廣東電力碳達(dá)峰路徑研究

鄭敏嘉，吳偉杰，李逸欣，張伊寧，孫輝

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510600)

對于二氧化碳排放，我國提出力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，體現(xiàn)出中國積極應(yīng)對氣候變化、推動全球綠色低碳轉(zhuǎn)型的堅定決心和責(zé)任擔(dān)當(dāng)[1]。在此背景下，電力行業(yè)作為能源行業(yè)碳排放重要的組成部分，提出了加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、提高終端能源電力占比、加快能源電力優(yōu)化轉(zhuǎn)型等一系列節(jié)能減碳的措施，取得了顯著成效[2-3]。

為結(jié)合廣東實際情況探索電力碳排放達(dá)峰路徑，本研究首先綜合分析其他發(fā)達(dá)國家的碳達(dá)峰實現(xiàn)路徑，研究不同歷史發(fā)展進(jìn)程和不同電源結(jié)構(gòu)對碳排放達(dá)峰時間和排放量峰值的影響；然后，擬定基本、低碳、零碳3種情景，根據(jù)電力碳排放因子的變化趨勢倒推廣東電源結(jié)構(gòu)，并測算碳排放量和達(dá)峰時間；最后，對比分析3種碳達(dá)峰路徑，提出實現(xiàn)碳達(dá)峰的關(guān)鍵問題、技術(shù)難點(diǎn)和政策建議，為廣東電力碳達(dá)峰、碳中和的實現(xiàn)提供參考。

1 背景

1.1 發(fā)達(dá)國家電力碳達(dá)峰實現(xiàn)路徑

當(dāng)前，包括歐盟、美國、加拿大、日本、韓國在內(nèi)的世界主要發(fā)達(dá)國家、經(jīng)濟(jì)體已陸續(xù)實現(xiàn)碳達(dá)峰[4]。受到資源稟賦、能源結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及歷史人文等因素的影響，各國碳達(dá)峰實現(xiàn)路徑各有不同，但共同點(diǎn)是隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展進(jìn)入后工業(yè)化時代，經(jīng)濟(jì)增長與能源消費(fèi)增長脫鉤，用電量增速放緩進(jìn)入平臺期，電源結(jié)構(gòu)逐漸優(yōu)化并朝著更清潔的方向發(fā)展。歐盟在1990年左右實現(xiàn)碳達(dá)峰，美國、加拿大在2007年實現(xiàn)碳達(dá)峰，韓國、日本在2013年實現(xiàn)碳達(dá)峰[5-6]。通過分析主要發(fā)達(dá)國家、經(jīng)濟(jì)體的碳達(dá)峰實現(xiàn)路徑，可以發(fā)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的清潔低碳化轉(zhuǎn)變、加強(qiáng)重點(diǎn)行業(yè)節(jié)能減碳的措施、政策體系和保障機(jī)制的完善是實現(xiàn)碳達(dá)峰的有效舉措。進(jìn)一步結(jié)合各國碳達(dá)峰時間、用電量和火電發(fā)電量歷史趨勢，對電力系統(tǒng)碳排放進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)碳達(dá)峰和電力產(chǎn)業(yè)的關(guān)系具有2個特點(diǎn)：①通常情況下用電量達(dá)峰時間要晚于碳達(dá)峰時間，見表1，歐盟用電量達(dá)峰時間較碳達(dá)峰時間晚20年，美國、加拿大、韓國用電量達(dá)峰時間較碳達(dá)峰時間晚分別約11年、10年、5年。實現(xiàn)碳達(dá)峰后的一段時間內(nèi)，用電量仍然保持增長態(tài)勢，隨后到達(dá)平臺期或緩慢下降，見表2。②火電發(fā)電量的達(dá)峰時間與電源結(jié)構(gòu)(火電發(fā)電量占比，見表3)緊密相關(guān)。加拿大火電裝機(jī)占比不超過30%，歐盟火電裝機(jī)占比不超過60%，占比均較少，火電發(fā)電量達(dá)峰時間通常早于用電量達(dá)峰時間；而日本、韓國等火電裝機(jī)占比較高，最高超過70%，對火電依賴程度高，火電發(fā)電量達(dá)峰趨勢呈現(xiàn)與用電量同步達(dá)峰或者略有滯后的趨勢。另外，碳達(dá)峰時間還受到能源資源、氣候條件等因素的影響，碳達(dá)峰實現(xiàn)路徑有所差異，氣候寒冷的地區(qū)供熱需求較大，供熱產(chǎn)生的碳排放也可能成為制約實現(xiàn)碳達(dá)峰的因素?？偨Y(jié)來說，對火電依賴程度越高的國家，其達(dá)峰時間可能越晚，加快調(diào)整電源結(jié)構(gòu)是保障電力碳排放按時達(dá)峰的關(guān)鍵[7]。

表1 各國達(dá)峰時間對比Tab.1 Comparisons of carbon emission peak time

表2 各國用電量歷史趨勢Tab.2 Historical trends of power consumption in different countries

表3 各國火電發(fā)電量占比歷史趨勢Tab.3 Historical trends of thermal power generation in different countries

1.2 全國碳排放歷史情況

2020年中國二氧化碳排放總量102×108t，其中電力行業(yè)碳排放約占總排放量的43.1%[8]。縱觀我國碳排放歷史趨勢，能源行業(yè)碳排放和電力碳排放自1990年以來均呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，與我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的趨勢相符，如圖1所示。電力行業(yè)的碳排放占比不斷增加，也表明電力行業(yè)在能源中的地位越來越重要[9]。近年來在國家大力推動節(jié)能減排的驅(qū)動下，電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化，減排效果明顯，電力行業(yè)的碳達(dá)峰將在推動全國碳達(dá)峰的過程中起到關(guān)鍵作用[10-11]。為協(xié)調(diào)節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，持續(xù)推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型進(jìn)程，實現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰的總體目標(biāo)，仍然需要完善電力市場、碳排放交易市場以及相關(guān)政策和機(jī)制[12]。

圖1 中國碳排放歷史趨勢Fig.1 Historical trend of carbon emission in China

1.3 廣東省電力碳排放歷史情況

廣東能源發(fā)展轉(zhuǎn)型升級取得顯著成效，能源結(jié)構(gòu)加速向低碳化方向演變，已基本形成煤炭、石油、天然氣、新能源全面發(fā)展的多元化能源供應(yīng)新發(fā)展格局。

2000年以來，廣東經(jīng)濟(jì)社會保持高速發(fā)展，用電需求增長快速，省內(nèi)全社會用電量W從2000年的133.5 TWh增加至2020年的692.6 TWh，電能替代水平提升，2020年電能占終端能源消費(fèi)比重達(dá)到35%。隨著節(jié)能減排步伐加快，省內(nèi)電源結(jié)構(gòu)朝著更清潔化的方向發(fā)展，非化石能源電量占比k從2000年的22.5%增加至2020年的32.1%。

各行業(yè)碳排放核算方法多樣[13-14]，針對國家級、省級、地市級的碳排放核算方法有所不同[15]。為直觀地反映電力行業(yè)碳減排的變化趨勢，本研究引入電力碳排放因子δe作為評價指標(biāo)，其計算式為：

δe=Ce/Wg，

(1)

Ce=mbWt，

(2)

Wt=Wcoal+Wgas+Wlj.

(3)

式(1)—(3)中：Ce為電力行業(yè)產(chǎn)生的碳排放量；Wg為省內(nèi)電源發(fā)電量；Wt為省內(nèi)火電發(fā)電量；Wcoal、Wgas、Wlj分別為省內(nèi)燃煤電廠、燃?xì)怆姀S、垃圾電廠的發(fā)電量；b為火電供電煤耗；m為標(biāo)準(zhǔn)煤折算二氧化碳系數(shù)。

經(jīng)過測算，廣東δe從2000年的0.628 2逐步下降至2020年的0.487 2，2020年廣東Ce達(dá)到2.46×108t。

廣東電力碳排放歷史趨勢見表4，通過分析歷史趨勢，可以發(fā)現(xiàn)廣東電力碳排放主要受以下幾個因素的影響：

表4 廣東電力碳排放歷史趨勢Tab.4 Historical trend of carbon emission in Guangdong province

a)廣東社會經(jīng)濟(jì)已步入工業(yè)化中后期發(fā)展階段，終端能源利用效率提高，電能替代步伐加快，用電量將在較長一段時間內(nèi)保持剛性增長。初步判斷廣東全社會用電量近期仍將保持較快增速，在2025年前后增速逐步放緩，在2060年左右達(dá)到峰值并進(jìn)入平臺期。

b)廣東電源結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，電源構(gòu)成趨于多元化，隨著核電、新能源等非化石能源裝機(jī)快速增加，電力行業(yè)碳排放增速將逐步放緩。

c)廣東煤電清潔化發(fā)展進(jìn)程較快，省內(nèi)大部分煤電已基本實現(xiàn)超低排放和節(jié)能改造，煤耗降低空間有限，預(yù)測未來廣東火電供電煤耗將呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。

2 電力碳達(dá)峰多情景分析

2.1 擬定電力碳達(dá)峰情景

為了分析廣東電力碳達(dá)峰的不同發(fā)展路徑，本文擬定3種電力轉(zhuǎn)型情景，分別為基本情景、低碳情景、零碳情景。3種情景的區(qū)別主要在于δe的下降速度和Ce的峰值，其中：基本情景δe基本維持現(xiàn)狀水平，在全社會用電量保持增長的情況下，Ce也保持增長態(tài)勢；低碳情景δe將逐步下降至現(xiàn)狀值的40%，Ce呈現(xiàn)先增后減的趨勢；零碳情景δe將以更快速度下降，Ce將在更早的時間達(dá)峰，隨后逐步下降至0。

2.2 基本情景

基本情景下，δe維持現(xiàn)狀(2020年)0.48左右水平，省內(nèi)新增電源主要為火電、核電以及新能源發(fā)電，電源結(jié)構(gòu)與現(xiàn)狀接近，如圖2所示。隨著全社會用電量和省內(nèi)電源發(fā)電量的增加，Ce繼續(xù)保持增長趨勢，2060年Ce將達(dá)到4.37×108t。

圖2 基本情景電源結(jié)構(gòu)Fig.2 Power supply structure of basic scenario

2.3 低碳情景

低碳情景下，δe呈逐步下降趨勢，至2030年下降至0.31，2060年進(jìn)一步下降至0.19，省內(nèi)新增電源主要為核電和新能源等清潔能源，同時煤電逐步實施到期退役，電源結(jié)構(gòu)如圖3所示。隨著電源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，Ce和發(fā)電量將在“十四五”后期實現(xiàn)脫鉤，測算Ce在2024年達(dá)峰，峰值約3.02×108t；隨著新能源的大規(guī)模發(fā)展，煤電到期退役步伐加快，2025年開始Ce將以較快速度下降，至2040年下降至約1.99×108t；隨后Ce將進(jìn)入平臺期，在2060年下降至約1.72×108t。

圖3 低碳情景電源結(jié)構(gòu)Fig.3 Power supply structure of low carbon scenario

2.4 零碳情景

零碳情景下，δe呈快速下降趨勢，從2020年的0.48左右下降至2030年的0.23，2060年進(jìn)一步下降至0，擬定電源方案如下：除“西電東送”和省內(nèi)核準(zhǔn)電源外，新增電源主要為核電和新能源等清潔能源，同時加快省內(nèi)煤電退役，電源結(jié)構(gòu)如圖4所示。隨著電源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，Ce和發(fā)電量將在“十四五”中期實現(xiàn)脫鉤，測算Ce在2023年達(dá)峰，約2.92×108t；隨著新能源和核電的大規(guī)模發(fā)展，煤電退役步伐加快，Ce將保持較快速度下降，在2060年降至0。

圖4 零碳情景電源結(jié)構(gòu)Fig.4 Power supply structure of zero carbon scenario

3 指標(biāo)對比

為綜合分析上述3種情景，研究廣東電力碳達(dá)峰路徑，本研究主要從碳排放達(dá)峰時間、碳排放量峰值、遠(yuǎn)景電源結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行對比，詳見表5。

表5 方案指標(biāo)對比表Tab.5 Comparisons of different scheme indicators

遠(yuǎn)景年，基本情景中電源結(jié)構(gòu)仍然以火電為主，其占比約三分之二，低碳情景中火電、核電、新能源電量占比約各三分之一，零碳情景中核電、新能源電量約各占一半。核電、新能源調(diào)節(jié)性能較差，因此低碳情景、零碳情景需要配置大量抽水蓄能、電化學(xué)儲能等靈活調(diào)節(jié)電源，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，將增加電源建設(shè)投資。另外，由于風(fēng)電、光伏等新能源可靠出力較低，可替代裝機(jī)規(guī)模有限，為保證電力供應(yīng)需求，可能出現(xiàn)一定程度的電力系統(tǒng)裝機(jī)冗余，遠(yuǎn)景年低碳情景裝機(jī)規(guī)模約為基本情景的1.4倍，零碳情景裝機(jī)規(guī)模約為基本情景的1.7倍。

對于碳排放費(fèi)用，結(jié)合廣東碳交易市場的歷史交易情況，按照40元/t價格進(jìn)行初步測算，自2020年至2060年的40年間：零碳情景較基本情景減少碳排放約16×108t，節(jié)省碳排放費(fèi)用630億元；低碳情景較基本情景減少碳排放約10×108t，節(jié)省碳排放費(fèi)用410億元。

4 結(jié)論和政策建議

電力碳排放是能源行業(yè)碳排放的重要組成部分，占比最高，且電力行業(yè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)較好；因此，針對電力行業(yè)進(jìn)行碳排放分析，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，進(jìn)而推動能源行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展是可行的。

本文提出了基本情景、低碳情景、零碳情景3種碳排放分析場景，結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析如下：低碳情景大力推動新能源和核電等清潔電力發(fā)展，電力碳減排效果較優(yōu)，同時保留已完成清潔低碳改造的煤電在系統(tǒng)中繼續(xù)發(fā)揮托底保障作用，電力系統(tǒng)可靠性、靈活性較優(yōu)，綜合分析低碳情景經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)；零碳情景雖然電力碳減排效果最優(yōu)，但此情景的電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量較小，調(diào)節(jié)能力較差，為了保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行需要配置大量抽水蓄能、電化學(xué)儲能等靈活調(diào)節(jié)電源，裝機(jī)冗余度高，可能還需要配置調(diào)相機(jī)、靜止同步補(bǔ)償器等裝置，進(jìn)一步增加電源投資。

建議制訂電力碳減排發(fā)展路徑時，綜合考慮節(jié)能減碳與電力供應(yīng)安全可靠之間的矛盾[16]，在加快發(fā)展新能源、核電、水電等低碳電源的同時，也要充分考慮煤電、氣電等傳統(tǒng)電源在電力系統(tǒng)中承擔(dān)的作用，統(tǒng)籌電源建設(shè)和退役時序，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。建議進(jìn)一步優(yōu)化完善碳排放交易機(jī)制以及電力市場交易[17]、調(diào)峰調(diào)頻服務(wù)市場等市場機(jī)制[18-19]，以及可再生能源消納的需求側(cè)靈活性機(jī)制[20]，充分調(diào)動電源企業(yè)和電力行業(yè)參與市場的積極性，促進(jìn)能源低碳轉(zhuǎn)型。