黃 強(qiáng)， 郭 懌， 江建華， 明 波

(西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710048)

工業(yè)革命以來，化石能源的開發(fā)利用加速了人類文明的發(fā)展.但一方面，化石燃料燃燒產(chǎn)生大量的CO2、SO2等氣體，導(dǎo)致全球氣溫升高，生態(tài)環(huán)境遭到破壞[1].另一方面，全球化石能源儲量有限，僅能滿足人來未來100年左右的需求[2]，且化石能源用于發(fā)電并不能完全發(fā)揮其價(jià)值.進(jìn)入21世紀(jì)，日益減少的化石能源儲量使世界各國有了能源危機(jī)意識，促進(jìn)了第三次能源革命，以水能、風(fēng)能和太陽能等為代表的清潔能源得到世界各國的青睞，被認(rèn)為是世界未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向.

中國是世界上最大的能源生產(chǎn)與消費(fèi)國, 也是CO2排放大國.2019年CO2排放量達(dá)9.8×109t，占全球26.6%.因此，中國的節(jié)能減排對于實(shí)現(xiàn)“全球平均氣溫較工業(yè)化前期上升幅度控制在2 ℃以內(nèi)”的巴黎協(xié)定具有重大意義.為應(yīng)對全球變暖，實(shí)施節(jié)能減排，我國提出了“CO2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”目標(biāo)[3-4].在當(dāng)前中國的碳排放結(jié)構(gòu)中，電力系統(tǒng)占比最高：2019年火電CO2排放量為4.16×109t，占總排放量的42.4%.因此，按照電力發(fā)展趨勢和節(jié)能減排要求，中國電力系統(tǒng)的綠色轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必由之路.

中國清潔能源儲量豐富，開發(fā)潛力巨大.其中，水能資源蘊(yùn)藏量約6.94×108kW，為世界之冠[5]，風(fēng)能(70 m高度)資源的理論蘊(yùn)藏量約為6.37×1010kW，太陽能資源理論蘊(yùn)藏量約為1.86×1012kW，合計(jì)1.92×1012kW，足以滿足中國未來的電力需求.雖然風(fēng)、光電具有強(qiáng)隨機(jī)性、間歇性和波動性，電網(wǎng)難以消納[6]，但是通過大規(guī)模水-風(fēng)-光-儲互補(bǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)行可彌補(bǔ)其不足.在清潔能源大規(guī)模開發(fā)利用方面，中國擁有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，其必要性與可行性表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

(1) 經(jīng)濟(jì)體量大，是目前世界第二大經(jīng)濟(jì)體，且發(fā)展迅速，經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展是電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綠色、清潔化轉(zhuǎn)型的重要基礎(chǔ).

(2) 風(fēng)能與太陽能存在天然的季節(jié)互補(bǔ)性.風(fēng)能資源在冬季較豐富，夏季較匱乏；而太陽能在冬季較匱乏，夏季則較豐富，風(fēng)、光能資源的互補(bǔ)性為中國未來清潔電力的穩(wěn)定生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件.

(3) 水能資源豐富，水電機(jī)組具有啟閉速度快、出力可調(diào)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是平抑風(fēng)、光出力隨機(jī)波動性的理想電源.近年來的實(shí)踐證明，水-風(fēng)-光-儲聯(lián)合運(yùn)行，能夠很好地滿足電力生產(chǎn)中清潔能源穩(wěn)定性需求[7-8].

(4) 除了常規(guī)水電，抽水蓄能電站是水電發(fā)展的重要方向.2019年，中國已規(guī)劃建設(shè)抽水蓄能電站1.2×108kW，抽水蓄能發(fā)電不受河川徑流變化影響，調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，將會為電網(wǎng)安全運(yùn)行提供重要的容量支撐[9].

(5) 隨著電化學(xué)、氫等儲能技術(shù)的進(jìn)步[10-11]，未來建成的大型儲能電站也將會在風(fēng)、光能源的消納中發(fā)揮舉足輕重的作用.

因此，中國新型電力系統(tǒng)的發(fā)展和建設(shè)應(yīng)以風(fēng)、光能為主的新能源為核心，常規(guī)水電、抽水蓄能和儲能作為風(fēng)、光電消納的補(bǔ)償電源，并逐步降低火電和核電在電力系統(tǒng)中的占比，構(gòu)建水-風(fēng)-光-儲互補(bǔ)協(xié)同運(yùn)行的綠色、清潔電力系統(tǒng)，響應(yīng)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)和電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展.

本文針對“雙碳”目標(biāo)下中國清潔電力的發(fā)展問題，在簡述電力發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，揭示中國清潔能源儲量及其特征.以2019為現(xiàn)狀年、2030為中期規(guī)劃水平年、2050為長期規(guī)劃水平年，預(yù)測中長期電力需求.依據(jù)電力電量平衡原理，估算中長期規(guī)劃水平年電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，并分析未來電力行業(yè)碳排放趨勢.本文旨在為以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)發(fā)展對策的制定提供學(xué)科依據(jù)和參考.

1 世界電力發(fā)展趨勢

隨著全球氣候變暖、環(huán)境污染、化石燃料儲量下降以及核廢料排放、核事故等問題的出現(xiàn)，當(dāng)今世界各國基本確立以新能源發(fā)電為主導(dǎo)的電力發(fā)展戰(zhàn)略.世界發(fā)達(dá)國家在能源轉(zhuǎn)型中堅(jiān)持科技創(chuàng)新為先行，并制定了有關(guān)清潔再生能源發(fā)展政策和戰(zhàn)略計(jì)劃，以指引新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.其核心是逐步淘汰電力系統(tǒng)中的火電、核電，同時(shí)不斷增加水風(fēng)光等清潔電力占比.

(1) 火電.目前，部分發(fā)達(dá)國家已經(jīng)宣布放棄火電(見表1).瑞典2020年放棄火電，是淘汰火電時(shí)間最早的國家之一；法國宣布2023年完全依賴清潔能源供電；2019年，英國的清潔能源發(fā)電量已經(jīng)超過化石燃料發(fā)電，到2025年完全依賴清潔能源供電；德國于2000年通過《可再生能源法》，以法律形式定調(diào)未來50年的新能源發(fā)展，到2038年完全依賴清潔能源供電.

表1 部分國家淘汰火電時(shí)間Tab.1 Time to phase out thermal power of some countries

(2) 水電.挪威、美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家水能資源開發(fā)利用率較高[12].其中挪威水力發(fā)電占99.5%，是世界上水電比例最高的國家[13].

(3) 風(fēng)電.丹麥?zhǔn)鞘澜缟献钤绨l(fā)展風(fēng)力發(fā)電的國家，其風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在全球處于領(lǐng)先地位，風(fēng)力發(fā)電占全國總發(fā)電量的50%左右[13].

(4) 光電.德國的太陽能發(fā)電在技術(shù)創(chuàng)新、國家政策方面都處于領(lǐng)先地位，2019年光電占全國總發(fā)電量的7.7%[14].

(5) 核電.核電在20世紀(jì)60年代至20世紀(jì)80年代得到快速發(fā)展.但在切爾諾貝利事故(1986年)和福島核電站事故(2011年)后，部分國家決定逐漸淘汰核電.日本2018年宣布在2030年前徹底放棄核電，并在2050年之前實(shí)現(xiàn)全面脫碳[15].德國于2011年正式宣布放棄核能發(fā)電，并計(jì)劃于2022年關(guān)閉所有核電廠[16].除此之外，瑞士、意大利和韓國也都宣布全面取消新建核電站，逐漸走向零核電時(shí)代.

近十年來，中國清潔電力發(fā)展迅速，風(fēng)、光電在電力系統(tǒng)中的占比不斷上升.但與挪威、英國、德國、丹麥等發(fā)達(dá)國家相比，仍存在火電占比高、水電開發(fā)利用率低等問題.因此，應(yīng)大力發(fā)展清潔電源，逐漸壓縮火電與核電，建設(shè)清潔、低碳、高效的新型電力系統(tǒng).

2 中國清潔能源儲量及電價(jià)分析

中國幅員遼闊，各地能源結(jié)構(gòu)存在差異，清潔電力的發(fā)展應(yīng)遵循因地制宜的原則，需充分了解清潔能源在全國各地的儲量情況，與時(shí)俱進(jìn)地發(fā)揮當(dāng)?shù)靥厣茉吹膬?yōu)勢.

2.1 清潔能源儲量

中國水、風(fēng)、光等清潔能源儲量豐富，技術(shù)可開發(fā)總量達(dá)15.687 TW，如表2所示.

表2 中國水、風(fēng)、太陽能資源儲量Tab.2 Hydro, wind, and solar energy reserves of China

(1) 水能.中國水能資源技術(shù)可開發(fā)量達(dá)到 0.687 TW，居世界首位[5].以電量計(jì)，可開發(fā)的水能資源占世界總量的15%.水能資源主要集中在西南、西北地區(qū)，占總量的82.5%.

(2) 風(fēng)能.中國疆域遼闊，海岸線長，風(fēng)能資源豐富.70 m高度年平均風(fēng)功率密度為232.4 W/m2，技術(shù)可開發(fā)量達(dá)到5 TW，主要分布在三北(西北、華北和東北)地區(qū)、青藏高原、云南、廣西以及浙江沿海等地.

(3) 太陽能.太陽能資源理論儲量約1 860 TW，技術(shù)可開發(fā)量達(dá)10 TW.但資源分布地區(qū)差異較大，總體上呈現(xiàn)高原、干旱地區(qū)儲量多，平原、多雨地區(qū)儲量少的特點(diǎn).

中國水、風(fēng)、光清潔能源儲量豐富，技術(shù)可開發(fā)總量裝機(jī)15.687 TW、年電量 25 870 TW·h，清潔能源儲量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國家電力需求，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)綠色轉(zhuǎn)型切實(shí)可行.此外，中國水、風(fēng)、光清潔能源均居世界首位，但多集中于西部地區(qū).為滿足東部經(jīng)濟(jì)發(fā)展的電力需求，“西電東送”已成為國家電力發(fā)展戰(zhàn)略.

2.2 電價(jià)分析

近十年來，風(fēng)電、光電隨著建設(shè)成本以及發(fā)電成本的大幅下降，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了平價(jià)上網(wǎng)，財(cái)政補(bǔ)貼缺口正逐漸縮小.根據(jù)文獻(xiàn)資料得到中國目前和未來水平年水、風(fēng)、光、儲電站電價(jià)[17-19]，如表3所示.可以看出，隨著風(fēng)電、光電開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)電成本顯著下降，清潔電力的經(jīng)濟(jì)性將遠(yuǎn)超化石能源發(fā)電.

表3 中國目前及未來水平年水、風(fēng)、光、儲電站電價(jià)

3 未來水平年中國電力需求分析

3.1 2019年電力現(xiàn)狀分析

圖1所示為中國近十年各類型發(fā)電裝機(jī)以及發(fā)電量的變化過程.可知：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、電力需求持續(xù)增長，各類型的電源裝機(jī)都以不同速度增長，且火電裝機(jī)和發(fā)電量的占比逐年降低.2019年中國電力構(gòu)成如表4所示，總裝機(jī)容量2.01 TW，發(fā)電量 7 326.6 TW·h，相比2009年分別增長130%和99%.

表4 2019年中國電力構(gòu)成Tab.4 Eectric power structure of China in 2019

圖1 2009—2019年中國發(fā)電總裝機(jī)與總發(fā)電量Fig.1 Total installed capacity and total energy production of China in 2009—2019

此外，中國電力需求的增長速率與GDP增速密切相關(guān)(見圖2)，隨著GDP增速放緩，總用電量的增速也由10%以上降至5%左右.因此，可以預(yù)見，未來用電量的增速也將與經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度呈正相關(guān)關(guān)系.

圖2 中國電力需求與GDP增長情況Fig.2 Electricity demand and GDP growth of China

3.2 中長期電力需求預(yù)測

據(jù)測算，中國2020—2049年間的GDP年均增長率需達(dá)到5.0%，才能實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化強(qiáng)國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)目標(biāo)[20-21].依據(jù)現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)增長水平，對未來年均GDP增長率分階段規(guī)劃：2020—2030年、2030—2040年及2040—2050年年均GDP增長率分別為5.7%、5.0%及4.3%.在全社會電氣化加速改革的背景下[22-23]，用電技術(shù)的不斷提高和電力市場的完善使得電能在最終用能環(huán)節(jié)的競爭力顯著提升，加之電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和普及[24-25]，推動了未來電力需求的持續(xù)增長.綜合考慮當(dāng)前電力需求增長速率、未來GDP增速持續(xù)放緩、節(jié)能意識和技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步[26]等因素，預(yù)計(jì)2020—2030年、2030—2035年、2035—2040年、2040—2045年及2045—2050年的電力需求年平均增長率分別為3.5%、3.0%、2.0%、1.5%及1.0%.

依據(jù)現(xiàn)狀年電力需求及未來各階段電力需求年均增長率，采用趨勢外推法計(jì)算得到未來電力需求結(jié)果，如圖3所示.其中，2030和2050水平年的電力年最大負(fù)荷將分別達(dá)到1.73 TW和2.51 TW，年電量需求 10 200和 14 700 TW·h.該預(yù)測結(jié)果與張寧等[23]采用長期能源替代規(guī)劃系統(tǒng)(LEAP)模型預(yù)測得到的中國未來電力需求結(jié)果基本一致.

圖3 未來30年中國電力需求預(yù)估Fig.3 Projected energy demand of China in the next 30 years

4 中長期電力電量平衡及碳排放估算

近年來，中國火力發(fā)電居高不下，燃煤排放出大量CO2以及大量細(xì)顆粒物(PM2.5)等有害物質(zhì)，危害巨大.因此，加快綠色、清潔電力的發(fā)展，是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的重要保障.

4.1 各類型電源發(fā)電特點(diǎn)及年利用小時(shí)數(shù)分析

(1) 各類型電源發(fā)電特點(diǎn)如表5所示.

表5 各類型電源發(fā)電特點(diǎn)Tab.5 Characteristics of each type of power source

(2) 年利用時(shí)間分析.

受電網(wǎng)負(fù)荷、季節(jié)更替、天氣條件、徑流條件及電站特性等復(fù)雜因素共同影響，不同電源的發(fā)電效益不同.通常采用年利用時(shí)間來衡量電站的發(fā)電效益(見圖4).可以看出，火電和核電的年利用時(shí)間較高，且隨著日益增加的風(fēng)、光等新能源電站并網(wǎng)發(fā)電，其年利用時(shí)間存在明顯下降.隨著大型水電系統(tǒng)的完善和調(diào)度技術(shù)的提高，水電年利用時(shí)間逐漸提升并趨于穩(wěn)定.風(fēng)、光電易受天氣條件影響，年利用時(shí)間較低.考慮未來風(fēng)、光電站開發(fā)技術(shù)及儲能技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)置2030和2050水平年各類型電站年利用時(shí)間，如表6所示.

表6 未來水平年各類型電站年利用時(shí)間(h)Tab.6 Annual utilization time of different power sources in future planning years (h)

圖4 各類型電站年利用時(shí)間Fig.4 Annual utilization time of various power sources

4.2 電力電量平衡原理

電力電量平衡是電力系統(tǒng)確定規(guī)模的依據(jù)，其基本原理是系統(tǒng)各類發(fā)電裝機(jī)大于等于年最大負(fù)荷加備用容量，系統(tǒng)各類電站的年發(fā)電量等于預(yù)測用電量.電力電量平衡計(jì)算公式如下：

(1)

(Zsphsp/ηsp-Zsphsp)

(2)

式中：Lmax為年最大負(fù)荷；δ為電力裝機(jī)備用率(包括事故備用、檢修備用和負(fù)荷備用等)，本文δ=0.2；Zi為第i類電源的裝機(jī)容量；C為年電量需求；hi為第i類電源的年利用時(shí)間；Ew和Ep分別為風(fēng)電和光電的年發(fā)電量；λ為棄風(fēng)、棄光限電水平；ηs為儲能電站利用效率，ηs=0.98；Zsp為抽水蓄能電站裝機(jī)容量；hsp為抽水蓄能電站年利用時(shí)間；ηsp為抽水蓄能電站利用效率，ηsp=0.7.值得一提的是，抽水蓄能電站和儲能電站僅能為電網(wǎng)帶來裝機(jī)效益，自身不產(chǎn)生電能，且抽水消耗的電能比發(fā)電大.

若式(1)滿足，則滿足電力平衡；若式(2)滿足，則滿足電量平衡.可靠、穩(wěn)定、安全的電力系統(tǒng)必須滿足以上兩個(gè)條件，即滿足電力電量平衡.

4.3 2030規(guī)劃水平年電力電量平衡分析

預(yù)計(jì)2020—2030年，中國新能源產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，風(fēng)、光新能源規(guī)模將保持13%～15%的增長速率，水能資源開發(fā)利用率將達(dá)到65%，生物質(zhì)能、潮汐能等清潔能源也將得到快速發(fā)展.此外，預(yù)計(jì)2030年儲能電站規(guī)模需滿足10%棄風(fēng)、棄光限電水平[27]，規(guī)模達(dá)到0.14 TW/(0.403 TW·h).

2030年，預(yù)測最大負(fù)荷1.73 TW，所需電力裝機(jī)2.08 TW、電量 10 200 TW·h.假設(shè)火電能夠被風(fēng)電、光電等清潔電源部分取代.通過電力電量平衡計(jì)算，結(jié)果如表7所示.

表7 2030水平年電力電量平衡計(jì)算表

可以看出，2030年總裝機(jī)將達(dá)到3.81 TW，總發(fā)電量 10 200 TW·h，滿足電力電量平衡需求.其中，清潔電力裝機(jī)達(dá)到2.61 TW，大于 2.25 TW 裝機(jī)需求，但電量 0.517 TW·h，不能滿足1.02 TW·h的電量需求.因此，2030年仍需保留火電裝機(jī) 1.2 TW，與現(xiàn)狀年基本持平，電力生產(chǎn)仍是化石能源與清潔能源協(xié)同完成，火電在保障電力安全方面仍發(fā)揮基礎(chǔ)性的作用[28].2030年各類型電站平均年利用時(shí)間為 2 677 h，相比2019現(xiàn)狀年的 3 645 h減少26.6%.與火電、核電相比，風(fēng)、光電站發(fā)電效率較低，年利用時(shí)間較低.隨著火電占比逐漸減小，為滿足電量需求，清潔電力裝機(jī)快速增長，進(jìn)而造成系統(tǒng)各類型電站平均年利用時(shí)間下降.需要說明的是，2030年不可能全部廢棄火電，一是短時(shí)間廢除不經(jīng)濟(jì)，對社會穩(wěn)定不利；二是清潔電力的開發(fā)能力與速度不容許.

各類型電站裝機(jī)占比及發(fā)電量占比如圖5所示，由圖5看出，清潔電力裝機(jī)占比超過65%，發(fā)電占比超過50%.與國家“十四五”電力發(fā)展規(guī)劃2025、2035年比較，結(jié)果基本一致，表明了本研究結(jié)果的合理性與可靠性.

圖5 2030水平年中國各類電站裝機(jī)占比及發(fā)電量占比Fig.5 Proportion of installed capacity and energy production of different power sources of China in the palnning year of 2030

綜上所述，2030年之前，風(fēng)電、光電等新能源發(fā)展迅速，但火電在電力系統(tǒng)中仍占比最大，多數(shù)風(fēng)電、光電的消納任務(wù)可由水電與抽水蓄能電站共同承擔(dān)，進(jìn)而為儲能電站的技術(shù)進(jìn)步和健康發(fā)展提供時(shí)間保障.

4.4 2050規(guī)劃水平年電力電量平衡分析

2030—2050年，中國新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，規(guī)模持續(xù)增大，預(yù)計(jì)新能源裝機(jī)以年均7%～8%的速度增長，火電在電力系統(tǒng)的占比將持續(xù)降低且裝機(jī)容量逐漸下降[29].核電雖屬清潔能源，但其安全性存在隱患，借鑒發(fā)達(dá)國家經(jīng)驗(yàn)核電站也將逐漸被風(fēng)、光等新能源取代.2050年，中國水能資源開發(fā)利用率將達(dá)到80%.風(fēng)、光清潔電力裝機(jī)規(guī)模大幅度增加，而常規(guī)調(diào)節(jié)電源容量下降，電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行需要配備更多的儲能設(shè)施.綜合考慮風(fēng)電、光電預(yù)測與調(diào)控技術(shù)的進(jìn)步[30]、電網(wǎng)智能化發(fā)展[31-32]、電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)和大規(guī)模儲能技術(shù)的進(jìn)步，以及未來電動汽車V2G技術(shù)普及對電網(wǎng)帶來的正面影響[25]，預(yù)估儲能電站規(guī)模需滿足25%的棄風(fēng)、棄光限電水平，裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1.07 TW/3.02 TW·h.

2050年，預(yù)測最大負(fù)荷2.51 TW、所需電力裝機(jī)3.01 TW、電量 1 4700 TW·h.假設(shè)火電、核電能夠被風(fēng)電、光電等清潔電源全部取代，風(fēng)、光電通過水電、抽水蓄能和儲能電站消納.通過電力電量平衡計(jì)算，結(jié)果如表8所示.

表8 2050水平年電力電量平衡計(jì)算表

可以看出，2050年的總裝機(jī)達(dá)到9.28 TW，總發(fā)電量1.47 TW·h，滿足電力電量平衡需求.2050年各類型電站平均年利用時(shí)間進(jìn)一步降至 1 584 h，與2019現(xiàn)狀年、2030水平年相比分別減少了56.5%和40.8%.2050年，火電和核電將被水電、風(fēng)電和光電等清潔電力全部取代，電力系統(tǒng)的備用容量可由水電、抽水蓄能和儲能電站來提供，從而實(shí)現(xiàn)100%依靠清潔能源的電力生產(chǎn)，由此完成電力結(jié)構(gòu)的綠色轉(zhuǎn)型.

各類型電站裝機(jī)及發(fā)電量占比如圖6所示，由圖6可以看出：水電(含抽水蓄能)裝機(jī)占比9.8%，電量占比13.7%；風(fēng)電裝機(jī)占比36.6%，電量占比47.9%；光電裝機(jī)占比40.9%，電量占比33.1%；生物質(zhì)能、潮汐能等裝機(jī)占比1.6%，電量占比5.2%；儲能裝機(jī)占比11.5%.國家“十四五”電力發(fā)展規(guī)劃2050年總裝機(jī)達(dá)到6.01 TW，總發(fā)電量 14 300 TW·h，其中清潔電力裝機(jī)5.36 TW，占比89.5%，電量 13 000 TW·h，占比90.9%；仍保留火電、核電裝機(jī)0.403、0.177 TW，占比9.7%，電量 2 040 TW·h，占比14.3%.

圖6 2050水平年中國各類電站裝機(jī)占比及發(fā)電量占比Fig.6 Proportion of installed capacity and energy production of different power sources of China in the palnning year of 2050

研究結(jié)果表明，2050年火電和核電被清潔電力全部取代，與“十四五”電力發(fā)展規(guī)劃相比，思路超前，結(jié)果符合世界電力發(fā)展趨勢以及“雙碳”驅(qū)動下的發(fā)展目標(biāo)，僅供國家有關(guān)部門參考.

4.5 未來水平年中國電力CO2排放量分析

依據(jù)中國未來碳排放規(guī)劃[33]，2019現(xiàn)狀年火電CO2排放水平(0.841 kg/(kW·h))、2030和2050水平年電力電量平衡結(jié)果，估算了未來電力碳排放量，并繪制了中國未來CO2排放量趨勢圖，如圖7所示.由圖7可知：2027年中國火電電量達(dá)到峰值，約為 5 310 TW·h.同時(shí)，電力行業(yè)CO2排放量也將于2027年達(dá)到峰值，約為4.47×109t，符合中國“2030年前碳達(dá)峰”的規(guī)劃目標(biāo).中國將于2028年首次實(shí)現(xiàn)清潔能源電量增量大于電量需求增量.2030年后，火電將加速被水電、風(fēng)電和光電等清潔電力取代，電力系統(tǒng)的CO2排放量也將加速降低.

圖7 中國未來CO2排放趨勢圖Fig.7 Projected changing trend of China’s future CO2 emissions

到2050年，伴隨電力結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型的完成，中國電力行業(yè)將實(shí)現(xiàn)CO2的“零排放”，進(jìn)而為兌現(xiàn)中國“2060年實(shí)現(xiàn)碳中和”的承諾做出貢獻(xiàn).

5 發(fā)展對策與建議

在中國“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動下，未來中國大規(guī)模發(fā)展清潔電力勢在必行，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面不但具有必要性而且存在可行性.本文通過對中國新型電力系統(tǒng)發(fā)展對策的研究，闡述了世界電力發(fā)展趨勢，預(yù)測了中長期電力需求，依據(jù)電力電量平衡原理估算了規(guī)劃水平年電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成等，得出如下發(fā)展對策與建議.

5.1 發(fā)展對策

(1) 必要性.清潔能源是未來世界電力發(fā)展方向.中國是世界上最大的電力生產(chǎn)與消費(fèi)國，為了實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”承諾，必須走電力系統(tǒng)的綠色轉(zhuǎn)型之路.

(2) 可行性.中國水、風(fēng)、光等清潔能源儲量豐富，地域廣，開發(fā)利用技術(shù)基本成熟，具備在未來大規(guī)模發(fā)展清潔電力的前提條件.雖然風(fēng)電、光電具有強(qiáng)隨機(jī)性、間歇性和波動性，電網(wǎng)難以消納，但是通過大規(guī)模水-風(fēng)-光-儲互補(bǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)行可彌補(bǔ)其不足.

(3) 2030規(guī)劃水平年.清潔電力裝機(jī)容量和發(fā)電量分別占總裝機(jī)和總發(fā)電量的65%、50%以上，配套的儲能電站規(guī)模達(dá)0.14 TW/(0.403 TW·h)，但不可全部廢除火電.一是短時(shí)間廢除不經(jīng)濟(jì)，對社會穩(wěn)定不利；二是清潔電力的開發(fā)能力與速度不容許.

(4) 2050規(guī)劃水平年.隨著水、風(fēng)、光等清潔電力的進(jìn)一步發(fā)展，水電、儲能和抽水蓄能電站在電網(wǎng)運(yùn)行中將承擔(dān)調(diào)峰和風(fēng)、光電消納任務(wù)，火電、核電將被清潔電力全部取代，屆時(shí)中國將建成水-風(fēng)-光-儲等電源結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，完成電力結(jié)構(gòu)的綠色轉(zhuǎn)型.

5.2 建議

(1) 加快清潔電源的規(guī)劃和建設(shè).水電開發(fā)利用程度從當(dāng)前的47%到2050年的80%以上.2030年前風(fēng)、光電開發(fā)增速保持在13%以上，2030至2050年保持在7%以上，以確保2050年實(shí)現(xiàn)電力結(jié)構(gòu)的綠色轉(zhuǎn)型目標(biāo).

(2) 大力發(fā)展抽水蓄能電站、儲能電站、潮汐能和生物質(zhì)能發(fā)電.實(shí)現(xiàn)2030、2050年儲能電站規(guī)模能夠分別匹配10%、25%棄電限電水平.同時(shí)，生物質(zhì)能等電源發(fā)電量占比分別達(dá)到2.5%和5%，構(gòu)建多元化、清潔化電力生產(chǎn)系統(tǒng).

(3) 逐步關(guān)?；痣?從現(xiàn)在開始不再規(guī)劃、立項(xiàng)火電項(xiàng)目.2030年以后，當(dāng)火電投資回收后，不再利用，成熟一個(gè)關(guān)停一個(gè)，到2050年實(shí)現(xiàn)全部關(guān)?；痣?

(4) 謹(jǐn)慎利用核電.從安全性考慮，從現(xiàn)在開始減少核電規(guī)劃、立項(xiàng)項(xiàng)目，對過去已建核電，一旦有安全隱患，堅(jiān)決關(guān)停.2030年開始同步減小核電規(guī)模，到2050年基本關(guān)停核電.

(5) 電力行業(yè)作為中國的碳排放“大戶”，需緊抓當(dāng)前電力系統(tǒng)綠色轉(zhuǎn)型的歷史機(jī)遇，加速推進(jìn)低碳化、清潔化電力系統(tǒng)的建設(shè)，爭取分別于2027、2050年實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)的碳達(dá)峰、碳中和.

需說明的是，本文所采用的部分?jǐn)?shù)據(jù)難以準(zhǔn)確預(yù)估，因此采用的是情景設(shè)置值，據(jù)此所得到的計(jì)算結(jié)果可能與未來實(shí)際情況有所偏差.另外，限于篇幅，本文主要探討了“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)下未來電力系統(tǒng)各類型電源的裝機(jī)容量、發(fā)電量與用電需求的平衡，而未從系統(tǒng)運(yùn)行層面進(jìn)行供需平衡分析，未來仍需做進(jìn)一步研究.本文在此拋磚引玉，所采用的研究思路、結(jié)論以及建議供各界學(xué)者參考.