碳中和、電力系統(tǒng)脫碳與煤電退出

　　2020年9月22日，國家主席習近平在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。這是繼“2030年碳達峰”中期目標后，我國提出的首個遠期碳減排承諾，對于堅定國內(nèi)低碳轉(zhuǎn)型決心、強化全球氣候治理信心有積極作用。

　　2060年碳中和目標對我國是一個巨大挑戰(zhàn)。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的科學評估，要實現(xiàn)2℃目標全球二氧化碳中和的時間在2070年左右，實現(xiàn)1.5℃目標全球二氧化碳中和的時間在2050年左右。德國、法國、英國等國家在20世紀70年代碳排放達峰至承諾的2050年溫室氣體中和，將經(jīng)歷約80年的“峰-零”轉(zhuǎn)型期;而我國力爭在30年內(nèi)實現(xiàn)該宏偉目標，意味著我國低碳轉(zhuǎn)型力度將遠超其他國家。

　　電力部門是我國碳排放的主要來源，2019年電力碳排放42.27億噸，占全社會排放總量的43%，并且電力部門實現(xiàn)碳中和目標甚至負碳排放的難度相對較低，因而被視為推動全社會低碳轉(zhuǎn)型的核心部門。以2005年為基準年，從2006年到2019年，通過發(fā)展非化石能源、降低供電煤耗和線損率等措施，電力行業(yè)累計減少二氧化碳排放約159.4億噸，有效減緩了我國二氧化碳排放總量的增長;其中，供電煤耗降低對電力行業(yè)二氧化碳減排貢獻率為37%，非化石能源發(fā)展貢獻率為61%，表明非化石能源成為推動碳減排的主力。從長遠來看，碳中和情景會迫使化石能源的利用大幅減少，大部分的用能需求將由非化石能源以電能的形式來滿足。這意味著電力部門將要開展更深度的低碳轉(zhuǎn)型，顛覆現(xiàn)今煤電主導的電力系統(tǒng)，構(gòu)筑足以支撐高電氣化社會龐大用能需求的清潔電力系統(tǒng)。

　　碳中和的目標內(nèi)涵、邊界條件及實現(xiàn)路徑

　　我國基礎設施建設和長期以來的經(jīng)濟增長結(jié)構(gòu)使得能源密集型重工業(yè)依然占據(jù)相當大的增加值比重，而資源稟賦決定了我國煤炭主導的能源結(jié)構(gòu)。在過去的二十年里，我國高能源強度、高碳密度的發(fā)展軌跡使得二氧化碳排放量增長了兩倍以上(如圖1所示)。我國提出碳中和目標，不僅是將碳約束內(nèi)生在能源清潔高效發(fā)展過程中，更是要求實現(xiàn)社會經(jīng)濟全鏈式轉(zhuǎn)型升級。具體來講，到2060年，影響碳排放的主要部門要分別實現(xiàn)：電力部門深度脫碳甚至負排放、工業(yè)部門工藝流程創(chuàng)新大幅降低碳排放、交通部門電動化與生物燃油化、建筑部門高度清潔化。

　　能源需求水平和能源清潔水平直接影響我國碳中和進程，二者共同決定了能源供應保證社會經(jīng)濟繁榮的同時，在資源環(huán)境可承載范圍內(nèi)盡可能降低碳排放量。

　　發(fā)展的第一要義是生存，碳中和不能以犧牲經(jīng)濟增長為代價，但可以通過減少能源需求來實現(xiàn)。我國已達成人均GDP10000美元的成就，未來將繼續(xù)向著2035年現(xiàn)代化目標、“兩個一百年”目標前進。若繼續(xù)保持當前的能源強度(即單位GDP產(chǎn)值的能源消耗量)3.3噸標準煤/萬美元，到2060年人均GDP增長4-5倍時(較2018年)，我國能源需求總量將超過200億噸標準煤，相當于650億千瓦風電裝機的年發(fā)電量，遠遠超出資源環(huán)境承載力;若2060年我國能源效率達到同階段OECD國家平均水平1.4噸標準煤/萬美元，即能源強度降低58%，屆時能源需求總量將達到100億噸標準煤左右，同樣會對資源環(huán)境造成巨大壓力;若能源強度降低83%，2060年我國能源需求量可保持在與當前相當?shù)?6億噸標準煤左右。因此，2060年我國能源效率要有巨大提升，甚至遠超同階段發(fā)達國家水平，才能降低非化石能源開發(fā)壓力。能效提升不僅依靠技術進步，還需產(chǎn)業(yè)模式升級、工藝流程創(chuàng)新、管理水平提高、城市化進程加速、社會性節(jié)能、可持續(xù)農(nóng)業(yè)等方面的共同努力。

　　在終端用能方面，2018年，我國終端用能占一次能源消費總量的63%(見圖2)、終端電氣化率達到了25.5%。與2018年相比，中國2060年碳中和情景的能源利用環(huán)節(jié)的不同在于：一是能源利用過程中的損耗大大減少，以燃煤發(fā)電為例，我國煤電平均效率為40%，其他60%的能量無法充分利用而被浪費，而非化石能源的發(fā)電過程可不考慮能量損失;二是終端用能效率大大提升，經(jīng)濟結(jié)構(gòu)向高科技制造業(yè)和服務業(yè)主導大幅調(diào)整，工業(yè)、運輸、住宅等部門節(jié)能提效顯著，可減少大量不必要的能源消耗;三是極高的電氣化水平將大幅提高能源效率。由于能源供應和終端用能環(huán)節(jié)能量損耗均減少，假設2060年中國終端用能占一次能源供應量的比重較2018年增加6個百分點至70%(該比例高于目前的日本和OECD平均值)(見圖3)，中國能源需求總量46億噸標煤的情況下，終端能源消費量約為32億噸標煤，人均終端用能約為2.3噸標煤/人(與2018年水平相當)。

　　決定碳排放的第二個因素是能源清潔水平，而能源清潔水平是由非化石能源發(fā)展決定的。非化石能源(水、核、風、光等)主要以電能形式被利用，到2060年將作為主要的能源品種用于社會生產(chǎn)生活，預計將占能源消費總量的80%以上(見圖4)，客觀上決定了未來以清潔電力為中心的高電氣化能源利用格局，同時也表明電力系統(tǒng)深度脫碳對碳中和目標的重要作用。而非完全電氣化部門，例如少數(shù)工業(yè)過程(采礦、鋼鐵、水泥、化工等部分生產(chǎn)環(huán)節(jié))、交通部門(長距離貨運、遠洋航運和航空等)，盡管生產(chǎn)能耗顯著降低，但部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)仍需一定量的化石能源，難以實現(xiàn)完全脫碳，意味著仍會有一定數(shù)量的與能源相關的二氧化碳排放。這部分二氧化碳需要由碳匯來中和。碳匯主要包括自然碳匯(自然生態(tài)系統(tǒng)固碳)和技術碳匯(碳捕獲與儲存技術，CCS)。2016年我國森林碳匯達到每年5-6億噸水平;有研究顯示，2010-2016年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯年均11.1±3.8億噸，未來自然碳匯會小幅增加但很難實現(xiàn)翻倍增長。預計2060年我國能源相關碳排放降至14億噸，若加上非能源類碳排放，無法完全依靠自然碳匯實現(xiàn)碳中和，還需發(fā)展技術碳匯。

　　電力部門負排放是成本最低、可行性最佳的大規(guī)模創(chuàng)造技術碳匯的方式。首先，非化石電力取代傳統(tǒng)火電可直接有效地減少碳排放。我國非化石能源可經(jīng)濟開發(fā)潛力巨大，水電約5億千瓦、風電80億千瓦、太陽能光伏270億千瓦、核電2.5億千瓦。初步估算，2060年，我國能源消費總量46億噸標煤以內(nèi)、終端用電量18萬億千瓦時(當前的2.5倍)、終端電氣化率70%(此處未將電制氫納入)的情況下，水電、核電裝機容量達到經(jīng)濟可開發(fā)上限，風電和太陽能光伏要分別達到34億千瓦和50億千瓦左右，結(jié)合特高壓輸電、智能電網(wǎng)、大量靈活性資源(如儲能、需求側(cè)資源)、少量的氣電和生物質(zhì)發(fā)電等，可構(gòu)建清潔低碳的電力供應體系、支撐電力化率70%以上的終端用能體系。其次，生物質(zhì)發(fā)電耦合CCS是在低碳電力系統(tǒng)基礎上進一步實現(xiàn)負排放的主要方式。生物質(zhì)發(fā)電的能量來源主要是生物質(zhì)能，理論上屬于零碳的可再生能源，而捕獲的CO2可以被壓縮并通過管道、船舶、鐵路或卡車運輸，注入深層地層(包括枯竭的油氣田或鹽堿地層)將CO2永久儲存，或用于合成燃料、化學品和建筑材料等，從而實現(xiàn)負排放。有研究統(tǒng)計，2015年，我國常規(guī)生物質(zhì)資源潛力為4.11億噸標準煤，不適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的邊際性土地(例如鹽堿地、沙地、礦山、沼澤地等)可種植能源作物潛力為3.45億噸標準煤。假定2060年我國生物質(zhì)資源利用總量增加到10億噸標準煤，其中20%用于生物質(zhì)發(fā)電(大部分主要用于生產(chǎn)生物燃油)，預計可創(chuàng)造的年碳匯量為5億噸CO2。在極高比例非化石能源系統(tǒng)情景下，自然碳匯和技術碳匯的共同作用有望實現(xiàn)我國2060年碳中和愿景。

　　電力系統(tǒng)深度脫碳的倒序路徑分析

　　碳中和目標對我國電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型提出了極高的要求。“遠期負排放、中期快速下降、近期盡快達峰”，是逐步實現(xiàn)電力深度脫碳的倒序路線圖(見圖5)。

　　從遠期來看，煤電需完全退出，水電與核電達到可經(jīng)濟開發(fā)上限，新能源成為電力主體，多元化靈活性資源廣泛部署，生物質(zhì)發(fā)電耦合CCS達到一定規(guī)模，先進信息技術與電力系統(tǒng)深度融合;從中期來看，煤電有序退出，新能源快速增長，電化學等新型儲能設備在電力系統(tǒng)全面部署，在適宜地區(qū)部署推廣CCS;近期則需要電力行業(yè)碳排放盡快低水平達峰，新能源實現(xiàn)全面平價，開發(fā)源網(wǎng)荷儲靈活產(chǎn)品組合，完善電力市場機制。因此，為實現(xiàn)電力行業(yè)深度減排與負排放，電力系統(tǒng)要解構(gòu)與重塑，從以煤電為主的高碳電力系統(tǒng)逐漸過渡到“清潔、靈活、數(shù)字化”為特征的負碳電力系統(tǒng)。

　　電力深度脫碳的倒序路線圖，更準確地來說，是煤電發(fā)展的倒序路線圖。考慮到2060年非完全電氣化部門碳排放量依然保有14億噸以上規(guī)模的可能性，煤電要在2060年前、甚至2050年完全清零以減輕碳匯壓力;按照煤電機組設計運行壽命30-40年計算，我國煤電應在2020-2025年間達到規(guī)模峰值，且規(guī)模峰值越小，中長期煤電退出壓力和擱淺資產(chǎn)規(guī)模就越小;煤電在從規(guī)模峰值到規(guī)模清零的期間，要同時做好以下幾項工作，落后淘汰和正常退役煤電機組讓渡發(fā)電空間，高效清潔機組提升利用率，靈活改造機組配合新能源消納，備用調(diào)峰機組補足用電負荷缺口，維持電力安全?？偟膩碇v，碳中和目標下我國煤電要“近期控規(guī)模、中期調(diào)功能、遠期退清零”。

　　煤電達峰與退出路徑分析

　　我國煤電仍處于規(guī)模擴張階段，2020年1-7月份，全國基建新增煤電裝機1905萬千瓦;截至2020年7月底，全國煤電裝機容量達到10.6億千瓦(6000千瓦及以上機組)，同比增長3.6%;處于計劃狀態(tài)(在建、緩建、停建、封存、核準、核準前開發(fā)和宣布)的煤電機組容量約為4.13億千瓦，若全部建成將加劇我國煤電產(chǎn)能過剩風險，嚴重拖慢碳中和實現(xiàn)進程。通過對2025年各區(qū)域電網(wǎng)最大用電負荷、用電量和電源增長情景進行預測，估算到2025年我國煤電合理規(guī)模應在10.2-11億千瓦范圍內(nèi);在溫控目標基準情景碳排放預算約束下，我國煤電碳排放量要在2025年達到峰值45億噸，對應的煤電裝機規(guī)模約為11億千瓦。因此，碳中和目標約束和電力需求增長情景下，我國煤電應在2025年達到11億千瓦的規(guī)模峰值。

　　具體來講，“十四五”煤電發(fā)展要實現(xiàn)以下目標：一是2025年煤電裝機規(guī)?？刂圃?1億千瓦以內(nèi)，實現(xiàn)煤電裝機容量和發(fā)電量均在2025年達峰，2025-2030年期間煤電規(guī)模不再增長，之后煤電機組逐漸退出;二是2025年前全部機組實現(xiàn)超低排放和節(jié)能改造，不達標機組完全退出;三是計劃機組采取“上大壓小”等量/減量替代、分批有序建設的方式，實現(xiàn)規(guī)模管控和機組更替，過剩風險嚴重地區(qū)要取消部分計劃項目;四是西部地區(qū)承接大多數(shù)的煤電增量項目落地，2025年后東部地區(qū)不再建設任何煤電機組，2030年后中部地區(qū)不再建設煤電機組;五是2025年煤電機組平均供電煤耗降至300克標煤/千瓦時，此后保持在此水平;六是2025年火電度電碳排放量降至820克/千瓦時，電力行業(yè)平均碳強度降至450克/千瓦時左右，電力碳排放達峰;七是進一步完善現(xiàn)貨電能量市場和輔助服務市場機制，探索容量市場，推動煤電功能定位轉(zhuǎn)型。

　　2030-2060年煤電中長期發(fā)展路徑如下：一是中國煤電裝機規(guī)模、發(fā)電量和碳排放均在2025年達峰后，在經(jīng)歷了2025-2030年的短暫平臺后，2030-2060年間退出進程將顯著加快;二是2025-2030年間在空氣質(zhì)量、水文環(huán)境和碳儲存環(huán)境適宜的地方規(guī)劃煤電選址，遵循等量/減量替代“上大壓小”原則優(yōu)化煤電機組結(jié)構(gòu);三是2030年后煤電裝機開始有序退出，同時電化學儲能設備在新能源側(cè)加快發(fā)展;四是2035年煤電規(guī)模較2025年峰值減半，開始為大容量火電機組部署CCS裝置，并且電化學儲能大規(guī)模商業(yè)化應用;五是2050年煤電規(guī)模降至3億千瓦左右，約半數(shù)機組安裝CCS裝置;六是2060年前，未加CCS改造的煤電完全退出，煤電摻燒生物質(zhì)耦合CCS使得電力行業(yè)有望實現(xiàn)大規(guī)模負排放。

　　綜上，2060年我國碳中和目標的實現(xiàn)路徑可總結(jié)為“五要素”：超高能源效率、非化石能源、脫碳電力系統(tǒng)、高電氣化、碳匯與負碳技術。其中，大力推廣節(jié)能是實現(xiàn)低碳減排最為經(jīng)濟可行的方式;以非化石能源為主的能源系統(tǒng)要自主實現(xiàn)碳中和，以減輕自然碳匯壓力;以“清潔電”為中心的高電氣化策略將極大地減少碳排放;作為技術可行性最高、最容易脫碳的部門，電力系統(tǒng)2050年應實現(xiàn)零排放，2060年實現(xiàn)負排放。

　　我國實現(xiàn)碳中和將是一個長期而艱難的過程，需捋順長遠目標與近期發(fā)展的內(nèi)在強關聯(lián)——以長遠目標為發(fā)展導向制定近期發(fā)展策略，近期發(fā)展為長遠目標做好謀篇布局。傳統(tǒng)化石能源行業(yè)面臨著前所未有的變革壓力，資源開發(fā)上限的內(nèi)生約束和碳中和的外生壓力預示著未來化石能源必然要退出歷史舞臺、被非化石能源取代。能源設施往往具有長周期性，如燃煤電廠壽命期可達30-40年，繼續(xù)大規(guī)模開發(fā)建設將延長我國高碳發(fā)展路徑，加重碳中和目標負擔;而及早布局新能源行業(yè)為代表的新基建，發(fā)揮我國技術領先和規(guī)模化生產(chǎn)的優(yōu)勢，對促進能源轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟社會綠色發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和深遠的戰(zhàn)略意義。

　　本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2020年11期，作者供職于華北電力大學經(jīng)濟管理學院