“雙碳”目標下電氣發(fā)展策略研究的低碳經(jīng)濟分析

吳 雪， 陳 丹， 盧 璐， 諸德律

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院， 江蘇 南京 210008）

0 引言

2020 年9 月22 日，國家主席習近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上宣布，中國力爭2030 年前CO2排放達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和目標（簡稱“雙碳”目標）。這不僅為我國今后向低碳轉(zhuǎn)型、向美麗中國邁進指明了方向與道路，同時，也顯示了我國在應對氣候變化方面的堅定決心與大國擔當[1]?！半p碳”目標的提出，將對今后的經(jīng)濟發(fā)展方式、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、產(chǎn)業(yè)結(jié)構布局和人們的生活消費方式產(chǎn)生深遠的影響。

1 “雙碳”目標下的電氣領域解讀

到目前為止，國際上還沒有一個嚴格而精確的“雙碳”定義。一般而言，一個地區(qū)或一個組織的年CO2排放量，如果在某一時期達到峰值之后，并保持在一定的幅度之內(nèi)，然后，進入一個穩(wěn)定的下降階段，就可以稱為碳達峰。如果使用移除技術，實現(xiàn)了碳排放量與碳匯增減平衡，這種平衡態(tài)被稱作碳中和[2]。

“雙碳”目標的制定，必將對經(jīng)濟、社會和文化等各方面產(chǎn)生深遠的影響，特別是對高碳、高能耗的電力行業(yè)更是如此。在減少碳排放、實現(xiàn)碳中和目標的過程中，電力行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型是一個重要的切入點，要通過優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構，大力發(fā)展新能源和低碳行業(yè)，淘汰落后的產(chǎn)能[3]。

2 電力產(chǎn)業(yè)碳排放現(xiàn)狀

《巴黎協(xié)定》于2016 年簽署并迅速實施，標志著減排已經(jīng)成為國際社會的共識。在多種因素以及國際社會力量的共同推動下，世界范圍內(nèi)的能源生產(chǎn)和消費的結(jié)構與方式都在發(fā)生著變化，低碳化和清潔化發(fā)展已經(jīng)成為目前最明顯的趨勢。應對氣候變化已經(jīng)不僅僅是一個環(huán)境方面的科學問題，更是可持續(xù)發(fā)展必須面對的重大挑戰(zhàn)。

3 “雙碳”目標下電氣發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

3.1 電網(wǎng)的穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)

在碳中和背景下，伴隨著未來電力工業(yè)向低碳方向發(fā)展，火電裝機容量將減少，新能源發(fā)電容量將逐漸增加。在可再生能源發(fā)電中，電力裝機容量所占比例正在逐步增加。大規(guī)模接入新能源，將極大地促進電力工業(yè)向低碳方向轉(zhuǎn)型，同時，也將對電網(wǎng)的運行效率、穩(wěn)定與安全構成極大的挑戰(zhàn)。

由于水電、風電和太陽能等可再生、潔凈能源受氣候變化的強烈影響，在發(fā)電時所表現(xiàn)出的間歇性、波動性，會對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重沖擊。除此之外，新能源的發(fā)電量也會有一定的地域制約，因而出現(xiàn)了分布式發(fā)電的布局模式。但是，在并網(wǎng)的時候，可能會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成負面影響。當前，我國電網(wǎng)電力系統(tǒng)靈活性不足，缺少能夠保障其安全、穩(wěn)定、高效運行的相對柔性資源。從資源稟賦上看，可再生能源和用電區(qū)域之間存在著反向關系。

3.2 電力企業(yè)集團缺少對于“碳中和”目標的長期規(guī)劃

中國電力工業(yè)是推動我國經(jīng)濟向低碳轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)碳中和的主力軍，應對清潔低碳的發(fā)展趨勢有充分認識，切實落實2060 年前碳中和發(fā)展目標。但是，目前國內(nèi)大型電力公司雖已制定出了短期發(fā)展計劃，但對中長期發(fā)展計劃卻缺乏足夠的重視。要實現(xiàn)碳中和目標，必須從長遠角度出發(fā)，進行合理規(guī)劃。

3.3 低碳技術亟需完善

為了在2060 年前實現(xiàn)碳中和，電力工業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型將逐步加強對碳捕獲與碳封存（CCS）、生物質(zhì)能碳捕獲與封存（BECCS）等技術的研發(fā)與應用。以這兩種技術為代表的碳減排技術在電力行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著關鍵作用，未來，電力行業(yè)實現(xiàn)近零排放也離不開碳減排技術的支持。但是，現(xiàn)有的碳減排技術在成本、技術和商業(yè)模式等方面均不夠成熟，亟待改進。目前，大多數(shù)節(jié)能技術還處在技術研發(fā)的初始階段，很少有技術已經(jīng)進入到技術示范的階段。

4 電力行業(yè)碳排放實現(xiàn)碳達峰碳中和的路徑預測

使用Switch 模式框架，建立了一個適用于中國問題的、全面的、技術信息豐富且自底向上的分析模型。模型關注中國2050 年電力工業(yè)的低碳發(fā)展前景，圍繞溫控1.5 ℃目標，針對中國電力行業(yè)的發(fā)電結(jié)構、裝機配置、電網(wǎng)傳輸和排放軌跡等環(huán)節(jié)進行深入探討。探求切實可行的途徑與方法，以實現(xiàn)電力工業(yè)的低碳經(jīng)濟目標。

4.1 電力行業(yè)優(yōu)化模型構建

我國建立了32 個省域電網(wǎng)系統(tǒng)，擁有18 項省域可推廣的工業(yè)技術（見表1）。在此基礎上，電力行業(yè)構建了一套包含了成本和技術指標等細節(jié)內(nèi)容，包含了217 項參數(shù)的電力行業(yè)數(shù)據(jù)庫?；陔娋W(wǎng)的負荷曲線，可對各省電網(wǎng)在每個運行年度的生產(chǎn)、輸送和損耗進行仿真。該模型以運行約束、排放約束和傳輸約束為優(yōu)化目標，在滿足用電需求的前提下，使供電費用（包括投資、運行和傳輸費用）達到最小。

表1 電力行業(yè)技術分類

4.2 分析框架

結(jié)合電力工業(yè)的特征，建立了一個由需求、生產(chǎn)和輸送三個部分組成的模型。以宏觀經(jīng)濟數(shù)據(jù)為基礎，結(jié)合省級負載曲線，電力需求模塊對各地區(qū)部門的用電結(jié)構及趨勢進行了預測。以電力生產(chǎn)為中心，對32 個省份18 項發(fā)電技術的組合進行了以小時級別為時間尺度的描述，并對其裝機容量結(jié)構、發(fā)展趨勢和各技術的輸出次序進行了分析。輸電模式主要考慮跨區(qū)輸電通道的投資費用、省電網(wǎng)的輸電規(guī)則和輸電通道的容量等因素。其核心是建立省域輸電規(guī)則矩陣，實現(xiàn)安全約束條件下的電力輸出。

4.3 轉(zhuǎn)型情景設計

最新研究表明，要想在2060 年前實現(xiàn)碳中和，中國應采取更加強硬的措施，力爭在50 年后，在溫控1.5 ℃的限制下，實現(xiàn)“零排放”。為了模擬未來的低碳轉(zhuǎn)型過程，設定了基準情景和零碳情景。

在基準情景中，我們假設現(xiàn)有的政策趨勢會繼續(xù)下去，不會采取額外的減排行動。

而在零碳情景中，設定了一系列目標：到2030 年，風能和太陽能的裝機容量將超過12 億kW，非化石能源占到總能源的60%以上。從2020 年開始，將逐步減少煤電的使用，不再增加新的煤電項目。到2030 年之后，將開始應用碳捕獲和儲存（CCS）技術。2030—2050 年，碳預算將與《巴黎協(xié)定》保持一致。2050 年，最終實現(xiàn)零排放。

通過對比這兩種情景，我們可以判斷中國電力行業(yè)實現(xiàn)國家“雙碳”目標的可行性和可能會遇到的難點，從而為制定政策提供參考。

4.4 電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的情景分析

4.4.1 碳排放軌跡比較

通過模型的計算，并與以上兩種情景相結(jié)合，得到了如圖1 所示的電力工業(yè)排放軌跡測算結(jié)果。

圖1 兩種情景下電力行業(yè)碳排放軌跡

基于此，我國電力工業(yè)的碳排放將在2030 年前后達到峰值，約為45.1 億t。此后，因煤炭仍然是電力工業(yè)的主要來源，雖然可再生能源的投入很多，但總體上，CO2的下降速度很慢。到2050 年，CO2的排放將會減少23 億t 左右。根據(jù)電力行業(yè)基準情景模擬，到2030 年左右，全國實現(xiàn)碳達峰的目標或許可以勉強達到，但到2060 年實現(xiàn)碳中和的目標根本不可能達到，更別說達到溫控1.5 ℃了。

4.4.2 裝機與電力結(jié)構

研究結(jié)果顯示，零碳場景下，未來的電力裝機容量將主要集中于非化石能源，而水電之外的可再生能源所占比例將大幅提高。對于火力發(fā)電廠，將依據(jù)CCS 與BECCS 技術的發(fā)展程度與潛力，來保持國內(nèi)煤機組的生產(chǎn)能力。通過在火力發(fā)電廠安裝CCS 裝置，可以將其大部分的碳捕集到火力發(fā)電廠，是一項行之有效的低碳技術。而BECCS 則是一種利用生物質(zhì)混合燃燒的減排技術，用來中和熱電廠的殘余碳排放。當前，碳捕獲與封存技術的發(fā)展受成本制約。未來，碳捕獲與封存技術的發(fā)展將受到可利用生物質(zhì)資源的限制。

5 “雙碳”目標下我國電力行業(yè)低碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型建議

5.1 控制能源消費總量，穩(wěn)妥推進結(jié)構調(diào)整

目前，我國的能源需求量是很大的，但在能源結(jié)構上卻存在著很大的不合理之處。預測到2035 年，一次能源需求將達高峰，之后將逐步回落。至2050 年，一次能源消費量仍將保持在50～60 億t，約占世界能源消費總量的1/2。但是，到2020 年為止，我國一次能源消費總量僅有25%左右，“雙碳”仍是一項艱巨的任務。因此，要想實現(xiàn)“雙碳”，就必須對能耗進行有效調(diào)控，為“雙碳”創(chuàng)造更多的時間與空間。

要實現(xiàn)能源結(jié)構的優(yōu)化，必須采用“先立后破”的戰(zhàn)略。首先，煤炭仍是我國能源的“壓艙石”，但總量要逐步降低，并要加速煤的清潔化。其次，我國的原油需求在2030 年左右將達到高峰，這將緩解我國對外依賴過高的風險。目前，我國還需要繼續(xù)擴大國內(nèi)資源，維持我國東部地區(qū)的現(xiàn)有油田產(chǎn)能，加快西部地區(qū)新油田的開發(fā)與增產(chǎn)，并進一步強化近海油氣資源的勘探與開發(fā)。

5.2 加快制定電力企業(yè)長期規(guī)劃

加速制定碳中和目標，聚焦以發(fā)電碳排放為核心指標，積極推動發(fā)電碳排放減排任務的落實。深度挖掘公司碳減排潛力，促進公司碳減排的經(jīng)濟性和有效性。對企業(yè)特征進行全面分析，積極推動制定符合國情、符合現(xiàn)實的碳中和長期規(guī)劃。在制定碳中和計劃時，企業(yè)要結(jié)合自身實際情況，把碳中和的路徑劃分為不同的階段，并針對每個階段的不同狀況，制定出針對性的低碳轉(zhuǎn)型方案。

5.3 發(fā)揮科技創(chuàng)新引領作用

加強對綠色、低碳科技的研究、開發(fā)，并大力進行推廣應用。本項目將圍繞我國能源密集型產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展需要，開展節(jié)能技術與設備的研究與開發(fā)，推動電力替代、氫氣工業(yè)和生物能源等低碳生產(chǎn)過程的發(fā)展。本項目將在新型電力系統(tǒng)建設的指導下，加快在清潔發(fā)電、多能互補、新型儲能、先進傳輸、電網(wǎng)調(diào)節(jié)與負荷響應等方面的研究與開發(fā)。

以零碳非電能源為重點，積極推動綠色氫能、生物質(zhì)能和氨能等新能源的開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，并努力推動相關技術的革新與推廣。在此基礎上，提前部署CCUS、BECCS 和DAC 等技術，實現(xiàn)CO2的規(guī)?；コc資源化利用。

5.4 完善全國碳市場體系

進一步深化全國碳市場的交易制度改革，將覆蓋范圍擴展到石化、鋼鐵、有色和建材等高耗能行業(yè)，實現(xiàn)交易市場的多元化和全面性。要完善現(xiàn)有的配額制，逐步減少自由配額制的比重，引進更加公平和有效的競價配額制。在此基礎上，通過對碳市場與綠色電力、綠色證書市場之間的協(xié)調(diào)，重新啟動國家認證的自愿減排量機制，實現(xiàn)兩者的有機結(jié)合，促進我國碳市場的健康發(fā)展。

6 結(jié)語

在“雙碳”目標下，電氣行業(yè)應以低碳經(jīng)濟為導向，促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構優(yōu)化升級，注重可持續(xù)發(fā)展的實施價值，有利于在轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展理念的基礎上，建立科學的經(jīng)濟發(fā)展平臺。一是以節(jié)能降耗為目標，穩(wěn)步推進能源結(jié)構調(diào)整。二是以國家戰(zhàn)略需求為導向，建立健全國家碳市場，并加快制定中長期發(fā)展戰(zhàn)略。三是通過技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進我國電力行業(yè)轉(zhuǎn)型升級。