“雙碳”目標(biāo)下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展前景和關(guān)鍵技術(shù)

——“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃解讀之二

周孝信

在一系列國家戰(zhàn)略規(guī)劃指導(dǎo)下，我國未來能源電力系統(tǒng)的發(fā)展藍(lán)圖和關(guān)鍵技術(shù)途徑有了明確的導(dǎo)向性，即以“2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和”為戰(zhàn)略目標(biāo)，以落實(shí)“構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系、構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”為實(shí)施路徑。本文從新型電力系統(tǒng)主要特征和核心指標(biāo)出發(fā)，構(gòu)建“雙碳”目標(biāo)下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展情景，分析我國能源電力轉(zhuǎn)型實(shí)現(xiàn)路徑和關(guān)鍵技術(shù)需求，提出綜合能源生產(chǎn)單元設(shè)想，為能源轉(zhuǎn)型路徑規(guī)劃及戰(zhàn)略制定提供一定的參考。

一、新型電力系統(tǒng)主要特征和核心指標(biāo)

新型電力系統(tǒng)作為未來我國能源體系的核心組成部分，具有5個(gè)主要特征：高比例可再生能源廣泛接入、高比例電力電子裝備大規(guī)模應(yīng)用、多能互補(bǔ)綜合能源利用、數(shù)字化智能化智慧能源發(fā)展、清潔高效低碳零碳轉(zhuǎn)型。

為進(jìn)一步量化描述上述特征，體現(xiàn)新型電力系統(tǒng)在能源轉(zhuǎn)型中的重要作用，提出以下5項(xiàng)核心指標(biāo)：非化石能源在一次能源消費(fèi)中比重、非化石能源發(fā)電量在發(fā)電量中比重、電能在終端能源消費(fèi)中比重、系統(tǒng)總體能源利用效率、能源電力系統(tǒng)碳排放總量。

二、“雙碳”目標(biāo)下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展情景分析

將2021~2060年40年期，劃分為2020~2030年、2030~2050年、2050~2060年三個(gè)時(shí)間段，分別為前、中、后3個(gè)時(shí)間段，預(yù)估“雙碳”目標(biāo)下能源電力總體發(fā)展需求：一次能源消費(fèi)總量指標(biāo)方面，2020~2030年（前段），考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平的剛性增長需求，仍將保持每5年4億~5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的增長速度，至“十四五”末達(dá)到55億噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右，2030年左右達(dá)到峰值59億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，此后呈現(xiàn)下降趨勢；2030~2050年（中段），前15年間每5年下降1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，2045年降至56億噸標(biāo)準(zhǔn)煤后基本保持穩(wěn)定；2050~2060年（后段），仍具有小幅下降空間，2060年保持在55億噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右水平。

非化石能源消費(fèi)占比指標(biāo)方面，總體呈現(xiàn)前后兩段穩(wěn)定增長，中段加速增長的趨勢。2030年前（前段），考慮目前新能源發(fā)電、電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行控制、儲能等方面技術(shù)發(fā)展水平尚未取得突破性進(jìn)展，靈活調(diào)節(jié)資源和技術(shù)手段仍較為緊缺，無法全面支撐可再生能源高比例接入和大規(guī)模應(yīng)用，仍需要煤電等傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組提供重要的基礎(chǔ)保障作用，而非化石能源以一次電力為主要消費(fèi)形式，故這一時(shí)段非化石能源消費(fèi)在一次能源消費(fèi)總量中的占比應(yīng)保持相對穩(wěn)定的增長速度，避免過快增長對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定帶來的沖擊，以保證能源供應(yīng)平穩(wěn)過渡。該指標(biāo)于“十四五”末達(dá)到20%，2030年達(dá)到25%，滿足國家最新提出的目標(biāo)要求。2030~2050年（中段），非化石能源加速發(fā)展，在一次能源消費(fèi)中的占比快速提高，二十年間由25%提高至75%，力爭2050年為2060年實(shí)現(xiàn)碳中和創(chuàng)造基礎(chǔ)條件。2050~2060年（后段），仍將在較高水平基礎(chǔ)上保持一定速度的平穩(wěn)增長，2060年達(dá)到90%，為碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供重要支撐。

全社會(huì)用電總量指標(biāo)方面，綜合電氣化等因素，總體保持增長且速度呈現(xiàn)“前高后低”趨勢。在“十四五”和“十五五”期間（前段），分別以4.5%和3.5%年均增速保持穩(wěn)定增長，至2030年達(dá)到11.1萬億千瓦時(shí)的水平。2030~2050年（中段），年均增長率逐步下降，2050年全社會(huì)用電量為當(dāng)前水平的2倍，約為16萬億千瓦時(shí)。2050~2060年（后段），增速進(jìn)一步放緩，2050~2055年間年均增速僅為1%，2055年后基本保持穩(wěn)定不再增長。

基于上述能源電力發(fā)展需求，預(yù)估2020~2060年我國電力裝機(jī)及發(fā)電結(jié)構(gòu)，由此得到風(fēng)光發(fā)電量、煤電發(fā)電量、非化石能源發(fā)電量占比等關(guān)鍵參數(shù)演化趨勢。

電力裝機(jī)方面，隨著風(fēng)光等新能源發(fā)電快速發(fā)展，非化石能源發(fā)電在電力裝機(jī)總量中的占比持續(xù)提高，“十四五”末將超過50%。新能源發(fā)電裝機(jī)不斷增加，2025~2030年間，風(fēng)光裝機(jī)總量超過煤電，2030年將達(dá)到16.1億千瓦，占裝機(jī)總量41.5%；2035年達(dá)到24.3億千瓦，超過電力裝機(jī)總量的50%，成為裝機(jī)主體；2060年達(dá)到70.1億千瓦，在電力裝機(jī)總量中的占比超過85%。

發(fā)電量方面，2030~2035年間非化石能源年發(fā)電量超過50%，形成非化石能源發(fā)電為主體的電力系統(tǒng)；風(fēng)光發(fā)電量快速提升是非化石能源發(fā)電量占比提高的主要原因，2030年風(fēng)光發(fā)電量達(dá)到2.3萬億千瓦時(shí)，占總發(fā)電量20%；2035~2040年間風(fēng)光發(fā)電量開始超過煤電，之后煤電進(jìn)一步加速退役，風(fēng)光發(fā)電量在總發(fā)電量中占比加速提高，2045~2050年間超過50%，成為發(fā)電主體；2060年風(fēng)光發(fā)電量11.9萬億千瓦時(shí)，占總發(fā)電量69.2%，為構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)創(chuàng)造必要條件。

針對上述我國能源電力發(fā)展場景，初步測算能源電力系統(tǒng)年碳排放指標(biāo)，可得到以下結(jié)論：能源系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的年碳排放均可實(shí)現(xiàn)2030年前達(dá)峰，2050年和2060年，能源系統(tǒng)年碳排放分別降低為峰值的28.0%、10.5%，電力系統(tǒng)碳排放分別降低為峰值的25.4%、1.6%，為實(shí)現(xiàn)2060年前碳中和目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

三、我國能源電力轉(zhuǎn)型實(shí)現(xiàn)路徑和關(guān)鍵技術(shù)

為推動(dòng)我國能源電力轉(zhuǎn)型、落實(shí)“兩個(gè)構(gòu)建”，需考慮5個(gè)方面實(shí)現(xiàn)路徑。一是大力開發(fā)利用可再生能源，發(fā)展核能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿确腔茉淳C合利用，在電力系統(tǒng)中形成以非化石能源為主的電源結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵；二是積極推動(dòng)煤電靈活性改造，為高比例可再生能源電力系統(tǒng)運(yùn)行提供緊急備用和靈活調(diào)節(jié)能力，探索煤電碳資源綜合利用，助力煤電實(shí)現(xiàn)低碳無碳轉(zhuǎn)型；三是持續(xù)推進(jìn)終端用能的電氣化，實(shí)現(xiàn)以電為中心的多能互補(bǔ)用能結(jié)構(gòu)，大幅提高電能在終端能源消費(fèi)中比重，提高能源綜合利用效率；四是加強(qiáng)電力電子和儲能等關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型，推動(dòng)新一代輸配電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，促進(jìn)高比例可再生能源電力消納，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；五是完善能源轉(zhuǎn)型各項(xiàng)政策，堅(jiān)持市場化改革方向，加快完善推動(dòng)綠色電力、碳交易市場建設(shè)，助力國家應(yīng)對氣候變化碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)進(jìn)步是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的根本動(dòng)力，圍繞未來電力系統(tǒng)以新能源為主體的發(fā)展需求，綜合考慮新能源開發(fā)、傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型兩個(gè)角度，從系統(tǒng)安全、低碳減排、綜合能源、靈活性需求等多個(gè)方面，提出以下10類關(guān)鍵技術(shù)需求：1.高效低成本電網(wǎng)支持型可再生能源發(fā)電和綜合利用技術(shù)；2.燃煤發(fā)電提高靈活性低碳排放和碳資源利用技術(shù)；3.高可靠性低損耗新型電力電子元器件裝置和系統(tǒng)技術(shù)；4.安全高效低成本長壽命新型儲能技術(shù)；5.清潔高效低成本氫能生產(chǎn)儲運(yùn)轉(zhuǎn)化和應(yīng)用技術(shù)；6.超導(dǎo)輸電和新型綜合輸能技術(shù)；7.新型電力系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行調(diào)度和仿真控制保護(hù)技術(shù)；8.數(shù)字化智能化綜合能源電力系統(tǒng)技術(shù)；9.信息物理融合的能源互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；10.綜合能源電力市場技術(shù)。

四、綜合能源生產(chǎn)單元（IEPU）設(shè)想

“雙碳”目標(biāo)下，我國能源電力系統(tǒng)清潔低碳轉(zhuǎn)型任務(wù)艱巨，如何科學(xué)推進(jìn)傳統(tǒng)煤電升級改造及有序退出、同時(shí)促進(jìn)新能源消納成為能源轉(zhuǎn)型路徑規(guī)劃和相關(guān)戰(zhàn)略制定的重要議題。我們提出一種融合火電機(jī)組碳捕集、燃煤機(jī)組混燒生物質(zhì)、可再生能源電解水制氫、甲烷/甲醇合成等技術(shù)的設(shè)想——綜合能源生產(chǎn)單元（以下簡稱“IEPU”），期望能作為火電低碳/無碳轉(zhuǎn)型路徑方案的一種選擇。

IEPU基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其基本工作方式為：白天利用低成本的光伏發(fā)電制取綠氫，夜間利用低谷時(shí)段電網(wǎng)供電或火電機(jī)組發(fā)電，利于電解制氫系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定工作，產(chǎn)出的氫氣與煤電機(jī)組捕集的碳進(jìn)一步合成生產(chǎn)甲烷/甲醇等綠色燃料或化工產(chǎn)品。

與此同時(shí)，IEPU也可有不同類型的結(jié)構(gòu)方案：IEPU所需的碳可由火電廠碳捕集，未來也可從空氣中捕集；IEPU可由風(fēng)光發(fā)電與電解水制氫裝置、水電廠與電解水制氫裝置組成，生產(chǎn)的綠氫與空氣中氮?dú)怦詈现瓢保籌EPU可由燃?xì)怆姀S與風(fēng)光發(fā)電及電解水制氫、儲氫耦合組成，未來燃?xì)怆姀S的燃料將由綠氫提供，成為應(yīng)對長周期能源不平衡的綠色重要措施。IEPU本身可以是實(shí)體的也可以是虛擬的。

IEPU將電解制氫、可再生能源發(fā)電、甲醇/甲烷/氨合成、二氧化碳捕集等設(shè)備集成為一體，具有以下兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：一是以電解制氫裝置作為可控負(fù)荷，通過與火電、水電等可調(diào)機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，在單元內(nèi)部各子系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)互動(dòng)，成為具有高靈活性的虛擬發(fā)電單元，為高比例新能源電力系統(tǒng)應(yīng)對長周期能源供需不平衡提供靈活性支撐；二是通過二氧化碳直接與氫氣合成，生產(chǎn)甲烷、甲醇等便于存儲、運(yùn)輸?shù)木G色燃料或作為重要化工原料產(chǎn)品，一方面可規(guī)避大規(guī)模二氧化碳捕集后壓縮及封存的高額成本投入，另一方面借助合理可行的產(chǎn)品收益模式，有利于火電企業(yè)推廣應(yīng)用二氧化碳捕集與利用技術(shù)，在促進(jìn)火電行業(yè)碳減排及轉(zhuǎn)型發(fā)展的同時(shí)，所生產(chǎn)的氫氣本身及與二氧化碳、氮?dú)夂铣缮傻木G色燃料化工原料產(chǎn)品，也可為能源相關(guān)領(lǐng)域化石燃料和原料替代提供一定的來源補(bǔ)充。

綜合能源生產(chǎn)單元解決方案與數(shù)字化智能化技術(shù)相結(jié)合，可構(gòu)成未來能源供應(yīng)側(cè)的智慧型基本單元，與預(yù)想的能源消費(fèi)側(cè)智慧型基本單元一起，組成未來新型電力系統(tǒng)能源生產(chǎn)消費(fèi)的基礎(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，可能對電網(wǎng)的儲能需求、靈活性供應(yīng)及調(diào)控模式產(chǎn)生重要影響。該發(fā)展模式的實(shí)現(xiàn)將會(huì)促進(jìn)能源領(lǐng)域不同行業(yè)之間的融合，對此需要體制機(jī)制的突破和創(chuàng)新。（作者系中國科學(xué)院院士）

責(zé)任編輯：蘇偉

關(guān)鍵詞： 關(guān)鍵技術(shù) 發(fā)展前景