中國(guó)能源電力碳中和實(shí)現(xiàn)路徑及實(shí)施關(guān)鍵問題

周原冰，楊方，余瀟瀟，江涵

(1. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織，北京 100031；2. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)集團(tuán)有限公司，北京 100031)

0 引言

為應(yīng)對(duì)氣候變化和加速能源清潔低碳轉(zhuǎn)型，世界各國(guó)陸續(xù)提出碳中和目標(biāo)[1]。中國(guó)提出的碳達(dá)峰目標(biāo)與碳中和愿景，是中國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的重要內(nèi)容，對(duì)加快促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、保障能源安全供應(yīng)、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)、引領(lǐng)應(yīng)對(duì)氣候變化具有重大意義。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和（雙碳）是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革，是中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容和戰(zhàn)略抓手，為中國(guó)構(gòu)建新發(fā)展格局，加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和科技創(chuàng)新提供新機(jī)遇，具有重大研究?jī)r(jià)值。中國(guó)已陸續(xù)發(fā)布《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念 做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策措施的意見》等多項(xiàng)重要政策文件，提出了2030年非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到25%左右，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降65%以上，2060年非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到80%以上的約束性目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)涉及電力、工業(yè)、交通、建筑、碳匯等各個(gè)行業(yè)，需要站在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全局落實(shí)中央部署，各行業(yè)碳達(dá)峰行動(dòng)將陸續(xù)出臺(tái)。既要認(rèn)識(shí)到雙碳目標(biāo)的重要性，也要認(rèn)識(shí)到其復(fù)雜性，目前仍有很多問題值得研究。

實(shí)現(xiàn)中國(guó)碳中和目標(biāo)關(guān)鍵是構(gòu)建綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系和清潔低碳安全高效的能源體系。圍繞能源和電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，很多學(xué)者對(duì)減排路徑、模型開發(fā)及政策設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究。減排路徑方面，主要圍繞政策情景、強(qiáng)化政策情景、2℃和1.5℃溫控目標(biāo)下中國(guó)全社會(huì)長(zhǎng)期碳排放路徑展開分析[2]；模型研究方面，MARKALMACRO 模 型[3]、TIMES 模 型[4]、C-GEM 模 型[5]、C3IAM/NET模型[6]、MESSAGE模型[7]等為中長(zhǎng)期減排路徑和策略研究提供了科學(xué)支撐；電力行業(yè)減排方面，主要針對(duì)雙碳目標(biāo)下電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型路徑和成本以及新型電力系統(tǒng)框架進(jìn)行了系統(tǒng)研究[8-10]。

中國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，包括能源、電力、工業(yè)、交通、建筑、森林碳匯、碳捕集利用與封存等各個(gè)領(lǐng)域，是多重目標(biāo)、多重約束下的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革，圍繞以新型電力系統(tǒng)為核心的能源轉(zhuǎn)型變革，需要統(tǒng)籌碳減排與安全發(fā)展、近期目標(biāo)與遠(yuǎn)期規(guī)劃等方方面面的關(guān)系。針對(duì)如何立足全社會(huì)轉(zhuǎn)型成本更低，在全行業(yè)視角研究能源和電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型問題，目前仍是研究的空白和難點(diǎn)?；诖?，本文將能源-氣候-環(huán)境綜合評(píng)估模型與電力規(guī)劃模型耦合，研究提出全社會(huì)轉(zhuǎn)型成本最優(yōu)下，中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的整體路徑；對(duì)這一路徑下中國(guó)能源電力如何轉(zhuǎn)型進(jìn)行展望分析，提出相應(yīng)的路線圖；分析能源電力轉(zhuǎn)型過程中如何處理好減排速度和節(jié)奏、電力系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)型成本和疏導(dǎo)3個(gè)關(guān)鍵問題，以期為能源電力行業(yè)各方探討和推動(dòng)雙碳目標(biāo)提供參考。

1 碳中和思路及中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)減排機(jī)理

1.1 中國(guó)碳中和減排機(jī)理

根據(jù)IPCC相關(guān)報(bào)告中定義[11]，碳中和是指特定時(shí)期內(nèi)人為源的二氧化碳排放和人為二氧化碳移除達(dá)到平衡時(shí)的狀態(tài)，也稱凈零排放。

根據(jù)中國(guó)溫室氣體清單數(shù)據(jù)，2014年中國(guó)溫室氣體排放總量（包括LULUCF）為111.86億t二氧化碳當(dāng)量，土地利用、土地利用變化和林業(yè)的溫室氣體吸收碳匯為11.15億t二氧化碳當(dāng)量[12]。實(shí)現(xiàn)中國(guó)碳中和目標(biāo)，一方面是減少全社會(huì)碳排放，另一方面是增加負(fù)排放及碳匯能力。

碳排放卡雅（KAYA）驅(qū)動(dòng)因素分解為

2014年，中國(guó)二氧化碳排放102.75億t，其中能源活動(dòng)排放89.25億t，占比86.9%[12]。人口和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是碳排放增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因素。1978—2018年，中國(guó)二氧化碳排放增長(zhǎng)了83億t。從KAYA分解中可以看出能源碳排放強(qiáng)度和能源強(qiáng)度下降可以驅(qū)動(dòng)碳減排。研究表明：1978—2018年期間中國(guó)能源強(qiáng)度下降對(duì)碳排放控制貢獻(xiàn)約80%，而能源碳排放強(qiáng)度下降貢獻(xiàn)僅有13%，未來有巨大的減排潛力[13]。能源碳排放強(qiáng)度主要受能源生產(chǎn)的清潔化和消費(fèi)電氣化水平影響。研究表明，如果非化石能源占比達(dá)到70%，即使能源消費(fèi)總量相比當(dāng)前翻一番，能源碳排放強(qiáng)度仍可下降60%以上[14]。

因此，中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的總體思路是要在“一減一增”上下功夫，“減”是核心，“增”是兜底，如圖1所示?！耙粶p”是通過降低化石能源消費(fèi)總量和能源碳強(qiáng)度減少碳排放[15]?！耙辉觥笔窃黾犹家瞥拓?fù)排放，通過碳捕集、利用與封存（CCS）將已經(jīng)排放的二氧化碳捕集封存起來，實(shí)現(xiàn)零排放；利用生物質(zhì)碳捕集封存（BECCS）、增加森林碳匯等方式增加固碳能力；利用直接空氣捕集吸收二氧化碳，提供負(fù)排放。

圖1 中國(guó)碳中和機(jī)理框架Fig. 1 China’s carbon neutralization mechanism framework

1.2 中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)的減排思路

實(shí)現(xiàn)中國(guó)碳中和目標(biāo)關(guān)鍵是構(gòu)建綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系和清潔低碳安全高效的能源體系。考慮當(dāng)前中國(guó)能源電力發(fā)展特點(diǎn)，能源轉(zhuǎn)型仍存在很大困難。一是中國(guó)資源稟賦以煤炭為主。2020年中國(guó)一次能源生產(chǎn)總量為40.8億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中原煤生產(chǎn)占比67.6%。煤炭主要用于電力生產(chǎn)，中國(guó)全口徑發(fā)電裝機(jī)容量約22億kW。其中，煤電裝機(jī)容量10.8億kW，占總裝機(jī)容量的比重為49.1%[16]。二是中國(guó)資源與負(fù)荷中心呈逆向分布，67%水能、90%風(fēng)能、80%太陽(yáng)能資源分布在西部北部，而負(fù)荷集中在東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。三是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)過程中，隨著可再生能源比重逐漸提高，電力系統(tǒng)的平衡和安全穩(wěn)定等問題日益突出，給能源安全供應(yīng)帶來新的挑戰(zhàn)。針對(duì)以上特點(diǎn)，需要提出符合中國(guó)國(guó)情的切實(shí)可行實(shí)現(xiàn)路徑。

中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)減排思路包含“兩個(gè)替代（清潔替代和電能替代）、一個(gè)提高、一個(gè)回歸、一個(gè)轉(zhuǎn)化”。其中“清潔替代”通過能源供應(yīng)側(cè)以太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等清潔能源替代化石能源，逐步減少煤炭等化石能源燃燒使用；“電能替代”通過能源消費(fèi)側(cè)以電代煤、以電代油、以電代氣、以電代初級(jí)生物質(zhì)能，擺脫化石能源依賴；“一個(gè)提高”通過提高電氣化水平和能源效率，促進(jìn)節(jié)約用能，加速電能替代進(jìn)程；“一個(gè)回歸”通過石油、天然氣等化石能源回歸其基本屬性，主要作為工業(yè)原料和材料使用，減少其燃燒使用；“一個(gè)轉(zhuǎn)化”通過清潔電力將二氧化碳、水、氮等物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氫、甲烷、甲醇和氨等燃料和原材料，實(shí)現(xiàn)二氧化碳的資源化、循環(huán)化利用，為生產(chǎn)生活提供能量與原材料，解決中國(guó)部分碳基資源問題。通過以上減排思路，實(shí)現(xiàn)化石能源消費(fèi)總量控制并逐漸實(shí)現(xiàn)化石能源有序退出。

中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)通過搭建“智能電網(wǎng)+特高壓電網(wǎng)+清潔能源”的能源開發(fā)、輸送和使用平臺(tái)，體現(xiàn)了新型電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和要求。新型電力系統(tǒng)是中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)的核心形態(tài)，新能源大規(guī)模、快速度的安全可靠發(fā)展，需要加大力度規(guī)劃建設(shè)以大型風(fēng)光電基地為基礎(chǔ)、以其周邊清潔高效先進(jìn)節(jié)能的煤電為支撐、以穩(wěn)定安全可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系。因此建設(shè)互聯(lián)互通的大電網(wǎng)和大市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)能源配置網(wǎng)絡(luò)化，是促進(jìn)清潔發(fā)展的核心途徑，可以有效解決中國(guó)資源配置不均及高比例可再生能源消納和波動(dòng)性問題。

能源轉(zhuǎn)型過程中，安全保供始終是首要目標(biāo)和先決條件，關(guān)鍵在于以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，科學(xué)統(tǒng)籌、先立后破、有序推進(jìn)，處理好減排與發(fā)展、遠(yuǎn)期與近期、新能源與化石能源、市場(chǎng)與政府等幾大關(guān)系。

2 中國(guó)碳中和路徑綜合評(píng)估方法

2.1 研究方法框架

模型框架方面，碳中和目標(biāo)需要滿足中國(guó)能源、碳排放等約束性指標(biāo)，同時(shí)涉及跨行業(yè)、跨領(lǐng)域、技術(shù)組合、資源評(píng)估、政策措施等方方面面，因此需要采用自上而下與自下而上相結(jié)合的綜合評(píng)估的方法。本文采用奧地利國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所開發(fā)的綜合評(píng)估模型MESSAGE[17]，并耦合宏觀經(jīng)濟(jì)模型、能源系統(tǒng)模型、土地利用模型、氣候系統(tǒng)模型，以及全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織自主開發(fā)的電力規(guī)劃模型開展碳中和路徑研究。

情景設(shè)計(jì)方面，按照全社會(huì)成本最低，兼顧發(fā)展和減排、整體和局部、長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)和短期目標(biāo)原則，將能源電力減排置于全社會(huì)減排下進(jìn)行分析，綜合評(píng)估優(yōu)化得到中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)情景下中國(guó)全社會(huì)成本最優(yōu)的碳中和實(shí)現(xiàn)路徑，進(jìn)而分析清潔低碳與安全保供要求下，不同減排路徑對(duì)全社會(huì)減排成本的影響；分析新型電力系統(tǒng)的平衡調(diào)節(jié)問題；分析用能成本變化及相應(yīng)的成本疏導(dǎo)問題。綜合能源評(píng)估模型框架和研究總體框架分別如圖2～3所示。

圖2 MESSAGE 綜合能源評(píng)估模型框架圖Fig. 2 Framework for MESSAGE integrated energy assessment model

圖3 中國(guó)碳中和實(shí)現(xiàn)路徑研究總體框架圖Fig. 3 Research framework for China’s carbon neutral realization pathways

2.1.1 能源系統(tǒng)模型

能源系統(tǒng)模型以滿足供能需求和成本最小為目標(biāo)，以氣候變化、資源潛力、能源供需平衡、生產(chǎn)能力和能源系統(tǒng)存量變化為約束條件，綜合考慮資源開采、中間轉(zhuǎn)換、終端用能各個(gè)環(huán)節(jié)，以及工業(yè)[18]、交通[19]、建筑[20]領(lǐng)域用能技術(shù)效率和成本參數(shù)，對(duì)能源系統(tǒng)進(jìn)行全局優(yōu)化，最終形成能源系統(tǒng)技術(shù)組合方案。

綜合評(píng)估模型目標(biāo)函數(shù)為

式中：J為系統(tǒng)總成本；Cn,y為節(jié)點(diǎn)n在y年的系統(tǒng)成本；dy為貼現(xiàn)率；Rn,c,g,y為資源開采成本；En,c,g,y為資源開采量；分別為建設(shè)成本、固定運(yùn)維成本和可變運(yùn)維成本；為新增容量； 為活動(dòng)水平；A為碳稅；為排放量；為土地利用成本；為土地使用量。

容量約束方面，實(shí)際活動(dòng)水平不能超過所有年份的可用（及維護(hù)）容量總和，同時(shí)需要考慮技術(shù)容量因子影響。約束函數(shù)為

式中：dh為時(shí)間周期；為容量因子。

其他變量和約束參考MESSAGE使用手冊(cè)[21]。

2.1.2 電力系統(tǒng)模型

電力系統(tǒng)研究基于電力系統(tǒng)綜合優(yōu)化規(guī)劃模型[22]，以電力需求預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)，結(jié)合中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)跨省跨區(qū)資源配置優(yōu)勢(shì)，統(tǒng)籌考慮區(qū)域清潔能源的資源稟賦、分布和大型清潔能源基地布局，以滿足電力電量平衡、系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求和碳排放控制為約束，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、碳排放最低為目標(biāo)，對(duì)各類電源裝機(jī)、各環(huán)節(jié)不同類型靈活性資源、輸電通道進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃，通過各水平年8 760 h生產(chǎn)模擬驗(yàn)證，量化分析中國(guó)綜合效益最優(yōu)的電力互聯(lián)方案。通過開展電力供應(yīng)經(jīng)濟(jì)性、輸電技術(shù)先進(jìn)性、系統(tǒng)運(yùn)行可靠性等綜合評(píng)估，推薦電力系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃方案，如圖4所示。

圖4 電力規(guī)劃框架圖Fig. 4 Framework for power planning

電源規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)為

式中：Hj為規(guī)劃期T內(nèi)j國(guó)電源裝機(jī)總費(fèi)用的現(xiàn)值為初始投資費(fèi)用；為投資折余；為燃料費(fèi)；為運(yùn)維費(fèi)；為停電損失費(fèi)；t為計(jì)算時(shí)刻。

電量消費(fèi)及電源規(guī)劃結(jié)果作為能源系統(tǒng)模型的輸入與其他能源部門（工業(yè)、交通、建筑）共同優(yōu)化，分析電力系統(tǒng)在全社會(huì)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)約束下的減排路徑、減排經(jīng)濟(jì)性和轉(zhuǎn)型中的關(guān)鍵問題。

2.2 邊界條件

綜合研判中國(guó)未來40年宏觀經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)、人口城鎮(zhèn)化發(fā)展、能源電力消費(fèi)變化以及中國(guó)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和目標(biāo)，作為中國(guó)碳中和實(shí)現(xiàn)路徑的主要邊界條件。主要包括電力需求、能源消費(fèi)總量、非化石能源消費(fèi)占比、碳強(qiáng)度、碳排放空間等國(guó)家承諾和約束條件（見表1和表2）。

表1 碳中和實(shí)現(xiàn)路徑約束條件Table 1 Main constraints for carbon neutral realization pathways

表2 碳中和實(shí)現(xiàn)路徑主要宏觀發(fā)展指標(biāo)Table 2 Main macro development indicators of carbon neutral realization pathways

3 中國(guó)全社會(huì)及能源電力碳中和路徑展望

在全球綜合評(píng)估模型MESSAGE[17]中詳細(xì)刻畫中國(guó)能源電力數(shù)據(jù)，統(tǒng)籌考慮能源消費(fèi)總量、電力需求預(yù)測(cè)及碳排放約束等邊界條件，按照全社會(huì)成本最低，得出中國(guó)全社會(huì)碳中和路徑、能源轉(zhuǎn)型路徑和電力脫碳路徑。需要指出，在實(shí)際演化過程中，隨著政策導(dǎo)向、約束條件和技術(shù)組合不同，能源電力可能會(huì)有不同的脫碳路徑，本文呈現(xiàn)的是基于2.2節(jié)邊界條件得出的一個(gè)代表性路徑，在減排成本和用能成本變化方面通過多情景進(jìn)行了敏感性分析。

3.1 全社會(huì)碳中和路徑

根據(jù)綜合評(píng)估模型結(jié)果分析，中國(guó)2060年前全社會(huì)實(shí)現(xiàn)碳中和路徑總體可按盡早達(dá)峰、快速減排、全面中和三個(gè)階段推進(jìn)，如圖5所示。

圖5 全社會(huì)實(shí)現(xiàn)碳中和路徑Fig. 5 Carbon neutral pathways of the whole society

第一階段：盡早達(dá)峰階段（2030年前）。全社會(huì)及能源活動(dòng)碳排放達(dá)峰的核心是控制煤炭消費(fèi)達(dá)峰。通過控制煤電規(guī)模達(dá)峰，新增能源需求主要由清潔能源滿足，實(shí)現(xiàn)化石能源消費(fèi)達(dá)峰，中國(guó)可以在2028年左右實(shí)現(xiàn)全社會(huì)碳達(dá)峰，能源活動(dòng)碳排放可以同步實(shí)現(xiàn)達(dá)峰。2030年碳強(qiáng)度相比2005年下降超過70%，提前兌現(xiàn)中國(guó)《巴黎協(xié)定》自主減排承諾[23]。盡早達(dá)峰、控制峰值將為后續(xù)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)、引領(lǐng)低碳轉(zhuǎn)型贏得更大主動(dòng)。

第二階段：快速減排階段（2030—2050年）。碳排放達(dá)峰后到2035年呈現(xiàn)穩(wěn)中有降趨勢(shì)，2035年后進(jìn)入快速下降階段。清潔能源增長(zhǎng)速度和發(fā)展規(guī)模促進(jìn)能源領(lǐng)域及全社會(huì)快速減排。通過建設(shè)中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)清潔能源優(yōu)化配置，加速能源系統(tǒng)脫碳速度。預(yù)計(jì)到2050年電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)凈零排放，全社會(huì)碳排放下降約90%，2050年人均碳排放降至1.0 t，標(biāo)志中國(guó)碳中和取得決定性成效。

第三階段：全面中和階段（2050—2060年）。以深度脫碳為基礎(chǔ)，通過碳捕集利用與封存、進(jìn)一步增加林業(yè)碳匯，能源和電力生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)入負(fù)碳階段，預(yù)計(jì)2055年左右實(shí)現(xiàn)全社會(huì)碳中和。之后通過保持適度規(guī)模負(fù)排放，有效控制和減少中國(guó)累積碳排放量。2060年，能源活動(dòng)剩余排放約9.6億t、工業(yè)生產(chǎn)過程排放4.3億t、廢棄物排放0.2億t、土地利用變化和林業(yè)碳匯10.5億t、碳移除約9.4億t，全社會(huì)凈排放為?5.8億t。

3.2 能源轉(zhuǎn)型路徑

能源供應(yīng)方面，非化石能源將逐步成為主導(dǎo)能源（見圖6）。2020—2030年，非化石能源比重從15.9%提高到30%左右。2030—2050年是清潔發(fā)展增速最快的階段，非化石能源比重每年提高2.2個(gè)百分點(diǎn)，到2050年達(dá)到75%。2060年，90%能源需求由非化石能源滿足，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)體系全面轉(zhuǎn)型。

圖6 一次能源消費(fèi)總量及結(jié)構(gòu)Fig. 6 Primary energy demand by fuels

能源消費(fèi)方面，電能將成為最主要的能源利用形式（見圖7）。2030年全社會(huì)用電量預(yù)計(jì)超過11萬(wàn)億kW·h。2050年全社會(huì)用電量將達(dá)到16萬(wàn)億kW·h，2030—2050年年均增速保持在2%的水平。2060年全社會(huì)用電量將達(dá)到17萬(wàn)億kW·h，2050—2060年年均增速為0.6%。2030—2060年，中國(guó)工業(yè)、交通、建筑領(lǐng)域用能方式加快轉(zhuǎn)向以電能為主，累計(jì)增加用電量分別達(dá)到0.9萬(wàn)億、2.3萬(wàn)億、2.8萬(wàn)億kW·h，全社會(huì)2/3的能源使用均為電能，實(shí)現(xiàn)能源使用體系全面轉(zhuǎn)型。

圖7 終端能源消費(fèi)總量及結(jié)構(gòu)Fig. 7 Final energy demand by fuels

3.3 電力脫碳路徑

非化石能源發(fā)電裝機(jī)方面，2030年前新增電源裝機(jī)主要由非化石能源發(fā)電滿足，而后清潔電源逐漸替代已有化石能源發(fā)電電源。預(yù)計(jì)2030年、2050年、2060年中國(guó)電源總裝機(jī)將分別達(dá)到38億、75億和80億kW，非化石能源發(fā)電裝機(jī)和發(fā)電量比重持續(xù)上升。2019—2030年，非化石能源裝機(jī)年均增長(zhǎng)1.6億kW，2030年達(dá)到25.7億kW。2030—2050年，非化石能源裝機(jī)年均增長(zhǎng)2.2億kW，2050年達(dá)到68.7億kW。2050—2060年，非化石能源裝機(jī)年均增長(zhǎng)0.81億kW，2060年達(dá)到76.8億kW，實(shí)現(xiàn)超過96%的電源裝機(jī)和發(fā)電量均由非化石能源承擔(dān)。

化石能源發(fā)電裝機(jī)方面，隨著非化石能源快速發(fā)展和碳減排要求，化石能源發(fā)電將加快退出。預(yù)計(jì)煤電裝機(jī)總量在2025年左右達(dá)峰，到2050年煤電裝機(jī)下降至3億kW左右。氣電主要作為調(diào)峰電源，2030年、2050年裝機(jī)分別為1.9億、3.3億kW，發(fā)揮化石能源發(fā)電的靈活調(diào)節(jié)和安全保障作用。除氣電外，抽水蓄能、燃?xì)浒l(fā)電、光熱發(fā)電、新型儲(chǔ)能等也將在未來新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮調(diào)峰作用。其中，2030年、2050年光熱裝機(jī)分別達(dá)到0.25億、1.8億kW；2050年氫電裝機(jī)將超過1億kW；2030年、2050年儲(chǔ)能容量將分別達(dá)到2.5億、9億kW（含抽水蓄能及新型儲(chǔ)能）。

電力互聯(lián)互通方面，通過擴(kuò)大電網(wǎng)配置規(guī)模和范圍，轉(zhuǎn)變局部平衡的電力發(fā)展方式，加強(qiáng)中國(guó)國(guó)內(nèi)各區(qū)域間，中國(guó)與周邊國(guó)家間的互聯(lián)互通，中國(guó)電網(wǎng)將逐漸形成“西電東送、北電南供、跨國(guó)互聯(lián)”的發(fā)展格局。2030年，中國(guó)跨區(qū)跨省電力流將達(dá)到4.6億kW，跨國(guó)電力流約4 250萬(wàn)kW；2050年，跨區(qū)跨省電力流進(jìn)一步提升至6億kW，如表3所示。

表3 2050年中國(guó)跨國(guó)跨區(qū)電力流規(guī)模預(yù)測(cè)Table 3 Forecast of cross-border and inter-regional power flow in 2050萬(wàn)kW

4 中國(guó)能源碳中和路徑方案及實(shí)施中的幾個(gè)關(guān)鍵問題

4.1 減排速度和節(jié)奏問題

實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，要在兼顧減排與發(fā)展、考慮行業(yè)轉(zhuǎn)型實(shí)際的基礎(chǔ)上，控制減排的速度與節(jié)奏。綜合來看，考慮到近期碳達(dá)峰與遠(yuǎn)期碳中和雙重目標(biāo)約束，既不能搞冒進(jìn)式、運(yùn)動(dòng)式減碳，也不能把減排速度放得太慢，一定要把握好減排關(guān)鍵窗口期，為后期發(fā)展?fàn)幦≈鲃?dòng)。未來中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展還需要一定的碳排放空間和低碳轉(zhuǎn)型時(shí)間，近期內(nèi)難以快速轉(zhuǎn)向下降趨勢(shì)，因此2030年前應(yīng)爭(zhēng)取盡早達(dá)峰，達(dá)峰后進(jìn)入穩(wěn)中有降的階段。考慮到遠(yuǎn)期碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，2035年后應(yīng)進(jìn)入快速減排階段。

多種因素都將對(duì)減排速度與節(jié)奏產(chǎn)生影響，當(dāng)前研究主要關(guān)注達(dá)峰時(shí)間早晚、達(dá)峰峰值高低以及達(dá)峰后減排速度快慢，因此本文對(duì)不同達(dá)峰峰值、達(dá)峰時(shí)間和減排速度的多條路徑進(jìn)行了比較分析，以期從全社會(huì)減排成本（指在未來排放逐漸減少的前提下模型計(jì)算得到的系統(tǒng)總成本）和效益的角度厘清不同減排路徑的區(qū)別，降低未來路徑選擇的不確定性與風(fēng)險(xiǎn)。

（1）達(dá)峰峰值。煤電裝機(jī)峰值將對(duì)碳排放峰值產(chǎn)生直接影響[24]。煤電裝機(jī)峰值控制在12億kW與14億kW兩條碳中和實(shí)現(xiàn)路徑的對(duì)比如圖8所示。隨著煤電定位從基荷電源向調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)變，煤電裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)將有所下降。假設(shè)碳達(dá)峰前煤電裝機(jī)利用 小 時(shí) 數(shù)介于 3 500 ～4 500 h 之間，煤電排放因子不變。結(jié)果表明，煤電裝機(jī)峰值增加2億kW，將導(dǎo)致碳排放峰值增加6.0億～7.6億t，2020—2100年累積碳排放增長(zhǎng)6.6%～7.0%，需利用碳移除技術(shù)額外減排138億～146億t二氧化碳，減排成本增加3.6萬(wàn)億～3.8萬(wàn)億元。因此煤電達(dá)峰峰值越低，越有利于全社會(huì)以更低成本實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。

圖8 煤電裝機(jī)規(guī)模對(duì)能源活動(dòng)碳排放路徑影響Fig. 8 Influence of installed capacities of coal power on carbon emission pathways of energy activities

（2）達(dá)峰時(shí)間。碳達(dá)峰時(shí)間與碳中和實(shí)現(xiàn)難度密切相關(guān)。達(dá)峰時(shí)間滯后或?qū)⒃黾雍笃跍p排壓力，乃至增加減排成本。2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的路徑和相對(duì)于2030年滯后2～4年達(dá)峰的路徑對(duì)比如圖9所示。結(jié)果表明，如果2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，碳排放年均減排速率為10%，達(dá)峰后年均二氧化碳減排量約為4.1億t/年；如果滯后2～4年達(dá)峰，則達(dá)峰后的碳排放年均減排速率需要上升至11.5%～13.0%，年均二氧化碳減排量增長(zhǎng)至5.0億～5.7億t/年，2020—2100年累積碳排放增加10%～16%，減排成本增加5萬(wàn)億～8萬(wàn)億元。

圖9 盡早達(dá)峰與滯后達(dá)峰對(duì)能源活動(dòng)碳排放路徑影響Fig. 9 Influence of carbon peaking time on carbon emission pathways of energy activities

（3）減排節(jié)奏?？焖贉p排階段的減排速度同樣會(huì)影響減排成本。加速減排路徑與勻速減排路徑的對(duì)比如圖10所示。由圖10可以看出：加速減排路徑下，2035—2050年碳減排年均速率為10%，2050年全社會(huì)二氧化碳排放降至13.8億t；而勻速減排路徑下，2050年后全社會(huì)二氧化碳排放仍將超過30億t/年，2018—2100年累積碳排放增加425億t二氧化碳，額外增加減排成本超過10萬(wàn)億元。

圖10 快速減排與線性勻速減排路徑對(duì)比Fig. 10 Comparison between rapid mitigation pathway and linear uniform mitigation pathway

4.2 電力系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)問題

新型電力系統(tǒng)具有“雙高雙峰”（高比例新能源發(fā)電、高度電力電子化，夏季用電高峰、冬季用電高峰）的運(yùn)行特征，根據(jù)國(guó)際能源署研究報(bào)告，當(dāng)新能源發(fā)電量占比超過40%，新能源對(duì)電力供應(yīng)的影響將成為電力系統(tǒng)面臨的最主要問題[25]。新能源為主體的電力系統(tǒng)供需雙側(cè)均面臨更大不確定性，在電力系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)上面臨更大挑戰(zhàn)。一是日內(nèi)調(diào)節(jié)困難大，新能源“大裝機(jī)、小電量”特性導(dǎo)致新能源小發(fā)時(shí)供應(yīng)不足、大發(fā)時(shí)消納困難，其出力的隨機(jī)波動(dòng)性需要可控電源的深度調(diào)節(jié)能力予以抵消。二是季節(jié)性調(diào)節(jié)需求大，新能源發(fā)電與用電存在季節(jié)性不匹配，夏、冬季用電雙峰時(shí)新能源出力低，而春、秋季新能源大發(fā)時(shí)用電水平低。三是供需平衡調(diào)節(jié)難度大，消費(fèi)側(cè)分布式電源與可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源增加，終端用戶源-荷角色轉(zhuǎn)換隨機(jī)性變大，給供需平衡帶來新挑戰(zhàn)。解決電力平衡問題，需要以多元化思維合理挖掘調(diào)節(jié)資源潛力，以系統(tǒng)化思維統(tǒng)籌安排調(diào)節(jié)資源時(shí)序布局，并發(fā)揮綠氫的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能作用，使電力平衡模式由“源隨荷動(dòng)”向源網(wǎng)荷儲(chǔ)多元協(xié)調(diào)的更大時(shí)空尺度上的平衡轉(zhuǎn)變。

（1）多元化的調(diào)節(jié)資源。在電源側(cè)，積極開發(fā)建設(shè)水電龍頭電站，推進(jìn)梯級(jí)水電優(yōu)化運(yùn)行，加快抽蓄開發(fā)和水電抽蓄改造，加快推進(jìn)煤電靈活性改造，積極推動(dòng)氣電和燃?xì)浒l(fā)電發(fā)展。煤電作為基礎(chǔ)平衡調(diào)節(jié)電源，在一段時(shí)間以內(nèi)，依然是保障中國(guó)能源安全和電力供應(yīng)的“壓艙石”。隨著新能源快速發(fā)展，煤電將逐步科學(xué)退出，但轉(zhuǎn)型要堅(jiān)持“先立后破”。煤電定位將從主體電源逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橥械妆９╇娫春挽`活性調(diào)節(jié)電源。在電網(wǎng)側(cè)，通過加強(qiáng)電網(wǎng)互聯(lián)，發(fā)揮資源互補(bǔ)、負(fù)荷錯(cuò)峰等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提升網(wǎng)間支撐能力。在需求側(cè)，將需求側(cè)響應(yīng)資源統(tǒng)籌納入電力調(diào)度運(yùn)行，如V2 G、電化學(xué)儲(chǔ)能、電制氫、虛擬電廠等，提高系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)能力。在儲(chǔ)能側(cè)，構(gòu)建超短時(shí)（超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能）、小時(shí)級(jí)（抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能）、長(zhǎng)期（壓縮空氣、氫能）多時(shí)間尺度儲(chǔ)能體系。

（2）統(tǒng)籌調(diào)節(jié)資源的建設(shè)時(shí)序和布局。結(jié)合各階段各類儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，采用電力系統(tǒng)全年8760 h逐小時(shí)精細(xì)化生產(chǎn)模擬方法，提出中國(guó)電力系統(tǒng)平衡資源布局建議。近中期，系統(tǒng)平衡資源主要來自電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)。到2030年，中國(guó)將建成調(diào)峰電源共4.4億kW，包括抽水蓄能1.2億kW、電化學(xué)儲(chǔ)能1.3億kW和燃?xì)獍l(fā)電1.9億kW，綜合采用需求側(cè)響應(yīng)、電網(wǎng)互聯(lián)等措施，提升系統(tǒng)平衡能力。遠(yuǎn)期，電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、需求側(cè)、儲(chǔ)能側(cè)協(xié)同發(fā)力。到2050年，通過擴(kuò)大電網(wǎng)互聯(lián)，充分調(diào)動(dòng)需求側(cè)響應(yīng)資源，建設(shè)抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能等，系統(tǒng)源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各環(huán)節(jié)平衡資源規(guī)模將達(dá)到35億kW，進(jìn)一步提升系統(tǒng)安全調(diào)節(jié)能力，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。屆時(shí)中國(guó)的系統(tǒng)平衡資源裝機(jī)結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 2050年中國(guó)系統(tǒng)平衡資源裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig. 11 Installed generator structure of system balancing resources in 2050

（3）發(fā)揮綠氫等電制燃料的長(zhǎng)期儲(chǔ)能作用?？稍偕娏χ苽涞木G氫具有大規(guī)模儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)，能夠解決跨季節(jié)的長(zhǎng)周期儲(chǔ)能問題。當(dāng)電力系統(tǒng)中存在過剩電力或電力成本較低時(shí)，通過電解水制氫，能夠有效解決新能源大發(fā)時(shí)的消納問題。制備的綠氫作為儲(chǔ)能手段，可以進(jìn)一步通過燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒發(fā)電，或通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能，在長(zhǎng)時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)電能的優(yōu)化配置，滿足實(shí)時(shí)平衡要求。目前，受設(shè)備造價(jià)、儲(chǔ)氫方式、設(shè)備利用率等因素制約，綠氫儲(chǔ)能系統(tǒng)成本為1萬(wàn)～1.5萬(wàn)元/kW；隨著系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率提高、設(shè)計(jì)制造工藝進(jìn)步等，預(yù)計(jì)2030年綠氫儲(chǔ)能成本將降至0.7萬(wàn)～1萬(wàn)元/kW；2050—2060年，系統(tǒng)成本進(jìn)一步下降至 6 000～8 500 元/kW[26]。預(yù)計(jì)到 2050 年，終端氫能用量將達(dá)到5 000萬(wàn)t，在終端能源體系中占比7%～8%，其中800萬(wàn)t氫用于提供季節(jié)性儲(chǔ)能和靈活性調(diào)節(jié)。到2060年，終端用氫達(dá)到6 000萬(wàn)t，且100%為綠氫，電力系統(tǒng)儲(chǔ)能用氫達(dá)到1 500 萬(wàn) t，如圖 12 所示。

圖12 不同領(lǐng)域氫能消費(fèi)量預(yù)測(cè)Fig. 12 Hydrogen energy consumption forecast in different sectors

4.3 轉(zhuǎn)型成本和疏導(dǎo)問題

從傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向新型電力系統(tǒng)過渡，需要付出一定的轉(zhuǎn)型成本，主要體現(xiàn)在綜合用電成本的上升。為解決這一問題，需要統(tǒng)籌設(shè)計(jì)市場(chǎng)機(jī)制與政策體系，合理疏導(dǎo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型成本，才能推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

綜合用電成本將呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)。綜合用電成本包括發(fā)電成本、輸配電成本和系統(tǒng)靈活性成本。其中靈活性成本包括電化學(xué)儲(chǔ)能、抽水蓄能和燃?xì)浒l(fā)電成本，燃?xì)獍l(fā)電等靈活性資源成本計(jì)入發(fā)電成本。隨著技術(shù)發(fā)展，雖然新能源發(fā)電成本持續(xù)穩(wěn)步下降，但新能源消納帶來的輸配電成本與系統(tǒng)靈活性成本將會(huì)大幅增加。短期，綜合用電成本將明顯增加；中長(zhǎng)期，各類投資和成本會(huì)逐步下降，綜合用電成本也將逐步下降。根據(jù)對(duì)電力系統(tǒng)投資成本的量化分析得到，從2020年到2060年，發(fā)電成本降幅逐步擴(kuò)大，風(fēng)電和光伏的造價(jià)分別下降50%和70%。保障高比例新能源消納的系統(tǒng)投資上升，其中系統(tǒng)靈活性成本隨新能源滲透率提升快速增長(zhǎng)，占系統(tǒng)總投資比例增加15%～20%；輸配電成本隨電網(wǎng)投資持續(xù)增加，總體平穩(wěn)增長(zhǎng)，電網(wǎng)安全性投資增加15%～20%，電網(wǎng)接入及補(bǔ)強(qiáng)投資增加20%～30%。目前全國(guó)綜合用電成本約0.58元/kW·h，到2030年，綜合用電成本將增加15%以上。碳達(dá)峰后，新能源發(fā)電占比加速增長(zhǎng)，發(fā)電側(cè)的結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)型將扭轉(zhuǎn)綜合用電成本的上升趨勢(shì)，2018—2060年，電源、電網(wǎng)、靈活性資源及綜合用電成本趨勢(shì)如圖13所示。

圖13 2018—2060年電源、電網(wǎng)、靈活性資源及綜合用電成本趨勢(shì)Fig. 13 Trends of power source, grid, flexible resources,and comprehensive electricity cost from 2018 to 2060

電力成本疏導(dǎo)需要發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制的決定性作用，并建立健全能源電力綠色轉(zhuǎn)型政策體系。一是健全多層次統(tǒng)一電力市場(chǎng)體系。加快建設(shè)國(guó)家電力市場(chǎng)，引導(dǎo)全國(guó)、省（區(qū)、市）、區(qū)域各層次電力市場(chǎng)協(xié)同運(yùn)行、融合發(fā)展，規(guī)范統(tǒng)一的交易規(guī)則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)形成多元競(jìng)爭(zhēng)的電力市場(chǎng)格局。二是豐富市場(chǎng)交易品種與交易主體，建立多元化交易品種，推進(jìn)調(diào)峰與電能市場(chǎng)融合，健全調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)品種。積極推動(dòng)新能源、核電、未參與深度調(diào)峰的電廠分擔(dān)深度調(diào)峰等輔助服務(wù)費(fèi)用，合理疏導(dǎo)電廠調(diào)峰成本。探索建立容量市場(chǎng)機(jī)制，激勵(lì)保供電源、抽水蓄能電站建設(shè)、保障電源投資成本回收，從而有效平衡保供電要求高與設(shè)備利用率低的矛盾。三是完善碳排放市場(chǎng)，將電能價(jià)格與碳排放成本有機(jī)結(jié)合，提升清潔能源的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。四是做好政策體系頂層設(shè)計(jì)。制定促進(jìn)煤電等傳統(tǒng)能源有序減少和清潔利用的政策，盡快出臺(tái)支撐新能源快速發(fā)展和可靠消納的政策機(jī)制等。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)碳中和是一個(gè)宏偉遠(yuǎn)大的戰(zhàn)略目標(biāo)，也是一項(xiàng)涉及經(jīng)濟(jì)社會(huì)方方面面的復(fù)雜系統(tǒng)工程。能源系統(tǒng)減碳脫碳是其中的重中之重，是其他行業(yè)脫碳的基礎(chǔ)。根本途徑是加快建設(shè)中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，加快兩個(gè)替代進(jìn)程，協(xié)調(diào)處理好清潔能源發(fā)展與化石能源減退的關(guān)系，并通過回歸和轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)二氧化碳的資源化利用和原材料的可持續(xù)供應(yīng)。電-氫-碳協(xié)同支撐帶動(dòng)全社會(huì)各行業(yè)的清潔化低碳化發(fā)展。面向未來還需要進(jìn)一步研究化石能源退出與清潔能源發(fā)展的協(xié)同演進(jìn)路徑、氫能網(wǎng)絡(luò)與電力網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同優(yōu)化、能源氣象和極端天氣新能源發(fā)電預(yù)警融合等問題。