一、碳中和目標要求能源電力系統(tǒng)深刻轉(zhuǎn)型

2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表重要講話時提出，中國將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。盡管還未明確實現(xiàn)碳中和的具體路徑，但作為全球最大的碳排放和能源消費主體，我國實現(xiàn)碳中和需要能源系統(tǒng)的顛覆性變革，必須從以化石能源為主轉(zhuǎn)向以可再生能源為主。從全球范圍來看，目前世界上已有30多個國家以政策宣誓或法律規(guī)定等不同方式設定了各自的碳中和目標時間，如表1所示，碳中和目標時間較早的國家包括烏拉圭和芬蘭等，分別設定了2030年和2035年實現(xiàn)碳中和。從表1可看到，絕大多數(shù)國家將碳中和目標時間設定在了2050年，我國是2060年，新加坡則設定在了本世紀后半葉早期。

表1全球已設定碳中和目標時間的國家/地區(qū)

為實現(xiàn)2060年碳中和的目標，亟需加快能源轉(zhuǎn)型的步伐，電能作為清潔、高效的二次能源，在推動能源轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)碳中和目標的過程中扮演著關鍵角色，提升我國各終端用能部門的電氣化水平是實現(xiàn)碳中和目標的必然路徑。而目前我國電力行業(yè)又是二氧化碳排放的主要來源，為應對氣候變化，實現(xiàn)我國既定的碳排放達峰目標和碳中和目標，電力行業(yè)亟需加速轉(zhuǎn)型，加快向以可再生能源為中心的電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，加速能源電力系統(tǒng)深度脫碳進程。

（一）從能源供給側(cè)分析

為加速實現(xiàn)現(xiàn)有能源系統(tǒng)向清潔低碳、安全高效的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)2030年前二氧化碳排放達峰和2060年前碳中和的目標，重點在于明確形成“以電為中心”和加快以可再生能源為中心的新一代電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型共識、健全新時代下的電力市場體系，加快開展頂層設計和總體部署，制定能源轉(zhuǎn)型路線和實施方案，明確可再生能源發(fā)展的長期目標和階段性目標，推動能源、電力領域關鍵技術的創(chuàng)新發(fā)展與應用，加速推進能源新基建，構建大規(guī)模高比例可再生能源的新一代電力系統(tǒng)。

當前推動可再生能源發(fā)電需要從以下幾方面著手：1）制定對可再生能源發(fā)電新增裝機投資的量化目標；2）加大對清潔電力系統(tǒng)各個方面的投資力度，支持零碳電氣化的配套基礎設施投資，例如特高壓輸電、電動汽車、智能配電網(wǎng)、儲能和數(shù)字化電網(wǎng)等，以保障不斷增加的高比例可再生能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；3）加快新能源汽車充電基礎設施建設和加快氫燃料電池、熱泵及電解水制氫技術的創(chuàng)新發(fā)展。

隨著大規(guī)模高比例可再生能源的新一代電力系統(tǒng)的構建，再電氣化對電力系統(tǒng)靈活可控、智能感知、安全可控等提出了更高要求，需要將數(shù)字化、智能化等現(xiàn)代信息技術與電力系統(tǒng)深度融合。未來可再生能源不僅要滿足電力需求增量，還要滿足煤電退出的存量缺口。一方面，風力發(fā)電、光伏發(fā)電等間歇性電源大規(guī)模、高比例并網(wǎng)，對電力系統(tǒng)安全運行、電量消納提出了挑戰(zhàn)。需要加強區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)、提高靈活調(diào)節(jié)能力，依托特高壓輸電技術、智能電網(wǎng)技術和電力市場，在全國大范圍內(nèi)優(yōu)化配置能源資源。另一方面，再電氣化促使電動汽車、微電網(wǎng)、分布式能源等交互式能源設施廣泛接入，以及綜合能源服務等新型需求大量涌現(xiàn)，使得電網(wǎng)負荷預測和潮流控制更為復雜，對電力系統(tǒng)智能互動水平也提出了更高要求。因此，需要推動大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈等現(xiàn)代信息技術與電力系統(tǒng)深度融合，增強源網(wǎng)荷儲之間的智能互動，實現(xiàn)更大規(guī)模的可再生能源消納，同時滿足更加多樣化、個性化、交互式的用能需求。

（二）從能源消費側(cè)分析

終端用能部門極高的電氣化率是支撐我國2060年碳中和目標實現(xiàn)的必然路徑（碳中和目標下2060年我國分部門終端能源消費構成展望如表2所示），針對三大終端用能部門脫碳路徑分析如下。

1.工業(yè)部門。我國工業(yè)部門用能需要加速向清潔能源轉(zhuǎn)型，進一步提高工業(yè)部門的電氣化水平。目前，我國鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放占全國排放總量的15%左右，水泥行業(yè)二氧化碳排放占全國排放總量的13%左右，此外，石化和化工行業(yè)也是二氧化碳排放的主要來源之一。針對鋼鐵行業(yè)，電爐鋼技術的碳強度遠低于高爐生產(chǎn)技術，隨著以可再生能源為中心的電力系統(tǒng)的構建和逐步成型，利用電爐鋼技術路徑可逐步實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)的零碳目標。此外，利用電解水制氫，以氫氣直接還原鐵也能夠?qū)崿F(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)的零碳化，并能夠從整體上實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)大幅度減排。對水泥行業(yè)而言，一種可行的脫碳路徑是用電氣化供熱和配合CCS技術。針對化工行業(yè)，其中一種可行的脫碳途徑是利用零碳電力的Power-to-X生產(chǎn)路徑。

2.交通部門。為了實現(xiàn)我國交通部門的碳中和，需要將路面運輸（公路和鐵路服務）全面電氣化，同時長途航空和船運改用零碳燃料（氫氣、氨等）。1）路面交通。目前，我國高鐵已基本實現(xiàn)了全面電氣化，普通速度的鐵路交通在未來也將逐步實現(xiàn)全面電氣化。純電動汽車將在未來主導中短距離的交通出行，而氫燃料電池汽車則會在長距離貨運卡車和重型卡車中占據(jù)主要地位。2）航空和海運。針對航空海運領域，直接應用電氣化實現(xiàn)碳中和的空間較小，因此，航空和海運交通的脫碳則必須主要依靠零碳的新型燃料。對于航空領域，依靠生物航空燃油和合成航空燃油是實現(xiàn)碳中和的主要技術路徑。此外，未來需要使用生物燃料和氨對船運領域進行深度脫碳。綜上，零碳電能、氫能、航空燃油、生物燃料和氨等多種綜合能源的使用將會進一步加速我國碳中和目標的實現(xiàn)。

3.建筑部門。電氣化是實現(xiàn)我國建筑部門碳中和目標的關鍵。目前，制冷、照明和家用電器均已實現(xiàn)了百分之百電氣化。未來熱泵技術在建筑部門的大規(guī)模應用和電力烹飪技術的進步，將進一步提升建筑部門的電氣化水平、加速該部門實現(xiàn)碳中和的進程。與此同時，隨著數(shù)字化、智能化等新一代信息技術在更大范圍內(nèi)應用于建筑部門，以及智能家居、智能家用電器的普及和應用，建筑部門的電氣化水平將會得到迅速提升，從而進一步加速建筑部門的脫碳進程。

表2 碳中和目標下2060年我國分部門終端能源消費構成展望

綜上分析，在碳中和目標的引領下，我國電力系統(tǒng)電源側(cè)需要加速推進清潔能源電氣化，實現(xiàn)對化石能源的增量替代和存量替代。用戶側(cè)需要廣泛深入實施電能替代，實現(xiàn)能源消費高度電氣化。電氣化是我國構建安全、綠色、高效、智慧新一代能源系統(tǒng)和實現(xiàn)碳中和目標的必然選擇，這就要求電能需要來源于零碳電力。因此，碳中和目標下，嚴控煤電規(guī)模、轉(zhuǎn)變煤電功能定位、調(diào)整煤電區(qū)域布局、樹立煤電峰值意識、明確煤電退出路徑是實現(xiàn)我國煤電高質(zhì)量發(fā)展，推動我國能源轉(zhuǎn)型的關鍵。

二、電力行業(yè)碳排放提早達峰，“十四五”是關鍵

（一）電力行業(yè)碳排放空間預算

2015年由近200個國家參與的巴黎氣候大會通過了《巴黎協(xié)定》，旨在控制全球平均氣溫升幅在2攝氏度以內(nèi)，爭取控制在1.5攝氏度以內(nèi)，來應對能源與氣候危機。此次我國提出2030年前實現(xiàn)碳排放達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和，這對碳排放主要部門的電力行業(yè)來說無疑是一個巨大挑戰(zhàn)，電力行業(yè)應在2025年左右提前實現(xiàn)碳排放達峰，才能確保2030年前碳排放達峰的實現(xiàn)。我國要實現(xiàn)低于2攝氏度的目標，需要控制2011～2050年期間累積二氧化碳排放量在2800億～4000億噸內(nèi)。能源相關行業(yè)二氧化碳排放量占全國碳排放總量的比例一般在75%左右，在加速電氣化的情況下，估算2020～2050年電力行業(yè)碳排放空間在600億～900億噸。

為實現(xiàn)我國電力行業(yè)2025年左右實現(xiàn)碳排放達峰，按照前文估算出的電力行業(yè)二氧化碳排放預算空間，設定基準情景、高碳情景和低碳情景來分析電力行業(yè)年度碳排放空間。

基準情景下我國電力行業(yè)二氧化碳排放預算為690億噸，煤電行業(yè)的碳排放在2025年達到峰值45億噸，2050年后實現(xiàn)凈零排放，年排放估算如圖1所示。

高碳情景下我國電力行業(yè)二氧化碳排放預算為900億噸，煤電行業(yè)的碳排放在2025年為46.2億噸，并將在2027年左右達到峰值47.1億噸，2055年后煤電實現(xiàn)凈零排放，年排放估算如圖1所示。

低碳情景下中國煤電部門二氧化碳排放預算為560億噸，煤電行業(yè)的碳排放在2023年達到峰值44億噸，在2025年降為43.2億噸，2045年后實現(xiàn)凈零排放，年排放估算如圖1所示。

圖1 2020～2050年電力行業(yè)二氧化碳排放量

（二）“十四五”電力需求預測

若電力行業(yè)在2025年提早實現(xiàn)碳排放達峰，首先應確定“十四五”期間電力需求情況。新基建可以對沖新冠肺炎疫情對經(jīng)濟發(fā)展與電力消費的抑制作用，對電力消費拉動作用巨大。為實現(xiàn)2060年碳中和目標，我國積極推進電氣化來降低一次能源利用。雖然新基建和電氣化對電力消費有巨大的拉動作用，但規(guī)模有限。新基建的拉動作用從整體來看是優(yōu)化經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構，拉動作用并不會那么夸張，是一個長周期性、引領性的拉動。而電能替代和提升電氣化率則會在短期內(nèi)拉高用電需求，把未來終端消費要轉(zhuǎn)為用電的部分能源需求提前釋放或?qū)崿F(xiàn)，因此從中長期來看并不會改變電力需求增速穩(wěn)步放緩的大趨勢。從人均GDP和人均電力消費的變化情況來看，2025年人均用電量可達6000～6200千瓦時/人，結(jié)合2025年人口14.2億的預估，預計全社會用電量約為8.5～8.9萬億千瓦時，考慮能效技術進步、終端電氣化提高等情況，“十四五”期間的年均增速約為3%～4%。

（三）碳排放情境下電力規(guī)劃情景

在滿足8.9萬億千瓦時的高電力需求前提下，對三種碳排放情景所對應電力供給進行設定：1.高碳情景：考慮到“十四五”期間煤電仍為提供電力供應的主力軍，除正常機組退役淘汰以外，計劃內(nèi)的煤電項目繼續(xù)新建。可再生能源裝機保持勻速發(fā)展，2025年非化石能源裝機占比50.5%；2.基準情景：根據(jù)“電改9號文”和“能源安全新戰(zhàn)略”等，考慮“十四五”期間將引入現(xiàn)貨市場、推動跨省區(qū)電力交易和實現(xiàn)可再生能源平價上網(wǎng)，不再新核準建設煤電項目，只續(xù)建“十三五”期間停緩建的項目，2025年非化石能源裝機占比52.7%；3.低碳情景：為履行《巴黎協(xié)定》低于2攝氏度氣候變化目標，電力行業(yè)在“十四五”期間進一步壓縮煤炭消費，不再建設煤電項目，進一步優(yōu)化跨省區(qū)電力調(diào)度，大力強化能源效率，2025年非化石能源裝機占比達55.3%，詳見表3。

在滿足“十四五”期間電力需求、各類型資源可開發(fā)潛力、可再生能源發(fā)電競爭力、可調(diào)動的需求響應規(guī)模、系統(tǒng)靈活性及非化石能源發(fā)展目標等約束下，采用規(guī)劃模型測算三種電力發(fā)展情景中2025年全國電源裝機規(guī)模及發(fā)電量如下表3。三種電力發(fā)展情景中，2025年全國電源裝機規(guī)模分別為27.28億千瓦、27.71億千瓦和27.75億千瓦，非化石能源發(fā)電裝機比重分別為50.5%、52.7%和55.3%，非化石能源發(fā)電量比重分別為41.2%、43.1%和45.3%，二氧化碳排放量分別為46.2億噸、45億噸和43.2億噸。

表3 2025年全國電源裝機規(guī)模及發(fā)電量

從全國整體煤電裝機規(guī)模來看，假設“十四五”期間繼續(xù)新增1億千瓦煤電裝機，正常退役3300萬千瓦，則2025年煤電裝機規(guī)模約為11.5億千瓦。這是不考慮政策干預和需求響應削峰的基準結(jié)果，根據(jù)前文對“十四五”期間電力供需分析，在高需求（8.9萬億千瓦時）情況下三種電力供應模擬基本滿足用電需求，且煤電年利用小時數(shù)保持在4068～4167小時（高于4000小時）區(qū)間，基準和低碳情景在可接受范圍，高碳情境下12億千瓦煤電裝機產(chǎn)能過剩嚴重，且拖延電力行業(yè)碳排放達峰時間。在當前輸電線路通道能力約束下，考慮需求響應削峰及系統(tǒng)可靠性，全國2025年煤電裝機合理規(guī)模應保持在10.6～10.8億千瓦左右，若需求響應削峰規(guī)模達不到預期目標（只形成最高用電負荷3%的需求響應規(guī)模），則煤電合理規(guī)模應保持在10.6～11.5億千瓦（11.5億千瓦中0.5億千瓦為戰(zhàn)略備用機組）。

三、“十四五”加速電力脫碳的路徑：供給側(cè)改革與市場化協(xié)同

截至2019年底，全國煤電裝機10.4億千瓦，占全國總裝機比重達51.7%；2019年煤電發(fā)電量4.56萬億千瓦時，占全國發(fā)電量比重達63%。如此看來，在目前我國煤電碳減排潛力見底的形勢下，“十四五”期間如何正確引導煤電定位、煤電退出是決定我國電力行業(yè)碳排放達峰的關鍵。

（一）嚴控煤電規(guī)模

2020年2月國家能源局發(fā)布的2023年煤電規(guī)劃建設風險預警結(jié)果中，國內(nèi)29個省份中僅3個省的煤電裝機預警為紅色。嚴控煤電規(guī)模，順應新基建的清潔高效發(fā)展方向，為提升可再生能源消納創(chuàng)造空間。我國目前各開發(fā)階段（在建、緩建、停建、封存、核準、核準前開發(fā)和宣布）煤電項目的容量共計4.13億千瓦。如若不加以控制，“十四五”期間煤電規(guī)模可達到14億千瓦，不僅造成未來煤電產(chǎn)能進一步過剩，擱淺資產(chǎn)規(guī)模進一步擴大，還會推遲我國電力行業(yè)碳排放達峰。如若實現(xiàn)“十四五”期間電力行業(yè)碳排放達峰，煤電合理規(guī)模應嚴控在11億千瓦以內(nèi)。確保“十四五”期間煤電裝機達峰、發(fā)電量達峰和碳排放達峰，并盡可能降低其峰值水平，是確保能源系統(tǒng)2060年實現(xiàn)碳中和的關鍵。

（二）優(yōu)化煤電存量機組

優(yōu)化煤電存量機組是實現(xiàn)我國煤電清潔高效發(fā)展的重要舉措。節(jié)能減排改造、“上大壓小”、淘汰落后機組仍是建立清潔高效煤電體系的關鍵路徑。

2019年底我國共有8.9億千瓦煤電機組實現(xiàn)了超低排放，占全部煤電機組的85%。“十四五”期間繼續(xù)推進剩余具備條件的煤電機組超低排放和節(jié)能改造，對于不具備條件的煤電機組適當采取“上大壓小”的方式進行替代，進一步降低煤電平均供電煤耗。

在保證電力、熱力供應安全的前提下，繼續(xù)淘汰關停排放、能效不達標的落后煤電機組。引導非供熱亞臨界煤電機組優(yōu)先退出，控制煤電規(guī)模在11億千瓦以內(nèi)。

（三）推動煤電區(qū)域性功能定位調(diào)整

由于我國區(qū)域性資源和負荷差異較大，風電、光伏發(fā)電資源主要集中在東北、西北，水電資源主要集中在西南，而負荷主要集中在華北、華中、華南和華東等地區(qū)。針對區(qū)域性差異，煤電要從電量型電源向電力電量型電源轉(zhuǎn)變，充分發(fā)揮自身基礎電源的優(yōu)勢，保證電力安全的同時，通過提供靈活性服務來提升新能源消納。

東北、西北、西南等新能源資源豐富的省份需要大規(guī)模、低成本儲能技術商業(yè)化應用解決新能源電力可信容量不足的問題，引導原本充當尖峰負荷的煤電機組退出。華北、華南、華中等負荷較高、新能源發(fā)展?jié)摿^大的省份，需要通過大力發(fā)展新能源和煤電靈活性改造，引導煤電由充當腰荷資源向充當尖峰負荷資源轉(zhuǎn)變。華中、華東等負荷較大且煤電體量較大的省份，需要通過加強需求側(cè)管理、重視儲能、推進煤電靈活性改造等措施，引導煤電由充當基荷資源向充當腰荷資源轉(zhuǎn)變。將煤電增量重點放在西部，支撐可再生能源外送；中部省市要加強對本地電力供應結(jié)構的優(yōu)化，明確電源、負荷、儲能等不同電力資源的系統(tǒng)功能定位；只有在出現(xiàn)基荷電力不足趨勢的情況下，才可適度新建煤電。

面對未來高比例可再生能源并網(wǎng)，提升系統(tǒng)靈活性將成為“十四五”及中長期煤電發(fā)展的關鍵詞，尤其是在電力市場競爭環(huán)境下，不具備發(fā)電成本優(yōu)勢的煤電機組需要提供靈活性輔助服務來獲得更多的收益。引導煤電功能定位調(diào)整不僅可以改善煤電的利用效率，化解煤電生存困難的窘境，還可以提升可再生能源的消納。從而可再生能源將逐步替代煤電在電力供給中的主導地位，以實現(xiàn)電力行業(yè)碳排放達峰，甚至碳中和的目標。

（四）碳市場和電力市場耦合，助力煤電退出

由于煤電技術進步和結(jié)構優(yōu)化空間受限，加之可再生能源發(fā)電即將實現(xiàn)平價上網(wǎng)，繼續(xù)采取行政導向的煤電退出效果將觸底。在電力市場化改革加速推進的背景下，如要進一步有效控制電力行業(yè)碳排放，工作重心應轉(zhuǎn)移到市場機制設計與配套政策完善上。

為實現(xiàn)碳排放達峰和碳中和目標，未來在電力市場基礎上引入碳市場。充分發(fā)揮現(xiàn)貨市場競價規(guī)則的作用，碳市場將提升煤電發(fā)電成本，從而倒逼落后的低效煤電機組的競爭性淘汰。考慮碳排放成本時，燃煤機組出力有所減少，燃氣機組出力有所增加。而水電機組出力調(diào)整快，套利能力強，基本不受影響。在電力系統(tǒng)調(diào)峰能力足夠的基礎上，風電和光伏出力也不會受到太大影響，儲能設備一般在電價較低的低谷時充電，在電價較高的高峰時放電，兩者的差額減小，其通過充放電的套利行為也將有所減少。碳市場和電力市場耦合下會拉高邊際出清機組報價，這樣也會發(fā)出價格信號，吸引更豐富的需求響應、儲能等靈活性資源進入市場，系統(tǒng)發(fā)電的碳排放總量將不斷減少，最終以市場為驅(qū)動力實現(xiàn)脫碳。接下來需要進一步完善省間交易機制，打破僵化的利益分配格局，做大跨區(qū)輸電的“盤子”，實現(xiàn)在更大范圍內(nèi)的資源調(diào)配與電力互濟。

原文首發(fā)于《電力決策與輿情參考》2020年10月30日第42、43期