碳中和目標(biāo)下電力部門低碳轉(zhuǎn)型路徑分析

郝 鑫，孔 英，2

（1.清華-伯克利深圳學(xué)院，廣東 深圳 518055；2.加拿大約克大學(xué)經(jīng)濟(jì)系，多倫多 M3J1P3）

2020年9月，國(guó)家主席習(xí)近平向世界做出莊重承諾，中國(guó)碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。在氣候變化問(wèn)題日益嚴(yán)峻，全球必須通力協(xié)作，出臺(tái)更有效措施遏制全球變暖的背景下，中國(guó)宣布碳中和目標(biāo)，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量綠色發(fā)展的內(nèi)在要求，也是我國(guó)彰顯大國(guó)責(zé)任擔(dān)當(dāng)?shù)捏w現(xiàn)。

1 電力部門低碳轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵

碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)復(fù)雜的、涉及經(jīng)濟(jì)社會(huì)各部門聯(lián)動(dòng)的長(zhǎng)期系統(tǒng)性問(wèn)題。最根本的措施一方面是減少二氧化碳的直接排放，另一方面是通過(guò)森林碳匯或碳捕集與封存技術(shù)，吸收排放的二氧化碳，從而達(dá)到碳中和的目標(biāo)。作為全國(guó)最大的碳排放部門，電力系統(tǒng)的減排動(dòng)力和壓力并存。我國(guó)電力部門經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，現(xiàn)有的自然資源稟賦條件、發(fā)電技術(shù)條件、電網(wǎng)設(shè)施條件、配套產(chǎn)業(yè)條件等世界領(lǐng)先，是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的基礎(chǔ)保障和重要?jiǎng)恿Α?/p>

近些年，中國(guó)電力消費(fèi)長(zhǎng)期處在增長(zhǎng)通道中，主要依靠新建大量火電機(jī)組來(lái)滿足需求的增加。截至2019年底，我國(guó)煤電總裝機(jī)高達(dá)10.4 億kW，約占全球煤電總裝機(jī)的50%。2019年，電力部門的煤炭消費(fèi)量約占全國(guó)總消費(fèi)量的54%，碳排放約占全國(guó)總排放的43.2%。如果我國(guó)不采取有效的淘汰措施，煤電機(jī)組在未來(lái)鎖定的碳排放總量會(huì)直接造成我國(guó)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。因此，電力部門的減排潛力巨大，其低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展對(duì)于中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)至關(guān)重要。

2 電力部門低碳轉(zhuǎn)型需要解決的主要問(wèn)題

經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，生態(tài)文明建設(shè)和環(huán)境因素倒逼，國(guó)家政策引導(dǎo)，共同推動(dòng)中國(guó)進(jìn)行能源體系轉(zhuǎn)型重構(gòu)。中國(guó)電力部門轉(zhuǎn)型的最終目標(biāo)應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用可再生能源，使電能成為主要能源供給。但由于電力部門自身的客觀條件和發(fā)展特點(diǎn)，未來(lái)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)還要面臨很多的挑戰(zhàn)和問(wèn)題。

首先是大規(guī)模煤電裝機(jī)的處置問(wèn)題。我國(guó)現(xiàn)有的煤電總裝機(jī)平均機(jī)組年齡也只有12年，如果大量的煤電設(shè)施提前加速淘汰，會(huì)嚴(yán)重影響現(xiàn)有電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，這也是對(duì)固定資產(chǎn)投資的嚴(yán)重浪費(fèi)，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)成本。針對(duì)煤電帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)支持作用和“碳鎖定”影響，如何正確看待其辯證關(guān)系，是電力部門低碳轉(zhuǎn)型過(guò)程中面臨的首要問(wèn)題。

其次是如何發(fā)展高比例可再生能源問(wèn)題。高比例的可再生能源并網(wǎng)不僅僅是簡(jiǎn)單的建造風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備，還包括建設(shè)相匹配的電網(wǎng)系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、調(diào)度體系等。我國(guó)現(xiàn)有的跨區(qū)域電力外送通道無(wú)法滿足傳輸需求，分布式儲(chǔ)能技術(shù)研究才進(jìn)入發(fā)展起步階段?，F(xiàn)有能源、電力系統(tǒng)還難以承受無(wú)任何約束的新能源大規(guī)模發(fā)展，嚴(yán)重制約未來(lái)大規(guī)模可再生能源的發(fā)展。

針對(duì)以上背景和問(wèn)題，研究電力部門中長(zhǎng)期低碳轉(zhuǎn)型目標(biāo)和可行的實(shí)現(xiàn)路徑具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 電力部門未來(lái)發(fā)展的可能情景設(shè)定

本研究基于自主構(gòu)建的自下而上的中國(guó)省級(jí)電力系統(tǒng)優(yōu)化模型，通過(guò)情景設(shè)定和關(guān)鍵參數(shù)假設(shè)，模擬約束條件下滿足電力需求的最小發(fā)電成本。其間重點(diǎn)討論在滿足碳中和目標(biāo)下的電力部門未來(lái)發(fā)電結(jié)構(gòu)、裝機(jī)部署、排放軌跡等方面的可能性，探究切實(shí)可行的電力部門低碳轉(zhuǎn)型路徑和實(shí)施方案。

現(xiàn)有的多項(xiàng)研究表明，中國(guó)要實(shí)現(xiàn)2060年碳中和的目標(biāo)，電力部門必須沿著1.5 ℃目標(biāo)的路徑深入探索，并在2050年實(shí)現(xiàn)“零排放”或者“負(fù)排放”。據(jù)此，本研究設(shè)定了三組情景：基準(zhǔn)情景、低碳情景和零碳情景。

基準(zhǔn)情景下，電力部門執(zhí)行現(xiàn)有的政策和措施不變，不會(huì)采取更進(jìn)一步的減排措施，不考慮碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)。低碳情景下，在現(xiàn)有政策措施的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格控制新建煤電項(xiàng)目，逐步提高可再生能源發(fā)電占比，到2050年將碳排放控制在1.5 ～2.0 ℃路徑區(qū)間內(nèi)。零碳情景是對(duì)低碳情景的進(jìn)一步強(qiáng)化。2020年之后，不再增加煤電項(xiàng)目；2030年后加速煤電淘汰，碳捕集與封存技術(shù)（CCS）開(kāi)始應(yīng)用；2050年實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放或者負(fù)排放。

4 碳中和目標(biāo)下的電力部門轉(zhuǎn)型路徑分析

4.1 不同情景下的碳排放趨勢(shì)

電力部門的低碳化轉(zhuǎn)型，最核心的指標(biāo)就是碳排放量的減少趨勢(shì)。通過(guò)圖1 可以直觀地看到，在不同的情景模擬下，電力部門的碳排放趨勢(shì)差異顯著。

圖1 2020-2050年電力行業(yè)碳排放變化趨勢(shì)

基準(zhǔn)情景下，電力部門的碳排放峰值將在2030年左右達(dá)到，碳排放量將達(dá)到46.1 億t。由于煤電仍是電力行業(yè)的主要能源，到2050年仍將有約21 億t的碳排放。在基準(zhǔn)情景模擬中，2030年左右全國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的目標(biāo)可能勉強(qiáng)能做到，但是2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)則完全不可能。

低碳情景下，電力部門將在2025年左右達(dá)到碳排放峰值，比基準(zhǔn)情景提前了5年，峰值排放量為41.2 億t。這是因?yàn)槲覈?guó)采取了更具體的可再生能源發(fā)展目標(biāo)，逐步淘汰煤電機(jī)組，因此可以實(shí)現(xiàn)提前達(dá)峰。2030年之后，由于CCS 技術(shù)的應(yīng)用，碳排放逐漸降低，到2050年約為9 億t。零碳情景下，2030年后，由于對(duì)煤電機(jī)組實(shí)行提前淘汰措施，加快CCS技術(shù)的普及應(yīng)用，加上2050年實(shí)現(xiàn)部門碳中和的目標(biāo)共同作用，碳排放降低速率顯著高于低碳情景，并在2050年實(shí)現(xiàn)部門零排放的目標(biāo)。基于聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）報(bào)告中的幾種不同模擬結(jié)果，要實(shí)現(xiàn)2 ℃目標(biāo)，能源部門累計(jì)的排放量應(yīng)保持在2 300 億t 以下。結(jié)果顯示，低碳情景和零碳情景累計(jì)排放量完全符合路徑要求。

4.2 電源裝機(jī)結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)

電力部門減少煤炭消費(fèi)，一方面要不斷推進(jìn)煤電項(xiàng)目的退出，減緩或停止新建煤電項(xiàng)目，從根源上減少碳排放；另一方面，要不斷增加可再生能源發(fā)電的占比，以此替代煤電淘汰后的電力供給缺口，保障能源系統(tǒng)安全。

通過(guò)圖2 可以看到，2020-2050年，隨著新能源發(fā)電的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力逐步增強(qiáng)，清潔能源裝機(jī)容量持續(xù)增長(zhǎng)，電源結(jié)構(gòu)在不同情景下都朝著更加清潔低碳的方向發(fā)展。但由于采取的約束條件不同，不同情景下電源裝機(jī)結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)差異明顯。

圖2 2020-2050年電源裝機(jī)結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)

在基準(zhǔn)情景下，由于未限制煤電項(xiàng)目建設(shè)，2020-2030年，煤電裝機(jī)量增加近100 GW。到2050年，煤電占比還有17.5%，遠(yuǎn)高于零碳情景的3.7%和低碳情景的11.3%?？稍偕茉凑急仍?050年僅為75.1%，低于低碳情景的81.6%和零碳情景的89.7%。對(duì)比低碳情景和零碳情景，零碳情景下有2050年碳排放為零的目標(biāo)約束，2030-2050年，零碳情景的煤電淘汰速率約為每年28.5 GW，約是低碳情景的2 倍。

4.3 總發(fā)電量變化趨勢(shì)

分析結(jié)果顯示，在三種情景下，總發(fā)電量均穩(wěn)步增加。其中，基準(zhǔn)情景下，總發(fā)電量增長(zhǎng)69.8%，在2050年達(dá)到14 118 億kW·h。低碳情景和零碳情景下，總發(fā)電量增加速度更快，2050年分別達(dá)到151 940 億kW·h 和1 851 391 億kW·h，相比2020年水平，低碳情景下增長(zhǎng)82.8%，零碳情景下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)總發(fā)電量翻倍增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率達(dá)到123%，如圖3 所示。

圖3 2020-2030年電力部門總發(fā)電量變化趨勢(shì)

具體到可再生能源發(fā)電占比，到2030年，低碳情景和零碳情景均完成《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略（2016-2030）》承諾的目標(biāo)，其可再生能源發(fā)電量占比分別達(dá)到53%和56%。到2050年，零碳情景下可再生能源發(fā)電量占比達(dá)到87%。

5 結(jié)論

碳中和目標(biāo)的提出對(duì)中國(guó)電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型提出了極高的要求，研究表明，電力部門在2050年實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放的目標(biāo)是可以做到的。“短期盡快達(dá)峰，中期加速下降，遠(yuǎn)期零排放”是逐步實(shí)現(xiàn)電力深度脫碳的有效路線圖，具體操作目標(biāo)是建成以高比例可再生能源發(fā)電為主體的現(xiàn)代化電力系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵是使電力系統(tǒng)到2050年實(shí)現(xiàn)零排放或者負(fù)排放。零碳情景結(jié)果表明，電力部門碳排放需要在2025年左右達(dá)峰，2030年后快速下降，2050年實(shí)現(xiàn)零排放。最主要的措施是2020年開(kāi)始，停止新增煤電項(xiàng)目并加速淘汰，在2030年后加速推廣應(yīng)用CCS 技術(shù)，保障到2050年所有煤電機(jī)組完成CCS 改造。同時(shí)，必須完成大規(guī)模的可再生能源發(fā)電的替代任務(wù)。到2050年，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電裝機(jī)占比達(dá)到90%左右，總裝機(jī)量達(dá)到7 260 GW?？稍偕茉窗l(fā)電和煤電總量和作用的轉(zhuǎn)變正是中國(guó)電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的最重要體現(xiàn)。