碳中和目標(biāo)下的新一代電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型分析及控制策略研究

黃 亮

（國(guó)電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司， 江蘇 南京 211106）

0 引言

電力系統(tǒng)作為能源系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其發(fā)展與整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著直接聯(lián)系。我國(guó)的電力能源供應(yīng)系統(tǒng)主要采用燃煤發(fā)電方式，對(duì)環(huán)境和氣候的影響相對(duì)較大。為了響應(yīng)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)，需對(duì)現(xiàn)階段能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展[1]。

1 電力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展理論

1.1 電力技術(shù)系統(tǒng)可持續(xù)轉(zhuǎn)型特征

1）具有一定目的導(dǎo)向性。為了有效促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型時(shí)需以一定的目標(biāo)為導(dǎo)向，針對(duì)燃煤燃燒產(chǎn)生的碳排放與碳污染問(wèn)題，確定具體的目標(biāo)，并付諸實(shí)踐。因此，電力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型具有一定目的導(dǎo)向性[2]。

2）追求集體利益最大化。主要體現(xiàn)在不以個(gè)人的利益為目的，而是以集體利益為出發(fā)點(diǎn)，從全局考慮電力企業(yè)轉(zhuǎn)型后的發(fā)展趨勢(shì)。雖然在確定轉(zhuǎn)型方案時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的限制條件，但方案的執(zhí)行需從整體的利益角度出發(fā)。

3）技術(shù)系統(tǒng)低碳可持續(xù)性轉(zhuǎn)型。主要表現(xiàn)在技術(shù)結(jié)構(gòu)中存在相應(yīng)的互補(bǔ)產(chǎn)品，在研發(fā)同類(lèi)產(chǎn)品以及互補(bǔ)產(chǎn)品的過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境的創(chuàng)新與突破，進(jìn)而達(dá)到低碳轉(zhuǎn)型的目的[3]。

1.2 電力結(jié)構(gòu)低碳轉(zhuǎn)型階段

碳排放的基本原理為：對(duì)排放單位進(jìn)行初始配額分配，當(dāng)排放單位碳排放量超額時(shí)，需要購(gòu)買(mǎi)碳排放配額，減排單位可以出售富余配額，使總的排放量滿足碳排放量要求，如圖1 所示。

圖1 碳排放基本原理

電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型是一個(gè)較為漫長(zhǎng)的過(guò)程，電力企業(yè)的轉(zhuǎn)型主要分為碳達(dá)峰、深度低碳和零低碳三個(gè)階段，如圖2 所示。

圖2 低碳轉(zhuǎn)型三個(gè)階段

1.3 電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型目標(biāo)

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的背景下，工業(yè)化進(jìn)程加快，碳排放的總量也在集聚增長(zhǎng)。由于碳排放會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)產(chǎn)生，并且對(duì)環(huán)境會(huì)造成一定的污染，因此，節(jié)能減排成為現(xiàn)階段全球關(guān)注的問(wèn)題[4]。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2015 年，我國(guó)的碳排放總量達(dá)到106 t，約占全球總碳排放量的1/3。碳排放量的增加主要是由于我國(guó)電力行業(yè)燃燒的化石能源量大，為了實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，需對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)的碳排量予以控制。有研究表明，在實(shí)現(xiàn)2 ℃溫升目標(biāo)可能性＞66%的情景下，中國(guó)2012—2100 年剩余排放空間僅為2 571 億t，考慮在2050 年前將碳預(yù)算全部用完的情況下，年均排放量也僅為56 億t。我國(guó)的節(jié)能減排面臨著較大的挑戰(zhàn)，電力行業(yè)作為碳排放量較大的行業(yè)，其節(jié)能減排的空間相對(duì)較大。因此，為了有效促進(jìn)我國(guó)電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型，需開(kāi)發(fā)相應(yīng)的低碳技術(shù)，充分利用清潔能源的優(yōu)勢(shì)，我國(guó)的電力系統(tǒng)在2050 年需要達(dá)到零碳排放，貢獻(xiàn)15 億t 左右的負(fù)排放空間，才能實(shí)現(xiàn)我國(guó)深度碳減排，碳排放量同期相比下降80%的目標(biāo)。

2 電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型價(jià)值分析

2.1 低碳轉(zhuǎn)型的環(huán)境價(jià)值

實(shí)施低碳轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略后，在減少使用不可再生能源的同時(shí)，也一定程度上降低了發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量，合理控制裝機(jī)可有效降低電力系統(tǒng)各種環(huán)境污染物的排放量，如氮化物、硫化物等。據(jù)某省2010 年環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)數(shù)據(jù)顯示，在電力系統(tǒng)實(shí)際轉(zhuǎn)型過(guò)程中，煤炭的煙塵排放量大于天然氣排放量，煤炭煙塵排放排放系數(shù)為0.199，天然氣煙塵排放系數(shù)不足0.01。由此可知，煤炭燃燒是影響環(huán)境污染的主要原因。除此之外，天然氣燃燒產(chǎn)生的SO2遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于煤炭燃燒所產(chǎn)生的量，氮化物的排放兩者大致相同，如表1 所示。因此，電力企業(yè)低碳轉(zhuǎn)型后，不僅可有效降低天然氣與煤炭的燃燒量，而且還能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的保護(hù)。

表1 某省低碳轉(zhuǎn)型下煤炭、天然氣SO2、NxO 和煙塵減少產(chǎn)生量

2.2 低碳轉(zhuǎn)型的經(jīng)濟(jì)價(jià)值

電力企業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型，可帶動(dòng)其他行業(yè)發(fā)展，有效促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。電力行業(yè)帶動(dòng)其他行業(yè)國(guó)內(nèi)GDP 總值增長(zhǎng)情況，如表2 所示。

表2 電力行業(yè)帶動(dòng)其他行業(yè)國(guó)內(nèi)GDP 總值增長(zhǎng)情況

在BASE 的背景下，我國(guó)2007—2020 年的GDP增長(zhǎng)率為61.85%。相比較2007 年，低碳轉(zhuǎn)型后GDP增長(zhǎng)率達(dá)到78.26%，GDP 的增長(zhǎng)率相比BASE 情景下增長(zhǎng)16.44%。由此可以看出，電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型，可以有效促進(jìn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2.3 低碳轉(zhuǎn)型的民生價(jià)值

電力系統(tǒng)的發(fā)展與我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展有著直接聯(lián)系，尤其是在電力系統(tǒng)實(shí)施低碳轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略后，社會(huì)民生發(fā)生了相應(yīng)的變化。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是電力企業(yè)低碳轉(zhuǎn)型改變了人們的用電思想，使人們開(kāi)始逐漸學(xué)會(huì)使用節(jié)能燈、太陽(yáng)能燈和節(jié)能用電器等，在一定程度生提升了人們的節(jié)能用電、清潔用電意識(shí)。二是低碳轉(zhuǎn)型給人們的生活帶來(lái)了便利，增加了人們戶外活動(dòng)的時(shí)間，進(jìn)一步提升了人們對(duì)環(huán)境的滿意度，對(duì)推動(dòng)人與自然的和諧發(fā)展有著十分重要的作用。三是低碳轉(zhuǎn)型帶動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在一定程度上提升了人們的物質(zhì)生活條件，對(duì)于促進(jìn)國(guó)民生活質(zhì)量有著十分重要的作用[5]。

3 碳中和目標(biāo)下我國(guó)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型策略

為了實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，我國(guó)需借鑒國(guó)外先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，從以下幾個(gè)方面推進(jìn)我國(guó)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。

3.1 加大節(jié)能提效力度，控制碳排放強(qiáng)度

對(duì)于我國(guó)的能源轉(zhuǎn)型而言，首要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)節(jié)能提效。在能源領(lǐng)域數(shù)字化、智能化水平不斷提升的背景下，國(guó)內(nèi)大部分能源企業(yè)紛紛開(kāi)展了相應(yīng)的綜合能源服務(wù)模式，充分開(kāi)發(fā)能源系統(tǒng)節(jié)能的潛力。一方面，是大部分企業(yè)通過(guò)數(shù)字化、智能化手段提高自身能源利用效率的必然選擇。另一方面，也是我國(guó)重視節(jié)能與提升系統(tǒng)效率的必然結(jié)果。

隨著我國(guó)對(duì)節(jié)能減排工作的重視，相關(guān)部門(mén)實(shí)施了相應(yīng)的“雙控”制度，其實(shí)質(zhì)為控制能源強(qiáng)度與碳排放強(qiáng)度，并取得了相應(yīng)的成效。然而，我國(guó)單位GDP能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，節(jié)能潛力相對(duì)較大。基于此，我國(guó)應(yīng)對(duì)高碳、高能耗行業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，從戰(zhàn)略、制度等方面做好相應(yīng)的頂層設(shè)計(jì)，進(jìn)而促進(jìn)社會(huì)開(kāi)展相應(yīng)的節(jié)能活動(dòng)。除此之外，我國(guó)還需對(duì)標(biāo)各個(gè)行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)水平，研發(fā)較為先進(jìn)的技術(shù)裝備，創(chuàng)新生產(chǎn)管理理念，加快對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、重化工業(yè)的低碳化智能化的升級(jí)改造，提前實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)端的碳達(dá)峰。

3.2 提高非化石能源比重，加快能源結(jié)構(gòu)清潔

在“雙碳”戰(zhàn)略中，以化石能源為主，實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)低碳轉(zhuǎn)型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。對(duì)于我國(guó)而言，如果在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和，新能源在能源結(jié)構(gòu)中的占比將進(jìn)一步增大，甚至可達(dá)到80%以上。將新能源結(jié)構(gòu)作為新型能源結(jié)構(gòu)的主體，需分階段調(diào)整。根據(jù)先高后低的發(fā)展趨勢(shì)，在2025 年前，我國(guó)非化石能源的比重年均增長(zhǎng)幅度相對(duì)較低，需以風(fēng)能、電能等可再生能源支撐我國(guó)非化石能源增長(zhǎng)，進(jìn)而提升電力行業(yè)的產(chǎn)電量。同時(shí)，在化石能源的使用過(guò)程中，需實(shí)現(xiàn)清潔高效利用，以此來(lái)適應(yīng)新能源技術(shù)需求，這對(duì)于提升系統(tǒng)的智能化、柔性化水平有著十分重要的作用。

3.3 加快技術(shù)創(chuàng)新融合，搶占能源發(fā)展制高點(diǎn)

在電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型過(guò)程中，需加快技術(shù)創(chuàng)新，搶占能源技術(shù)制高點(diǎn)[6]。因此，相關(guān)部門(mén)應(yīng)充分考慮我國(guó)的實(shí)際情況，制定實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳中和目標(biāo)的技術(shù)攻關(guān)與相應(yīng)的實(shí)施方案，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：一是加快電力系統(tǒng)儲(chǔ)、調(diào)能力建設(shè)，使其能夠跟上可再生能源的發(fā)展節(jié)奏。加快先進(jìn)技術(shù)研發(fā)，如物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能等，進(jìn)而提升電力行業(yè)的靈活性。二是加快能源技術(shù)與信息技術(shù)融合，推動(dòng)能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。三是大力推廣能源耦合技術(shù)、虛擬電廠技術(shù)，加快集中式與分布式相結(jié)合的城鄉(xiāng)一體化能源建設(shè)，提升農(nóng)村地區(qū)用電的安全性，實(shí)現(xiàn)用電方式的清潔化。四是充分發(fā)揮碳捕捉封存用戶利用技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在節(jié)能減排過(guò)程中充分發(fā)揮其作用。

4 結(jié)論

本文基于碳中和的目標(biāo)，對(duì)電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)行了相應(yīng)的研究，并得出下列結(jié)論：

1）低碳轉(zhuǎn)型主要分碳達(dá)峰、深度低碳和零碳三個(gè)階段進(jìn)行，其中，零碳排放階段是電力行業(yè)低低碳轉(zhuǎn)型的最終目的。

2）在電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型后，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的保護(hù)，而且還能帶動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，對(duì)提升民生質(zhì)量有著十分重要的作用。

3）要加大節(jié)能提效力度，控制碳排放強(qiáng)度，提高非化石能源比重，加快能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化。加快技術(shù)創(chuàng)新融合，搶占能源發(fā)展制高點(diǎn)，對(duì)電力企業(yè)低碳轉(zhuǎn)型具有一定的促進(jìn)作用。