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(xí)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(xiàn)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(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。這是繼“2030年碳達(dá)峰”中期目標(biāo)后，我國提出的首個遠(yuǎn)期碳減排承諾，對于堅(jiān)定國內(nèi)低碳轉(zhuǎn)型決心、強(qiáng)化全球氣候治理信心有積極作用。

　　2060年碳中和目標(biāo)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(xué)評估，要實(shí)現(xiàn)2℃目標(biāo)全球二氧化碳中和的時間在2070年左右，實(shí)現(xiàn)1.5℃目標(biāo)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(jì)70年代碳排放達(dá)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(shí)現(xiàn)該宏偉目標(biāo)，意味著我國低碳轉(zhuǎn)型力度將遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)甚至負(fù)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(zhǔn)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(jì)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(xiàn)率為37%，非化石能源發(fā)展貢獻(xiàn)率為61%，表明非化石能源成為推動碳減排的主力。從長遠(yuǎn)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(dǎo)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(biāo)內(nèi)涵、邊界條件及實(shí)現(xiàn)路徑

　　我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和長期以來的經(jīng)濟(jì)增長結(jié)構(gòu)使得能源密集型重工業(yè)依然占據(jù)相當(dāng)大的增加值比重，而資源稟賦決定了我國煤炭主導(dǎo)的能源結(jié)構(gòu)。在過去的二十年里，我國高能源強(qiáng)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(biāo)，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(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)全鏈?zhǔn)睫D(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(shí)現(xiàn)：電力部門深度脫碳甚至負(fù)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(jìn)程，二者共同決定了能源供應(yīng)保證社會經(jīng)濟(jì)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(jì)增長為代價，但可以通過減少能源需求來實(shí)現(xiàn)。我國已達(dá)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(biāo)、“兩個一百年”目標(biāo)前進(jìn)。若繼續(xù)保持當(dāng)前的能源強(qiáng)度(即單位GDP產(chǎn)值的能源消耗量)3.3噸標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于650億千瓦風(fēng)電裝機(jī)的年發(fā)電量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出資源環(huán)境承載力;若2060年我國能源效率達(dá)到同階段OECD國家平均水平1.4噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬美元，即能源強(qiáng)度降低58%，屆時能源需求總量將達(dá)到100億噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右，同樣會對資源環(huán)境造成巨大壓力;若能源強(qiáng)度降低83%，2060年我國能源需求量可保持在與當(dāng)前相當(dāng)?shù)?6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右。因此，2060年我國能源效率要有巨大提升，甚至遠(yuǎn)超同階段發(fā)達(dá)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(shù)進(jìn)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(jìn)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(fèi)總量的63%(見圖2)、終端電氣化率達(dá)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(fèi)，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(jì)結(jié)構(gòu)向高科技制造業(yè)和服務(wù)業(yè)主導(dǎo)大幅調(diào)整，工業(yè)、運(yùn)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(yīng)和終端用能環(huán)節(jié)能量損耗均減少，假設(shè)2060年中國終端用能占一次能源供應(yīng)量的比重較2018年增加6個百分點(diǎn)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(biāo)煤的情況下，終端能源消費(fèi)量約為32億噸標(biāo)煤，人均終端用能約為2.3噸標(biāo)煤/人(與2018年水平相當(dāng))。

　　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(fēng)、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(yù)計(jì)將占能源消費(fèi)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(biāo)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(yùn)、遠(yuǎn)洋航運(yùn)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(shí)現(xiàn)完全脫碳，意味著仍會有一定數(shù)量的與能源相關(guān)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(shù)碳匯(碳捕獲與儲存技術(shù)，CCS)。2016年我國森林碳匯達(dá)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(shí)現(xiàn)翻倍增長。預(yù)計(jì)2060年我國能源相關(guān)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(shí)現(xiàn)碳中和，還需發(fā)展技術(shù)碳匯。

　　電力部門負(fù)排放是成本最低、可行性最佳的大規(guī)模創(chuàng)造技術(shù)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(jì)開發(fā)潛力巨大，水電約5億千瓦、風(fēng)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(fèi)總量46億噸標(biāo)煤以內(nèi)、終端用電量18萬億千瓦時(當(dāng)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(jī)容量達(dá)到經(jīng)濟(jì)可開發(fā)上限，風(fēng)電和太陽能光伏要分別達(dá)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(yīng)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(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)負(fù)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(yùn)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(xué)品和建筑材料等，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)排放。有研究統(tǒng)計(jì)，2015年，我國常規(guī)生物質(zhì)資源潛力為4.11億噸標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)煤。假定2060年我國生物質(zhì)資源利用總量增加到10億噸標(biāo)準(zhǔn)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(yù)計(jì)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(shù)碳匯的共同作用有望實(shí)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(biāo)對我國電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型提出了極高的要求。“遠(yuǎn)期負(fù)排放、中期快速下降、近期盡快達(dá)峰”，是逐步實(shí)現(xiàn)電力深度脫碳的倒序路線圖(見圖5)。

　　從遠(yuǎn)期來看，煤電需完全退出，水電與核電達(dá)到可經(jīng)濟(jì)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(dá)到一定規(guī)模，先進(jìn)信息技術(shù)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(xué)等新型儲能設(shè)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(dá)峰，新能源實(shí)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(jī)制。因此，為實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)深度減排與負(fù)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(fù)碳電力系統(tǒng)。

　　電力深度脫碳的倒序路線圖，更準(zhǔn)確地來說，是煤電發(fā)展的倒序路線圖?？紤]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(jī)組設(shè)計(jì)運(yùn)行壽命30-40年計(jì)算，我國煤電應(yīng)在2020-2025年間達(dá)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(xiàng)工作，落后淘汰和正常退役煤電機(jī)組讓渡發(fā)電空間，高效清潔機(jī)組提升利用率，靈活改造機(jī)組配合新能源消納，備用調(diào)峰機(jī)組補(bǔ)足用電負(fù)荷缺口，維持電力安全。總的來講，碳中和目標(biāo)下我國煤電要“近期控規(guī)模、中期調(diào)功能、遠(yuǎn)期退清零”。

　　煤電達(dá)峰與退出路徑分析

　　我國煤電仍處于規(guī)模擴(kuò)張階段，2020年1-7月份，全國基建新增煤電裝機(jī)1905萬千瓦;截至2020年7月底，全國煤電裝機(jī)容量達(dá)到10.6億千瓦(6000千瓦及以上機(jī)組)，同比增長3.6%;處于計(jì)劃狀態(tài)(在建、緩建、停建、封存、核準(zhǔn)、核準(zhǔn)前開發(fā)和宣布)的煤電機(jī)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(fēng)險，嚴(yán)重拖慢碳中和實(shí)現(xiàn)進(jìn)程。通過對2025年各區(qū)域電網(wǎng)最大用電負(fù)荷、用電量和電源增長情景進(jìn)行預(yù)測，估算到2025年我國煤電合理規(guī)模應(yīng)在10.2-11億千瓦范圍內(nèi);在溫控目標(biāo)基準(zhǔn)情景碳排放預(yù)算約束下，我國煤電碳排放量要在2025年達(dá)到峰值45億噸，對應(yīng)的煤電裝機(jī)規(guī)模約為11億千瓦。因此，碳中和目標(biāo)約束和電力需求增長情景下，我國煤電應(yīng)在2025年達(dá)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(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：一是2025年煤電裝機(jī)規(guī)?？刂圃?1億千瓦以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)煤電裝機(jī)容量和發(fā)電量均在2025年達(dá)峰，2025-2030年期間煤電規(guī)模不再增長，之后煤電機(jī)組逐漸退出;二是2025年前全部機(jī)組實(shí)現(xiàn)超低排放和節(jié)能改造，不達(dá)標(biāo)機(jī)組完全退出;三是計(jì)劃機(jī)組采取“上大壓小”等量/減量替代、分批有序建設(shè)的方式，實(shí)現(xiàn)規(guī)模管控和機(jī)組更替，過剩風(fēng)險嚴(yán)重地區(qū)要取消部分計(jì)劃項(xiàng)目;四是西部地區(qū)承接大多數(shù)的煤電增量項(xiàng)目落地，2025年后東部地區(qū)不再建設(shè)任何煤電機(jī)組，2030年后中部地區(qū)不再建設(shè)煤電機(jī)組;五是2025年煤電機(jī)組平均供電煤耗降至300克標(biāo)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(qiáng)度降至450克/千瓦時左右，電力碳排放達(dá)峰;七是進(jìn)一步完善現(xiàn)貨電能量市場和輔助服務(wù)市場機(jī)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(jī)規(guī)模、發(fā)電量和碳排放均在2025年達(dá)峰后，在經(jīng)歷了2025-2030年的短暫平臺后，2030-2060年間退出進(jìn)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(jī)組結(jié)構(gòu);三是2030年后煤電裝機(jī)開始有序退出，同時電化學(xué)儲能設(shè)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(jī)組部署CCS裝置，并且電化學(xué)儲能大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用;五是2050年煤電規(guī)模降至3億千瓦左右，約半數(shù)機(jī)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模負(fù)排放。

　　綜上，2060年我國碳中和目標(biāo)的實(shí)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(fù)碳技術(shù)。其中，大力推廣節(jié)能是實(shí)現(xiàn)低碳減排最為經(jīng)濟(jì)可行的方式;以非化石能源為主的能源系統(tǒng)要自主實(shí)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(shù)可行性最高、最容易脫碳的部門，電力系統(tǒng)2050年應(yīng)實(shí)現(xiàn)零排放，2060年實(shí)現(xiàn)負(fù)排放。

　　我國實(shí)現(xiàn)碳中和將是一個長期而艱難的過程，需捋順長遠(yuǎn)目標(biāo)與近期發(fā)展的內(nèi)在強(qiáng)關(guān)聯(lián)——以長遠(yuǎn)目標(biāo)為發(fā)展導(dǎo)向制定近期發(fā)展策略，近期發(fā)展為長遠(yuǎn)目標(biāo)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(yù)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(shè)施往往具有長周期性，如燃煤電廠壽命期可達(dá)30-40年，繼續(xù)大規(guī)模開發(fā)建設(shè)將延長我國高碳發(fā)展路徑，加重碳中和目標(biāo)負(fù)擔(dān);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(shù)領(lǐng)先和規(guī)模化生產(chǎn)的優(yōu)勢，對促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟(jì)社會綠色發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)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(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院