“双碳”目标下电气发展策略研究的低碳经济分析

吴 雪， 陈 丹， 卢 璐， 诸德律

（国网江苏省电力有限公司经济技术研究院， 江苏 南京 210008）

0 引言

2020 年9 月22 日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上宣布，中国力争2030 年前CO2排放达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和目标（简称“双碳”目标）。这不仅为我国今后向低碳转型、向美丽中国迈进指明了方向与道路，同时，也显示了我国在应对气候变化方面的坚定决心与大国担当[1]。“双碳”目标的提出，将对今后的经济发展方式、生态环境质量、产业结构布局和人们的生活消费方式产生深远的影响。

1 “双碳”目标下的电气领域解读

到目前为止，国际上还没有一个严格而精确的“双碳”定义。一般而言，一个地区或一个组织的年CO2排放量，如果在某一时期达到峰值之后，并保持在一定的幅度之内，然后，进入一个稳定的下降阶段，就可以称为碳达峰。如果使用移除技术，实现了碳排放量与碳汇增减平衡，这种平衡态被称作碳中和[2]。

“双碳”目标的制定，必将对经济、社会和文化等各方面产生深远的影响，特别是对高碳、高能耗的电力行业更是如此。在减少碳排放、实现碳中和目标的过程中，电力行业的低碳转型是一个重要的切入点，要通过优化产业结构，大力发展新能源和低碳行业，淘汰落后的产能[3]。

2 电力产业碳排放现状

《巴黎协定》于2016 年签署并迅速实施，标志着减排已经成为国际社会的共识。在多种因素以及国际社会力量的共同推动下，世界范围内的能源生产和消费的结构与方式都在发生着变化，低碳化和清洁化发展已经成为目前最明显的趋势。应对气候变化已经不仅仅是一个环境方面的科学问题，更是可持续发展必须面对的重大挑战。

3 “双碳”目标下电气发展面临的挑战

3.1 电网的稳定性面临挑战

在碳中和背景下，伴随着未来电力工业向低碳方向发展，火电装机容量将减少，新能源发电容量将逐渐增加。在可再生能源发电中，电力装机容量所占比例正在逐步增加。大规模接入新能源，将极大地促进电力工业向低碳方向转型，同时，也将对电网的运行效率、稳定与安全构成极大的挑战。

由于水电、风电和太阳能等可再生、洁净能源受气候变化的强烈影响，在发电时所表现出的间歇性、波动性，会对电网产生严重冲击。除此之外，新能源的发电量也会有一定的地域制约，因而出现了分布式发电的布局模式。但是，在并网的时候，可能会对电网的电能质量造成负面影响。当前，我国电网电力系统灵活性不足，缺少能够保障其安全、稳定、高效运行的相对柔性资源。从资源禀赋上看，可再生能源和用电区域之间存在着反向关系。

3.2 电力企业集团缺少对于“碳中和”目标的长期规划

中国电力工业是推动我国经济向低碳转型、实现碳中和的主力军，应对清洁低碳的发展趋势有充分认识，切实落实2060 年前碳中和发展目标。但是，目前国内大型电力公司虽已制定出了短期发展计划，但对中长期发展计划却缺乏足够的重视。要实现碳中和目标，必须从长远角度出发，进行合理规划。

3.3 低碳技术亟需完善

为了在2060 年前实现碳中和，电力工业的低碳转型将逐步加强对碳捕获与碳封存（CCS）、生物质能碳捕获与封存（BECCS）等技术的研发与应用。以这两种技术为代表的碳减排技术在电力行业的低碳转型中发挥着关键作用，未来，电力行业实现近零排放也离不开碳减排技术的支持。但是，现有的碳减排技术在成本、技术和商业模式等方面均不够成熟，亟待改进。目前，大多数节能技术还处在技术研发的初始阶段，很少有技术已经进入到技术示范的阶段。

4 电力行业碳排放实现碳达峰碳中和的路径预测

使用Switch 模式框架，建立了一个适用于中国问题的、全面的、技术信息丰富且自底向上的分析模型。模型关注中国2050 年电力工业的低碳发展前景，围绕温控1.5 ℃目标，针对中国电力行业的发电结构、装机配置、电网传输和排放轨迹等环节进行深入探讨。探求切实可行的途径与方法，以实现电力工业的低碳经济目标。

4.1 电力行业优化模型构建

我国建立了32 个省域电网系统，拥有18 项省域可推广的工业技术（见表1）。在此基础上，电力行业构建了一套包含了成本和技术指标等细节内容，包含了217 项参数的电力行业数据库。基于电网的负荷曲线，可对各省电网在每个运行年度的生产、输送和损耗进行仿真。该模型以运行约束、排放约束和传输约束为优化目标，在满足用电需求的前提下，使供电费用（包括投资、运行和传输费用）达到最小。

表1 电力行业技术分类

4.2 分析框架

结合电力工业的特征，建立了一个由需求、生产和输送三个部分组成的模型。以宏观经济数据为基础，结合省级负载曲线，电力需求模块对各地区部门的用电结构及趋势进行了预测。以电力生产为中心，对32 个省份18 项发电技术的组合进行了以小时级别为时间尺度的描述，并对其装机容量结构、发展趋势和各技术的输出次序进行了分析。输电模式主要考虑跨区输电通道的投资费用、省电网的输电规则和输电通道的容量等因素。其核心是建立省域输电规则矩阵，实现安全约束条件下的电力输出。

4.3 转型情景设计

最新研究表明，要想在2060 年前实现碳中和，中国应采取更加强硬的措施，力争在50 年后，在温控1.5 ℃的限制下，实现“零排放”。为了模拟未来的低碳转型过程，设定了基准情景和零碳情景。

在基准情景中，我们假设现有的政策趋势会继续下去，不会采取额外的减排行动。

而在零碳情景中，设定了一系列目标：到2030 年，风能和太阳能的装机容量将超过12 亿kW，非化石能源占到总能源的60%以上。从2020 年开始，将逐步减少煤电的使用，不再增加新的煤电项目。到2030 年之后，将开始应用碳捕获和储存（CCS）技术。2030—2050 年，碳预算将与《巴黎协定》保持一致。2050 年，最终实现零排放。

通过对比这两种情景，我们可以判断中国电力行业实现国家“双碳”目标的可行性和可能会遇到的难点，从而为制定政策提供参考。

4.4 电力行业低碳转型的情景分析

4.4.1 碳排放轨迹比较

通过模型的计算，并与以上两种情景相结合，得到了如图1 所示的电力工业排放轨迹测算结果。

图1 两种情景下电力行业碳排放轨迹

基于此，我国电力工业的碳排放将在2030 年前后达到峰值，约为45.1 亿t。此后，因煤炭仍然是电力工业的主要来源，虽然可再生能源的投入很多，但总体上，CO2的下降速度很慢。到2050 年，CO2的排放将会减少23 亿t 左右。根据电力行业基准情景模拟，到2030 年左右，全国实现碳达峰的目标或许可以勉强达到，但到2060 年实现碳中和的目标根本不可能达到，更别说达到温控1.5 ℃了。

4.4.2 装机与电力结构

研究结果显示，零碳场景下，未来的电力装机容量将主要集中于非化石能源，而水电之外的可再生能源所占比例将大幅提高。对于火力发电厂，将依据CCS 与BECCS 技术的发展程度与潜力，来保持国内煤机组的生产能力。通过在火力发电厂安装CCS 装置，可以将其大部分的碳捕集到火力发电厂，是一项行之有效的低碳技术。而BECCS 则是一种利用生物质混合燃烧的减排技术，用来中和热电厂的残余碳排放。当前，碳捕获与封存技术的发展受成本制约。未来，碳捕获与封存技术的发展将受到可利用生物质资源的限制。

5 “双碳”目标下我国电力行业低碳经济转型建议

5.1 控制能源消费总量，稳妥推进结构调整

目前，我国的能源需求量是很大的，但在能源结构上却存在着很大的不合理之处。预测到2035 年，一次能源需求将达高峰，之后将逐步回落。至2050 年，一次能源消费量仍将保持在50～60 亿t，约占世界能源消费总量的1/2。但是，到2020 年为止，我国一次能源消费总量仅有25%左右，“双碳”仍是一项艰巨的任务。因此，要想实现“双碳”，就必须对能耗进行有效调控，为“双碳”创造更多的时间与空间。

要实现能源结构的优化，必须采用“先立后破”的战略。首先，煤炭仍是我国能源的“压舱石”，但总量要逐步降低，并要加速煤的清洁化。其次，我国的原油需求在2030 年左右将达到高峰，这将缓解我国对外依赖过高的风险。目前，我国还需要继续扩大国内资源，维持我国东部地区的现有油田产能，加快西部地区新油田的开发与增产，并进一步强化近海油气资源的勘探与开发。

5.2 加快制定电力企业长期规划

加速制定碳中和目标，聚焦以发电碳排放为核心指标，积极推动发电碳排放减排任务的落实。深度挖掘公司碳减排潜力，促进公司碳减排的经济性和有效性。对企业特征进行全面分析，积极推动制定符合国情、符合现实的碳中和长期规划。在制定碳中和计划时，企业要结合自身实际情况，把碳中和的路径划分为不同的阶段，并针对每个阶段的不同状况，制定出针对性的低碳转型方案。

5.3 发挥科技创新引领作用

加强对绿色、低碳科技的研究、开发，并大力进行推广应用。本项目将围绕我国能源密集型产业的转型发展需要，开展节能技术与设备的研究与开发，推动电力替代、氢气工业和生物能源等低碳生产过程的发展。本项目将在新型电力系统建设的指导下，加快在清洁发电、多能互补、新型储能、先进传输、电网调节与负荷响应等方面的研究与开发。

以零碳非电能源为重点，积极推动绿色氢能、生物质能和氨能等新能源的开发与产业化，并努力推动相关技术的革新与推广。在此基础上，提前部署CCUS、BECCS 和DAC 等技术，实现CO2的规模化去除与资源化利用。

5.4 完善全国碳市场体系

进一步深化全国碳市场的交易制度改革，将覆盖范围扩展到石化、钢铁、有色和建材等高耗能行业，实现交易市场的多元化和全面性。要完善现有的配额制，逐步减少自由配额制的比重，引进更加公平和有效的竞价配额制。在此基础上，通过对碳市场与绿色电力、绿色证书市场之间的协调，重新启动国家认证的自愿减排量机制，实现两者的有机结合，促进我国碳市场的健康发展。

6 结语

在“双碳”目标下，电气行业应以低碳经济为导向，促进产业结构优化升级，注重可持续发展的实施价值，有利于在转变经济发展理念的基础上，建立科学的经济发展平台。一是以节能降耗为目标，稳步推进能源结构调整。二是以国家战略需求为导向，建立健全国家碳市场，并加快制定中长期发展战略。三是通过技术创新和产业发展，促进我国电力行业转型升级。