“雙碳”目標下低碳電力系統(tǒng)發(fā)展路徑分析

中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司 周百鳴

實現(xiàn)“雙碳”目標是工業(yè)文明轉(zhuǎn)向生態(tài)文明的標志，電力系統(tǒng)低碳發(fā)展是構(gòu)建可持續(xù)能源產(chǎn)業(yè)體系的根本要求，作為現(xiàn)代能源系統(tǒng)的重要組成部分，為人們工作生活提供支撐作用，但電力系統(tǒng)一次能源消耗比重過大，主導性發(fā)電能源的二氧化碳產(chǎn)量超標，是“雙碳”目標達成的主要障礙[1]。在低碳經(jīng)濟的發(fā)展理念下，應(yīng)大力發(fā)展低碳能源技術(shù)，為電力系統(tǒng)制定碳減排目標，通過電力系統(tǒng)碳排放的減少，提高電力系統(tǒng)能源利用效率，將低碳經(jīng)濟作為能源消費方式，達到減少空氣污染、減緩全球變暖等目的[2]。電力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型，必須從政策、制度、技術(shù)等多方面出發(fā)，考慮碳排放目標優(yōu)化問題，在促進市場化、工業(yè)化的同時，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的“雙碳”轉(zhuǎn)型目標，令環(huán)境生態(tài)和能源經(jīng)濟可以協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展[3]。

1 “雙碳”目標下低碳電力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，隨著電力系統(tǒng)負荷需求不斷增加，我國電力經(jīng)濟高速發(fā)展，不可再生能源被大量消耗，在碳排放總量中，電力行業(yè)排碳比例較大，承擔著重大的二氧化碳減排責任，但另一方面，電力系統(tǒng)發(fā)展空間大，電力企業(yè)已將節(jié)能減排作為電力系統(tǒng)發(fā)展目標，把電力作為低碳發(fā)展的戰(zhàn)略中心，滿足經(jīng)濟穩(wěn)定增長需求的同時，科學利用電力能源資源，使用清潔能源代替化石能源，電力系統(tǒng)在地理分布上具有明顯的不均衡性，電力消費主要地區(qū)為沿海等經(jīng)濟發(fā)達區(qū)域，在一次能源調(diào)運過程中，產(chǎn)生了大量且不必要的二氧化碳氣體排放，發(fā)電能力已不是成為電力系統(tǒng)唯一目標，電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型勢在必行。

當前，電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型仍存在一些問題：電力行業(yè)能源格局單一，無法擺脫一次能源結(jié)構(gòu)，火電機組在發(fā)電機組總?cè)萘恐姓紦?jù)很大比例，限制了低碳發(fā)展空間，一次能源污染嚴重，二氧化碳排放量大；電力企業(yè)未完全掌握電力機組的核心技術(shù)，火電裝機能效水平低，低碳電力技術(shù)自主創(chuàng)新能力較低，清潔能源發(fā)電未規(guī)定技術(shù)標準，多數(shù)技術(shù)來源依靠聯(lián)合設(shè)計和國外引進，低碳電力技術(shù)自成熟度和生產(chǎn)能力不佳，電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)未突破創(chuàng)新瓶頸，科技研發(fā)的規(guī)?；a(chǎn)落后，科技研發(fā)和低碳電力技術(shù)不協(xié)同和創(chuàng)新生產(chǎn)部門融合性較差，嚴重影響清潔能源市場的規(guī)?；l(fā)展；清潔能源不能完全上網(wǎng)，由于可再生能源負荷波動較大，電力系統(tǒng)無法消納可再生能源電力，發(fā)電基地的棄風現(xiàn)象、棄光現(xiàn)象愈演愈烈，電力系統(tǒng)儲能端發(fā)展不完善，發(fā)電機組燃料利用率低。針對以上問題，提出相應(yīng)的解決策略，總結(jié)低碳電力系統(tǒng)發(fā)展路徑。

2 “雙碳”目標下低碳電力系統(tǒng)發(fā)展路徑

2.1 提高清潔能源發(fā)電比重

優(yōu)化電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)，降低燃煤火電等一次能源的發(fā)電比例，增加可再生能源發(fā)電比重。將電力系統(tǒng)中的清潔能源產(chǎn)業(yè)，作為重點培育的經(jīng)濟利潤增長點，增加一次能源發(fā)電的資源稅，優(yōu)先開發(fā)水電資源，其次開發(fā)風電等資源。

根據(jù)發(fā)電資源種類，明確電力機組的節(jié)能發(fā)電調(diào)度次序：第一為水能、風能、太陽能等電力機組；第二為地熱能、生物質(zhì)能等電力機組；第三為核能發(fā)電機組；第四為一次能源發(fā)電機組，按照碳排放水平、能耗水平，進一步排序電力機組調(diào)度次序。電力企業(yè)盡可能全額收購清潔能源，積極響應(yīng)政府頒布的節(jié)能發(fā)電調(diào)度政策，推行可再生能源配額制，調(diào)整電力系統(tǒng)工業(yè)結(jié)構(gòu)，重點建設(shè)風電基地、水電基地，以及配套送出工程，以大型基地為重點，結(jié)合中型基地、小型基地、蓄能電站，促進發(fā)電基地的流域梯級綜合開發(fā)，在沿海區(qū)域規(guī)劃海上風電場，激勵高效環(huán)保機組發(fā)電，全面推進清潔能源發(fā)電調(diào)度，建設(shè)就地消納通道，推動集中式、分布式的光伏發(fā)電同步發(fā)展，平衡低碳環(huán)保和資源效益之間的關(guān)系，推行可再生能源配額制，梳理電力系統(tǒng)的電力機組上網(wǎng)機制，減少發(fā)電市場空間中的高耗能發(fā)電機組。

2.2 加大低碳電力技術(shù)研發(fā)力度

增加發(fā)電行業(yè)融資渠道，加強專項資金的監(jiān)管，用于研發(fā)和推廣低碳電力的科技創(chuàng)新技術(shù)。政府可以采用鼓勵投資、直接投資等方式，增加低碳電力技術(shù)研發(fā)的投資金額，刺激低碳電力技術(shù)創(chuàng)新，建立激勵機制，組織管理科技創(chuàng)新工作。開展電力系統(tǒng)智能化，使用節(jié)能設(shè)備替代高耗能產(chǎn)品，應(yīng)用分布式電源，增加可再生能源的發(fā)電份額，升級發(fā)電系統(tǒng)的火電機組，全面推進火電機組的清潔煤電技術(shù)，盡可能擴大新能源發(fā)電的并網(wǎng)規(guī)模，建設(shè)以二代加技術(shù)為代表的核電站，加強電網(wǎng)運行管理，最大限度減少輸送過程中的電力損耗，提升資源跨區(qū)調(diào)度水平。建設(shè)低碳電力示范工程，運行低碳電力技術(shù)，包括熱電氣循環(huán)聯(lián)產(chǎn)技術(shù)示范工程、多能互補技術(shù)示范工程、先進燃氣輪機技術(shù)示范工程、天然氣、水蒸汽循環(huán)發(fā)電技術(shù)示范工程、高參數(shù)筑壩示范工程等，記錄電力系統(tǒng)安全系數(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)零風險運行。

2.3 構(gòu)建電力行業(yè)減排體系

制定電力系統(tǒng)低碳發(fā)展規(guī)劃，明確居民用戶、工業(yè)企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)三個電力規(guī)劃主體，以及相應(yīng)的實施流程，構(gòu)建電力行業(yè)減排體系。針對居民用戶，充分發(fā)揮電力市場的作用，推廣財政補貼，加快節(jié)能產(chǎn)品的研發(fā)，開展家電和LED 燈等產(chǎn)品的生態(tài)評估，加強節(jié)能設(shè)備的備案管理，將低碳發(fā)展作為約束性指標，以合同能源管理模式，編制電力低碳規(guī)劃，完善電力服務(wù)支撐體系，建立電力規(guī)劃管理機制，積極回收廢舊用電產(chǎn)品，制定相關(guān)補貼政策，梳理節(jié)能產(chǎn)品檢測標準，完善節(jié)能產(chǎn)品的認證體系，改革電力投資的政府采購政策，引導消費者選擇節(jié)能產(chǎn)品，刺激居民用戶選購節(jié)能產(chǎn)品的積極性，爭取節(jié)能設(shè)備和關(guān)鍵材料的國產(chǎn)化，加大節(jié)能產(chǎn)品推廣力度。

針對電網(wǎng)企業(yè)，建立需求側(cè)管理長效機制，統(tǒng)一協(xié)調(diào)居民用戶的診斷服務(wù)和節(jié)能咨詢，重點監(jiān)控節(jié)電增效重點用戶，形成需求側(cè)管理工作的激勵機制，組織負荷避峰、負荷錯峰的計劃方案，利用熱泵、冰蓄冷等技術(shù)手段，減少電網(wǎng)峰谷差，落實高耗電產(chǎn)品單位電耗限額。

2.4 推進智能電網(wǎng)建設(shè)

建設(shè)節(jié)能調(diào)度和低碳協(xié)調(diào)配合的智能電網(wǎng)，應(yīng)用電力需求響應(yīng)機制，穩(wěn)步推進智能用電和電能替代。引入科學的電力調(diào)度機制，引導居民用戶低碳用電，實現(xiàn)節(jié)能發(fā)電調(diào)度向智能電力調(diào)度的轉(zhuǎn)變，使電力系統(tǒng)電源更加接近用戶側(cè)特點。

探索智能電網(wǎng)技術(shù)，低碳化改造電力機組，使電網(wǎng)能夠容納大規(guī)模發(fā)電能源，接受可再生能源發(fā)電的電網(wǎng)，減少碳污染嚴重的化石能源，控制常規(guī)火電排放的二氧化碳氣體濃度，令發(fā)電機組的燃料得到充分燃燒，遵循燃料等量替代原則，混合燃燒煤炭、天然氣等一次能源和清潔能源、生物質(zhì)能源，其中生物質(zhì)包括林木和秸稈等。政府應(yīng)為智能電網(wǎng)項目提供政策支持，需要能源部門發(fā)出積極的市場信號，推廣大容量燃煤機組，限制電力系統(tǒng)的碳排放總量，在智能電網(wǎng)建設(shè)中引入綜合資源戰(zhàn)略思維，統(tǒng)一優(yōu)化電力系統(tǒng)供應(yīng)側(cè)、需求側(cè)的資源規(guī)模，結(jié)合現(xiàn)行實施的需求側(cè)管理和綜合資源規(guī)劃，凸顯用電需求側(cè)在電力系統(tǒng)中的重要作用，降低可再生能源發(fā)電負荷的波動范圍，為低碳電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供保障。

將需求側(cè)資源響應(yīng)機制納入智能電網(wǎng)統(tǒng)籌規(guī)劃中，充分挖掘電力系統(tǒng)需求側(cè)資源潛力，對資源潛力潛在效益進行評估，構(gòu)建現(xiàn)代能源保障體系，轉(zhuǎn)變能源供需與消費格局，發(fā)展快速儲能技術(shù)，實施電能替代，推廣使用節(jié)能電器、智能電能表計等設(shè)備，預(yù)測可再生能源和不可再生能源的能效，以及電力需求側(cè)需要的電力負荷，盡可能提升預(yù)測精度，消納一次能源和清潔能源，積極促進電力灌溉等電能替代方案，替代不可預(yù)測的能源電力，提高低碳電力系統(tǒng)能效。

3 實際案例分析

為了能夠提供具體的參考和應(yīng)用價值，幫助更好地理解上文提出的低碳電力系統(tǒng)發(fā)展路徑，并將其應(yīng)用到實際的業(yè)務(wù)中，本節(jié)通過案例分析，了解真實環(huán)境下的挑戰(zhàn)與解決方案，以及具體的實施步驟，從而更有針對性地制定自己的策略和行動計劃。以某電力為例來說明上述方法的有效性。該企業(yè)的規(guī)模和參數(shù)如下。

裝機容量：1000MW；發(fā)電設(shè)備數(shù)量：包括500MW 的火力發(fā)電、300MW 的風力發(fā)電和200MW 的光伏發(fā)電。電網(wǎng)接入情況：接入主網(wǎng)和幾個地方配網(wǎng)；發(fā)電成本和效率：火力發(fā)電成本較高，但穩(wěn)定性好；風力和光伏發(fā)電成本較低，但受天氣影響。碳排放數(shù)據(jù)：在過去一年排放了100萬t CO2。儲能設(shè)備容量：安裝了100MW 的鈉硫電池儲能設(shè)備節(jié)能技術(shù)應(yīng)用情況：引進了先進的燃氣輪機技術(shù)，提高了能效。

步驟1：優(yōu)化低碳電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)--清能電力積極發(fā)展風電、水電等清潔能源，并在2023年2月開始逐漸減少了對煤炭等化石燃料的依賴，通過優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)降低了二氧化碳排放。步驟2：加大低碳電力技術(shù)研發(fā)投入力度--清能電力公司加大對清潔煤發(fā)電技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，并進行技術(shù)本土化，成立了低碳電力技術(shù)聯(lián)盟，促進各方資源共享、合作互惠，提高了清能電力的技術(shù)實力和競爭力。步驟3：制定電力系統(tǒng)低碳發(fā)展規(guī)劃--清能電力公司與相關(guān)政府部門合作制定了低碳發(fā)展規(guī)劃，明確了清能電力在減排方面的責任和目標，并得到政府的支持和獎勵。步驟4：建設(shè)智能電網(wǎng)--清能電力積極推進智能電網(wǎng)建設(shè)，提高發(fā)電機組燃料燃燒效率，應(yīng)用電力需求響應(yīng)機制，提高電網(wǎng)消納能源能力，從而更靈活地適應(yīng)清潔能源的接入，減少了對傳統(tǒng)高耗能、高污染能源的依賴。

對于這個電力企業(yè)，通過以下方式優(yōu)化了低碳電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)：一是增加清潔能源比重。增加風電、水電、光伏等清潔能源的裝機容量，減少對傳統(tǒng)煤炭發(fā)電的依賴。二是提升能源利用效率。采用先進的燃氣輪機、高效燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)等，提高傳統(tǒng)發(fā)電裝置的效率，減少單位發(fā)電量的二氧化碳排放。三是采用可再生能源互補技術(shù)。結(jié)合風電與太陽能等不穩(wěn)定可再生能源，展開互補發(fā)電，降低系統(tǒng)波動性，提升發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

針對發(fā)電廠安裝大容量儲能設(shè)備，可以采取以下措施進行優(yōu)化：一是安裝大型儲能設(shè)備。如鈉硫電池、鈦酸鋰電池等儲能技術(shù)，用于平衡風光電發(fā)電的間歇性特點，提供平穩(wěn)的電力輸出。二是采用抽蓄式水電站。通過在谷時段利用電力將水抽升至高位蓄能，用于高峰時段釋放水能，降低其期電網(wǎng)容量。三是利用超級電容器和超導磁儲能。用于短期的功率平衡，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和調(diào)度靈活性。

在制定電力系統(tǒng)低碳發(fā)展規(guī)劃方面，這個電力企業(yè)可以采取以下步驟：一是確定發(fā)展目標。明確企業(yè)低碳發(fā)展的總體目標，如減少二氧化碳排放，提高能源利用效率等。二是強化政策支持。爭取政府的支持與激勵政策，如稅收優(yōu)惠、補貼扶持等，以促進低碳發(fā)展規(guī)劃的實施。

4 結(jié)語

本文介紹了低碳電力系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，從清潔能源、高新技術(shù)、減排體系等角度出發(fā)，提出電力系統(tǒng)達到“雙碳”目標的發(fā)展路徑，對我國能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型具有重要意義，電力企業(yè)也要提高決策能動性和自主性，積極落實以上發(fā)展路徑。由于國內(nèi)各省份存在顯著地域特征，其電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型也存在明顯差異，在今后的研究中，會對地區(qū)差異進行具體分析，得到符合各省特征的低碳轉(zhuǎn)型路徑。