術設備低碳更新：增強科研力量重點研究SF6泄露監(jiān)測技術和回收再利用技術[7]，加強SF6氣體回收工作，最大限度減少SF6的排放。據(jù)測算，國網(wǎng)四川省電力公司每年回收SF6氣體約3.5 t，相當于年降低碳排放8.3×104t，凈化再生氣體回用至設備，可節(jié)約新氣購置費約50萬元，低碳和經(jīng)濟效益可觀。

2)電網(wǎng)低碳調度控制[8]：充分利用四川省內的清潔能源發(fā)電資源和儲能技術，開展水風光儲協(xié)調的低碳調度，在煤電退出以前通過對各類發(fā)電機組按能耗排序聯(lián)合經(jīng)濟調度，以優(yōu)化電網(wǎng)潮流與清潔能源的利用和消納。

表1 2019—2060年四川省清潔能源裝機構成 單位：MW

3)電網(wǎng)節(jié)能降損：通過合理規(guī)劃電網(wǎng)結構、調整運行方式、加強管理等手段來降低電網(wǎng)的能量損耗。網(wǎng)損在電能傳輸過程中并未直接導致碳排放，但其源端的化石燃料燃燒發(fā)電因這部分損耗產(chǎn)生了實際的碳排放。2019年，國網(wǎng)四川省電力公司綜合線損率為7.65%，損失電量為1.807×1010kWh，若分攤至火電，相當于2.39×106t的二氧化碳排放。這意味著在其他條件不發(fā)生變化的情況下，當前四川電網(wǎng)線損率每降低1個百分點，折合減排二氧化碳約3.35×105t。考慮化石能源發(fā)電規(guī)模變化，能夠得到逐年減排規(guī)模。

經(jīng)初步估算：預計2030年，四川電力每年可貢獻二氧化碳減排量6.17×108t，相對于2019年減排3.08×108t；預計2060年，四川電力每年可貢獻二氧化碳減排量1.046×109t，相對于2019年減排7.38×108t。四川電力貢獻減碳量估算見圖5和表 2。

圖5 四川電力減碳總量估算

四川電力減碳路徑能為全國“碳中和”目標貢獻約3%的二氧化碳減排量。根據(jù)以上路徑分析，若能按期實現(xiàn)減碳目標，則到2030年，四川電力能為全國貢獻3.08×108t碳減排量；2030—2060年，四川電力能通過源、網(wǎng)、荷多個維度的路徑，實現(xiàn)4.29×108t碳減排量(含電動汽車接入)，為全國減碳目標做出約3%的貢獻值。

按照規(guī)劃，四川將在現(xiàn)有的“四直六交”跨省跨區(qū)外送通道的基礎上規(guī)劃新增雅中—江西、白鶴灘—江蘇、白鶴灘—浙江以及金上—湖北共四回±800 kV特高壓直流工程，建成后年外送電量達3.0×1011kWh，相當于為外省提供2.67×108t碳減排量。

4 建 議

要實現(xiàn)以上減碳戰(zhàn)略，四川電網(wǎng)將面臨大規(guī)模新能源接入、大范圍靈活性資源調配、低慣量大系統(tǒng)穩(wěn)定性及電網(wǎng)“高彈性”等全新的挑戰(zhàn)和要求。為適應“碳中和”圖景下的新形勢，建議提前采取以下舉措，實現(xiàn)電網(wǎng)的迭代升級，力爭在萬象更新的未來保持科學發(fā)展和創(chuàng)新引領。

1)大力推進大渡河、雅礱江、金沙江上游水電開發(fā)，全面支撐甘孜、阿壩、攀西新能源基地建設及其接入送出，積極論證四川天然氣和核電規(guī)劃布局，到2060年水電裝機容量至少達到140 GW，新能源裝機容量至少達到約120 GW，天然氣、核電、生物質及其他清潔能源裝機容量至少達到20 GW；統(tǒng)籌火電靈活性改造、需求側響應、電化學儲能等靈活性資源的配置，確保電網(wǎng)調節(jié)友好和系統(tǒng)備用。

2)推進電能替代，提升電能在終端能源消費占比。提前布局，科學合理規(guī)劃充換電網(wǎng)絡，滿足大規(guī)模電動汽車接入電網(wǎng)的需求。密切跟蹤研究電動汽車市場發(fā)展動態(tài)，對具有經(jīng)濟開發(fā)潛力的點位提前做好項目前期和儲備工作，提高市場應對速度；配合政府主管部門做好電動汽車充換電設施規(guī)劃工作，同時做好與電網(wǎng)規(guī)劃的對接工作，引導充換電設施有序建設，避免電網(wǎng)配套工程重復或滯后建設，確保社會資本投資建設的充電設施無障礙接入電網(wǎng)，為建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，推動綠色發(fā)展、高質量發(fā)展貢獻電網(wǎng)力量。

表2 四川電力各環(huán)節(jié)減碳總量估算 單位：104 t

3)超前規(guī)劃，加快特高壓電網(wǎng)建設，打造多元融合高彈性四川電網(wǎng)，充分發(fā)揮大電網(wǎng)的優(yōu)化配置資源的平臺作用，統(tǒng)籌電源負荷兩端，提高用能效率，以承載大規(guī)?？稍偕茉唇尤牒陀秒娯摵傻牟粩嘣鲩L。一方面，推進建設“新三直”和金上—湖北±800 kV特高壓直流工程，加快論證攀西等新能源富集地區(qū)網(wǎng)架加強和外送方案，圍繞甘孜、阿壩水電富集區(qū)和成都等負荷中心構建阿壩—成都東—天府南—甘孜1000 kV交流特高壓環(huán)網(wǎng)，并建設天府南—重慶雙回1000 kV線路向重慶電網(wǎng)延伸；另一方面，利用“大云物移智鏈”等技術手段賦能電網(wǎng)，挖掘設備能力，釋放電網(wǎng)潛力，豐富調劑手段，引導“源網(wǎng)荷儲”多能互聯(lián)、柔性互動、彈性平衡，積極建設完備的市場機制，疏導靈活性資源建設，在提高電網(wǎng)安全水平的同時大幅提升運行效率。

4)深入開展大規(guī)模新能源并網(wǎng)、高比例電動汽車接入對電力系統(tǒng)影響機理、源端水風光儲和終端分布式儲能協(xié)同、低慣量系統(tǒng)穩(wěn)定性、彈性電網(wǎng)探索應用和電網(wǎng)安全、經(jīng)濟、高效運行等研究。通過技術和管理手段，保障電力系統(tǒng)在新能源、電動汽車、儲能配置、交直流協(xié)同等靈活性資源及不確定性影響下的安全經(jīng)濟運行。

6 結 語

能源低碳轉型的關鍵是電力轉型，電力是能源系統(tǒng)碳減排的主力，對中國實現(xiàn)碳排放目標起決定性作用。四川電力可通過推動能源生產(chǎn)低碳化、能源消費電氣化及電網(wǎng)降損等措施，為四川及全國實現(xiàn)“碳中和”貢獻力量。同時，隨著大規(guī)模清潔能源和新型用電設施廣泛接入，電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運行將面臨全新挑戰(zhàn)，需要從技術與經(jīng)濟、市場與政策等方面開展研究。