我国电力碳达峰、碳中和路径研究.docx

一、前言进入21世纪以来，与全球气候变化密切相关的极端天气、自然灾害频发，世界各国纷纷制定碳中性、碳中和气候目标，加速能源清洁低碳转型、积极应对气候变化成为全球共同性议题。我国积极宣示并推动碳达峰、碳中和目标的实施,既是践行人类命运共同体的重大实践，也体现了推动世界绿色低碳转型的决心与担当。在我国，能源活动是CO?的主要排放源，相应排放量约占全社会CO2排放量的87%、全部温室气体排放量的73%；其中电力部门是重要的碳排放部门（约占能源碳排放的40%）,相应排放量约为4x1（?t。未来，通过电能替代煤炭、石油、天然气等化石能源的直接使用，提高终端能源消费的电气化水平，可显著减少终端用能部门的直接碳排放。电力是能源转型的中心环节、碳减排的关键领域,电力部门将承担更大的减排责任，应加快构建以新能源为主体的新型电力系统,推动能源电力低碳转型发展，为实现我国碳中和目标作出重要贡献。能源电力低碳转型对于实现碳达峰、碳中和目标至关重要。目前国内外研究机构在世界能源低碳转型路径研究方面取得了丰富成果，如国际能源署（IEA）、国际可再生能源署（IRENA）等机构按年度发布世界能源发展展望报告，开发了一批综合能源经济模型（代表性的有MARKE1.-MACRo模型、TlMES模型、C-REM模型），为碳中和目标下全社会、各行业脱碳转型路径研究提供了方向引导与工具支撑；国内高校、科研院所通过设置政策情景、强化减排情景、2和1.5情景等假设，对碳达峰、碳中和目标下我国能源电力转型路径开展了多情景分析并获得诸多研究成果。需要注意到，相较主要发达国家在自然达峰后的漫长减排路径，我国的碳排放峰值、平台期、转型路径将完全不同，电力低碳转型必然面临包括规划、政策、技术、产业、经济性在内的全方位挑战。统筹协调电力行业与全社会其他行业的减排责任和进程，考虑新型储能、CCUS（碳捕集、利用与封存）、氢能等关键新技术对电力低碳转型路径的影响,合理确定煤电发展定位、科学发展利用新能源、破解电力平衡挑战等重大问题，都可归纳为在多重不确定的内外部环境下多目标权衡与统筹优化事件，需要兼顾安全、经济、清洁等多个方向开展系统深入的研究。针对于此，本文以我国电力行业未来承担的碳减排实物量为主约束，根据经济发展、能源电力需求、资源环境等关键边界条件，合理计及约束差异，构建深度低碳、零碳、负碳3类电力低碳转型情景;对比分析不同情景下电源结构布局、电力碳减排、电力供应成本等优化结果，辨识路径实施亟待解决的关键问题，以期为碳达峰、碳中和目标下电力转型及中长期发展研究提供基础参考。二、碳达峰、碳中和目标下电力转型路径的多情景分析方法（一）研究模型与方法本文采用定量和定性相结合的方式开展具体研究。评估电力系统碳预算。以碳达峰、碳中和目标实现为约束，从经济社会发展的全局出发，综合考虑国际碳减排现状、不同行业发展趋势和碳减排难度，研判20202060年我国电力碳排放总预算。设置转型情景和关键边界条件。考虑电力系统碳减排责任、关键举措实施力度的差异性，结合国民经济增长、能源电力需求、宏观政策目标、能源资源潜力、技术经济性等关键边界条件及其参数，设计电力系统深度低碳、零碳、负碳3类转型发展情景。电力碳减排转型路径优化（见图1）o针对设计的3类发展情景，采用碳达峰、碳中和电力规划软件包GESP-V来优化获得电源结构转型路径、电力系统碳减排路径、电力供应成本等。GESP-V由国网能源研究院有限公司自主开发，以包含新能源在内的多区域电力规划模型为核心，可反映电力电量平衡、碳排放约束、碳捕集改造、电制氢等减碳与新能源利用等关键技术的影响；集成电源规划、生产模拟、政策分析等系统工具，可针对各类情景下的能源电力发展路径、电源发展规模布局、电力流向规模、传统电源CCUS改造后的捕集规模、电力碳减排路径等开展优化分析。关键问题分析与应对策略建议（见图2）o基于各发展情景下路径优化结果的对比，探讨煤电发展定位、新能源发展利用、清洁能源多元化供应、电力平衡等关键问题，研究提出低碳转型所需的技术、经济、产业、政策等建议。输入现状和规划系线现Ml混合型数优化(MlP)目标画Bt:规肿B内电力供应总成本低发电和输电联合优生B1展和生产模楸壁合优化输出电力发展情*电与规模和布局片区摘电规划电力3m本抵此的用力器黑器.号宇IS''馈鬻电加波Jr*k仪上一1.EJV<AWAiy»l"VIIIIII投责成本蝴成本环填成本运行成本(XUS改造成本由成本图1碳达峰、碳中和目标卜.电力发展路径优化模型注：UHVDC表示特高压直流输电；UHVAC表示特高压交流输电。碳预算评估：2C阻升三"fi'关键边界条件研究工具关健约束发展情景优化关键问题和政策建议双碳目标约束Ysrjw-'图2碳达峰、碳中和目标卜.电力低碳转型研究思路(二)电力碳预算碳预算指在特定时期中将全球地表温度控制在给定范围内所对应的累积C02排放量上限。研究表明，全球最大温升与累积C02排放量约为线性比例关系,CCR指数可以衡量这种近似线性关系。AT=CCRXET式中，AT是一段时间内的全球温升，S为这段时间内累积的CO2排放量。CCR指数值通常为1.02.1°C/(IO121C02)O联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)测算，全球温升控制在2以内的剩余碳预算为1.2×10-1.5×10-tCO2,全球温升控制在1.5。C以内的剩余碳预算为4.2xlO5.8XIontC。2。为了实现国际间全球碳预算的合理分配，各国研究机构积极探索碳排放限额分配方法，虽然尚未形成统一的碳排放权分配方案，但基本形成以人均碳排放、累计人均碳排放为基础的两类典型分配思路。在我国，为了将全国碳预算分解至各行业，还需考虑全社会各行业的碳排放现状、碳减排难度、碳减排潜力、技术经济性差异。本研究基于全球剩余碳预算，综合考虑国际间碳排放方案、国内行业间碳排放现状及减排能力差异，预测20202060年我国电力系统碳排放预算为7.8l0S1.3xlOHCO20(三)发展情景与关键边界条件以2060年为目标年，考虑电力系统不同的碳减排责任、减排关键举措的不同实施力度，设计了电力系统深度低碳、零碳、负碳3类转型发展情景(见表1),剖析实现碳中和不同路径下存在的重要问题，推演各种发展路径的可行性及面临挑战。表1电力低碳转型的主要情景情景名称情景共同点情景差异性情景一深度低碳需求侧节能增效、控制能源消费总量；供给例大力发展非化石能源，终端能效水平稳步提升，非化石能源比重日益提高，电力系统“温网荷储”协调发屣；2060年仍保留定量火电机组和电力系统排放配额，电力碳排放盘不超过"10”co?情景二零碳实现新能源跨越式发展；构建多元化清洁能源供应体系进一步加快供给侧非化石能源发展速度，扩大绿氨规模、加快煤电CCUS改造；将产生的CO?与绿氢结合制取甲烷、甲醇等化I.原料，实现电力系统零碳发展和碳循环经济情景三负碳在零碳发展的基础上大力推动生物质掺烧和生物质碳捕集技术（CBEC-CS/BECCS）等负碳技术进步，2050年实现碳中和；2060年电力系统COj净持放量Yx】O't以内1 .电力需求预测结果综合考虑经济增长、产业结构调整、节能节电、电能替代、电制氢等影响因素,未来我国电力需求的增长空间还很大（见图3）：2030年全社会用电量约为1.18×1013kwh,2040-2045年电力需求增长趋于饱和（年均增速低于1%）,2060年全社会用电量约为1.57xl0i3kwh;远期可再生能源制氢电量占比持续提升,2060年约为1.7l0i2kwh.O202020252030203520402045205020558642÷M5hlo7)wtf三%s三v三全社会用电量；制氧电量；用电量年增速图320202060年全社会用电量预测结果2 .其他关键边界条件电力低碳转型路径优化除了受电力需求影响以外，还受到经济发展目标、能源需求、非化石能源结构占比、非化石能源开发潜力及目标、碳减排关键目标、电力碳预算等关键边界条件约束（见表2）o表2电力低碳转型优化的其他关键边界条件边界条件名称边界条件表述经济发展2035年国民生产总值（GDP）较2020年翻一街，“十四五，20262035年、20362050年、205120«。年期间的GDP年均增速分别约为60%、44%、33%、2.7%能源消费总量一次能源消费在2030年前后达峰，峰值控制在6l0Ote能源结构2030年非化石能源消费占一次能源消费比重达到25%破减排目标2030年前碳It放达峰，2060年碳中和；2030年单位GDP的CO?排放量相比2005年下降65%以上善化石能源开发潜力及目标常规水电、核电技术可开发量约为6xl'kW,4X10'5x】0kW：2030年新能源装机规模在I2l'kW以上2020-2060年电力碳算深度低碳情景为1.3xl"tCO,2060年电力碳措放在lxIOtCO2以下；零碳恬景为IxlOCO”20年电力碳排放为零；负碳情景为7.8x10%CO”2060年电力碳排放在YXIoltCO?以内三、电力系统低碳转型路径针对碳达峰、碳中和目标下电力系统低碳转型的路径优化问题，本研究以2020-2060年电力供应成本最低为优化目标，以各类电源装机、发电量、CCUS改造规模等为优化变量，兼顾电力电量平衡、碳预算、可再生能源发电资源等约束条件，建立了电力系统多情景优化规划模型，优化得到不同情景下电力系统碳减排路径、电力供应成本变化情况。（一）电源结构转型路径电源转型路径整体呈现出了电源结构不断清洁化发展的态势，非化石能源装机和发电量占比稳步提升，逐步演变为以新能源为主体的新型电力系统。对于零碳情景，在电源装机结构方面（见图4）,2030年电力系统总装机达到4xl（）9kw,非化石能源装机占比从2020年的46%提高至64%；2060年总装机达到7.1×109kW,非化石能源装机占比提升至89%；在发电量结构方面（见图5）,2030年电力系统总发电量达到1.18×1013kWh,非化石能源发电量占比从2020年的36%提升至51%；2060年电力系统总发电量达到1.57l0i3kwh,非化石能源发电量占比提升至92%,煤电电量占比降至4%。对于深度低碳、负碳情景，2060年非化石能源装机占比分别为85%、92%,2060年非化石能源发电量占比分别为88%、94%。20202025203020352040204520502055200时间隼燃电；/电；核电；生物糜发电；常规水电；风电；太阳能发电；新电命能；抽水侪能S070605040302010(MX)/*的正品*>图4零碳情景F2020-2060年电源装机结构O202020252030203520402045205020552060时间年修电；气电；，核电；生物质发电；常规水电；风电；太阳能发电642086IlllaMXn三÷密兴图5零碳情景F2020-2060年发电量结构（二）电力系统碳减排路径电力碳减排路径主要分为碳达峰、深度低碳、碳中和3个阶段