中國電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的發(fā)展路徑研究

朱法華，王玉山，徐 振，李軍狀，董月紅，李 輝，李小龍，胡 蕓，孫雪麗，丁 力

(1.國家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210023；2.國電環(huán)境保護(hù)研究院有限公司國家環(huán)境保護(hù)大氣物理模擬與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031；3.北京清新環(huán)境技術(shù)股份有限公司，北京 100142)

0 引言

2020年9月22日，國家主席習(xí)近平首次在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論會宣布：中國將提高國家自主貢獻(xiàn)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(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。至2021年4月22日的領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會，習(xí)近平主席至少在9次國際會議、國內(nèi)3次會議與視察福建講話先后闡述了碳達(dá)峰與碳中和的目標(biāo)、意義、政策、措施、行動等內(nèi)容，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

CO2排放的最大來源是化石能源的燃燒，據(jù)《世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒2020》[1]，中國煤炭、石油、天然氣消費(fèi)量分別占世界總量51.7%、14.5%、7.8%，可見中國控制CO2排放，首當(dāng)其沖的是要控制煤炭消費(fèi)。中國煤炭約一半用于燃燒發(fā)電，2018年中國火電(約90%是煤電)的CO2排放量占全國總排放量的43%，是CO2排放的最大單一來源[2]。減少電力行業(yè)的煤炭消費(fèi)確實(shí)是減少CO2排放的有效手段，但中國富煤貧油少氣的資源稟賦[3]，使得電力行業(yè)很難離開煤炭。針對碳達(dá)峰、碳中和約束下電力行業(yè)的發(fā)展路徑，各種觀點(diǎn)分歧很大，有的提出加快燃煤電廠退出，煤電清零[4]；有的提出煤炭開發(fā)的綠色轉(zhuǎn)型[5]，因地制宜推進(jìn)區(qū)域能源革命[6]。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，電力行業(yè)面臨著增加供應(yīng)和減少碳排放的雙重挑戰(zhàn)，有必要從中國的國情出發(fā)，結(jié)合技術(shù)可靠性、減碳效果、成本等，探討能夠提供安全、環(huán)境友好、社會可承受的電力行業(yè)的發(fā)展路徑。

1 電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和概念與實(shí)現(xiàn)路徑

1.1 碳達(dá)峰、碳中和的定義

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovermental Panel on Climate Change,IPCC)的定義，碳達(dá)峰是指某個地區(qū)或行業(yè)年度CO2排放量達(dá)到歷史最高值，然后進(jìn)入持續(xù)下降的過程，是CO2排放量由增轉(zhuǎn)降的歷史拐點(diǎn)。碳達(dá)峰(peak CO2emissions)包括達(dá)峰年份和峰值。碳中和是指由人類活動造成的CO2排放量，與CO2去除技術(shù)(如植樹造林)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的吸收量達(dá)到平衡。

1.2 電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的概念

對照碳達(dá)峰的定義，碳達(dá)峰包括達(dá)峰年份和峰值。習(xí)近平主席已代表中國政府宣示，中國力爭在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。達(dá)峰年份基本確定，而且有條件的地區(qū)、行業(yè)可以率先實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，但到目前為止具體峰值尚未公布。

事實(shí)上，電力行業(yè)除CO2外，SO2和NOx也都有排放達(dá)峰的過程，如中國電力行業(yè)SO2排放在2006年達(dá)到峰值1320萬t，此后逐步下降到2014年的620萬t，2015年快速下降至200萬t；NOx排放量在2011年達(dá)到峰值1107萬t，此后逐步下降到2014年的620萬t，2015年快速下降至180萬t[7-9]，如圖1所示。從圖1可以看出，盡管中國燃煤電廠基本上均實(shí)現(xiàn)了煙塵、SO2、NOx超低排放，但2019年電力行業(yè)的SO2和NOx排放量仍分別高達(dá)89萬t和93萬t[10-11]。

圖1 中國電力行業(yè)SO2和NOx排放量的達(dá)峰與下降過程

根據(jù)IPCC碳中和的定義，CO2的排放量與吸收量相等。事實(shí)上電力行業(yè)只要發(fā)電就會排放CO2，表1是IPCC發(fā)布的全球各種電源發(fā)電的CO2平均排放強(qiáng)度[2]。

表1 全球各種電源的平均CO2排放強(qiáng)度 g/(kW·h)

可見，不論是何種電源形式，只要發(fā)電都要排放CO2。對于化石能源發(fā)電，即使加裝碳捕集工程(Carbon Capture and Storage, CCS或Carbon Capture, Utilization and Storage ,CCUS)，由于脫除效率所限，也是排放CO2的，因此電力行業(yè)自身實(shí)現(xiàn)碳中和是不可能的，只能是在保障電力供應(yīng)的同時(shí)，電力行業(yè)盡可能減少CO2排放。所有國家碳中和時(shí)電力行業(yè)都應(yīng)有一定額度的CO2排放，所以電力行業(yè)碳中和不是CO2零排放。

1.3 電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的實(shí)現(xiàn)路徑

世界各國由于資源稟賦、技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)水平、地域范圍等各不相同，因此不同國家電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的路徑也各不相同。需要指出的是發(fā)達(dá)國家的碳達(dá)峰過程一般都是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的自然過程，如英國1973年就已實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，法國、德國、瑞典1978年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，美國2007年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，這些早已實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的國家，其共同點(diǎn)是早已完成工業(yè)化，進(jìn)入了后工業(yè)化時(shí)代或信息時(shí)代，經(jīng)濟(jì)增長已不依賴能源消費(fèi)的增長，電力裝機(jī)容量或發(fā)電量多年維持在相對穩(wěn)定的水平[1，12]。

實(shí)現(xiàn)碳中和，促進(jìn)低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型的各種國際規(guī)則、行業(yè)準(zhǔn)則及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)層出不窮。世界范圍內(nèi)力推實(shí)現(xiàn)1.5℃溫升控制目標(biāo)，到21世紀(jì)中葉全球?qū)崿F(xiàn)碳中和的呼聲日益強(qiáng)烈。歐盟提出“歐洲綠色新政”，宣布2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放，成為首個碳中和歐洲大陸。全球已有121個國家提出2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)和愿景，其中包括英國、新西蘭等發(fā)達(dá)國家以及智利、埃塞俄比亞、大部分小島嶼國家等發(fā)展中國家。不少國家和城市也提出2030—2050年期間實(shí)現(xiàn)100%可再生能源目標(biāo)，提出煤炭和煤電退出以及淘汰燃油汽車的時(shí)間表，并有114個國家表示將強(qiáng)化和更新國家自主貢獻(xiàn)(National Determined Contributions, NDC)目標(biāo)[13]。

從表1中可以看出，化石能源電力，即煤電、石油和氣電均為高碳排放電源(簡稱“高碳電源”)，其中以煤電為最高，而其余所有的8種電源，均是低碳排放電源(簡稱“低碳電源”)。從各種電源的CO2排放強(qiáng)度可以看出，降低CO2的最簡單方法就是大力發(fā)展低碳電源，拋棄高碳電源。如2019年11月新西蘭通過《零碳法案》，2035年實(shí)現(xiàn)100%可再生能源發(fā)電。2020年7月，德國聯(lián)邦議會通過了《燃煤電廠淘汰法案》，最遲到2038年年底，完全淘汰煤炭發(fā)電能力[14]。

其次是燃煤發(fā)電的燃料替代，如用低碳、零碳燃料替代煤炭，歐洲有不少國家利用天然氣、秸桿替代燃煤發(fā)電，如英國最大的燃煤電廠Drax擁有6臺660MW機(jī)組，其中4臺機(jī)組全部改燃生物質(zhì)燃料，另外2臺改燒天然氣[2]。美國則大量使用頁巖氣替代燃煤發(fā)電。

再次是燃煤電廠的CO2捕集利用,可分為燃燒前捕集、富氧燃燒和燃燒后捕集。從現(xiàn)階段來看，燃燒前捕集技術(shù)主要是應(yīng)用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Intergrated Gasification Combined Cycle, IGCC)電廠，已有大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的成功案例，但由于該技術(shù)工藝復(fù)雜，投資成本高，與現(xiàn)有工藝兼容性差，不適用于對現(xiàn)有工藝設(shè)備的改造，導(dǎo)致其發(fā)展較為緩慢。富氧燃燒仍處于中試驗(yàn)證階段，沒有商業(yè)規(guī)模項(xiàng)目開始實(shí)施建設(shè)，大型空分裝置的高投資和高能耗，以及系統(tǒng)升壓-降壓-升壓過程中的不可逆損失較大，是制約富氧燃燒技術(shù)成本降低的主要因素。燃燒后捕集技術(shù)是目前相對成熟的碳捕集技術(shù)，是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)CO2大規(guī)模捕集的重要途徑，其主要研究方向是提高效率，降低運(yùn)行成本[15]。

2 中國電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的適宜路徑

2.1 中國與發(fā)達(dá)國家電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的路徑異同

發(fā)達(dá)國家碳達(dá)峰是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的自然過程，碳達(dá)峰時(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展已度過工業(yè)化階段，進(jìn)入了后工業(yè)化階段或信息化階段，經(jīng)濟(jì)發(fā)展已不依賴能源消費(fèi)的增長，電力長期處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，因此其碳中和主要是在保持現(xiàn)有電力供應(yīng)的基礎(chǔ)上，盡可能減少CO2排放。

中國GDP總量居全球第二，但人均GDP剛剛超過1萬美元，2019年中國人均GDP僅占美國的16%，2020年末才消除貧困。中國2019年的人均GDP僅是16個國家碳達(dá)峰時(shí)人均GDP平均值的18.6%[12]，中國計(jì)劃在2035年左右基本實(shí)現(xiàn)代化，人均GDP達(dá)到中等發(fā)達(dá)國家水平。

中國目前尚未完成工業(yè)化，GDP的增長仍依賴能源消費(fèi)的增長，因此中國電力行業(yè)的碳中和不僅要減少CO2排放，而且要滿足電力需求的持續(xù)增長。據(jù)解振華等人的研究預(yù)測，中國全社會用電量將從2020年的7.5億(kW·h)增長到2050年的11.91～14.27億(kW·h)[13]，增長率高達(dá)58.8%～90.3%?？梢姡袊娏π袠I(yè)碳中和的難度要遠(yuǎn)高于任何發(fā)達(dá)國家。

中國電力行業(yè)碳中和的另一難度在于中國的資源稟賦，據(jù)《中國礦產(chǎn)資源報(bào)告2019》的數(shù)據(jù)測算，中國已查明的化石能源儲量中煤炭、石油、天然氣分別占99%、0.4%、0.6%[3]，因此歐美國家普遍采用的用天然氣、頁巖氣等替代燃煤發(fā)電，在中國是行不通的。盡管中國目前的燃?xì)怆姀S比例很低，但2019年中國天然氣的進(jìn)口依存度43%，石油的進(jìn)口依存度則高達(dá)71%，遠(yuǎn)超國際公認(rèn)的安全警戒線[16]?？梢?，在中國完全淘汰燃煤電廠是不現(xiàn)實(shí)的。

2.2 以節(jié)能與摻燒為引領(lǐng)，保留火電機(jī)組裝機(jī)不少于8億kW

2.2.1 實(shí)施煤電節(jié)能改造，降低單位煤電發(fā)電量的碳排放

2014年9月發(fā)展改革委、環(huán)境保護(hù)部、能源局印發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計(jì)劃(2014-2020年)》，與節(jié)能改造前的2013年相比，2019年全國火電行業(yè)平均供電煤耗從321g/(kW·h)降低到306.4g/(kW·h)，下降14.6g/(kW·h)，相當(dāng)于2019年節(jié)約標(biāo)煤7368萬t[18]，僅此就可減少CO2排放近2億t。

2019年全國火電機(jī)組容量118957萬kW，其中燃煤發(fā)電104063萬kW(占87.5%)，燃?xì)獍l(fā)電9024萬kW，生物質(zhì)發(fā)電2361萬kW，余溫、余壓、余氣發(fā)電3272萬kW，燃油發(fā)電175萬kW。

60萬kW及以上的大機(jī)組容量占比為45.0%；30～60萬kW等級的機(jī)組容量占比35.4%，其中亞臨界機(jī)組約3.5億kW，近1000臺，容量占比超過30%；單機(jī)容量小于30萬kW的老小機(jī)組容量占比19.6%[11]。這說明全國火電裝機(jī)容量中近一半的是效率低、煤耗高、性能差的亞臨界及以下參數(shù)的機(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)小機(jī)組，如表2所示。

表2 全國火電機(jī)組容量等級占比

在實(shí)現(xiàn)碳中和過程中，國家應(yīng)出臺政策首先淘汰關(guān)停效率低、煤耗高、役齡長的落后老小機(jī)組。2019年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，小于10萬kW的小機(jī)組容量11657.8萬kW，占火電總?cè)萘康?.8%，年利用小時(shí)數(shù)4431h，比全國火電機(jī)組的平均利用小時(shí)4365h高出66h[11]，小于30萬kW的機(jī)組容量超過2.3億kW，應(yīng)逐一分析這些機(jī)組的實(shí)際情況，該淘汰的堅(jiān)決淘汰；其次應(yīng)該對占煤電容量30%的近1000臺亞臨界機(jī)組進(jìn)行升級改造。將亞臨界機(jī)組的效率和煤耗提升到超超臨界的水平，以大幅度地降低其煤耗，同時(shí)大力改善其低負(fù)荷調(diào)節(jié)的靈活性，以大大提高其消納風(fēng)電和光伏發(fā)電量的能力，尤其是亞臨界機(jī)組均是汽包鍋爐，具有良好的水動力學(xué)的穩(wěn)定性，因而更加適應(yīng)電網(wǎng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)。徐州華潤電廠于2019年7月完成了對32萬kW亞臨界燃煤機(jī)組的改造，額定負(fù)荷下的供電煤耗從改造前的318g/(kW·h)降低到282g/(kW·h)，每度電降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗36g，按年利用小時(shí)4500h計(jì)，相當(dāng)于每年節(jié)約標(biāo)煤5.2萬t，減少CO2排放約14萬t。改造后機(jī)組不但具有穩(wěn)定的100%～20%范圍內(nèi)的調(diào)峰調(diào)頻性能，而且在19.39%的低負(fù)荷下仍然實(shí)現(xiàn)了超低排放，達(dá)到了大幅降低煤耗，顯著提高靈活性的目標(biāo)[2]。

2020年12月并網(wǎng)發(fā)電的安徽平山電廠二期工程設(shè)計(jì)供電煤耗251g/(kW·h)，廠用電率按5%考慮，發(fā)電煤耗僅為238.45g/(kW·h)，折算單位發(fā)電量的CO2排放量為643.8g/(kW·h)，介于IPCC公布的油電與氣電CO2排放強(qiáng)度之間。

2.2.2 摻燒非煤燃料，進(jìn)一步降低煤電碳排放

煤電的另一個低碳發(fā)展的方向是煤與生物質(zhì)、污泥、生活垃圾等耦合混燒。煤與生物質(zhì)耦合混燒發(fā)電主要的突出優(yōu)點(diǎn)是：利用固體生物質(zhì)燃料部分或全部代替煤炭，顯著降低原有燃煤電廠的CO2排放量；利用大容量高參數(shù)燃煤發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率高的優(yōu)勢，大幅度提高生物質(zhì)發(fā)電效率，節(jié)約生物質(zhì)燃料資源；利用已有的燃煤發(fā)電機(jī)組設(shè)備，只對燃料制備系統(tǒng)和鍋爐燃燒設(shè)備進(jìn)行必要的改造，可以大大降低生物質(zhì)發(fā)電的投資成本；參與混燒的生物質(zhì)燃料比例可調(diào)節(jié)范圍大(通常為5%～20%)，調(diào)節(jié)的靈活性強(qiáng)，對生物質(zhì)燃料供應(yīng)鏈的波動性變化有很強(qiáng)的適應(yīng)性[2]。

燃煤電廠摻燒生物質(zhì)燃料，在國內(nèi)外均有成熟經(jīng)驗(yàn)。摻燒污水處理廠污泥，在國內(nèi)也有不少電廠投運(yùn)，如廣東深圳某電廠300MW燃煤機(jī)組、江蘇常熟某電廠600MW燃煤機(jī)組、江蘇常州某電廠600MW燃煤機(jī)組。摻燒生活垃圾的主要是循環(huán)流化床鍋爐的燃煤電廠，也有先將垃圾氣化再摻入煤粉爐燃燒的電廠。

2.2.3 碳中和時(shí)中國火電機(jī)組的保留規(guī)模

2020年12月到2021年1月自湖南省通知有序用電之后，浙江、江西、陜西等多地都發(fā)出了限電的通知，全國多地出現(xiàn)拉閘限電。2021年1月7日當(dāng)天晚高峰創(chuàng)出了全社會用電高點(diǎn)，達(dá)到了11.89億kW，全國的發(fā)電裝機(jī)容量為22億kW，為何不能保證11.89億kW的用電負(fù)荷呢?這就需要區(qū)分發(fā)電裝機(jī)容量與保供裝機(jī)容量。

2020年底中國發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到22億kW，但并不意味著這些機(jī)組能夠同時(shí)發(fā)電。2021年1月7日11.89億kW的用電負(fù)荷高峰出現(xiàn)在晚上，太陽能就是光伏發(fā)電沒有出力。剛好1月7日全國大面積沒有什么風(fēng)，風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)出力大概10%左右，全國5.3億kW風(fēng)電和光伏的總裝機(jī)，有5億kW沒有出上力。冬季又是枯水期，我國3.7億kW水電的裝機(jī)容量在用電高峰時(shí)超過2億kW沒有出上力。另外，冬季是天然氣的用氣高峰，中國1億kW左右的天然氣發(fā)電裝機(jī)，有一半左右也沒有出上力。加上發(fā)電機(jī)組停機(jī)檢修、區(qū)域布局等問題，造成冬季缺電就顯而易見了[2]。

2060年前中國爭取實(shí)現(xiàn)碳中和，電力行業(yè)首當(dāng)其沖，需要大力發(fā)展可再生能源，但可再生能源不可控，不能作為保供電源。能夠作為保供電源的主要是火電、水電、核電、儲能(含抽水蓄能)。火電包括燃煤發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電、燃油發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等，是最可靠的保供電源。

2020年中國的水電裝機(jī)容量3.7億kW(含抽水蓄能3149萬kW)，容易開發(fā)的水電資源已開發(fā)完畢，據(jù)報(bào)道中國的水電開發(fā)極限是4.32億kW。2020年中國的核電裝機(jī)容量0.5億kW，核電由于核安全問題，選址極其困難，加上核燃料資源的限制，不可能大規(guī)模發(fā)展，預(yù)計(jì)可發(fā)展到2億kW。

2020年中國建成投運(yùn)的儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模3560萬kW，其中抽水蓄能3149萬kW[19]。2021年4月19日，國家能源局印發(fā)《2021年能源工作指導(dǎo)意見》，明確提出開展全國新一輪抽水蓄能中長期規(guī)劃，穩(wěn)步有序推進(jìn)儲能項(xiàng)目試驗(yàn)示范。在所有儲能方式中，抽水蓄能經(jīng)過了幾十年的工程實(shí)踐檢驗(yàn)，技術(shù)最為成熟，也最具經(jīng)濟(jì)性，具有大規(guī)模開發(fā)潛力，但選址較為困難。

與抽水蓄能相比，其他儲能項(xiàng)目規(guī)模都比較小，且有潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。儲能項(xiàng)目都是將電能的再次轉(zhuǎn)化，如抽水蓄能是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能；化學(xué)儲能是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能等等，在轉(zhuǎn)換過程中會有大量的能源損耗?？紤]到中國大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電與光伏發(fā)電，預(yù)計(jì)儲能項(xiàng)目需新增2億kW。

考慮到將來極端天氣會更多，仍以用電負(fù)荷高峰出現(xiàn)在冬季晚間為例，儲能、核電的出力能力均取1，水電的出力能力取0.5，計(jì)算可得儲能、核電、水電的同時(shí)發(fā)電能力為6.16億kW。

保留火電機(jī)組裝機(jī)8億kW，出力能力取0.85，用電高峰時(shí)發(fā)電能力6.8億kW。這樣，用電高峰時(shí)頂?shù)蒙系陌l(fā)電能力為12.96億kW，基本可以保證電力供應(yīng)。

2.3 以低碳能源為關(guān)鍵，大力發(fā)展風(fēng)電與光伏發(fā)電

從表1中可以看出，國內(nèi)外有商業(yè)應(yīng)用的低碳能源有8種，中國的水電資源開發(fā)程度已經(jīng)很高，核電選址較為困難，生物質(zhì)發(fā)電規(guī)模已近2500萬kW，多余生物質(zhì)燃料可摻燒到現(xiàn)有燃煤電廠，能夠發(fā)電的地?zé)豳Y源非常有限，潮汐能發(fā)電早有建成的示范項(xiàng)目，但一直未能推廣，因此，現(xiàn)在能夠大規(guī)模發(fā)展以至于取代化石能源電力，取代煤電的就是可再生能源電力的風(fēng)電和太陽能發(fā)電這兩種電源。

近10多年來中國的風(fēng)電與太陽能發(fā)電均取得快速發(fā)展，如圖2所示。從圖2可以看出，中國風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)從2009年的1613萬kW增長到2019年28153萬kW，太陽能發(fā)電裝機(jī)從2009年的2萬kW增長到2019年25343萬kW[11]。

圖2 中國風(fēng)電與太陽能發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r

2020年12月12日，習(xí)近平主席在氣候雄心峰會上進(jìn)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(fèi)比重將達(dá)到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億m3，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上。

為了滿足全社會的用電需要，碳中和時(shí)中國非水可再生能源的發(fā)展預(yù)計(jì)將達(dá)到50億kW，主要是風(fēng)電與太陽能發(fā)電，會有少量的地?zé)岚l(fā)電及潮汐能發(fā)電。

2.4 以儲能與碳捕集為補(bǔ)充，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定

為減少棄風(fēng)、棄光、棄水現(xiàn)象，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定，發(fā)展儲能項(xiàng)目是非常必要的，但儲能項(xiàng)目不僅投資較大，而且本身消耗電能，如抽水蓄能是效率較高的儲能方式，能源轉(zhuǎn)換效率僅有75%左右，因此國家必須出臺相關(guān)政策，推動儲能項(xiàng)目的建設(shè)。

碳捕集工程，包括碳捕集和封存(CCS)、碳捕集和利用(CCU)以及碳捕集、利用和封存(CCUS)。碳捕集工程不僅投資大、運(yùn)行費(fèi)用高，而且面臨高耗能、高風(fēng)險(xiǎn)等問題[20]。使用CCUS單位(kW·h)發(fā)電能耗增加14%～25%[21]，導(dǎo)致能耗需求量大幅增加；CCUS各個環(huán)節(jié)成本高昂，導(dǎo)致CCUS難以發(fā)展應(yīng)用；并且不論哪種方式封存CO2都存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，會造成難以評估的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。但是，CCUS仍是碳減排潛在的重要技術(shù)，中國政府高度重視，在一系列國家規(guī)劃與方案中將CCUS列為緩解氣候變化的重要技術(shù)[22-31]。

2021年1月國內(nèi)最大規(guī)模15萬t/a CO2捕集和封存全流程示范工程在國家能源集團(tuán)國華錦界電廠建成[32]。

因此，降低碳捕集，利用和封存(CCUS)的成本、能耗及風(fēng)險(xiǎn)任重道遠(yuǎn)，在沒有重大的技術(shù)突破以前，顯然不宜推廣應(yīng)用。即使CCUS技術(shù)有所突破，也需要政府持續(xù)推進(jìn)。

3 電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和時(shí)CO2排放量

3.1 火電行業(yè)碳達(dá)峰時(shí)CO2排放量

2018年火電行業(yè)排放的CO2占全國排放總量的43%，約43億t[2,17]。2021年4月22日，習(xí)近平主席在領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會上指出：中國將嚴(yán)控煤電項(xiàng)目，“十四五”時(shí)期嚴(yán)控煤炭消費(fèi)增長、“十五五”時(shí)期逐步減少煤炭消費(fèi)量。可以看出，2030年前煤電裝機(jī)容量還是會增長的，全國煤碳消費(fèi)量會有所減少，但電煤消費(fèi)量會有所增加，需要大力推進(jìn)“以電代煤”，提高電氣化水平。

預(yù)計(jì)火電行業(yè)碳達(dá)峰時(shí)CO2排放量會在2018年的基礎(chǔ)上增長15%左右，約47億t。

3.2 火電行業(yè)碳中和時(shí)CO2允許排放量

據(jù)Pierre Friedlingstein等人的研究[17]，2009—2018年全球每年化石燃料排放的CO2介于330～370億t之間，平均約350億t，全球碳循環(huán)后每年造成大氣中CO2增加約180億t，即全球每年化石燃料排放CO2約170億t時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)全球碳中和。中國人口數(shù)占世界人口總數(shù)的18.5%，如果不考慮共同但有區(qū)別的責(zé)任，按全球人均CO2排放來考慮，中國碳中和時(shí)可排放CO2約31.45億t，比2018年排放的100.3億t減少68.85億t。

2018年中國火電行業(yè)排放的CO2占全國排放總量的43%[2]，不考慮碳中和實(shí)現(xiàn)時(shí)煤炭基本上均用來發(fā)電，其他工業(yè)行業(yè)的CO2排放占比會有所下降，火電行業(yè)應(yīng)該上升的因素，火電行業(yè)可以排放CO2約13.5億t，電力行業(yè)的CO2排放指標(biāo)應(yīng)超過該限值。

3.3 電力行業(yè)碳中和時(shí)CO2預(yù)測排放量

依據(jù)前面的分析，在現(xiàn)有能源資源、技術(shù)水平及安全需求基礎(chǔ)上，碳中和時(shí)中國電力行業(yè)的發(fā)電裝機(jī)構(gòu)成、發(fā)電量及CO2排放量測算如表3所示。風(fēng)電與太陽能各按25億kW計(jì)，考慮到技術(shù)進(jìn)步，除燃煤發(fā)電外，CO2排放強(qiáng)度均按表1中數(shù)值的0.8倍計(jì)算，全國煤電機(jī)組按發(fā)電煤耗281g/(kW·h)、供電煤耗295g/(kW·h)計(jì)，全國生物質(zhì)量按折算1.07億t標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)，折算其裝機(jī)容量及發(fā)電量，1t標(biāo)煤燃燒后排放2.7t的CO2。

表3 碳中和時(shí)中國電力行業(yè)生產(chǎn)與CO2排放

從表3中可以看出，碳中和時(shí)，全國發(fā)電裝機(jī)容量高達(dá)64.3億kW，其中非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量58億kW，占比90.2%；煤電裝機(jī)容量5.3億kW，占比8.2%；包括生物質(zhì)與余熱、余壓、余氣在內(nèi)的火電裝機(jī)容量8億kW，占比12.4%。從發(fā)電量來看，碳中和時(shí)，全國發(fā)電量近13萬億(kW·h)，其中非化石能源發(fā)電量占比85.3%。

全國電力行業(yè)排放CO2量15.21億t，其中火電行業(yè)排放13.18億t，占全國可排放總量31.45億t的41.9%，小于目前的占比水平43%。可見，如果能夠?qū)崿F(xiàn)上述目標(biāo)，電力行業(yè)作出的貢獻(xiàn)是相當(dāng)巨大的。

4 結(jié)語

(1)碳達(dá)峰包括達(dá)峰時(shí)間與峰值，碳中和不是CO2零排放，中國碳達(dá)峰時(shí)火電行業(yè)排放的CO2量約47億t，碳中和時(shí)火電行業(yè)允許排放CO2量約13.5億t。

(2)中國電力行業(yè)的發(fā)展路徑應(yīng)貫徹以節(jié)能與摻燒為引領(lǐng)，保留火電機(jī)組不少于8億kW；以低碳能源為關(guān)鍵，大力發(fā)展風(fēng)電與光伏發(fā)電；以儲能與碳捕集為補(bǔ)充，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定等3條重要舉措。

(3)碳中和時(shí)中國電力裝機(jī)容量預(yù)計(jì)可達(dá)64.3億kW(不包括儲能容量)，非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量占比90.2%，發(fā)電量占比85.3%。電力行業(yè)排放CO2將從超過47億t下降至15.21億t，其中火電行業(yè)排放13.18億t。