蔡紹寬

（中國海洋工程咨詢協(xié)會海上風(fēng)電分會，北京100161）

繼2020年12月12日，中共中央總書記習(xí)近平于聯(lián)合國氣候雄心峰會上莊嚴(yán)宣告中國將力爭在2030年前實現(xiàn)碳達峰，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的“雙碳目標(biāo)”之后，2021年4月30日，習(xí)近平總書記在中共中央政治局第二十九次集體學(xué)習(xí)會上強調(diào)，實現(xiàn)碳達峰、碳中和是中國向世界作出的莊嚴(yán)承諾，也是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會變革，絕不是輕輕松松就能實現(xiàn)的。各級黨委和政府要拿出抓鐵有痕、踏石留印的勁頭，明確時間表、路線圖、施工圖，推動經(jīng)濟社會發(fā)展建立在資源高效利用和綠色低碳發(fā)展的基礎(chǔ)之上。

面臨偉大而又艱巨的雙碳目標(biāo)，中國將面對怎樣的挑戰(zhàn)呢？這個目標(biāo)究竟向中國社會提出了什么要求呢？筆者認為，歸納起來共有兩大要求：一是能源需求側(cè)節(jié)能，二是能源供給側(cè)零碳化。

雙碳目標(biāo)是一個龐大的覆蓋全社會多行業(yè)多學(xué)科的課題，本文僅僅從能源供給側(cè)的角度，分析研判能源行業(yè)在雙碳目標(biāo)使命下的挑戰(zhàn)與對策，即逐步全部實現(xiàn)“一次能源零碳化，二次能源電力化”的零碳能源直接使用和電力化二次使用。

以下，筆者力圖立足于宏觀層面從雙碳目標(biāo)的本質(zhì)、雙碳目標(biāo)下中國電力負荷發(fā)展趨勢、從資源稟賦看可能的解決方案、電力系統(tǒng)儲能和其他改善供給側(cè)與需求側(cè)運行特性的主要解決方案、結(jié)論共五個方面論述揭示雙碳目標(biāo)的挑戰(zhàn)與電力結(jié)構(gòu)調(diào)整趨勢。

1 雙碳目標(biāo)的本質(zhì)：零碳能源代替排碳能源

首先，我們來羅列一下已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的一次零碳能源：水能、風(fēng)能、光能、核能、地?zé)崮?、潮汐能、波浪能、洋流能、溫差能等?］。其中，當(dāng)前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的可以直接進行熱利用的一次零碳能源只有地?zé)岷凸鉄醿煞N。一次能源熱直接利用的特點是使用方式和應(yīng)用場景單一，故其對于完成雙碳目標(biāo)的貢獻率較小，本文暫不將其列入研究范圍。真正對全社會實現(xiàn)雙碳目標(biāo)貢獻率最大的是零碳能源的電力化利用。因此，我們可以得到一個結(jié)論：雙碳目標(biāo)的本質(zhì)，就是零碳能源全部替代排碳能源，零碳能源的主要利用途徑是一次零碳能源電力化。

因此，可以把討論的范圍收縮到為實現(xiàn)雙碳目標(biāo)下電能結(jié)構(gòu)調(diào)整面臨的挑戰(zhàn)及對策兩個方面。只要能夠分析研究清楚未來全社會各階段對電力負荷的需求總量、一次零碳能源資源是否能與各階段需求實現(xiàn)平衡、電力系統(tǒng)中的電源、儲能、供給側(cè)調(diào)節(jié)能力與需求側(cè)調(diào)節(jié)能力共同作用能否實現(xiàn)電力系統(tǒng)的實時平衡，就能夠全面揭示雙碳目標(biāo)任務(wù)進程的本質(zhì)規(guī)律。

要能在非常復(fù)雜的能源認知中梳理清楚正確的研究途徑，必須在以下三個方面有正確的認知。

1.1 一次零碳能源資源滿足需求的可能性判斷

前已述及，天然存在可直接無碳使用且能相對規(guī)?；瘧?yīng)用的一次能源只有兩種：地?zé)?、光熱?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)可規(guī)?；D(zhuǎn)換為無碳電能的一次能源只有四種：水能、風(fēng)能、光能、核能?？梢赞D(zhuǎn)換為無碳電能但難以規(guī)模化開發(fā)的一次能源主要有：地?zé)崮?、潮汐能、波浪能、洋流能、溫差能等?/p>

當(dāng)前電力系統(tǒng)正在使用的一次排碳能源主要有：燃油、燃煤、燃氣（包括LNG）、燃生物質(zhì)（包括垃圾發(fā)電），這些都是需要納入以下討論需要退役被替代的火電電力類型。

這里，我們還必須界定規(guī)?；_發(fā)的“規(guī)?！?，否則將引發(fā)出若干無謂的爭議。筆者暫時把可以實現(xiàn)經(jīng)濟性開發(fā)的一次能源發(fā)電電量總規(guī)?？赡苓_到同期電力能源生產(chǎn)總量的1%視為規(guī)模化開發(fā)的劃分界線。

1.2 氫能不是能源

氫在天然情況下不能獨立存在，不屬于一次能源，生產(chǎn)過程必然耗能，故其不是“能源”?；覛?，由于碳排放屬于雙碳目標(biāo)下必須逐步歸零的技術(shù)路線而前景黯淡。藍氫，由于看不到可以市場化經(jīng)濟性前景應(yīng)暫不考慮。綠氫，必須“綠色電能、綠色制氫（電解水）”兩頭綠才是當(dāng)之無愧的綠氫，“排碳電能、電解水”生產(chǎn)的氫不能視為綠氫。由于通過“綠色能源—電—綠氫—電”技術(shù)路徑，制備氫發(fā)出的“氫電”屬于四次能源，需經(jīng)三次能源形式的轉(zhuǎn)換，每一次轉(zhuǎn)換都要付出“損耗+經(jīng)濟代價（產(chǎn)業(yè)成本）”，必然呈現(xiàn)耗能特性和經(jīng)濟性差兩大特點，所以氫能不是“能源”，應(yīng)劃入負荷側(cè)，即需求側(cè)；氫能經(jīng)濟性差，不得已才使用。氫能在電力系統(tǒng)中的作用是“儲存、調(diào)節(jié)”，特點是“昂貴、低效”，這里說的“低效”講的是能源轉(zhuǎn)換效率低。

1.3 雙碳目標(biāo)的根本出路

綜上所述，從當(dāng)前的能源利用技術(shù)水平和可以預(yù)測的未來判斷：能夠規(guī)模化轉(zhuǎn)換為無碳電能，可以作為完成雙碳目標(biāo)的主力能源只有四種：水能、風(fēng)能、光能、核能。雙碳目標(biāo)任務(wù)的本質(zhì)，就是要全力開發(fā)利用“水能、風(fēng)能、光能、核能”，以實現(xiàn)對排碳能源的“增量需求”和“存量”的逐步全面替代。

2 需求預(yù)測：雙碳目標(biāo)下中國電力負荷發(fā)展趨勢預(yù)判

現(xiàn)在，我們應(yīng)該清楚地認識到了：未來世界，除了少量的直接利用地?zé)岷凸鉄嶂?，所有的一次零碳能源利用都必須轉(zhuǎn)化為電力化利用。這樣，就必然產(chǎn)生了三大問題：各個目標(biāo)階段的電力負荷是多少？無碳能源資源是否滿足需求？在新的電力能源結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性重大變化后，電力系統(tǒng)電源與負荷間的實時平衡如何實現(xiàn)？本節(jié)重點討論雙碳目標(biāo)的電力需求發(fā)展趨勢。

2.1 雙碳目標(biāo)下的中國2020年度等效發(fā)電量構(gòu)成分析

在雙碳目標(biāo)約束下，電力負荷的增長將呈現(xiàn)和以往完全不同的規(guī)律，因為除了以往社會經(jīng)濟發(fā)展形成的電力負荷自然增長外，還必須計入由于排碳能源的漸次退出帶來的電力替代下的電力負荷替代性增長，即等效電力能源替代。這種替代性增長，包括各個時段存量的漸次替代和增量的全部替代產(chǎn)生的電力替代性需求增長。

按照用途，可以把排碳能源分為三個大類：火電、交通運輸燃油燃氣、生活及工業(yè)燃料。因此，電力負荷在新環(huán)境下的增長主要由四個種類構(gòu)成：傳統(tǒng)電力負荷的常規(guī)自然增長，燃油運輸替代性增長，生活及工業(yè)燃料的替代性增長，燃油、燃氣、燃生物質(zhì)等火電退役的替代性增長。

在把天然氣發(fā)電歸入清潔能源的條件下，2020年，全國天然氣發(fā)電、水電、核電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電等清潔能源消費量占能源消費總量24.3%［2］。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會2021年7月8日發(fā)布的《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告2021》［3］，各發(fā)電量構(gòu)成詳見表1；相比之下，如果把天然氣歸入排碳能源，清潔能源發(fā)電占比為32.1%，超7.8個百分點?？梢婋娔馨l(fā)展、替代空間還很大。

表1 中國2020年度發(fā)電量構(gòu)成Tab.1 Composition of China，s electricity generation in 2020

由表1可知：（1）水電370.28 GW，比上年增長3.42%，其中抽水蓄能裝機31.49 GW，比上年增長3.96%；（2）并網(wǎng)風(fēng)電281.65 GW，比上年增長34.66%（3）并網(wǎng)太陽能發(fā)電253.56 GW，比上年增長24.12%，其中分布式光伏裝機78.31 GW，占光伏總裝機比重30.9%。2020年并網(wǎng)的光熱發(fā)電累計裝機容量達到538 MW（含兆瓦級以上規(guī)模項目，其中首批太陽能熱發(fā)電示范項目并網(wǎng)容量達到450 MW，共7座）；（4）除燃煤和燃氣外，火電中還包括余熱/余壓/余氣發(fā)電以及燃油發(fā)電等。

2.2 計算方法探討與選擇

根據(jù)以上分析，雙碳目標(biāo)下最終的一次零碳能源使用方式只有兩類：直接熱利用、發(fā)電電力利用。因此，除了少量直接熱利用之外，所有能源的利用幾乎都以電力負荷的形式存在，電力負荷的測算幾乎可以等同于雙碳目標(biāo)下全社會能源需求的測算。

本文預(yù)設(shè)以下約束條件開展2020年、2030年、2060年三個水平年的負荷預(yù)測工作。

1）各類能耗都歸算到等效電耗進行分類統(tǒng)計。

2）預(yù)測2020年至2030年的GDP增長指標(biāo)，預(yù)判各類能耗折算成電耗以后的電力彈性系數(shù)，然后計算2030年和2060年兩個水平年的全社會用電負荷，再加上10%的廠用電和網(wǎng)損，得到全電力系統(tǒng)必需的發(fā)電負荷電量。

3）根據(jù)零碳能源資源稟賦，預(yù)測各類零碳電源發(fā)展指標(biāo)。

4）預(yù)設(shè)到2030年，中國電力系統(tǒng)火電退役替代為2020年已有存量的10%，對應(yīng)火電10年間新增電量需求的100%全替代；2020年交通運輸燃油存量10年間替代7%、增量全替代；2020年工業(yè)和生活燃料存量10年間替代5%、增量全替代。到2060年，實現(xiàn)對排碳能源全替代。

5）考慮到未來電力系統(tǒng)對穩(wěn)定發(fā)電基荷及為了維持電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定對轉(zhuǎn)動慣量的需要，預(yù)設(shè)2030年中國電力系統(tǒng)火電退役替代10%的部分和對應(yīng)火電10年新增電量的100%全替代的需求部分，全部由新增核電替代。預(yù)設(shè)到2060年，核電占比為50%。

6）在電力電量平衡的基礎(chǔ)上，預(yù)判系統(tǒng)儲存調(diào)節(jié)（儲能調(diào)峰）可能的措施安排。

2.3 2020年度全國能耗統(tǒng)計分析

國家統(tǒng)計局發(fā)布了2020年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃統(tǒng)計公報。公報中顯示，2020年中國能源消費總量為49.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。其中：煤炭消費40.4億噸，石油消費6.6億噸，天然氣消費3 288億m3，非化石能源消費7.9億噸標(biāo)煤。國家能源局發(fā)布的2020年全社會用電量數(shù)據(jù)為75 110億度。

根據(jù)多年的統(tǒng)計規(guī)律，煤炭消費中約有50%用于發(fā)電；石油消費中，約有55%用于交通運輸；天然氣消費中，15%用于發(fā)電，15%用于化工，32%用于城市燃氣，38%用于工業(yè)燃料；非化石能源100%為零碳能源發(fā)電；在75 110億度用電量中，其中的火力發(fā)電51 700億度已包含50%的用煤的燃煤發(fā)電。

為了便于與電能替代對比分析，我們進一步把能源消費整理為四個大類：（1）非電煤耗；（2）交通運輸用油；（3）生活及工業(yè)燃料；（4）非化石能源發(fā)電及火電。把現(xiàn)存發(fā)電類（火、水、風(fēng)、光、核）歸在一起，是為了用傳統(tǒng)電力自然增長計算預(yù)測對應(yīng)的未來電力負荷發(fā)展水平。

假設(shè)2020年全中國現(xiàn)狀已實現(xiàn)零碳電能對排碳能源全替代，中國2020年度需要等效發(fā)電負荷主要構(gòu)成測算如下：

1）電力系統(tǒng)實際總發(fā)電量為76 264億度。

2）交通運輸燃油粗略按電力系統(tǒng)60%估算等效電能電量，約為45 758億度。

3）生活及工業(yè)燃料粗略按電力系統(tǒng)35%估算等效電能電量，約為26 692億度。

4）火電需要退役替代電能電量51 770億度。

2020年等效零碳能源電能電量累計為148 714億度。其中，電力系統(tǒng)發(fā)電量占比為51.28%；124 220億度等效電能電量及其發(fā)展增量就是需要我們用零碳電能完全替代的，占比為83.53%。由此可見，雙碳目標(biāo)任務(wù)是非常艱巨的。

2.4 中國2030年度發(fā)電負荷主要構(gòu)成預(yù)測

首先，預(yù)測現(xiàn)有電能電量的自然增長。參考部分經(jīng)濟學(xué)家的預(yù)測，預(yù)設(shè)預(yù)測條件：2021年至2030年的10年時段，中國GDP平均遞增率為7%；2030年至2060年的30年時段，中國GDP平均遞增率取4%。

根據(jù)中國的發(fā)展階段、電網(wǎng)覆蓋率、用電結(jié)構(gòu)變化趨勢，按照經(jīng)典的電力彈性系數(shù)法預(yù)測2030年、2060年兩個水平年的負荷需求是合適的。根據(jù)電力彈性系數(shù)與社會經(jīng)濟發(fā)展不同時期對應(yīng)關(guān)系的規(guī)律［4］，即從重型工業(yè)化經(jīng)濟結(jié)構(gòu)向輕型產(chǎn)業(yè)化經(jīng)濟結(jié)構(gòu)逐步變化規(guī)律，前10年：取傳統(tǒng)電力的彈性系數(shù)為0.7，交通燃油替代部分電力彈性系數(shù)取0.6，生產(chǎn)及生活燃料替代部分的電力彈性系數(shù)取0.5；后30年，所有等效和傳統(tǒng)的電力負荷的電力彈性系數(shù)都取0.5。

按照以上兩個粗略預(yù)測分析，測算出2030年、2060年兩個預(yù)測水平年的全等效電能電量需求，再將2030年按照部分替代進行拆分，預(yù)測該年度排碳能源存留量和零碳能源替代量。

2.5 中國2030年零碳電能發(fā)電負荷指標(biāo)預(yù)測

傳統(tǒng)動力系統(tǒng)部分電力增長率為4.9%，2020年基數(shù)為76 264億度，2030年為117 300億度。

交通運輸燃油等效電能電量部分，遞增率為4.2%，2020年為45 758億度，2030年沒有被替代條件下為66 264億度。

生活及工業(yè)燃料等效電能電量部分，遞增率為3.5%，2020年基數(shù)為26 692億度，2030年在沒有被替代條件下為36 378億度。

按照以下原則測算2030年的替代量：火電，2020年基數(shù)51 770億度存量替代10%（1995年以前投產(chǎn)機組全部退役，含當(dāng)時的在建項目完建后的容量替代）、增量全替代；交通運輸燃油存量2020年基數(shù)45 758億度替代7%、增量全替代；工業(yè)和生活燃料存量2020年基數(shù)26 692億度替代5%、增量全替代。計算2030年各項指標(biāo)預(yù)測量。

2.5.1 火電退役10%存量替代

火電退役10%存量的替代量=51 770億度×0.1=5 177億度。火電對應(yīng)增量替代為：［51 770×（1+0.049）9-51 770］億 度=（79 626-51 770）億 度=27 856億度。火電對應(yīng)應(yīng)替代負荷總量為：（27 856+5 177）億度=33 033億度。按照預(yù)設(shè)條件，這部分從量上全部由核電替代。替代后，2030年火電存量為46 593億度。

2.5.2 交通運輸燃油存量7%部分替代

交通運輸燃油存量7%部分替代量=45 758億度×0.07=3 203億度，交通運輸燃油增量替代量為=［45 758×（1.042）9-45 758］億 度=（66 264-45 758）億度=20 506億度。交通運輸燃油對應(yīng)應(yīng)替代負荷總量=（20 506+3 203）億度=23 709億度。替代后，2030年交通運輸燃油存量等效電量為42 555億度。

2.5.3 生產(chǎn)生活燃料存量5%部分替代生產(chǎn)生活燃料存量5%部分替代量=26 692億度×0.05=1 335億度。生產(chǎn)生活燃料增量替代量為=［26 692×（1.035）9-26 692］億度=（36 378-26 692）億度=9 686億度。生產(chǎn)生活燃料對應(yīng)應(yīng)替代負荷總量=（1 335+9 686）億度=11 021億度。替代后，2030年生產(chǎn)生活燃料存量等效電量為25 357億度。

綜上，三大零碳電能替代排碳能源等效電能電量總量=［33 033（火電）+23 709（交通運輸燃油燃氣）+11 021（生產(chǎn)生活燃料）］億度=67 763億度。

2.5.4 2030年全社會需要零碳能源電能電量

水風(fēng)光自增到2030年存量為32 037億度，需要替代交通運輸燃油能源等效電量為23 709億度，需要替代生產(chǎn)生活燃料能源等效電量為11 021億度，三項合計共66 767億度。

核電自增到2030年存量為5 632億度，需要替代火電10年期間增量和期間退役機組替代電量分別為27 856億度、5 177億度，三項合計共為38 665億度。

2030年火電存量為46 593億度。

三項合計152 025億度。其中電力能源結(jié)構(gòu)各項占比為：水風(fēng)光43.92%，火電30.65%，核電25.43%，零碳電能已經(jīng)接近電能總量的70%。

2030年，能源需求總量為以上四個大項累加后的等效電能電量為219 937億度，主要能源結(jié)構(gòu)中，水風(fēng)光電占比30.36%，火電占比為21.18%，核電占比為17.58%，燃油燃氣占比為19.35%，生產(chǎn)生活燃料占比為11.53%。零碳能源已經(jīng)接近能源消耗總量的50%。

2.6 中國2060年零碳電能發(fā)電負荷需求指標(biāo)預(yù)測

根據(jù)前述預(yù)測，2030年，全社會等效年電力負荷為219 937億度。電力部分為152 025億度。其中：火電存量46 593億度，裝機存量1.246 24 TW；核電需要38 665億度，按年利用小時為8 000 h考慮，需要裝機483.31 GW，減去存量49.89 GW后，10年間須新增裝機433.42 GW；水電按2030年裝機達到425 GW，年利用小時預(yù)設(shè)為4 250 h，年發(fā)電量為18 063億度；風(fēng)光電需要48 704億度，在不考慮棄風(fēng)限光的條件下，按平均年利用小時2 550 h（陸上風(fēng)電平均3 300 h，海上風(fēng)電4 000 h，光伏平均1 600 h）考慮，需要裝機容量為1.909 96 TW，減去存量535.21 GW，10年間須新增1.374 75 TW。綜上所述，2030年裝機規(guī)模為4.064 51 TW，年發(fā)電量152 025億度，平均利用小時為3 740 h。

預(yù)設(shè)2030－2060年30年時段中國GDP年均遞增率取4%，電力彈性系數(shù)取0.5，即30年間電力平均遞增率取2%，計算得到2060年全社會需要零碳電能（水風(fēng)光核電）電量總量=219 937億度×（1.02）29=390 574億度。其中：核電占比50%，年發(fā)電195 287億度，按年利用小時8 000 h計算，需要裝機2.441 09 TW；水電按2060年裝機達到500 GW，年利用小時預(yù)設(shè)為4 500 h，年發(fā)電量為22 500億度；扣除前述兩項所發(fā)電量之后尚余172 787億度，屬于風(fēng)光發(fā)電的供電任務(wù)，參考光伏組件轉(zhuǎn)換效率提升至平均28%、海上風(fēng)電在風(fēng)電中的占比提高至30%，按風(fēng)光發(fā)電設(shè)備平均利用小時2 850 h考慮，需要裝機為6.062 70 TW。2060年，中國全社會電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)總需求為：年發(fā)電量390 574億度，對應(yīng)裝機容量為9.003 79 TW，平均年利用小時為4 338 h。

3 從資源稟賦看可能的解決方案

3.1 關(guān)于核能資源稟賦

很明顯，要實現(xiàn)雙碳目標(biāo)，核電的地位和作用將非常重要［5］，這就是要求我們首先分析核電資源稟賦狀況。

核能中鈾是最重要的天然核燃料。世界陸地鈾礦的探明儲量為145.55萬噸（1983年），主要分布于美國、南非、澳大利亞、加拿大和尼日利亞等國。此外海水中含有核聚變?nèi)剂霞s45萬噸。核裂變能的主要原料是鈾，它在地殼中儲量達幾十億噸。鈾的儲量雖然很大，但分布卻十分分散，要找到比較集中的礦點比較困難。钚的來源比鈾廣泛，價格較便宜。

作為核聚變能原料的氫及其同位素氘和氚，在地球上儲量十分豐富，海洋中還有氘約23.4萬億噸，足夠人類使用幾十億年。對于人類來說，核聚變能將是一種取之不盡、用之不竭的“長壽能源”。

由于筆者不是核能方面的專家，不能預(yù)測核能尤其是可控核聚變的科技突破的進程，因此本文僅僅從最小需求的角度來安排核能在未來中國零碳電能能源的比例，假設(shè)到2030年可控核聚變技術(shù)尚未取得突破性進展，核電比例按預(yù)設(shè)需求達到25.43%，核電需要38 665億度，按年利用小時為8 000 h考慮，需要裝機483.31 GW，減去存量49.89 GW后，2020年至2030年10年間須新增裝機433.42 GW。從資源條件方面是可以滿足需求的。

在2030年至2060年30年間，筆者假定期間可控核聚變會取得突破性進展。這樣，對于核電占比50%，年發(fā)電195 287億度，按年利用小時8 000 h計算，需要裝機2.441 09 TW的需求，核能資源是遠遠超出目標(biāo)需求的。

3.2 中國水能資源稟賦

中國水能資源可開發(fā)極限容量500 GW，按平均利用小時4 500 h計算，年發(fā)電量22 500億度。

3.3 中國陸上太陽能資源稟賦

據(jù)相關(guān)資料，中國屬太陽能資源最豐富的國家之一，據(jù)初步分析，全國陸上太陽能技術(shù)可開發(fā)裝機容量達到15.6 TW［6］。其中：新疆約為4.2 TW，青海3.4 TW，內(nèi)蒙古2.615 TW；此外甘肅、西藏、寧夏以及山東等地太陽能技術(shù)可開發(fā)裝機容量也比較可觀。隨著工作深度加深、光伏技術(shù)進步形成轉(zhuǎn)換效率不斷提高、應(yīng)用場景不斷擴展，中國的光伏可經(jīng)濟利用資源量正在大幅增加。2030年，預(yù)計陸上光伏裝機650 GW，平均按利用小時1 600 h計算，年發(fā)電量10 400億度；到2060年，即使按照最保守的總裝機容量15.6 TW計入，如果暫按開發(fā)50%考慮，7.8 TW，預(yù)設(shè)在此期間光伏組件轉(zhuǎn)換效率已提升至28%，平均按利用小時1 600 h計算，年發(fā)電量為124 800億度。

3.4 中國陸上風(fēng)能資源稟賦

由于受工作深度和資源普查分析時風(fēng)電科技水平認識的局限，中國陸上風(fēng)電資源一直沒有一個較準(zhǔn)確全面的權(quán)威稟賦數(shù)據(jù)。比如“迄今為止，比較權(quán)威的說法：中國陸上10 m高處的理論蘊藏量為3.226 TW，其中技術(shù)可開發(fā)量按10%推測，并考慮風(fēng)輪掃掠面積，為253 GW”。但事實上是，根據(jù)2020年度國家電力統(tǒng)計資料［7］，中國2020年底，風(fēng)電總裝機已達281.53 GW，其中海上風(fēng)電裝機為9 GW，陸上風(fēng)電裝機272.53 GW。當(dāng)前，陸上風(fēng)電還正在以前所未有的速度發(fā)展，這種高速發(fā)展?fàn)顩r還將持續(xù)10年以上。單機容量越來越大、機組安裝高度越來越高、風(fēng)能資源利用高空越來越高、工作深度和廣度越來越大等等，都使中國風(fēng)電資源量越來越大到超越專家們的認知。因此，中國的陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電、陸上光伏、海上光伏等資源稟賦都呈現(xiàn)出眾說不一的狀況，而只能以不同時期的模糊預(yù)測來作分析判斷。

筆者根據(jù)海上風(fēng)電海域面積和資源類比，作出以下的判斷假定：陸上風(fēng)電經(jīng)濟可開發(fā)容量5 TW，2030年開發(fā)率達到20%，裝機1 TW，年利用小時平均取2 800 h，年發(fā)電量為28 000億度；到2060年，開發(fā)率達到50%即2.5 TW，平均利用小時3 000 h，年電量75 000億度。

3.5 中國海上風(fēng)能資源稟賦

海上風(fēng)速高，風(fēng)機單機容量大，部分海域年運行小時數(shù)最高可達4 000 h以上，海上風(fēng)電效率較陸上風(fēng)電年發(fā)電量多出20%～40%［8］。根據(jù)世界銀行近期研究成果，中國5～50 m水深，理論裝機容量1.4 TW；50～200 m水深漂浮基礎(chǔ)海上風(fēng)電理論裝機容量1.582 TW，合計2.982 TW。因此，中國5 m至50 m水深、140 m高度海域低空的海上風(fēng)電資源規(guī)模為1.4 TW，姑且暫按60%考慮，可開發(fā)裝機規(guī)模不小于840 GW，平均年利用小時約3 500 h，年發(fā)電量為29 400億度；50～200 m水深漂浮基礎(chǔ)海上風(fēng)電理論裝機容量1.582 TW，暫按50%考慮，可開發(fā)裝機規(guī)模為791 GW，按平均利用小時3 800 h計算，年發(fā)電量為30 058億度.綜上，固浮合計為1.631 TW，年發(fā)電量約59 458億度。未來海上風(fēng)電還具有“三高”特性：發(fā)電電量高、利用小時數(shù)高和高電能質(zhì)量高。

筆者判斷，到2030年，海上風(fēng)電漂浮式基礎(chǔ)還達不到具備市場化商業(yè)開發(fā)條件，暫不計入該階段參與平衡。將840 GW可經(jīng)濟開發(fā)資源在此期間按開發(fā)投運50%即420 GW計入，平均利用小時3 800小時，年發(fā)電量為15 960億度。

到2060年，具備固定基礎(chǔ)施工條件的剩余420 GW均投運，平均利用小時取4 000 h，年發(fā)電量為16 800億度。此時，總裝機達到840 GW，平均利用小時為3 900 h，年發(fā)電量為32 760億度。

3.6 中國海上光伏資源稟賦

中國海上太陽能資源稟賦的中期認識：根據(jù)相關(guān)粗略研究分析表明，如果海上光伏實現(xiàn)平價化開發(fā)，其發(fā)電量將略大于海上風(fēng)電。本次討論，只提示其規(guī)?；拇嬖?，不納入?yún)⒓悠胶狻?/p>

3.7 雙碳目標(biāo)下電力結(jié)構(gòu)調(diào)整結(jié)果

綜上所述，得到實現(xiàn)雙碳目標(biāo)下2030年、2060年的電力結(jié)構(gòu)調(diào)整結(jié)果如下：

2030年：核電發(fā)電量38 665億度，裝機483.31GW；水電年發(fā)電量18063億度，裝機425GW；陸上風(fēng)電年發(fā)電量為28 000億度，裝機1 TW；陸上光伏年發(fā)電量10 400億度，裝機650 GW；海上風(fēng)電年發(fā)電量為15 960億度，裝機420 GW?；痣姶媪?6 593億度，裝機存量1.246 24 TW。2030年六項累加年發(fā)電量為157 681億度，裝機4.224 55 TW，平均年利用小時為3 732 h，比預(yù)測需求152 025億度略大。

2060年：核電年發(fā)電量195 287億度，占比50%；按年利用小時8 000 h計算，需要裝機2.441 09 TW的需求；水電年發(fā)電量22 500億度，總裝機500 GW；陸上風(fēng)電75 000億度，總裝機2.5 TW；陸上光伏年發(fā)電量為124 800萬億度；總裝機規(guī)模7.8 TW。預(yù)設(shè)在此期間光伏組件轉(zhuǎn)換效率已提升至28%，平均按利用小時1 600 h；海上風(fēng)電年發(fā)電量為32 760億度；總裝機達到840 GW，平均利用小時為3 900 h。2060年五項（火電全部退役）累加年發(fā)電量為450 347億度，裝機14.081 09TW，平均年利用小時為3 198 h。彼時，核電占比為43.36%，水電占比為5.00%，陸上風(fēng)電占比為16.65%，陸上光伏占比為27.71%，海上風(fēng)電占比為7.27%。由于最低利用小時的光伏裝機比例大幅增加，次低利用小時的陸上風(fēng)電裝機比例也大幅增加，利用小時越來越低符合電力裝機結(jié)構(gòu)調(diào)整變化的規(guī)律。

這里，可能讀者會質(zhì)疑，預(yù)測需求量為390 574億度，為什么安排的年發(fā)電量為450 347億度，是預(yù)測需求量的115%？這里就會涉及筆者下一節(jié)會論述到的：為解決系統(tǒng)調(diào)節(jié)容量不足時的“冗余裝機”解決方案問題。

以上論述，沒有安排的海上光伏、海上漂浮式風(fēng)電、地?zé)岚l(fā)電，光熱發(fā)電、潮汐能發(fā)電、波浪能發(fā)電、洋流能發(fā)電、溫差能發(fā)電等等，可以作為輔助性零碳能源補充。未來能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化，既要有戰(zhàn)略定力，又要有事物并不是完全以人們的意志為轉(zhuǎn)移的需要與適當(dāng)?shù)淖兓噙m應(yīng)的靈活性。

4 關(guān)于電力結(jié)構(gòu)調(diào)整帶的系統(tǒng)運行特性問題的解決方案預(yù)判

雖然中國的零碳能源電力資源在發(fā)電量方面，在計入占比為50%的核電后，再考慮儲能技術(shù)進步，電力系統(tǒng)在量、質(zhì)兩方面均能支撐中國社會經(jīng)濟永續(xù)發(fā)展的。

但是在新的電力能源結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性重大變化后，電力系統(tǒng)必須解決的面對電源與負荷間的實時平衡的難題，提出如何實現(xiàn)是擺在我們面前必須解決的這個最大難題的途徑［9］。

關(guān)于電力系統(tǒng)運行特性調(diào)節(jié)的問題，不能僅僅看作是儲能問題，這樣看就顯得過于膚淺。我們談儲能，本質(zhì)上討論的是：在電力系統(tǒng)中，實現(xiàn)由于供給側(cè)的系統(tǒng)發(fā)電負荷出力特性與需求側(cè)用電負荷的用電特性之間，必須實現(xiàn)實時平衡的問題，即本質(zhì)上是在任何瞬間，電源與負荷特性匹配平衡問題。因此，問題的解決，應(yīng)該從三個方面研究解決措施：一是供給側(cè)即發(fā)電電源側(cè)，二是需求側(cè)即電力用戶側(cè)，三是二者之間的儲能調(diào)節(jié)池。供給側(cè)措施實際上是一直以來就在發(fā)生作用的用電源自身的調(diào)節(jié)能力調(diào)節(jié)與負荷之間的實時平衡關(guān)系，水電、火電等都有這類功能；需求側(cè)措施最傳統(tǒng)常用的是我們早些時候熟悉的“拉閘限電”，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，是通過自動控制技術(shù)實現(xiàn)的用戶側(cè)“分時用電”［10］，即把一部分負荷的使用時間自動分配到用戶負荷水平最低時段使用；我們常說的“儲能”是屬于第三個方面的措施，如抽水蓄能電站［11］、化學(xué)電池儲能電站等等［12-14］。在傳統(tǒng)動力系統(tǒng)中，由于核電利用小時很高，可以提供大量的基荷，常規(guī)水電、火電所占比重較大，調(diào)節(jié)能力（火電最大調(diào)節(jié)能力可達到其出力裝機容量的近50%）很強，匹配以少量的抽水蓄能電站，系統(tǒng)維持發(fā)電負荷與用電負荷的實時平衡是有保障的。但是在風(fēng)電、光伏電占比很大而火電逐步退役其占比越來越小的雙碳目標(biāo)進程中，維護發(fā)用之間的實時平衡就越來越難，電力系統(tǒng)的調(diào)蓄能力不足的問題就越來越凸顯。

出路何在？筆者通過長期全方位的分析研究認為，將來主要依靠儲能調(diào)節(jié)、電源供電特性、負荷用電特性三大措施方面，電力發(fā)用特性實現(xiàn)實時平衡要求難題的解決的主要措施可能主要有三大類：

4.1 抽水蓄能

中國的自然資源成就了中國有大量的抽水蓄能建站資源，而且在當(dāng)今社會技術(shù)水平條件下，抽水蓄能的技術(shù)成熟度和電力轉(zhuǎn)換效率都是處于最高之列的，可開發(fā)規(guī)模巨大、轉(zhuǎn)換效率高、技術(shù)成熟、經(jīng)濟指標(biāo)適中，應(yīng)該排在優(yōu)先開發(fā)序列。

4.2 換電站

換電站是指：電動汽車的電池使用方式從傳統(tǒng)的充電模式轉(zhuǎn)化為換電（池）模式。根據(jù)前面已經(jīng)探討過的相關(guān)問題分析研究結(jié)論，未來在雙碳目標(biāo)指引下，交通運輸燃油替代所需的電力能源規(guī)模巨大，在將來交通工具用電池實現(xiàn)“小體積、大容量、快充電、標(biāo)準(zhǔn)化”時，與所有加油站配套甚至徹底代替加油站是歷史的必然。雖然每一個換電站容量較小，但是其總量巨大，必將成為未來電力系統(tǒng)儲能的主力之一［15］。

一般情況下，每一個加油站都可以增設(shè)一個換電站，由于隨著時間的推移，燃油交通工具逐步退出歷史舞臺，必將在不久的將來加油站逐步被換電站替代，換電站系統(tǒng)將成為最大的儲能系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計資料，2019年度中國擁有加油站總數(shù)為10萬6 556座。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，到2030年，中國的加油站（換電站）在2019年基數(shù)上翻一番，到達20萬座。而為了實現(xiàn)換電站最經(jīng)濟的運行模式，在科技進步的助力下，實現(xiàn)電力負荷低谷期和光伏發(fā)電最高峰期充電，可能需要設(shè)計3倍以上的倍比設(shè)置電池容量數(shù)量，如果平均1座換電站有10 MW高峰容量，系統(tǒng)總的調(diào)蓄容量就能得到2 TW。試問，還有什么儲能措施的規(guī)模能與之相比？

4.3 冗余裝機

冗余裝機的定義：實際裝機規(guī)模與需求裝機規(guī)模之比大于1，甚至比1高很多。比如，某一電力系統(tǒng)在確定時間段需要風(fēng)電裝機為100 GW，把實際裝機規(guī)模投產(chǎn)量達到130 GW，冗余裝機的冗余比就是1.3∶1，這種冗余裝機措施實施的前提，是該種類電源發(fā)電成本遠低于平價水平。如：在中國某一省市，當(dāng)?shù)貥?biāo)桿電價為0.40元/kWh，而風(fēng)電上網(wǎng)成本電價可以達到0.30元/kWh，為了改善風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電出力特性，可將該地區(qū)風(fēng)電冗余規(guī)模達到1.33∶1，這樣，把保證出力增加三分之一，棄掉約三分之一的系統(tǒng)難以調(diào)度使用的尖峰電量，既能實現(xiàn)項目投資的經(jīng)濟投入產(chǎn)出平衡，又能使發(fā)電側(cè)發(fā)電負荷出力特性得到大幅提升。這從當(dāng)前已經(jīng)顯現(xiàn)出來的風(fēng)光成本電價大幅降低的現(xiàn)實情況看，是完全具備規(guī)?；熬暗?。

其他儲能方式因為很難具有經(jīng)濟性條件下的規(guī)?；純H僅只能是系統(tǒng)調(diào)蓄的補充輔助角色。

抽水蓄能和換電站兩種儲能調(diào)節(jié)方式，都是要消耗能源的，且其耗能水平還不能忽略不計，因為其轉(zhuǎn)換效率為75%～80%，加之規(guī)模巨大，今后在實際的電力系統(tǒng)規(guī)劃工作中，應(yīng)把因儲能調(diào)節(jié)消耗的電能加進預(yù)測負荷中。

5 結(jié)論

1）雙碳目標(biāo)的本質(zhì)是零碳能源逐步代替排碳能源，代替的形式都是將零碳一次能源電力化，因此，必然引發(fā)新一代能源革命和相應(yīng)的全面的工業(yè)革命。

2）自然增長，燃油運輸替代性增長，生活及工業(yè)燃料替代性增長，燃油、燃氣、燃生物質(zhì)等替代性增長，這四個方面的電力負荷增長必將使得中國電力系統(tǒng)負荷、電源、電網(wǎng)超常規(guī)高速度發(fā)展，給電力供需平衡、電力系統(tǒng)智能化帶來極大的挑戰(zhàn)。

3）從全局看，水、風(fēng)、光、核四種主要的零碳能源資源能夠滿足中國的社會經(jīng)濟永續(xù)發(fā)展需求。

4）水、風(fēng)、光、核四種主要的零碳電力能源的高速開發(fā)將對包括中國的政策適應(yīng)性、新能源科技進步、投資開發(fā)強度、擴大的電力系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈、電力系統(tǒng)對新能源為主的電源結(jié)構(gòu)調(diào)度運維適應(yīng)性的認識與調(diào)整等諸多方面都極具挑戰(zhàn)性。

5）未來的能源世界一定是新能源唱主角的世界，新能源的高速發(fā)展期已經(jīng)來臨！

衷心期待中國的與清潔能源相關(guān)的政府部門、電網(wǎng)公司、研究機構(gòu)、從業(yè)企業(yè)共同積極推動技術(shù)進步，早日實現(xiàn)能源零碳化，服務(wù)中國，貢獻全球，為世界的清潔能源事業(yè)做出重大貢獻！