雙碳目標(biāo)的挑戰(zhàn)與電力結(jié)構(gòu)調(diào)整趨勢(shì)展望

蔡紹寬

（中國(guó)海洋工程咨詢協(xié)會(huì)海上風(fēng)電分會(huì)，北京100161）

繼2020年12月12日，中共中央總書記習(xí)近平于聯(lián)合國(guó)氣候雄心峰會(huì)上莊嚴(yán)宣告中國(guó)將力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳目標(biāo)”之后，2021年4月30日，習(xí)近平總書記在中共中央政治局第二十九次集體學(xué)習(xí)會(huì)上強(qiáng)調(diào)，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是中國(guó)向世界作出的莊嚴(yán)承諾，也是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)變革，絕不是輕輕松松就能實(shí)現(xiàn)的。各級(jí)黨委和政府要拿出抓鐵有痕、踏石留印的勁頭，明確時(shí)間表、路線圖、施工圖，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展建立在資源高效利用和綠色低碳發(fā)展的基礎(chǔ)之上。

面臨偉大而又艱巨的雙碳目標(biāo)，中國(guó)將面對(duì)怎樣的挑戰(zhàn)呢？這個(gè)目標(biāo)究竟向中國(guó)社會(huì)提出了什么要求呢？筆者認(rèn)為，歸納起來(lái)共有兩大要求：一是能源需求側(cè)節(jié)能，二是能源供給側(cè)零碳化。

雙碳目標(biāo)是一個(gè)龐大的覆蓋全社會(huì)多行業(yè)多學(xué)科的課題，本文僅僅從能源供給側(cè)的角度，分析研判能源行業(yè)在雙碳目標(biāo)使命下的挑戰(zhàn)與對(duì)策，即逐步全部實(shí)現(xiàn)“一次能源零碳化，二次能源電力化”的零碳能源直接使用和電力化二次使用。

以下，筆者力圖立足于宏觀層面從雙碳目標(biāo)的本質(zhì)、雙碳目標(biāo)下中國(guó)電力負(fù)荷發(fā)展趨勢(shì)、從資源稟賦看可能的解決方案、電力系統(tǒng)儲(chǔ)能和其他改善供給側(cè)與需求側(cè)運(yùn)行特性的主要解決方案、結(jié)論共五個(gè)方面論述揭示雙碳目標(biāo)的挑戰(zhàn)與電力結(jié)構(gòu)調(diào)整趨勢(shì)。

1 雙碳目標(biāo)的本質(zhì)：零碳能源代替排碳能源

首先，我們來(lái)羅列一下已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的一次零碳能源：水能、風(fēng)能、光能、核能、地?zé)崮堋⒊毕?、波浪能、洋流能、溫差能等?］。其中，當(dāng)前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的可以直接進(jìn)行熱利用的一次零碳能源只有地?zé)岷凸鉄醿煞N。一次能源熱直接利用的特點(diǎn)是使用方式和應(yīng)用場(chǎng)景單一，故其對(duì)于完成雙碳目標(biāo)的貢獻(xiàn)率較小，本文暫不將其列入研究范圍。真正對(duì)全社會(huì)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)貢獻(xiàn)率最大的是零碳能源的電力化利用。因此，我們可以得到一個(gè)結(jié)論：雙碳目標(biāo)的本質(zhì)，就是零碳能源全部替代排碳能源，零碳能源的主要利用途徑是一次零碳能源電力化。

因此，可以把討論的范圍收縮到為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)下電能結(jié)構(gòu)調(diào)整面臨的挑戰(zhàn)及對(duì)策兩個(gè)方面。只要能夠分析研究清楚未來(lái)全社會(huì)各階段對(duì)電力負(fù)荷的需求總量、一次零碳能源資源是否能與各階段需求實(shí)現(xiàn)平衡、電力系統(tǒng)中的電源、儲(chǔ)能、供給側(cè)調(diào)節(jié)能力與需求側(cè)調(diào)節(jié)能力共同作用能否實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)平衡，就能夠全面揭示雙碳目標(biāo)任務(wù)進(jìn)程的本質(zhì)規(guī)律。

要能在非常復(fù)雜的能源認(rèn)知中梳理清楚正確的研究途徑，必須在以下三個(gè)方面有正確的認(rèn)知。

1.1 一次零碳能源資源滿足需求的可能性判斷

前已述及，天然存在可直接無(wú)碳使用且能相對(duì)規(guī)?；瘧?yīng)用的一次能源只有兩種：地?zé)帷⒐鉄帷，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)可規(guī)?；D(zhuǎn)換為無(wú)碳電能的一次能源只有四種：水能、風(fēng)能、光能、核能?？梢赞D(zhuǎn)換為無(wú)碳電能但難以規(guī)?；_發(fā)的一次能源主要有：地?zé)崮?、潮汐能、波浪能、洋流能、溫差能等?/p>

當(dāng)前電力系統(tǒng)正在使用的一次排碳能源主要有：燃油、燃煤、燃?xì)猓ò↙NG）、燃生物質(zhì)（包括垃圾發(fā)電），這些都是需要納入以下討論需要退役被替代的火電電力類型。

這里，我們還必須界定規(guī)?；_發(fā)的“規(guī)模”，否則將引發(fā)出若干無(wú)謂的爭(zhēng)議。筆者暫時(shí)把可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性開發(fā)的一次能源發(fā)電電量總規(guī)?？赡苓_(dá)到同期電力能源生產(chǎn)總量的1%視為規(guī)模化開發(fā)的劃分界線。

1.2 氫能不是能源

氫在天然情況下不能獨(dú)立存在，不屬于一次能源，生產(chǎn)過(guò)程必然耗能，故其不是“能源”?；覛?，由于碳排放屬于雙碳目標(biāo)下必須逐步歸零的技術(shù)路線而前景黯淡。藍(lán)氫，由于看不到可以市場(chǎng)化經(jīng)濟(jì)性前景應(yīng)暫不考慮。綠氫，必須“綠色電能、綠色制氫（電解水）”兩頭綠才是當(dāng)之無(wú)愧的綠氫，“排碳電能、電解水”生產(chǎn)的氫不能視為綠氫。由于通過(guò)“綠色能源—電—綠氫—電”技術(shù)路徑，制備氫發(fā)出的“氫電”屬于四次能源，需經(jīng)三次能源形式的轉(zhuǎn)換，每一次轉(zhuǎn)換都要付出“損耗+經(jīng)濟(jì)代價(jià)（產(chǎn)業(yè)成本）”，必然呈現(xiàn)耗能特性和經(jīng)濟(jì)性差兩大特點(diǎn)，所以氫能不是“能源”，應(yīng)劃入負(fù)荷側(cè)，即需求側(cè)；氫能經(jīng)濟(jì)性差，不得已才使用。氫能在電力系統(tǒng)中的作用是“儲(chǔ)存、調(diào)節(jié)”，特點(diǎn)是“昂貴、低效”，這里說(shuō)的“低效”講的是能源轉(zhuǎn)換效率低。

1.3 雙碳目標(biāo)的根本出路

綜上所述，從當(dāng)前的能源利用技術(shù)水平和可以預(yù)測(cè)的未來(lái)判斷：能夠規(guī)?；D(zhuǎn)換為無(wú)碳電能，可以作為完成雙碳目標(biāo)的主力能源只有四種：水能、風(fēng)能、光能、核能。雙碳目標(biāo)任務(wù)的本質(zhì)，就是要全力開發(fā)利用“水能、風(fēng)能、光能、核能”，以實(shí)現(xiàn)對(duì)排碳能源的“增量需求”和“存量”的逐步全面替代。

2 需求預(yù)測(cè)：雙碳目標(biāo)下中國(guó)電力負(fù)荷發(fā)展趨勢(shì)預(yù)判

現(xiàn)在，我們應(yīng)該清楚地認(rèn)識(shí)到了：未來(lái)世界，除了少量的直接利用地?zé)岷凸鉄嶂?，所有的一次零碳能源利用都必須轉(zhuǎn)化為電力化利用。這樣，就必然產(chǎn)生了三大問(wèn)題：各個(gè)目標(biāo)階段的電力負(fù)荷是多少？無(wú)碳能源資源是否滿足需求？在新的電力能源結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性重大變化后，電力系統(tǒng)電源與負(fù)荷間的實(shí)時(shí)平衡如何實(shí)現(xiàn)？本節(jié)重點(diǎn)討論雙碳目標(biāo)的電力需求發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 雙碳目標(biāo)下的中國(guó)2020年度等效發(fā)電量構(gòu)成分析

在雙碳目標(biāo)約束下，電力負(fù)荷的增長(zhǎng)將呈現(xiàn)和以往完全不同的規(guī)律，因?yàn)槌艘酝鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展形成的電力負(fù)荷自然增長(zhǎng)外，還必須計(jì)入由于排碳能源的漸次退出帶來(lái)的電力替代下的電力負(fù)荷替代性增長(zhǎng)，即等效電力能源替代。這種替代性增長(zhǎng)，包括各個(gè)時(shí)段存量的漸次替代和增量的全部替代產(chǎn)生的電力替代性需求增長(zhǎng)。

按照用途，可以把排碳能源分為三個(gè)大類：火電、交通運(yùn)輸燃油燃?xì)?、生活及工業(yè)燃料。因此，電力負(fù)荷在新環(huán)境下的增長(zhǎng)主要由四個(gè)種類構(gòu)成：傳統(tǒng)電力負(fù)荷的常規(guī)自然增長(zhǎng)，燃油運(yùn)輸替代性增長(zhǎng)，生活及工業(yè)燃料的替代性增長(zhǎng)，燃油、燃?xì)狻⑷忌镔|(zhì)等火電退役的替代性增長(zhǎng)。

在把天然氣發(fā)電歸入清潔能源的條件下，2020年，全國(guó)天然氣發(fā)電、水電、核電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等清潔能源消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量24.3%［2］。根據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)2021年7月8日發(fā)布的《中國(guó)電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告2021》［3］，各發(fā)電量構(gòu)成詳見表1；相比之下，如果把天然氣歸入排碳能源，清潔能源發(fā)電占比為32.1%，超7.8個(gè)百分點(diǎn)。可見電能發(fā)展、替代空間還很大。

表1 中國(guó)2020年度發(fā)電量構(gòu)成Tab.1 Composition of China，s electricity generation in 2020

由表1可知：（1）水電370.28 GW，比上年增長(zhǎng)3.42%，其中抽水蓄能裝機(jī)31.49 GW，比上年增長(zhǎng)3.96%；（2）并網(wǎng)風(fēng)電281.65 GW，比上年增長(zhǎng)34.66%（3）并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電253.56 GW，比上年增長(zhǎng)24.12%，其中分布式光伏裝機(jī)78.31 GW，占光伏總裝機(jī)比重30.9%。2020年并網(wǎng)的光熱發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到538 MW（含兆瓦級(jí)以上規(guī)模項(xiàng)目，其中首批太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目并網(wǎng)容量達(dá)到450 MW，共7座）；（4）除燃煤和燃?xì)馔?，火電中還包括余熱/余壓/余氣發(fā)電以及燃油發(fā)電等。

2.2 計(jì)算方法探討與選擇

根據(jù)以上分析，雙碳目標(biāo)下最終的一次零碳能源使用方式只有兩類：直接熱利用、發(fā)電電力利用。因此，除了少量直接熱利用之外，所有能源的利用幾乎都以電力負(fù)荷的形式存在，電力負(fù)荷的測(cè)算幾乎可以等同于雙碳目標(biāo)下全社會(huì)能源需求的測(cè)算。

本文預(yù)設(shè)以下約束條件開展2020年、2030年、2060年三個(gè)水平年的負(fù)荷預(yù)測(cè)工作。

1）各類能耗都?xì)w算到等效電耗進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。

2）預(yù)測(cè)2020年至2030年的GDP增長(zhǎng)指標(biāo)，預(yù)判各類能耗折算成電耗以后的電力彈性系數(shù)，然后計(jì)算2030年和2060年兩個(gè)水平年的全社會(huì)用電負(fù)荷，再加上10%的廠用電和網(wǎng)損，得到全電力系統(tǒng)必需的發(fā)電負(fù)荷電量。

3）根據(jù)零碳能源資源稟賦，預(yù)測(cè)各類零碳電源發(fā)展指標(biāo)。

4）預(yù)設(shè)到2030年，中國(guó)電力系統(tǒng)火電退役替代為2020年已有存量的10%，對(duì)應(yīng)火電10年間新增電量需求的100%全替代；2020年交通運(yùn)輸燃油存量10年間替代7%、增量全替代；2020年工業(yè)和生活燃料存量10年間替代5%、增量全替代。到2060年，實(shí)現(xiàn)對(duì)排碳能源全替代。

5）考慮到未來(lái)電力系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定發(fā)電基荷及為了維持電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的需要，預(yù)設(shè)2030年中國(guó)電力系統(tǒng)火電退役替代10%的部分和對(duì)應(yīng)火電10年新增電量的100%全替代的需求部分，全部由新增核電替代。預(yù)設(shè)到2060年，核電占比為50%。

6）在電力電量平衡的基礎(chǔ)上，預(yù)判系統(tǒng)儲(chǔ)存調(diào)節(jié)（儲(chǔ)能調(diào)峰）可能的措施安排。

2.3 2020年度全國(guó)能耗統(tǒng)計(jì)分析

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布了2020年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃統(tǒng)計(jì)公報(bào)。公報(bào)中顯示，2020年中國(guó)能源消費(fèi)總量為49.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。其中：煤炭消費(fèi)40.4億噸，石油消費(fèi)6.6億噸，天然氣消費(fèi)3 288億m3，非化石能源消費(fèi)7.9億噸標(biāo)煤。國(guó)家能源局發(fā)布的2020年全社會(huì)用電量數(shù)據(jù)為75 110億度。

根據(jù)多年的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，煤炭消費(fèi)中約有50%用于發(fā)電；石油消費(fèi)中，約有55%用于交通運(yùn)輸；天然氣消費(fèi)中，15%用于發(fā)電，15%用于化工，32%用于城市燃?xì)猓?8%用于工業(yè)燃料；非化石能源100%為零碳能源發(fā)電；在75 110億度用電量中，其中的火力發(fā)電51 700億度已包含50%的用煤的燃煤發(fā)電。

為了便于與電能替代對(duì)比分析，我們進(jìn)一步把能源消費(fèi)整理為四個(gè)大類：（1）非電煤耗；（2）交通運(yùn)輸用油；（3）生活及工業(yè)燃料；（4）非化石能源發(fā)電及火電。把現(xiàn)存發(fā)電類（火、水、風(fēng)、光、核）歸在一起，是為了用傳統(tǒng)電力自然增長(zhǎng)計(jì)算預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)的未來(lái)電力負(fù)荷發(fā)展水平。

假設(shè)2020年全中國(guó)現(xiàn)狀已實(shí)現(xiàn)零碳電能對(duì)排碳能源全替代，中國(guó)2020年度需要等效發(fā)電負(fù)荷主要構(gòu)成測(cè)算如下：

1）電力系統(tǒng)實(shí)際總發(fā)電量為76 264億度。

2）交通運(yùn)輸燃油粗略按電力系統(tǒng)60%估算等效電能電量，約為45 758億度。

3）生活及工業(yè)燃料粗略按電力系統(tǒng)35%估算等效電能電量，約為26 692億度。

4）火電需要退役替代電能電量51 770億度。

2020年等效零碳能源電能電量累計(jì)為148 714億度。其中，電力系統(tǒng)發(fā)電量占比為51.28%；124 220億度等效電能電量及其發(fā)展增量就是需要我們用零碳電能完全替代的，占比為83.53%。由此可見，雙碳目標(biāo)任務(wù)是非常艱巨的。

2.4 中國(guó)2030年度發(fā)電負(fù)荷主要構(gòu)成預(yù)測(cè)

首先，預(yù)測(cè)現(xiàn)有電能電量的自然增長(zhǎng)。參考部分經(jīng)濟(jì)學(xué)家的預(yù)測(cè)，預(yù)設(shè)預(yù)測(cè)條件：2021年至2030年的10年時(shí)段，中國(guó)GDP平均遞增率為7%；2030年至2060年的30年時(shí)段，中國(guó)GDP平均遞增率取4%。

根據(jù)中國(guó)的發(fā)展階段、電網(wǎng)覆蓋率、用電結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)，按照經(jīng)典的電力彈性系數(shù)法預(yù)測(cè)2030年、2060年兩個(gè)水平年的負(fù)荷需求是合適的。根據(jù)電力彈性系數(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不同時(shí)期對(duì)應(yīng)關(guān)系的規(guī)律［4］，即從重型工業(yè)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)向輕型產(chǎn)業(yè)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)逐步變化規(guī)律，前10年：取傳統(tǒng)電力的彈性系數(shù)為0.7，交通燃油替代部分電力彈性系數(shù)取0.6，生產(chǎn)及生活燃料替代部分的電力彈性系數(shù)取0.5；后30年，所有等效和傳統(tǒng)的電力負(fù)荷的電力彈性系數(shù)都取0.5。

按照以上兩個(gè)粗略預(yù)測(cè)分析，測(cè)算出2030年、2060年兩個(gè)預(yù)測(cè)水平年的全等效電能電量需求，再將2030年按照部分替代進(jìn)行拆分，預(yù)測(cè)該年度排碳能源存留量和零碳能源替代量。

2.5 中國(guó)2030年零碳電能發(fā)電負(fù)荷指標(biāo)預(yù)測(cè)

傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)部分電力增長(zhǎng)率為4.9%，2020年基數(shù)為76 264億度，2030年為117 300億度。

交通運(yùn)輸燃油等效電能電量部分，遞增率為4.2%，2020年為45 758億度，2030年沒(méi)有被替代條件下為66 264億度。

生活及工業(yè)燃料等效電能電量部分，遞增率為3.5%，2020年基數(shù)為26 692億度，2030年在沒(méi)有被替代條件下為36 378億度。

按照以下原則測(cè)算2030年的替代量：火電，2020年基數(shù)51 770億度存量替代10%（1995年以前投產(chǎn)機(jī)組全部退役，含當(dāng)時(shí)的在建項(xiàng)目完建后的容量替代）、增量全替代；交通運(yùn)輸燃油存量2020年基數(shù)45 758億度替代7%、增量全替代；工業(yè)和生活燃料存量2020年基數(shù)26 692億度替代5%、增量全替代。計(jì)算2030年各項(xiàng)指標(biāo)預(yù)測(cè)量。

2.5.1 火電退役10%存量替代

火電退役10%存量的替代量=51 770億度×0.1=5 177億度?；痣妼?duì)應(yīng)增量替代為：［51 770×（1+0.049）9-51 770］億 度=（79 626-51 770）億 度=27 856億度?；痣妼?duì)應(yīng)應(yīng)替代負(fù)荷總量為：（27 856+5 177）億度=33 033億度。按照預(yù)設(shè)條件，這部分從量上全部由核電替代。替代后，2030年火電存量為46 593億度。

2.5.2 交通運(yùn)輸燃油存量7%部分替代

交通運(yùn)輸燃油存量7%部分替代量=45 758億度×0.07=3 203億度，交通運(yùn)輸燃油增量替代量為=［45 758×（1.042）9-45 758］億 度=（66 264-45 758）億度=20 506億度。交通運(yùn)輸燃油對(duì)應(yīng)應(yīng)替代負(fù)荷總量=（20 506+3 203）億度=23 709億度。替代后，2030年交通運(yùn)輸燃油存量等效電量為42 555億度。

2.5.3 生產(chǎn)生活燃料存量5%部分替代生產(chǎn)生活燃料存量5%部分替代量=26 692億度×0.05=1 335億度。生產(chǎn)生活燃料增量替代量為=［26 692×（1.035）9-26 692］億度=（36 378-26 692）億度=9 686億度。生產(chǎn)生活燃料對(duì)應(yīng)應(yīng)替代負(fù)荷總量=（1 335+9 686）億度=11 021億度。替代后，2030年生產(chǎn)生活燃料存量等效電量為25 357億度。

綜上，三大零碳電能替代排碳能源等效電能電量總量=［33 033（火電）+23 709（交通運(yùn)輸燃油燃?xì)猓?11 021（生產(chǎn)生活燃料）］億度=67 763億度。

2.5.4 2030年全社會(huì)需要零碳能源電能電量

水風(fēng)光自增到2030年存量為32 037億度，需要替代交通運(yùn)輸燃油能源等效電量為23 709億度，需要替代生產(chǎn)生活燃料能源等效電量為11 021億度，三項(xiàng)合計(jì)共66 767億度。

核電自增到2030年存量為5 632億度，需要替代火電10年期間增量和期間退役機(jī)組替代電量分別為27 856億度、5 177億度，三項(xiàng)合計(jì)共為38 665億度。

2030年火電存量為46 593億度。

三項(xiàng)合計(jì)152 025億度。其中電力能源結(jié)構(gòu)各項(xiàng)占比為：水風(fēng)光43.92%，火電30.65%，核電25.43%，零碳電能已經(jīng)接近電能總量的70%。

2030年，能源需求總量為以上四個(gè)大項(xiàng)累加后的等效電能電量為219 937億度，主要能源結(jié)構(gòu)中，水風(fēng)光電占比30.36%，火電占比為21.18%，核電占比為17.58%，燃油燃?xì)庹急葹?9.35%，生產(chǎn)生活燃料占比為11.53%。零碳能源已經(jīng)接近能源消耗總量的50%。

2.6 中國(guó)2060年零碳電能發(fā)電負(fù)荷需求指標(biāo)預(yù)測(cè)

根據(jù)前述預(yù)測(cè)，2030年，全社會(huì)等效年電力負(fù)荷為219 937億度。電力部分為152 025億度。其中：火電存量46 593億度，裝機(jī)存量1.246 24 TW；核電需要38 665億度，按年利用小時(shí)為8 000 h考慮，需要裝機(jī)483.31 GW，減去存量49.89 GW后，10年間須新增裝機(jī)433.42 GW；水電按2030年裝機(jī)達(dá)到425 GW，年利用小時(shí)預(yù)設(shè)為4 250 h，年發(fā)電量為18 063億度；風(fēng)光電需要48 704億度，在不考慮棄風(fēng)限光的條件下，按平均年利用小時(shí)2 550 h（陸上風(fēng)電平均3 300 h，海上風(fēng)電4 000 h，光伏平均1 600 h）考慮，需要裝機(jī)容量為1.909 96 TW，減去存量535.21 GW，10年間須新增1.374 75 TW。綜上所述，2030年裝機(jī)規(guī)模為4.064 51 TW，年發(fā)電量152 025億度，平均利用小時(shí)為3 740 h。

預(yù)設(shè)2030－2060年30年時(shí)段中國(guó)GDP年均遞增率取4%，電力彈性系數(shù)取0.5，即30年間電力平均遞增率取2%，計(jì)算得到2060年全社會(huì)需要零碳電能（水風(fēng)光核電）電量總量=219 937億度×（1.02）29=390 574億度。其中：核電占比50%，年發(fā)電195 287億度，按年利用小時(shí)8 000 h計(jì)算，需要裝機(jī)2.441 09 TW；水電按2060年裝機(jī)達(dá)到500 GW，年利用小時(shí)預(yù)設(shè)為4 500 h，年發(fā)電量為22 500億度；扣除前述兩項(xiàng)所發(fā)電量之后尚余172 787億度，屬于風(fēng)光發(fā)電的供電任務(wù)，參考光伏組件轉(zhuǎn)換效率提升至平均28%、海上風(fēng)電在風(fēng)電中的占比提高至30%，按風(fēng)光發(fā)電設(shè)備平均利用小時(shí)2 850 h考慮，需要裝機(jī)為6.062 70 TW。2060年，中國(guó)全社會(huì)電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)總需求為：年發(fā)電量390 574億度，對(duì)應(yīng)裝機(jī)容量為9.003 79 TW，平均年利用小時(shí)為4 338 h。

3 從資源稟賦看可能的解決方案

3.1 關(guān)于核能資源稟賦

很明顯，要實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，核電的地位和作用將非常重要［5］，這就是要求我們首先分析核電資源稟賦狀況。

核能中鈾是最重要的天然核燃料。世界陸地鈾礦的探明儲(chǔ)量為145.55萬(wàn)噸（1983年），主要分布于美國(guó)、南非、澳大利亞、加拿大和尼日利亞等國(guó)。此外海水中含有核聚變?nèi)剂霞s45萬(wàn)噸。核裂變能的主要原料是鈾，它在地殼中儲(chǔ)量達(dá)幾十億噸。鈾的儲(chǔ)量雖然很大，但分布卻十分分散，要找到比較集中的礦點(diǎn)比較困難。钚的來(lái)源比鈾廣泛，價(jià)格較便宜。

作為核聚變能原料的氫及其同位素氘和氚，在地球上儲(chǔ)量十分豐富，海洋中還有氘約23.4萬(wàn)億噸，足夠人類使用幾十億年。對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，核聚變能將是一種取之不盡、用之不竭的“長(zhǎng)壽能源”。

由于筆者不是核能方面的專家，不能預(yù)測(cè)核能尤其是可控核聚變的科技突破的進(jìn)程，因此本文僅僅從最小需求的角度來(lái)安排核能在未來(lái)中國(guó)零碳電能能源的比例，假設(shè)到2030年可控核聚變技術(shù)尚未取得突破性進(jìn)展，核電比例按預(yù)設(shè)需求達(dá)到25.43%，核電需要38 665億度，按年利用小時(shí)為8 000 h考慮，需要裝機(jī)483.31 GW，減去存量49.89 GW后，2020年至2030年10年間須新增裝機(jī)433.42 GW。從資源條件方面是可以滿足需求的。

在2030年至2060年30年間，筆者假定期間可控核聚變會(huì)取得突破性進(jìn)展。這樣，對(duì)于核電占比50%，年發(fā)電195 287億度，按年利用小時(shí)8 000 h計(jì)算，需要裝機(jī)2.441 09 TW的需求，核能資源是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目標(biāo)需求的。

3.2 中國(guó)水能資源稟賦

中國(guó)水能資源可開發(fā)極限容量500 GW，按平均利用小時(shí)4 500 h計(jì)算，年發(fā)電量22 500億度。

3.3 中國(guó)陸上太陽(yáng)能資源稟賦

據(jù)相關(guān)資料，中國(guó)屬太陽(yáng)能資源最豐富的國(guó)家之一，據(jù)初步分析，全國(guó)陸上太陽(yáng)能技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量達(dá)到15.6 TW［6］。其中：新疆約為4.2 TW，青海3.4 TW，內(nèi)蒙古2.615 TW；此外甘肅、西藏、寧夏以及山東等地太陽(yáng)能技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量也比較可觀。隨著工作深度加深、光伏技術(shù)進(jìn)步形成轉(zhuǎn)換效率不斷提高、應(yīng)用場(chǎng)景不斷擴(kuò)展，中國(guó)的光伏可經(jīng)濟(jì)利用資源量正在大幅增加。2030年，預(yù)計(jì)陸上光伏裝機(jī)650 GW，平均按利用小時(shí)1 600 h計(jì)算，年發(fā)電量10 400億度；到2060年，即使按照最保守的總裝機(jī)容量15.6 TW計(jì)入，如果暫按開發(fā)50%考慮，7.8 TW，預(yù)設(shè)在此期間光伏組件轉(zhuǎn)換效率已提升至28%，平均按利用小時(shí)1 600 h計(jì)算，年發(fā)電量為124 800億度。

3.4 中國(guó)陸上風(fēng)能資源稟賦

由于受工作深度和資源普查分析時(shí)風(fēng)電科技水平認(rèn)識(shí)的局限，中國(guó)陸上風(fēng)電資源一直沒(méi)有一個(gè)較準(zhǔn)確全面的權(quán)威稟賦數(shù)據(jù)。比如“迄今為止，比較權(quán)威的說(shuō)法：中國(guó)陸上10 m高處的理論蘊(yùn)藏量為3.226 TW，其中技術(shù)可開發(fā)量按10%推測(cè)，并考慮風(fēng)輪掃掠面積，為253 GW”。但事實(shí)上是，根據(jù)2020年度國(guó)家電力統(tǒng)計(jì)資料［7］，中國(guó)2020年底，風(fēng)電總裝機(jī)已達(dá)281.53 GW，其中海上風(fēng)電裝機(jī)為9 GW，陸上風(fēng)電裝機(jī)272.53 GW。當(dāng)前，陸上風(fēng)電還正在以前所未有的速度發(fā)展，這種高速發(fā)展?fàn)顩r還將持續(xù)10年以上。單機(jī)容量越來(lái)越大、機(jī)組安裝高度越來(lái)越高、風(fēng)能資源利用高空越來(lái)越高、工作深度和廣度越來(lái)越大等等，都使中國(guó)風(fēng)電資源量越來(lái)越大到超越專家們的認(rèn)知。因此，中國(guó)的陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電、陸上光伏、海上光伏等資源稟賦都呈現(xiàn)出眾說(shuō)不一的狀況，而只能以不同時(shí)期的模糊預(yù)測(cè)來(lái)作分析判斷。

筆者根據(jù)海上風(fēng)電海域面積和資源類比，作出以下的判斷假定：陸上風(fēng)電經(jīng)濟(jì)可開發(fā)容量5 TW，2030年開發(fā)率達(dá)到20%，裝機(jī)1 TW，年利用小時(shí)平均取2 800 h，年發(fā)電量為28 000億度；到2060年，開發(fā)率達(dá)到50%即2.5 TW，平均利用小時(shí)3 000 h，年電量75 000億度。

3.5 中國(guó)海上風(fēng)能資源稟賦

海上風(fēng)速高，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量大，部分海域年運(yùn)行小時(shí)數(shù)最高可達(dá)4 000 h以上，海上風(fēng)電效率較陸上風(fēng)電年發(fā)電量多出20%～40%［8］。根據(jù)世界銀行近期研究成果，中國(guó)5～50 m水深，理論裝機(jī)容量1.4 TW；50～200 m水深漂浮基礎(chǔ)海上風(fēng)電理論裝機(jī)容量1.582 TW，合計(jì)2.982 TW。因此，中國(guó)5 m至50 m水深、140 m高度海域低空的海上風(fēng)電資源規(guī)模為1.4 TW，姑且暫按60%考慮，可開發(fā)裝機(jī)規(guī)模不小于840 GW，平均年利用小時(shí)約3 500 h，年發(fā)電量為29 400億度；50～200 m水深漂浮基礎(chǔ)海上風(fēng)電理論裝機(jī)容量1.582 TW，暫按50%考慮，可開發(fā)裝機(jī)規(guī)模為791 GW，按平均利用小時(shí)3 800 h計(jì)算，年發(fā)電量為30 058億度.綜上，固浮合計(jì)為1.631 TW，年發(fā)電量約59 458億度。未來(lái)海上風(fēng)電還具有“三高”特性：發(fā)電電量高、利用小時(shí)數(shù)高和高電能質(zhì)量高。

筆者判斷，到2030年，海上風(fēng)電漂浮式基礎(chǔ)還達(dá)不到具備市場(chǎng)化商業(yè)開發(fā)條件，暫不計(jì)入該階段參與平衡。將840 GW可經(jīng)濟(jì)開發(fā)資源在此期間按開發(fā)投運(yùn)50%即420 GW計(jì)入，平均利用小時(shí)3 800小時(shí)，年發(fā)電量為15 960億度。

到2060年，具備固定基礎(chǔ)施工條件的剩余420 GW均投運(yùn)，平均利用小時(shí)取4 000 h，年發(fā)電量為16 800億度。此時(shí)，總裝機(jī)達(dá)到840 GW，平均利用小時(shí)為3 900 h，年發(fā)電量為32 760億度。

3.6 中國(guó)海上光伏資源稟賦

中國(guó)海上太陽(yáng)能資源稟賦的中期認(rèn)識(shí)：根據(jù)相關(guān)粗略研究分析表明，如果海上光伏實(shí)現(xiàn)平價(jià)化開發(fā)，其發(fā)電量將略大于海上風(fēng)電。本次討論，只提示其規(guī)模化的存在，不納入?yún)⒓悠胶狻?/p>

3.7 雙碳目標(biāo)下電力結(jié)構(gòu)調(diào)整結(jié)果

綜上所述，得到實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)下2030年、2060年的電力結(jié)構(gòu)調(diào)整結(jié)果如下：

2030年：核電發(fā)電量38 665億度，裝機(jī)483.31GW；水電年發(fā)電量18063億度，裝機(jī)425GW；陸上風(fēng)電年發(fā)電量為28 000億度，裝機(jī)1 TW；陸上光伏年發(fā)電量10 400億度，裝機(jī)650 GW；海上風(fēng)電年發(fā)電量為15 960億度，裝機(jī)420 GW?；痣姶媪?6 593億度，裝機(jī)存量1.246 24 TW。2030年六項(xiàng)累加年發(fā)電量為157 681億度，裝機(jī)4.224 55 TW，平均年利用小時(shí)為3 732 h，比預(yù)測(cè)需求152 025億度略大。

2060年：核電年發(fā)電量195 287億度，占比50%；按年利用小時(shí)8 000 h計(jì)算，需要裝機(jī)2.441 09 TW的需求；水電年發(fā)電量22 500億度，總裝機(jī)500 GW；陸上風(fēng)電75 000億度，總裝機(jī)2.5 TW；陸上光伏年發(fā)電量為124 800萬(wàn)億度；總裝機(jī)規(guī)模7.8 TW。預(yù)設(shè)在此期間光伏組件轉(zhuǎn)換效率已提升至28%，平均按利用小時(shí)1 600 h；海上風(fēng)電年發(fā)電量為32 760億度；總裝機(jī)達(dá)到840 GW，平均利用小時(shí)為3 900 h。2060年五項(xiàng)（火電全部退役）累加年發(fā)電量為450 347億度，裝機(jī)14.081 09TW，平均年利用小時(shí)為3 198 h。彼時(shí)，核電占比為43.36%，水電占比為5.00%，陸上風(fēng)電占比為16.65%，陸上光伏占比為27.71%，海上風(fēng)電占比為7.27%。由于最低利用小時(shí)的光伏裝機(jī)比例大幅增加，次低利用小時(shí)的陸上風(fēng)電裝機(jī)比例也大幅增加，利用小時(shí)越來(lái)越低符合電力裝機(jī)結(jié)構(gòu)調(diào)整變化的規(guī)律。

這里，可能讀者會(huì)質(zhì)疑，預(yù)測(cè)需求量為390 574億度，為什么安排的年發(fā)電量為450 347億度，是預(yù)測(cè)需求量的115%？這里就會(huì)涉及筆者下一節(jié)會(huì)論述到的：為解決系統(tǒng)調(diào)節(jié)容量不足時(shí)的“冗余裝機(jī)”解決方案問(wèn)題。

以上論述，沒(méi)有安排的海上光伏、海上漂浮式風(fēng)電、地?zé)岚l(fā)電，光熱發(fā)電、潮汐能發(fā)電、波浪能發(fā)電、洋流能發(fā)電、溫差能發(fā)電等等，可以作為輔助性零碳能源補(bǔ)充。未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化，既要有戰(zhàn)略定力，又要有事物并不是完全以人們的意志為轉(zhuǎn)移的需要與適當(dāng)?shù)淖兓噙m應(yīng)的靈活性。

4 關(guān)于電力結(jié)構(gòu)調(diào)整帶的系統(tǒng)運(yùn)行特性問(wèn)題的解決方案預(yù)判

雖然中國(guó)的零碳能源電力資源在發(fā)電量方面，在計(jì)入占比為50%的核電后，再考慮儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步，電力系統(tǒng)在量、質(zhì)兩方面均能支撐中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)永續(xù)發(fā)展的。

但是在新的電力能源結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性重大變化后，電力系統(tǒng)必須解決的面對(duì)電源與負(fù)荷間的實(shí)時(shí)平衡的難題，提出如何實(shí)現(xiàn)是擺在我們面前必須解決的這個(gè)最大難題的途徑［9］。

關(guān)于電力系統(tǒng)運(yùn)行特性調(diào)節(jié)的問(wèn)題，不能僅僅看作是儲(chǔ)能問(wèn)題，這樣看就顯得過(guò)于膚淺。我們談儲(chǔ)能，本質(zhì)上討論的是：在電力系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)由于供給側(cè)的系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷出力特性與需求側(cè)用電負(fù)荷的用電特性之間，必須實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)平衡的問(wèn)題，即本質(zhì)上是在任何瞬間，電源與負(fù)荷特性匹配平衡問(wèn)題。因此，問(wèn)題的解決，應(yīng)該從三個(gè)方面研究解決措施：一是供給側(cè)即發(fā)電電源側(cè)，二是需求側(cè)即電力用戶側(cè)，三是二者之間的儲(chǔ)能調(diào)節(jié)池。供給側(cè)措施實(shí)際上是一直以來(lái)就在發(fā)生作用的用電源自身的調(diào)節(jié)能力調(diào)節(jié)與負(fù)荷之間的實(shí)時(shí)平衡關(guān)系，水電、火電等都有這類功能；需求側(cè)措施最傳統(tǒng)常用的是我們?cè)缧r(shí)候熟悉的“拉閘限電”，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，是通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的用戶側(cè)“分時(shí)用電”［10］，即把一部分負(fù)荷的使用時(shí)間自動(dòng)分配到用戶負(fù)荷水平最低時(shí)段使用；我們常說(shuō)的“儲(chǔ)能”是屬于第三個(gè)方面的措施，如抽水蓄能電站［11］、化學(xué)電池儲(chǔ)能電站等等［12-14］。在傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)中，由于核電利用小時(shí)很高，可以提供大量的基荷，常規(guī)水電、火電所占比重較大，調(diào)節(jié)能力（火電最大調(diào)節(jié)能力可達(dá)到其出力裝機(jī)容量的近50%）很強(qiáng)，匹配以少量的抽水蓄能電站，系統(tǒng)維持發(fā)電負(fù)荷與用電負(fù)荷的實(shí)時(shí)平衡是有保障的。但是在風(fēng)電、光伏電占比很大而火電逐步退役其占比越來(lái)越小的雙碳目標(biāo)進(jìn)程中，維護(hù)發(fā)用之間的實(shí)時(shí)平衡就越來(lái)越難，電力系統(tǒng)的調(diào)蓄能力不足的問(wèn)題就越來(lái)越凸顯。

出路何在？筆者通過(guò)長(zhǎng)期全方位的分析研究認(rèn)為，將來(lái)主要依靠?jī)?chǔ)能調(diào)節(jié)、電源供電特性、負(fù)荷用電特性三大措施方面，電力發(fā)用特性實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)平衡要求難題的解決的主要措施可能主要有三大類：

4.1 抽水蓄能

中國(guó)的自然資源成就了中國(guó)有大量的抽水蓄能建站資源，而且在當(dāng)今社會(huì)技術(shù)水平條件下，抽水蓄能的技術(shù)成熟度和電力轉(zhuǎn)換效率都是處于最高之列的，可開發(fā)規(guī)模巨大、轉(zhuǎn)換效率高、技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)適中，應(yīng)該排在優(yōu)先開發(fā)序列。

4.2 換電站

換電站是指：電動(dòng)汽車的電池使用方式從傳統(tǒng)的充電模式轉(zhuǎn)化為換電（池）模式。根據(jù)前面已經(jīng)探討過(guò)的相關(guān)問(wèn)題分析研究結(jié)論，未來(lái)在雙碳目標(biāo)指引下，交通運(yùn)輸燃油替代所需的電力能源規(guī)模巨大，在將來(lái)交通工具用電池實(shí)現(xiàn)“小體積、大容量、快充電、標(biāo)準(zhǔn)化”時(shí)，與所有加油站配套甚至徹底代替加油站是歷史的必然。雖然每一個(gè)換電站容量較小，但是其總量巨大，必將成為未來(lái)電力系統(tǒng)儲(chǔ)能的主力之一［15］。

一般情況下，每一個(gè)加油站都可以增設(shè)一個(gè)換電站，由于隨著時(shí)間的推移，燃油交通工具逐步退出歷史舞臺(tái)，必將在不久的將來(lái)加油站逐步被換電站替代，換電站系統(tǒng)將成為最大的儲(chǔ)能系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，2019年度中國(guó)擁有加油站總數(shù)為10萬(wàn)6 556座。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，到2030年，中國(guó)的加油站（換電站）在2019年基數(shù)上翻一番，到達(dá)20萬(wàn)座。而為了實(shí)現(xiàn)換電站最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行模式，在科技進(jìn)步的助力下，實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷低谷期和光伏發(fā)電最高峰期充電，可能需要設(shè)計(jì)3倍以上的倍比設(shè)置電池容量數(shù)量，如果平均1座換電站有10 MW高峰容量，系統(tǒng)總的調(diào)蓄容量就能得到2 TW。試問(wèn)，還有什么儲(chǔ)能措施的規(guī)模能與之相比？

4.3 冗余裝機(jī)

冗余裝機(jī)的定義：實(shí)際裝機(jī)規(guī)模與需求裝機(jī)規(guī)模之比大于1，甚至比1高很多。比如，某一電力系統(tǒng)在確定時(shí)間段需要風(fēng)電裝機(jī)為100 GW，把實(shí)際裝機(jī)規(guī)模投產(chǎn)量達(dá)到130 GW，冗余裝機(jī)的冗余比就是1.3∶1，這種冗余裝機(jī)措施實(shí)施的前提，是該種類電源發(fā)電成本遠(yuǎn)低于平價(jià)水平。如：在中國(guó)某一省市，當(dāng)?shù)貥?biāo)桿電價(jià)為0.40元/kWh，而風(fēng)電上網(wǎng)成本電價(jià)可以達(dá)到0.30元/kWh，為了改善風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電出力特性，可將該地區(qū)風(fēng)電冗余規(guī)模達(dá)到1.33∶1，這樣，把保證出力增加三分之一，棄掉約三分之一的系統(tǒng)難以調(diào)度使用的尖峰電量，既能實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目投資的經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出平衡，又能使發(fā)電側(cè)發(fā)電負(fù)荷出力特性得到大幅提升。這從當(dāng)前已經(jīng)顯現(xiàn)出來(lái)的風(fēng)光成本電價(jià)大幅降低的現(xiàn)實(shí)情況看，是完全具備規(guī)?；熬暗摹?/p>

其他儲(chǔ)能方式因?yàn)楹茈y具有經(jīng)濟(jì)性條件下的規(guī)?；純H僅只能是系統(tǒng)調(diào)蓄的補(bǔ)充輔助角色。

抽水蓄能和換電站兩種儲(chǔ)能調(diào)節(jié)方式，都是要消耗能源的，且其耗能水平還不能忽略不計(jì)，因?yàn)槠滢D(zhuǎn)換效率為75%～80%，加之規(guī)模巨大，今后在實(shí)際的電力系統(tǒng)規(guī)劃工作中，應(yīng)把因儲(chǔ)能調(diào)節(jié)消耗的電能加進(jìn)預(yù)測(cè)負(fù)荷中。

5 結(jié)論

1）雙碳目標(biāo)的本質(zhì)是零碳能源逐步代替排碳能源，代替的形式都是將零碳一次能源電力化，因此，必然引發(fā)新一代能源革命和相應(yīng)的全面的工業(yè)革命。

2）自然增長(zhǎng)，燃油運(yùn)輸替代性增長(zhǎng)，生活及工業(yè)燃料替代性增長(zhǎng)，燃油、燃?xì)狻⑷忌镔|(zhì)等替代性增長(zhǎng)，這四個(gè)方面的電力負(fù)荷增長(zhǎng)必將使得中國(guó)電力系統(tǒng)負(fù)荷、電源、電網(wǎng)超常規(guī)高速度發(fā)展，給電力供需平衡、電力系統(tǒng)智能化帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。

3）從全局看，水、風(fēng)、光、核四種主要的零碳能源資源能夠滿足中國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)永續(xù)發(fā)展需求。

4）水、風(fēng)、光、核四種主要的零碳電力能源的高速開發(fā)將對(duì)包括中國(guó)的政策適應(yīng)性、新能源科技進(jìn)步、投資開發(fā)強(qiáng)度、擴(kuò)大的電力系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈、電力系統(tǒng)對(duì)新能源為主的電源結(jié)構(gòu)調(diào)度運(yùn)維適應(yīng)性的認(rèn)識(shí)與調(diào)整等諸多方面都極具挑戰(zhàn)性。

5）未來(lái)的能源世界一定是新能源唱主角的世界，新能源的高速發(fā)展期已經(jīng)來(lái)臨！

衷心期待中國(guó)的與清潔能源相關(guān)的政府部門、電網(wǎng)公司、研究機(jī)構(gòu)、從業(yè)企業(yè)共同積極推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，早日實(shí)現(xiàn)能源零碳化，服務(wù)中國(guó)，貢獻(xiàn)全球，為世界的清潔能源事業(yè)做出重大貢獻(xiàn)！