中國電力行業(yè)二氧化碳排放達(dá)峰路徑研究

王麗娟，張 劍，王雪松*，陳瀟君，宋曉暉*，周凌安，嚴(yán) 剛

1.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院大氣環(huán)境規(guī)劃研究所,北京 100012

2.電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院,北京 100120

電力行業(yè)碳排放是全球最大的CO2排放源[1]，也是中國最大的碳排放源[2-3].中國用電需求從2010 年的4.2×1012kW·h 增至2020 年的7.5×1012kW·h，年均增長率為6.0%.電力結(jié)構(gòu)以火電為主，近年來雖有所下降但仍占主導(dǎo)地位，火電發(fā)電量從2010 年占中國總發(fā)電量的80.8%降至2020 年的67.9%.電量需求大和以煤為主的發(fā)電結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致中國電力行業(yè)成為最大碳排放部門的主要原因[4].與此同時(shí)，與工業(yè)等其他碳排放部門相比，電力部門在脫碳方面具有較高的潛力和成本優(yōu)勢[5].因此，電力行業(yè)達(dá)峰路徑是決定國家碳達(dá)峰進(jìn)程的關(guān)鍵.

提高非化石能源發(fā)電量是實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)碳達(dá)峰的重要途徑.近年來，我國非化石電源裝機(jī)發(fā)展迅速[6-7]，已成為全球最大的可再生能源生產(chǎn)國[5].2020年，全國水、核、風(fēng)、光等非化石電源裝機(jī)容量為9.8×108kW，占總裝機(jī)容量的44.7%，比2010 年提高18.1 個(gè)百分點(diǎn)；非化石電源發(fā)電量2.6×1012kW·h，占總發(fā)電量的比例由2010 年的19%升至2020 年的33.9%.當(dāng)前我國水能、核能、生物質(zhì)能發(fā)展?jié)摿τ邢蓿娂夹g(shù)成熟、運(yùn)行靈活，但資源大都已開發(fā)；核電發(fā)展規(guī)模受核電設(shè)備生產(chǎn)、項(xiàng)目建設(shè)能力和站址資源等限制；生物質(zhì)發(fā)展?jié)摿t受限于燃料供應(yīng)量及價(jià)格影響.相較而言，我國風(fēng)能、太陽能資源豐富，發(fā)展?jié)摿薮?，因此為?shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，風(fēng)電、太陽能發(fā)電須成為承擔(dān)滿足新增電力需求的主體.我國承諾2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將在25%左右，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12×108kW，每年約需新增風(fēng)光裝機(jī)容量0.7×108kW，年均增量相當(dāng)于英國2019 年風(fēng)光總裝機(jī)容量的1.9 倍、美國的40%，未來風(fēng)光電力發(fā)展任務(wù)艱巨.鑒于上述原因，迫切需要在我國碳達(dá)峰碳中和總體目標(biāo)下，科學(xué)謀劃電力行業(yè)碳排放控制路徑.

國內(nèi)外關(guān)于中國電力部門碳排放特征研究主要有兩類：一是進(jìn)行電力行業(yè)排放影響因素分析，對各項(xiàng)影響因素進(jìn)行分解，識(shí)別主要因素，定量研究經(jīng)濟(jì)、人口、碳價(jià)、電價(jià)等因素對碳排放的影響[8-15]，此類研究難以給出具體的控制路徑.二是自下而上探討電力行業(yè)減排路徑，分析電源結(jié)構(gòu)、節(jié)能降耗等對電力行業(yè)的影響等[16-20]，但以上研究通常是基于傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)增長模式假設(shè)，雖能夠很好地量化某一類因素對電力行業(yè)的減排潛力，但很難從行業(yè)間關(guān)聯(lián)的角度對電力行業(yè)碳排放影響進(jìn)行分析.總結(jié)來看，目前已有研究對中國電力行業(yè)未來的CO2減排潛力、貢獻(xiàn)因素做了探索，但鮮有研究統(tǒng)籌考慮宏觀影響因素以及部門間的相互關(guān)聯(lián)，包括經(jīng)濟(jì)發(fā)展、逐步收緊的碳減排政策下其他相關(guān)行業(yè)變革對電力行業(yè)的影響.該研究通過建立電力需求預(yù)測模型，統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展、各行業(yè)變革對電力需求的影響，進(jìn)行電力需求預(yù)測，采用情景分析方法，綜合考慮發(fā)電結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能降耗技術(shù)等因素影響，測算了我國電力行業(yè)碳排放趨勢，分析了影響電力行業(yè)碳達(dá)峰的主要驅(qū)動(dòng)因素，提出了電力行業(yè)碳減排的關(guān)鍵路徑和重點(diǎn)措施.

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 技術(shù)路線

為系統(tǒng)開展電力行業(yè)達(dá)峰研究，該文構(gòu)建了以全社會(huì)用電需求、電源結(jié)構(gòu)、化石能源消費(fèi)、CO2排放為主要內(nèi)容的研究框架，對不同階段電力行業(yè)發(fā)展情景和碳排放變化趨勢進(jìn)行預(yù)測分析.其中電力需求分析模塊與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、各部門用電需求密切相關(guān)，分別采用彈性系數(shù)、部門需求進(jìn)行預(yù)測.電源結(jié)構(gòu)分析模塊在用電需求預(yù)測的基礎(chǔ)上，綜合考慮資源條件、在建項(xiàng)目、部門規(guī)劃、其他機(jī)構(gòu)研究等方面因素，判斷水電、核電、生物質(zhì)發(fā)電、氣電等發(fā)展規(guī)模，判斷風(fēng)電、光伏的未來發(fā)展規(guī)模與發(fā)電量，然后基于供電安全、系統(tǒng)調(diào)峰的需要，確定煤電裝機(jī)與發(fā)電量.綜合考慮節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與單位發(fā)電量能耗降低的趨勢，預(yù)測電力行業(yè)化石能源消費(fèi)量和CO2排放變化趨勢.結(jié)合國家總體達(dá)峰要求，綜合研判電力行業(yè)碳排放達(dá)峰時(shí)間、峰值、達(dá)峰路徑，并在此基礎(chǔ)上提出達(dá)峰的主要措施和配套政策機(jī)制，技術(shù)路線見圖1.

圖1 電力行業(yè)碳達(dá)峰預(yù)測技術(shù)路線Fig.1 Technology framework of carbon emission peak forecasting in electric power industry

我國主要的發(fā)電技術(shù)包括太陽能發(fā)電(包括光伏發(fā)電、光熱發(fā)電)、風(fēng)電、核電、水電、傳統(tǒng)燃煤和燃?xì)獍l(fā)電，以及生物質(zhì)發(fā)電替代技術(shù)，其他發(fā)電技術(shù)(如地?zé)岷秃Ｑ竽茉窗l(fā)電)還處于早期階段，2020 年僅占總發(fā)電量的0.003 7%，由于發(fā)電比例相對較小未予考慮.通常火力發(fā)電廠使用壽命超過20 年，傳統(tǒng)的火電機(jī)組將在未來產(chǎn)生強(qiáng)烈的“碳鎖定”效應(yīng)[21]，因此，發(fā)展低碳發(fā)電技術(shù)是減少火電CO2排放的重要選擇.在低碳技術(shù)方面，包括高效率發(fā)電(HEG)技術(shù)和CO2捕集利用與封存(CCUS)技術(shù).HEG 技術(shù)可以通過提高發(fā)電效率來降低傳統(tǒng)燃煤發(fā)電的碳排放強(qiáng)度.CCUS 技術(shù)2018 年綜合捕集能力僅為年排放量的0.01%[22]，也未予考慮.

1.2 行業(yè)發(fā)展預(yù)測方法

1.2.1 電力需求預(yù)測方法

電力需求與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、各部門用電需求密切相關(guān).該研究分別采用彈性系數(shù)法、部門需求預(yù)測法兩種方法，開展電力需求預(yù)測.

1.2.1.1 彈性系數(shù)法

電力消費(fèi)彈性系數(shù)是指電力消費(fèi)增長速度與國民生產(chǎn)總值增長速度的比值，用以評價(jià)電力與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的總體關(guān)系.中長期看，電力彈性系數(shù)具有一定規(guī)律性.改革開放以來，中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展大體經(jīng)歷了4 個(gè)周期，1981?1990 年中國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以農(nóng)業(yè)和輕工業(yè)為主，電力彈性系數(shù)為0.82；1991?1999 年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以輕工業(yè)為主，彈性系數(shù)為0.82；2000?2009 年進(jìn)入重工業(yè)化階段，電力彈性系數(shù)為1.1；2010?2019年經(jīng)濟(jì)進(jìn)入新常態(tài)，工業(yè)化進(jìn)入中后期階段，電力彈性系數(shù)為0.92[23].國際、國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)表明，工業(yè)化前期電力彈性系數(shù)小于1，工業(yè)化中期階段，電力彈性系數(shù)大于1；工業(yè)化后期電力彈性系數(shù)小于1.如美國1931?1948 年電力彈性系數(shù)為2.0，1951?1960 年升至2.5，1960?1980 年降至1.6，1980?1993 年僅為0.5，1994 至今約為0.3.“十四五”期間，中國處于工業(yè)化后期發(fā)展階段，預(yù)計(jì)中國電力彈性系數(shù)為0.8[23].隨著工業(yè)增加值比重的下降，電力彈性系數(shù)呈明顯下降趨勢[23-25]，參考美國彈性系數(shù)下降趨勢，設(shè)定我國“十五五”“十六五”期間電力彈性系數(shù)分別為0.7、0.6.基于我國電力需求彈性系數(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展增速，預(yù)測全社會(huì)用電量.計(jì)算公式：

式中：El(t)為t年電力需求總量，kW·h；coef 為電力彈性系數(shù)，表示一定時(shí)期內(nèi)電力總消費(fèi)量年均增長率與同一時(shí)期內(nèi)國內(nèi)生產(chǎn)總值年均增長率的比值；GDPrate為GDP 增長率，%.

1.2.1.2 部門需求預(yù)測法

部門需求預(yù)測選取我國最主要的用電部門，開展分部門電力需求預(yù)測.圖2(a)顯示：我國全社會(huì)用電主要集中于工業(yè)、居民生活、服務(wù)業(yè)等部門，2019 年占全社會(huì)用電量的95.2%.根據(jù)不同部門用電特點(diǎn)，該研究將我國用電部門分為工業(yè)、居民生活、服務(wù)業(yè)、交通運(yùn)輸和其他等五大類，分別開展用電需求預(yù)測.

圖2 我國用電發(fā)展趨勢及用電結(jié)構(gòu)Fig.2 Development trend and structure of electricity consumption in China

工業(yè)是我國最主要的用電部門，2019 年工業(yè)部門用電量4.9×1012kW·h[25]，占全社會(huì)用電量的67.0%，其中，有色金屬冶煉和壓延加工業(yè)、黑色金屬冶煉和壓延加工業(yè)、化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)、非金屬礦物制品業(yè)等為代表的高耗能制造業(yè)用電占工業(yè)用電的42.0%，細(xì)化主要用電行業(yè)的預(yù)測，有利于更準(zhǔn)確地判斷工業(yè)用電的發(fā)展趨勢.根據(jù)有色金屬冶煉、鋼鐵、水泥、化工等[26-30]高耗能行業(yè)發(fā)展情景的不同階段產(chǎn)量預(yù)測結(jié)果，采用產(chǎn)品單耗法預(yù)測各行業(yè)2025年、2030 年、2035 年用電需求.金屬制品、紡織、電子設(shè)備制造、橡膠塑料等13 個(gè)主要用電工業(yè)的用電需求根據(jù)2010?2019 年各行業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)品單耗的變化趨勢，綜合考慮未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢及能效提升等因素，采用產(chǎn)品單耗法預(yù)測.計(jì)算公式：

式中：El(i)為i部門電力需求總量，kW·h；P(i)為i部門產(chǎn)品產(chǎn)量，t；Uc(i)為i部門單位產(chǎn)品耗電量，kW·h/t.

電力、熱力、燃?xì)饧八a(chǎn)供應(yīng)業(yè)(簡稱“電力與熱力供應(yīng)業(yè)”)的用電量主要來自發(fā)電廠自用電、線路損失及抽水蓄能耗電等，根據(jù)全社會(huì)總用電量變化趨勢進(jìn)行預(yù)測.除上述行業(yè)外的其他工業(yè)行業(yè)用電需求根據(jù)2014?2019 年用電量歷史趨勢進(jìn)行預(yù)測.

居民生活是除工業(yè)行業(yè)外的第二大用電領(lǐng)域.圖2(b)顯示：2019 年我國居民生活用電量1.02×1012kW·h[25]，占全社會(huì)總用電量的14.2%，人均居民生活用電量約732 kW·h/a.全國居民生活用電量最高的省份分別為福建省、北京市、浙江省、上海市，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平密切相關(guān).居民生活用電需求根據(jù)2002?2020 年我國人均居民生活用電量與人均GDP 的相關(guān)關(guān)系，綜合考慮新型城鎮(zhèn)化和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，參比發(fā)達(dá)國家主要城市人均用電水平，按照2025 年我國人均居民生活用電量達(dá)到1 100 kW·h (北京市、福建省目前水平)、2030 年達(dá)到1 600 kW·h (增速參考全國2010?2020 年水平)、2035 年2 000 kW·h (增速參考北京市2010?2020 年水平)，分別預(yù)測2025 年、2030 年、2035 年居民生活用電需求.

服務(wù)業(yè)(第三產(chǎn)業(yè)不含交通運(yùn)輸業(yè))是繼工業(yè)部門、居民生活后的第三大用電領(lǐng)域，2019 年用電量1.01×1012kW·h[25]，占全社會(huì)用電量的14.0%.服務(wù)業(yè)用電需求綜合考慮5G 基站、大數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模及能效變化等因素，預(yù)測2025 年、2030 年、2035 年新型基礎(chǔ)設(shè)施的用電需求.

交通運(yùn)輸領(lǐng)域用電主要包括電氣化鐵路、電動(dòng)汽車、水上運(yùn)輸業(yè)、航空運(yùn)輸業(yè)等.按照《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021?2035 年)》提出的“到2025 年，新能源汽車銷量達(dá)汽車銷售總量20%”“純電動(dòng)乘用車新車平均電耗降至百公里12.0 kW·h”，以及未來鐵路電氣化率基本達(dá)到100%的目標(biāo)，分別預(yù)測2025 年、2030 年、2035 年用電需求.其他部門用電量根據(jù)2014?2019 年增長趨勢，采用趨勢外推法進(jìn)行預(yù)測.

根據(jù)彈性系數(shù)法、部門需求預(yù)測法，到2025 年、2030 年、2035 年全社會(huì)用電量分別在9.3×1012～9.5×1012、11.0×1012～11.2×1012、12.2×1012～12.7×1012kW·h 之間.

1.2.2 電源結(jié)構(gòu)預(yù)測方法

電源結(jié)構(gòu)調(diào)整是電力行業(yè)達(dá)峰的關(guān)鍵.目前，我國煤電等化石能源發(fā)電占絕對主導(dǎo)地位，但非化石能源無論是發(fā)電裝機(jī)容量還是發(fā)電量，都呈現(xiàn)出擴(kuò)大的趨勢.基于可開發(fā)資源量、電源項(xiàng)目建設(shè)周期、能源價(jià)格等方面因素，確定水電、核電、生物質(zhì)發(fā)電規(guī)模，再統(tǒng)籌考慮非化石能源消費(fèi)比例等，確定風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)模.對我國2021?2035 年各類電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定裝機(jī)規(guī)模及發(fā)電量等.

我國水能資源技術(shù)可開發(fā)量居全球首位，全國水電站技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量6.87×108kW[31]，除雅魯藏布江上游，其他流域常規(guī)水電資源可開發(fā)規(guī)模為4.1×108kW 左右.基準(zhǔn)情景下水電保持“十三五”發(fā)展趨勢，低碳情景下水電基于可開發(fā)資源量測算，到2025 年、2030 年、2035 年，常規(guī)水電開發(fā)規(guī)模將分 別在3.6×108～3.9×108、3.8×108～4.1×108、3.9×108～4.1×108kW之間.

核電發(fā)展規(guī)模主要取決于電源項(xiàng)目建設(shè)周期和項(xiàng)目建設(shè)能力、能源價(jià)格等方面因素，核電每年最大穩(wěn)定開工建設(shè)6～8 臺(tái)，年均增長1 000×104kW 左右.基準(zhǔn)情景下核電保持“十三五”發(fā)展趨勢，低碳情景下核電按照年最大開工量測算，到2025 年、2030 年、2035 年核電規(guī)模分別為0.7×108、1.0×108～1.2×108、1.3×108～1.5×108kW[32].

我國生物質(zhì)資源豐富，分布廣泛，理論資源量約為50×108t，僅每年可作燃料利用的農(nóng)業(yè)剩余物和林業(yè)廢棄物就有5×108～7×108t，折合2.5×108～3.5×108t(以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì))[33].但目前我國生物質(zhì)能源存在原料收集范圍過大、采購成本過高等問題，導(dǎo)致項(xiàng)目長期處于虧損狀態(tài)[34].而單從生物質(zhì)發(fā)電成本來看，與風(fēng)電、光伏相比，生物質(zhì)發(fā)電并不具備成本大幅度下降的空間，未來環(huán)保成本或許還會(huì)隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高而進(jìn)一步提高[35].基準(zhǔn)情景下生物質(zhì)裝機(jī)按照“十三五”年均增量測算，低碳情景下略加快生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)增長速度，預(yù)計(jì)2025 年、2030 年、2035 年裝機(jī)量分別為0.5×108、0.7×108～0.9×108、0.9×108～1.2×108kW.

長期以來，由于天然氣燃料價(jià)格偏高，導(dǎo)致氣電機(jī)組在經(jīng)濟(jì)性上無法與其他發(fā)電形式競爭.為實(shí)現(xiàn)我國碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)，除東部地區(qū)有部分氣電機(jī)組建設(shè)外，不建議新建燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組.有研究認(rèn)為，我國氣電在2025 年將達(dá)到1.5×108kW[36]，2030 年發(fā)電耗氣量約為1 300×108m3[37-38]，該研究假設(shè)基準(zhǔn)情景下保持“十三五”年均增量，低碳情景下略加快，預(yù)計(jì)2025 年、2030 年、2035 年裝機(jī)量分別為1.2×108～1.5×108、1.5×108～2.0×108、1.7×108～2.3×108kW.

風(fēng)能、太陽能發(fā)展是電力行業(yè)達(dá)峰的關(guān)鍵.電源結(jié)構(gòu)設(shè)定時(shí)統(tǒng)籌考慮國家達(dá)峰要求和2030 年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重在25%左右，風(fēng)電、太陽能總裝機(jī)容量要達(dá)到12×108kW 要求，設(shè)定電源結(jié)構(gòu)常規(guī)發(fā)展和加速發(fā)展2 個(gè)情景，其中常規(guī)發(fā)展情景設(shè)定原則為風(fēng)電、太陽能裝機(jī)容量發(fā)展趨勢保持“十三五”期間增長趨勢不變；加速發(fā)展情景的設(shè)定原則為綜合考慮國家非化石能源增長需求，加快風(fēng)電太陽能發(fā)展.

電力行業(yè)碳排放與各類電源發(fā)電量直接相關(guān)，發(fā)電量計(jì)算根據(jù)全社會(huì)用電需求，減掉非化石能源可支撐電量和氣電規(guī)模，確定不同電源結(jié)構(gòu)下的煤電發(fā)電量.電量與裝機(jī)容量關(guān)系如下：

式中：En 為發(fā)電量，kW·h；Ca 為電源裝機(jī)容量，kW；hr 為各電源發(fā)電小時(shí)數(shù)，h，氣電、水電、核電、生物質(zhì)等能源發(fā)電小時(shí)數(shù)根據(jù)“十三五”平均發(fā)電小時(shí)數(shù)確定，風(fēng)電、太陽能發(fā)電小時(shí)數(shù)根據(jù)不同的新建項(xiàng)目和存量項(xiàng)目裝機(jī)容量分別確定.

1.2.3 供熱需求預(yù)測方法

2011 年我國熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)容量為2.0×108kW，到2019 年為5.2×108kW，占煤電總裝機(jī)比例由2015年的35.6%升至2019 年的50.4%.我國熱電聯(lián)產(chǎn)燃料消耗以煤炭為主，隨著我國城市供熱熱化率的提高、新建筑的增加和供熱范圍的不斷擴(kuò)大，對熱源有較大需求，使得我國熱電聯(lián)產(chǎn)市場快速發(fā)展，熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)容量逐年遞增.該研究中熱電聯(lián)產(chǎn)供熱增加的耗煤量采用趨勢外推法進(jìn)行預(yù)測.

1.3 情景設(shè)計(jì)

為分析電力行業(yè)碳達(dá)峰時(shí)間、排放量和不同措施對排放的影響，該研究根據(jù)不同電力需求總量、電源結(jié)構(gòu)和發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗，分別形成基準(zhǔn)情景、低碳情景、強(qiáng)化情景3 個(gè)情景(見表1).基準(zhǔn)情景設(shè)定原則為電力需求保持較高水平，電源結(jié)構(gòu)保持“十三五”發(fā)展趨勢，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗保持當(dāng)前水平；低碳情景設(shè)定原則為電力需求保持較高水平，綜合考慮各類電源發(fā)展?jié)摿?、建設(shè)周期、能源價(jià)格等方面因素，最大限度地開發(fā)非化石能源發(fā)電，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗設(shè)定依據(jù)為2015?2019 年期間我國發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗年均下降2 g/(kW·h)，未來發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗仍有較大下降空間[39]，但由于煤電靈活性改造將提高煤電的耗煤量[40]，假設(shè)未來發(fā)電煤耗年均下降1 g/(kW·h)，到2025 年、2030 年、2035 年分別達(dá)到286、280、275 g/(kW·h).強(qiáng)化情景設(shè)定原則為降低電力需求總量，綜合考慮各類電源發(fā)展?jié)摿Α⒔ㄔO(shè)周期、能源價(jià)格等方面因素，最大限度地開發(fā)非化石能源發(fā)電，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗與低碳情景相同.

表1 不同情景下我國電力行業(yè)碳排放控制參數(shù)取值Table 1 Parameter values of key measures for carbon emission control in power industry of China under the scenario of strengthened control

1.4 碳排放分析方法

碳排放核算范圍為燃煤、燃?xì)獾然痣姀S(含企業(yè)自備電廠)化石燃料燃燒(含熱電聯(lián)產(chǎn)供熱部分燃料消耗)產(chǎn)生的CO2排放.碳排放影響因素包括電力需求量、各類電源發(fā)電量變化及發(fā)電煤耗變化.計(jì)算方法為通過電力行業(yè)發(fā)電耗煤量、耗氣量及對應(yīng)的碳排放系數(shù)，測算電力行業(yè)CO2排放.計(jì)算公式：

式中 ：G為CO2排放總量，t；Gncoal、Gngas分別為發(fā)電煤炭消耗量和天然氣消耗量，t或m3；EFcoal、EFgas分別為煤炭和天然氣CO2排放因子，t/t 或t/m3.

1.5 數(shù)據(jù)來源

該研究基準(zhǔn)年為2020 年，研究時(shí)段為2021?2035 年.電力行業(yè)發(fā)電量、用電量、各電源裝機(jī)容量、發(fā)電小時(shí)數(shù)等活動(dòng)水平數(shù)據(jù)來自國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)資料匯編、中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒等文獻(xiàn)或報(bào)告.

2 結(jié)果與討論

2.1 行業(yè)排放現(xiàn)狀和特征

基于碳排放核算邊界和方法，電力行業(yè)排放來源于化石燃料燃燒，2020 年CO2排放總量為45.8×108t，其中燃煤發(fā)電排放39×108t，燃?xì)獍l(fā)電排放1.1×108t，熱電聯(lián)產(chǎn)中供熱部分排放5.7×108t.改變發(fā)電結(jié)構(gòu)降低化石燃料使用量是電力行業(yè)碳排放控制方向，在水電、核電、生物質(zhì)和燃?xì)獍l(fā)電規(guī)模受可開發(fā)資源量、裝備生產(chǎn)和項(xiàng)目建設(shè)能力、燃料供應(yīng)等因素制約的前提下，風(fēng)電、光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)模是電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的關(guān)鍵.

2.2 行業(yè)發(fā)展預(yù)測結(jié)果

情景結(jié)果顯示，到2025 年、2030 年、2035 年全社會(huì)用電量分別在9.3×1012～9.5×1012、11.0×1012～11.2×1012、12.2×1012～12.7×1012kW·h 之間，2025 年、2030 年、2035 年電力高需求分別比電力低需求電量高1.9%、2.1%、4.0%左右.工業(yè)部門、居民生活、5G基站和大數(shù)據(jù)中心等將是我國電力增長的主要推動(dòng)因素，分別占“十四五”期間新增用電量的27%、25%和22%，“十五五”期間新增用電量的17%、41%和7%，“十六五”新增用電量的14%、37%和6%.這些新增用電與國計(jì)民生直接相關(guān)，屬于剛性需求，是支撐我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)和未來居民生活水平提高的重要保障.

2.3 行業(yè)碳排放預(yù)測及達(dá)峰路徑

2.3.1 碳排放預(yù)測結(jié)果

不考慮供熱的情況下，基準(zhǔn)情景下，即非化石能源發(fā)展保持“十三五”增速、發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗保持當(dāng)前水平，電力行業(yè)無法在2035 年前達(dá)峰.低碳情景和強(qiáng)化情景下，即進(jìn)一步提速風(fēng)光新能源發(fā)展和節(jié)能降耗，電力行業(yè)CO2排放總量將在2028?2031 年達(dá)峰(見圖3)，峰值排放量在43.2×108～44.9×108t 之間，峰值排放量比2020 年增加3.2×108～4.9×108t.考慮供熱的情況下，基準(zhǔn)情景下電力行業(yè)在2035 年前不達(dá)峰，低碳情景和強(qiáng)化情景下達(dá)峰時(shí)間將推遲3 年左右，在2031?2033 年達(dá)峰，峰值在50.7×108～53.0×108t之間，峰值排放量比2020 年增加4.9×108～7.2×108t.電力行業(yè)達(dá)峰后排放量將緩慢下降，保持4 年左右的平臺(tái)期，電力行業(yè)達(dá)峰形勢嚴(yán)峻.

圖3 不同情景下我國電力行業(yè)CO2 排放量Fig.3 CO2 emission trends in the power industry under different scenarios in China

2.3.2 碳排放影響因素及達(dá)峰路徑

為識(shí)別電力行業(yè)碳減排的主要影響因素，結(jié)合研究中3 類情景設(shè)定參數(shù)，以2020 年為基準(zhǔn)年，定量化分析電力需求、氣電、核電、水電、生物質(zhì)、風(fēng)電、光電發(fā)電裝機(jī)容量、發(fā)電績效等因素對電力行業(yè)CO2總排放量產(chǎn)生的影響，不同因素的減排效果測算原則見表2.不同情景下，各類驅(qū)動(dòng)因素對電力行業(yè)CO2排放的控制效果動(dòng)態(tài)評估結(jié)果見圖4.

表2 不同因素對電力行業(yè)碳排放影響的測算原則Table 2 Estimation principles on the effects of CO2 emission mitigations factors in the power industry

電力需求的變化與電力行業(yè)達(dá)峰緊密相關(guān)，在電源結(jié)構(gòu)不變的情況下，電力低需求與電力高需求相比，2025 年、2030 年、2035 年電力需求分別降低1.9%、2%、3.9%左右時(shí)，碳排放量分別削減2.9%、3.5%、7.4%，同時(shí)提前4 年左右達(dá)峰.

電源結(jié)構(gòu)的變化對電力行業(yè)達(dá)峰起著決定性的作用.由圖4 可以看出：與基準(zhǔn)情景相比，提高風(fēng)電、太陽能裝機(jī)容量是電力行業(yè)減少CO2排放潛力最大的措施.到2025 年，提高風(fēng)光發(fā)電、水電、氣電、生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量及發(fā)電量等各項(xiàng)措施的減排貢獻(xiàn)率分別為62.5%、20.6%、7.4%、0.3%.因核電建設(shè)周期較長，新建裝機(jī)與現(xiàn)有開工項(xiàng)目相關(guān)，核電減排貢獻(xiàn)率無變化.到2030 年，提高風(fēng)光發(fā)電、核電、水電、生物質(zhì)、氣電發(fā)電裝機(jī)容量及發(fā)電量各項(xiàng)措施的減排貢獻(xiàn)率分別為55.3%、10.6%、9.2%、7.6%、5.7%.到2035 年，提高風(fēng)光發(fā)電、核電、生物質(zhì)、氣電、水電發(fā)電裝機(jī)容量及發(fā)電量等各項(xiàng)措施的減排貢獻(xiàn)率分別為60.1%、13.9%、7.2%、4.1%、2.7%.

圖4 不同措施對我國電力行業(yè)碳減排影響分析Fig.4 Impact of different factors on carbon emission reduction in power industry in China

發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗受到考慮到技術(shù)進(jìn)步和發(fā)電機(jī)組上大壓小等措施影響，在電力需求保持不變的情況下，到2025 年、2030 年、2035 年，降低發(fā)電煤耗將分別削減碳排放0.4×108、1.4×108、2.1×108t，減排貢獻(xiàn)率分別為9.3%、11.5%、11.8%.

2.4 行業(yè)碳達(dá)峰路徑政策建議

非化石能源發(fā)展是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)的關(guān)鍵，建議全面加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，著力在風(fēng)光等新能源開發(fā)建設(shè)、新能源消納、電力系統(tǒng)智能化升級(jí)、電力體制機(jī)制改革以及其他非化石能源發(fā)展等方面提前謀劃，統(tǒng)籌推進(jìn).

a) 建議研究制定風(fēng)電太陽能發(fā)電提速發(fā)展行動(dòng)方案.以2030 年前碳達(dá)峰為目標(biāo)導(dǎo)向，強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，出臺(tái)風(fēng)電、太陽能發(fā)電2021?2030 年十年發(fā)展行動(dòng)方案.明確發(fā)展目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)，指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同布局，提出各地任務(wù)分解方案，完善源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化、風(fēng)光水火儲(chǔ)一體化、光伏建筑一體化、海上風(fēng)電開發(fā)送出一體化規(guī)劃等一攬子配套政策，完善產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，健全投融資服務(wù)體系.

b)建議進(jìn)一步完善新形勢下新能源發(fā)展消納保障機(jī)制.按照深化電力體制改革總體要求，確定各地可再生能源消納責(zé)任權(quán)重，提出電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力提升目標(biāo).指導(dǎo)各地大力推進(jìn)火電機(jī)組靈活性改造，深度挖掘煤電調(diào)峰潛力.因地制宜發(fā)展調(diào)峰氣電項(xiàng)目，鼓勵(lì)分布式智慧綜合能源燃?xì)獍l(fā)電建設(shè).加快抽水蓄能電站建設(shè)，做好選址工作.推動(dòng)新型儲(chǔ)能規(guī)?；l(fā)展，加快推進(jìn)新型儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用.進(jìn)一步深化調(diào)峰、調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)市場建設(shè)，加快容量市場、合約市場等配套市場建設(shè)，通過合理補(bǔ)償進(jìn)一步激勵(lì)調(diào)峰機(jī)組參與輔助服務(wù).研究出臺(tái)自備電廠參與電力系統(tǒng)輔助服務(wù)指導(dǎo)意見，全面承擔(dān)公用電廠義務(wù)，明確可再生能源消納責(zé)任.研究出臺(tái)儲(chǔ)能設(shè)施成本疏導(dǎo)機(jī)制，鼓勵(lì)抽水蓄能電站、新型儲(chǔ)能投資主體多元化，理順儲(chǔ)能設(shè)施運(yùn)行管理體制和電價(jià)形成機(jī)制.

c)建議落實(shí)風(fēng)光新能源大規(guī)模開發(fā)配套保障政策.堅(jiān)持系統(tǒng)觀念，加強(qiáng)規(guī)劃銜接，做好新能源發(fā)展與國土資源、林業(yè)草原、海洋海事、生態(tài)環(huán)境等銜接，統(tǒng)籌處理好保護(hù)與開發(fā)的關(guān)系，完善新能源開發(fā)土地支持政策.加快推進(jìn)適應(yīng)新能源快速發(fā)展的電力市場建設(shè)，豐富交易品種、優(yōu)化交易機(jī)制、擴(kuò)大交易范圍.完善綠色低碳電力調(diào)度機(jī)制.研究制定適應(yīng)高比例新能源發(fā)展的電力安全供應(yīng)保障方案，確保電力穩(wěn)定可靠供應(yīng).加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，實(shí)施電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的數(shù)字化升級(jí)改造，提升復(fù)雜電力系統(tǒng)安全水平.

d)建議提早謀劃核電、生物質(zhì)等電源發(fā)展.積極發(fā)展核電是落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略的重要保障，加快攻關(guān)“卡脖子”技術(shù)裝備研發(fā).提前謀劃核電中長期發(fā)展規(guī)劃，做好核電布局和時(shí)序安排統(tǒng)籌等工作.進(jìn)一步完善生物質(zhì)發(fā)電補(bǔ)貼機(jī)制，充分挖掘生物質(zhì)等非常規(guī)電源的潛力.因地制宜發(fā)展生物質(zhì)能清潔供暖，推進(jìn)秸稈等農(nóng)林剩余物收儲(chǔ)體系建設(shè)，推動(dòng)生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展.

3 結(jié)論

a) 我國電力需求面臨剛性增長壓力.隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、信息化加快推進(jìn)以及居民生活水平的進(jìn)一步提升，我國電力消費(fèi)將在一定時(shí)期內(nèi)持續(xù)增長.工業(yè)部門、居民生活、5G 基站和大數(shù)據(jù)中心等將是我國電力增長的主要驅(qū)動(dòng)，分別占“十四五”期間新增用電量的27%、25%和22%，“十五五”期間新增用電量的17%、41%和7%，“十六五”新增用電量的14%、37%和6%.這些新增用電與國計(jì)民生直接相關(guān)，屬于剛性需求，這決定了我國電力部門碳排放達(dá)峰不可避免地要面臨新增需求帶來的壓力.

b) 保持當(dāng)前發(fā)展水平不變，電力行業(yè)無法在2035 年前達(dá)峰；通過積極措施，電力行業(yè)有望能夠在2030 年左右達(dá)峰.不考慮供熱的情況下，電力行業(yè)CO2排放總量將在2028?2031 年達(dá)峰，隨后排放量將緩慢下降；考慮供熱的情況下，電力行業(yè)CO2排放總量將在2031?2033 年達(dá)峰，隨后排放量將緩慢下降.

c) 水電、核電、生物質(zhì)發(fā)電等對保障電力系統(tǒng)低碳穩(wěn)定運(yùn)行意義重大.水電技術(shù)成熟、運(yùn)行靈活，但資源大都已開發(fā)，到2030 年可新增水電規(guī)模僅為0.7×108kW 左右，只能滿足用電增量的6%.核電是穩(wěn)定的電源，但其發(fā)展規(guī)模取決于核電設(shè)備生產(chǎn)、項(xiàng)目建設(shè)能力和選址等限制，按照現(xiàn)有項(xiàng)目的建設(shè)周期和未來最大開工能力計(jì)，到2030 新增核電裝機(jī)能力也僅為0.7×108kW，可滿足用電增量15%左右.生物質(zhì)發(fā)展?jié)摿κ苋剂瞎?yīng)量及價(jià)格影響較大，到2030 年新增裝機(jī)容量能達(dá)到0.6×108kW，可滿足用電增量的8%.

d) 為保證電力行業(yè)2030 年左右達(dá)峰，風(fēng)電、太陽能發(fā)電必須成為承擔(dān)電力增長需求的主體.在充分挖掘水電、核電、生物質(zhì)能等資源條件下，到2025年、2030 年、2035 年，風(fēng)光裝機(jī)總量應(yīng)從2020 年的5.3×108kW 分別升至10.6×108、16.4×108、22.7 ×108kW，風(fēng)光發(fā)電量應(yīng)從2020 年占總發(fā)電量的9.5%分別升至17.9%～18.2%、22.7%～23.2%、27.5%～28.6%.此外，在非化石能源發(fā)電規(guī)模一定的情況下，通過實(shí)施“上大壓小”、現(xiàn)役機(jī)組節(jié)能升級(jí)改造等節(jié)能降耗措施，降低煤炭使用量，方可實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)在2030 年左右碳排放達(dá)峰.