周原冰，楊方，余瀟瀟，江涵

(1. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織，北京 100031；2. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)集團有限公司，北京 100031)

0 引言

為應(yīng)對氣候變化和加速能源清潔低碳轉(zhuǎn)型，世界各國陸續(xù)提出碳中和目標[1]。中國提出的碳達峰目標與碳中和愿景，是中國現(xiàn)代化建設(shè)的重要內(nèi)容，對加快促進生態(tài)文明建設(shè)、保障能源安全供應(yīng)、推動經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級、引領(lǐng)應(yīng)對氣候變化具有重大意義。實現(xiàn)碳達峰、碳中和（雙碳）是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，是中國生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容和戰(zhàn)略抓手，為中國構(gòu)建新發(fā)展格局，加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和科技創(chuàng)新提供新機遇，具有重大研究價值。中國已陸續(xù)發(fā)布《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念 做好碳達峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達峰行動方案》《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機制和政策措施的意見》等多項重要政策文件，提出了2030年非化石能源消費比重達到25%左右，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降65%以上，2060年非化石能源消費比重達到80%以上的約束性目標。實現(xiàn)雙碳目標涉及電力、工業(yè)、交通、建筑、碳匯等各個行業(yè)，需要站在經(jīng)濟社會發(fā)展全局落實中央部署，各行業(yè)碳達峰行動將陸續(xù)出臺。既要認識到雙碳目標的重要性，也要認識到其復(fù)雜性，目前仍有很多問題值得研究。

實現(xiàn)中國碳中和目標關(guān)鍵是構(gòu)建綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系和清潔低碳安全高效的能源體系。圍繞能源和電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，很多學(xué)者對減排路徑、模型開發(fā)及政策設(shè)計進行了相關(guān)研究。減排路徑方面，主要圍繞政策情景、強化政策情景、2℃和1.5℃溫控目標下中國全社會長期碳排放路徑展開分析[2]；模型研究方面，MARKALMACRO 模 型[3]、TIMES 模 型[4]、C-GEM 模 型[5]、C3IAM/NET模型[6]、MESSAGE模型[7]等為中長期減排路徑和策略研究提供了科學(xué)支撐；電力行業(yè)減排方面，主要針對雙碳目標下電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型路徑和成本以及新型電力系統(tǒng)框架進行了系統(tǒng)研究[8-10]。

中國實現(xiàn)雙碳目標是一項系統(tǒng)性工程，包括能源、電力、工業(yè)、交通、建筑、森林碳匯、碳捕集利用與封存等各個領(lǐng)域，是多重目標、多重約束下的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，圍繞以新型電力系統(tǒng)為核心的能源轉(zhuǎn)型變革，需要統(tǒng)籌碳減排與安全發(fā)展、近期目標與遠期規(guī)劃等方方面面的關(guān)系。針對如何立足全社會轉(zhuǎn)型成本更低，在全行業(yè)視角研究能源和電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型問題，目前仍是研究的空白和難點。基于此，本文將能源-氣候-環(huán)境綜合評估模型與電力規(guī)劃模型耦合，研究提出全社會轉(zhuǎn)型成本最優(yōu)下，中國實現(xiàn)碳中和的整體路徑；對這一路徑下中國能源電力如何轉(zhuǎn)型進行展望分析，提出相應(yīng)的路線圖；分析能源電力轉(zhuǎn)型過程中如何處理好減排速度和節(jié)奏、電力系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)型成本和疏導(dǎo)3個關(guān)鍵問題，以期為能源電力行業(yè)各方探討和推動雙碳目標提供參考。

1 碳中和思路及中國能源互聯(lián)網(wǎng)減排機理

1.1 中國碳中和減排機理

根據(jù)IPCC相關(guān)報告中定義[11]，碳中和是指特定時期內(nèi)人為源的二氧化碳排放和人為二氧化碳移除達到平衡時的狀態(tài)，也稱凈零排放。

根據(jù)中國溫室氣體清單數(shù)據(jù)，2014年中國溫室氣體排放總量（包括LULUCF）為111.86億t二氧化碳當量，土地利用、土地利用變化和林業(yè)的溫室氣體吸收碳匯為11.15億t二氧化碳當量[12]。實現(xiàn)中國碳中和目標，一方面是減少全社會碳排放，另一方面是增加負排放及碳匯能力。

碳排放卡雅（KAYA）驅(qū)動因素分解為

2014年，中國二氧化碳排放102.75億t，其中能源活動排放89.25億t，占比86.9%[12]。人口和經(jīng)濟增長是碳排放增長的主要驅(qū)動因素。1978—2018年，中國二氧化碳排放增長了83億t。從KAYA分解中可以看出能源碳排放強度和能源強度下降可以驅(qū)動碳減排。研究表明：1978—2018年期間中國能源強度下降對碳排放控制貢獻約80%，而能源碳排放強度下降貢獻僅有13%，未來有巨大的減排潛力[13]。能源碳排放強度主要受能源生產(chǎn)的清潔化和消費電氣化水平影響。研究表明，如果非化石能源占比達到70%，即使能源消費總量相比當前翻一番，能源碳排放強度仍可下降60%以上[14]。

因此，中國實現(xiàn)碳中和目標的總體思路是要在“一減一增”上下功夫，“減”是核心，“增”是兜底，如圖1所示?！耙粶p”是通過降低化石能源消費總量和能源碳強度減少碳排放[15]。“一增”是增加碳移除和負排放，通過碳捕集、利用與封存（CCS）將已經(jīng)排放的二氧化碳捕集封存起來，實現(xiàn)零排放；利用生物質(zhì)碳捕集封存（BECCS）、增加森林碳匯等方式增加固碳能力；利用直接空氣捕集吸收二氧化碳，提供負排放。

圖1 中國碳中和機理框架Fig. 1 China’s carbon neutralization mechanism framework

1.2 中國能源互聯(lián)網(wǎng)的減排思路

實現(xiàn)中國碳中和目標關(guān)鍵是構(gòu)建綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系和清潔低碳安全高效的能源體系?？紤]當前中國能源電力發(fā)展特點，能源轉(zhuǎn)型仍存在很大困難。一是中國資源稟賦以煤炭為主。2020年中國一次能源生產(chǎn)總量為40.8億t標準煤，其中原煤生產(chǎn)占比67.6%。煤炭主要用于電力生產(chǎn)，中國全口徑發(fā)電裝機容量約22億kW。其中，煤電裝機容量10.8億kW，占總裝機容量的比重為49.1%[16]。二是中國資源與負荷中心呈逆向分布，67%水能、90%風能、80%太陽能資源分布在西部北部，而負荷集中在東南沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。三是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)過程中，隨著可再生能源比重逐漸提高，電力系統(tǒng)的平衡和安全穩(wěn)定等問題日益突出，給能源安全供應(yīng)帶來新的挑戰(zhàn)。針對以上特點，需要提出符合中國國情的切實可行實現(xiàn)路徑。

中國能源互聯(lián)網(wǎng)減排思路包含“兩個替代（清潔替代和電能替代）、一個提高、一個回歸、一個轉(zhuǎn)化”。其中“清潔替代”通過能源供應(yīng)側(cè)以太陽能、風能、水能等清潔能源替代化石能源，逐步減少煤炭等化石能源燃燒使用；“電能替代”通過能源消費側(cè)以電代煤、以電代油、以電代氣、以電代初級生物質(zhì)能，擺脫化石能源依賴；“一個提高”通過提高電氣化水平和能源效率，促進節(jié)約用能，加速電能替代進程；“一個回歸”通過石油、天然氣等化石能源回歸其基本屬性，主要作為工業(yè)原料和材料使用，減少其燃燒使用；“一個轉(zhuǎn)化”通過清潔電力將二氧化碳、水、氮等物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氫、甲烷、甲醇和氨等燃料和原材料，實現(xiàn)二氧化碳的資源化、循環(huán)化利用，為生產(chǎn)生活提供能量與原材料，解決中國部分碳基資源問題。通過以上減排思路，實現(xiàn)化石能源消費總量控制并逐漸實現(xiàn)化石能源有序退出。

中國能源互聯(lián)網(wǎng)通過搭建“智能電網(wǎng)+特高壓電網(wǎng)+清潔能源”的能源開發(fā)、輸送和使用平臺，體現(xiàn)了新型電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和要求。新型電力系統(tǒng)是中國能源互聯(lián)網(wǎng)的核心形態(tài)，新能源大規(guī)模、快速度的安全可靠發(fā)展，需要加大力度規(guī)劃建設(shè)以大型風光電基地為基礎(chǔ)、以其周邊清潔高效先進節(jié)能的煤電為支撐、以穩(wěn)定安全可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系。因此建設(shè)互聯(lián)互通的大電網(wǎng)和大市場，實現(xiàn)能源配置網(wǎng)絡(luò)化，是促進清潔發(fā)展的核心途徑，可以有效解決中國資源配置不均及高比例可再生能源消納和波動性問題。

能源轉(zhuǎn)型過程中，安全保供始終是首要目標和先決條件，關(guān)鍵在于以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，科學(xué)統(tǒng)籌、先立后破、有序推進，處理好減排與發(fā)展、遠期與近期、新能源與化石能源、市場與政府等幾大關(guān)系。

2 中國碳中和路徑綜合評估方法

2.1 研究方法框架

模型框架方面，碳中和目標需要滿足中國能源、碳排放等約束性指標，同時涉及跨行業(yè)、跨領(lǐng)域、技術(shù)組合、資源評估、政策措施等方方面面，因此需要采用自上而下與自下而上相結(jié)合的綜合評估的方法。本文采用奧地利國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所開發(fā)的綜合評估模型MESSAGE[17]，并耦合宏觀經(jīng)濟模型、能源系統(tǒng)模型、土地利用模型、氣候系統(tǒng)模型，以及全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織自主開發(fā)的電力規(guī)劃模型開展碳中和路徑研究。

情景設(shè)計方面，按照全社會成本最低，兼顧發(fā)展和減排、整體和局部、長遠目標和短期目標原則，將能源電力減排置于全社會減排下進行分析，綜合評估優(yōu)化得到中國能源互聯(lián)網(wǎng)情景下中國全社會成本最優(yōu)的碳中和實現(xiàn)路徑，進而分析清潔低碳與安全保供要求下，不同減排路徑對全社會減排成本的影響；分析新型電力系統(tǒng)的平衡調(diào)節(jié)問題；分析用能成本變化及相應(yīng)的成本疏導(dǎo)問題。綜合能源評估模型框架和研究總體框架分別如圖2～3所示。

圖2 MESSAGE 綜合能源評估模型框架圖Fig. 2 Framework for MESSAGE integrated energy assessment model

圖3 中國碳中和實現(xiàn)路徑研究總體框架圖Fig. 3 Research framework for China’s carbon neutral realization pathways

2.1.1 能源系統(tǒng)模型

能源系統(tǒng)模型以滿足供能需求和成本最小為目標，以氣候變化、資源潛力、能源供需平衡、生產(chǎn)能力和能源系統(tǒng)存量變化為約束條件，綜合考慮資源開采、中間轉(zhuǎn)換、終端用能各個環(huán)節(jié)，以及工業(yè)[18]、交通[19]、建筑[20]領(lǐng)域用能技術(shù)效率和成本參數(shù)，對能源系統(tǒng)進行全局優(yōu)化，最終形成能源系統(tǒng)技術(shù)組合方案。

綜合評估模型目標函數(shù)為

式中：J為系統(tǒng)總成本；Cn,y為節(jié)點n在y年的系統(tǒng)成本；dy為貼現(xiàn)率；Rn,c,g,y為資源開采成本；En,c,g,y為資源開采量；分別為建設(shè)成本、固定運維成本和可變運維成本；為新增容量； 為活動水平；A為碳稅；為排放量；為土地利用成本；為土地使用量。

容量約束方面，實際活動水平不能超過所有年份的可用（及維護）容量總和，同時需要考慮技術(shù)容量因子影響。約束函數(shù)為

式中：dh為時間周期；為容量因子。

其他變量和約束參考MESSAGE使用手冊[21]。

2.1.2 電力系統(tǒng)模型

電力系統(tǒng)研究基于電力系統(tǒng)綜合優(yōu)化規(guī)劃模型[22]，以電力需求預(yù)測為基礎(chǔ)，結(jié)合中國能源互聯(lián)網(wǎng)跨省跨區(qū)資源配置優(yōu)勢，統(tǒng)籌考慮區(qū)域清潔能源的資源稟賦、分布和大型清潔能源基地布局，以滿足電力電量平衡、系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行要求和碳排放控制為約束，以經(jīng)濟性最優(yōu)、碳排放最低為目標，對各類電源裝機、各環(huán)節(jié)不同類型靈活性資源、輸電通道進行優(yōu)化規(guī)劃，通過各水平年8 760 h生產(chǎn)模擬驗證，量化分析中國綜合效益最優(yōu)的電力互聯(lián)方案。通過開展電力供應(yīng)經(jīng)濟性、輸電技術(shù)先進性、系統(tǒng)運行可靠性等綜合評估，推薦電力系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃方案，如圖4所示。

圖4 電力規(guī)劃框架圖Fig. 4 Framework for power planning

電源規(guī)劃目標函數(shù)為

式中：Hj為規(guī)劃期T內(nèi)j國電源裝機總費用的現(xiàn)值為初始投資費用；為投資折余；為燃料費；為運維費；為停電損失費；t為計算時刻。

電量消費及電源規(guī)劃結(jié)果作為能源系統(tǒng)模型的輸入與其他能源部門（工業(yè)、交通、建筑）共同優(yōu)化，分析電力系統(tǒng)在全社會實現(xiàn)碳中和目標約束下的減排路徑、減排經(jīng)濟性和轉(zhuǎn)型中的關(guān)鍵問題。

2.2 邊界條件

綜合研判中國未來40年宏觀經(jīng)濟增長、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、人口城鎮(zhèn)化發(fā)展、能源電力消費變化以及中國2030年前碳達峰、2060年前碳中和目標，作為中國碳中和實現(xiàn)路徑的主要邊界條件。主要包括電力需求、能源消費總量、非化石能源消費占比、碳強度、碳排放空間等國家承諾和約束條件（見表1和表2）。

表1 碳中和實現(xiàn)路徑約束條件Table 1 Main constraints for carbon neutral realization pathways

表2 碳中和實現(xiàn)路徑主要宏觀發(fā)展指標Table 2 Main macro development indicators of carbon neutral realization pathways

3 中國全社會及能源電力碳中和路徑展望

在全球綜合評估模型MESSAGE[17]中詳細刻畫中國能源電力數(shù)據(jù)，統(tǒng)籌考慮能源消費總量、電力需求預(yù)測及碳排放約束等邊界條件，按照全社會成本最低，得出中國全社會碳中和路徑、能源轉(zhuǎn)型路徑和電力脫碳路徑。需要指出，在實際演化過程中，隨著政策導(dǎo)向、約束條件和技術(shù)組合不同，能源電力可能會有不同的脫碳路徑，本文呈現(xiàn)的是基于2.2節(jié)邊界條件得出的一個代表性路徑，在減排成本和用能成本變化方面通過多情景進行了敏感性分析。

3.1 全社會碳中和路徑

根據(jù)綜合評估模型結(jié)果分析，中國2060年前全社會實現(xiàn)碳中和路徑總體可按盡早達峰、快速減排、全面中和三個階段推進，如圖5所示。

圖5 全社會實現(xiàn)碳中和路徑Fig. 5 Carbon neutral pathways of the whole society

第一階段：盡早達峰階段（2030年前）。全社會及能源活動碳排放達峰的核心是控制煤炭消費達峰。通過控制煤電規(guī)模達峰，新增能源需求主要由清潔能源滿足，實現(xiàn)化石能源消費達峰，中國可以在2028年左右實現(xiàn)全社會碳達峰，能源活動碳排放可以同步實現(xiàn)達峰。2030年碳強度相比2005年下降超過70%，提前兌現(xiàn)中國《巴黎協(xié)定》自主減排承諾[23]。盡早達峰、控制峰值將為后續(xù)實現(xiàn)碳中和目標、引領(lǐng)低碳轉(zhuǎn)型贏得更大主動。

第二階段：快速減排階段（2030—2050年）。碳排放達峰后到2035年呈現(xiàn)穩(wěn)中有降趨勢，2035年后進入快速下降階段。清潔能源增長速度和發(fā)展規(guī)模促進能源領(lǐng)域及全社會快速減排。通過建設(shè)中國能源互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)清潔能源優(yōu)化配置，加速能源系統(tǒng)脫碳速度。預(yù)計到2050年電力系統(tǒng)實現(xiàn)凈零排放，全社會碳排放下降約90%，2050年人均碳排放降至1.0 t，標志中國碳中和取得決定性成效。

第三階段：全面中和階段（2050—2060年）。以深度脫碳為基礎(chǔ)，通過碳捕集利用與封存、進一步增加林業(yè)碳匯，能源和電力生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)⑦M入負碳階段，預(yù)計2055年左右實現(xiàn)全社會碳中和。之后通過保持適度規(guī)模負排放，有效控制和減少中國累積碳排放量。2060年，能源活動剩余排放約9.6億t、工業(yè)生產(chǎn)過程排放4.3億t、廢棄物排放0.2億t、土地利用變化和林業(yè)碳匯10.5億t、碳移除約9.4億t，全社會凈排放為?5.8億t。

3.2 能源轉(zhuǎn)型路徑

能源供應(yīng)方面，非化石能源將逐步成為主導(dǎo)能源（見圖6）。2020—2030年，非化石能源比重從15.9%提高到30%左右。2030—2050年是清潔發(fā)展增速最快的階段，非化石能源比重每年提高2.2個百分點，到2050年達到75%。2060年，90%能源需求由非化石能源滿足，實現(xiàn)能源生產(chǎn)體系全面轉(zhuǎn)型。

圖6 一次能源消費總量及結(jié)構(gòu)Fig. 6 Primary energy demand by fuels

能源消費方面，電能將成為最主要的能源利用形式（見圖7）。2030年全社會用電量預(yù)計超過11萬億kW·h。2050年全社會用電量將達到16萬億kW·h，2030—2050年年均增速保持在2%的水平。2060年全社會用電量將達到17萬億kW·h，2050—2060年年均增速為0.6%。2030—2060年，中國工業(yè)、交通、建筑領(lǐng)域用能方式加快轉(zhuǎn)向以電能為主，累計增加用電量分別達到0.9萬億、2.3萬億、2.8萬億kW·h，全社會2/3的能源使用均為電能，實現(xiàn)能源使用體系全面轉(zhuǎn)型。

圖7 終端能源消費總量及結(jié)構(gòu)Fig. 7 Final energy demand by fuels

3.3 電力脫碳路徑

非化石能源發(fā)電裝機方面，2030年前新增電源裝機主要由非化石能源發(fā)電滿足，而后清潔電源逐漸替代已有化石能源發(fā)電電源。預(yù)計2030年、2050年、2060年中國電源總裝機將分別達到38億、75億和80億kW，非化石能源發(fā)電裝機和發(fā)電量比重持續(xù)上升。2019—2030年，非化石能源裝機年均增長1.6億kW，2030年達到25.7億kW。2030—2050年，非化石能源裝機年均增長2.2億kW，2050年達到68.7億kW。2050—2060年，非化石能源裝機年均增長0.81億kW，2060年達到76.8億kW，實現(xiàn)超過96%的電源裝機和發(fā)電量均由非化石能源承擔。

化石能源發(fā)電裝機方面，隨著非化石能源快速發(fā)展和碳減排要求，化石能源發(fā)電將加快退出。預(yù)計煤電裝機總量在2025年左右達峰，到2050年煤電裝機下降至3億kW左右。氣電主要作為調(diào)峰電源，2030年、2050年裝機分別為1.9億、3.3億kW，發(fā)揮化石能源發(fā)電的靈活調(diào)節(jié)和安全保障作用。除氣電外，抽水蓄能、燃氫發(fā)電、光熱發(fā)電、新型儲能等也將在未來新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮調(diào)峰作用。其中，2030年、2050年光熱裝機分別達到0.25億、1.8億kW；2050年氫電裝機將超過1億kW；2030年、2050年儲能容量將分別達到2.5億、9億kW（含抽水蓄能及新型儲能）。

電力互聯(lián)互通方面，通過擴大電網(wǎng)配置規(guī)模和范圍，轉(zhuǎn)變局部平衡的電力發(fā)展方式，加強中國國內(nèi)各區(qū)域間，中國與周邊國家間的互聯(lián)互通，中國電網(wǎng)將逐漸形成“西電東送、北電南供、跨國互聯(lián)”的發(fā)展格局。2030年，中國跨區(qū)跨省電力流將達到4.6億kW，跨國電力流約4 250萬kW；2050年，跨區(qū)跨省電力流進一步提升至6億kW，如表3所示。

表3 2050年中國跨國跨區(qū)電力流規(guī)模預(yù)測Table 3 Forecast of cross-border and inter-regional power flow in 2050萬kW

4 中國能源碳中和路徑方案及實施中的幾個關(guān)鍵問題

4.1 減排速度和節(jié)奏問題

實現(xiàn)碳達峰碳中和是一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，要在兼顧減排與發(fā)展、考慮行業(yè)轉(zhuǎn)型實際的基礎(chǔ)上，控制減排的速度與節(jié)奏。綜合來看，考慮到近期碳達峰與遠期碳中和雙重目標約束，既不能搞冒進式、運動式減碳，也不能把減排速度放得太慢，一定要把握好減排關(guān)鍵窗口期，為后期發(fā)展爭取主動。未來中國經(jīng)濟社會發(fā)展還需要一定的碳排放空間和低碳轉(zhuǎn)型時間，近期內(nèi)難以快速轉(zhuǎn)向下降趨勢，因此2030年前應(yīng)爭取盡早達峰，達峰后進入穩(wěn)中有降的階段。考慮到遠期碳中和目標的實現(xiàn)，2035年后應(yīng)進入快速減排階段。

多種因素都將對減排速度與節(jié)奏產(chǎn)生影響，當前研究主要關(guān)注達峰時間早晚、達峰峰值高低以及達峰后減排速度快慢，因此本文對不同達峰峰值、達峰時間和減排速度的多條路徑進行了比較分析，以期從全社會減排成本（指在未來排放逐漸減少的前提下模型計算得到的系統(tǒng)總成本）和效益的角度厘清不同減排路徑的區(qū)別，降低未來路徑選擇的不確定性與風險。

（1）達峰峰值。煤電裝機峰值將對碳排放峰值產(chǎn)生直接影響[24]。煤電裝機峰值控制在12億kW與14億kW兩條碳中和實現(xiàn)路徑的對比如圖8所示。隨著煤電定位從基荷電源向調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)變，煤電裝機利用小時數(shù)將有所下降。假設(shè)碳達峰前煤電裝機利用 小 時 數(shù)介于 3 500 ～4 500 h 之間，煤電排放因子不變。結(jié)果表明，煤電裝機峰值增加2億kW，將導(dǎo)致碳排放峰值增加6.0億～7.6億t，2020—2100年累積碳排放增長6.6%～7.0%，需利用碳移除技術(shù)額外減排138億～146億t二氧化碳，減排成本增加3.6萬億～3.8萬億元。因此煤電達峰峰值越低，越有利于全社會以更低成本實現(xiàn)雙碳目標。

圖8 煤電裝機規(guī)模對能源活動碳排放路徑影響Fig. 8 Influence of installed capacities of coal power on carbon emission pathways of energy activities

（2）達峰時間。碳達峰時間與碳中和實現(xiàn)難度密切相關(guān)。達峰時間滯后或?qū)⒃黾雍笃跍p排壓力，乃至增加減排成本。2030年前實現(xiàn)碳達峰的路徑和相對于2030年滯后2～4年達峰的路徑對比如圖9所示。結(jié)果表明，如果2030年前實現(xiàn)碳達峰，碳排放年均減排速率為10%，達峰后年均二氧化碳減排量約為4.1億t/年；如果滯后2～4年達峰，則達峰后的碳排放年均減排速率需要上升至11.5%～13.0%，年均二氧化碳減排量增長至5.0億～5.7億t/年，2020—2100年累積碳排放增加10%～16%，減排成本增加5萬億～8萬億元。

圖9 盡早達峰與滯后達峰對能源活動碳排放路徑影響Fig. 9 Influence of carbon peaking time on carbon emission pathways of energy activities

（3）減排節(jié)奏?？焖贉p排階段的減排速度同樣會影響減排成本。加速減排路徑與勻速減排路徑的對比如圖10所示。由圖10可以看出：加速減排路徑下，2035—2050年碳減排年均速率為10%，2050年全社會二氧化碳排放降至13.8億t；而勻速減排路徑下，2050年后全社會二氧化碳排放仍將超過30億t/年，2018—2100年累積碳排放增加425億t二氧化碳，額外增加減排成本超過10萬億元。

圖10 快速減排與線性勻速減排路徑對比Fig. 10 Comparison between rapid mitigation pathway and linear uniform mitigation pathway

4.2 電力系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)問題

新型電力系統(tǒng)具有“雙高雙峰”（高比例新能源發(fā)電、高度電力電子化，夏季用電高峰、冬季用電高峰）的運行特征，根據(jù)國際能源署研究報告，當新能源發(fā)電量占比超過40%，新能源對電力供應(yīng)的影響將成為電力系統(tǒng)面臨的最主要問題[25]。新能源為主體的電力系統(tǒng)供需雙側(cè)均面臨更大不確定性，在電力系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)上面臨更大挑戰(zhàn)。一是日內(nèi)調(diào)節(jié)困難大，新能源“大裝機、小電量”特性導(dǎo)致新能源小發(fā)時供應(yīng)不足、大發(fā)時消納困難，其出力的隨機波動性需要可控電源的深度調(diào)節(jié)能力予以抵消。二是季節(jié)性調(diào)節(jié)需求大，新能源發(fā)電與用電存在季節(jié)性不匹配，夏、冬季用電雙峰時新能源出力低，而春、秋季新能源大發(fā)時用電水平低。三是供需平衡調(diào)節(jié)難度大，消費側(cè)分布式電源與可調(diào)節(jié)負荷資源增加，終端用戶源-荷角色轉(zhuǎn)換隨機性變大，給供需平衡帶來新挑戰(zhàn)。解決電力平衡問題，需要以多元化思維合理挖掘調(diào)節(jié)資源潛力，以系統(tǒng)化思維統(tǒng)籌安排調(diào)節(jié)資源時序布局，并發(fā)揮綠氫的長時儲能作用，使電力平衡模式由“源隨荷動”向源網(wǎng)荷儲多元協(xié)調(diào)的更大時空尺度上的平衡轉(zhuǎn)變。

（1）多元化的調(diào)節(jié)資源。在電源側(cè)，積極開發(fā)建設(shè)水電龍頭電站，推進梯級水電優(yōu)化運行，加快抽蓄開發(fā)和水電抽蓄改造，加快推進煤電靈活性改造，積極推動氣電和燃氫發(fā)電發(fā)展。煤電作為基礎(chǔ)平衡調(diào)節(jié)電源，在一段時間以內(nèi)，依然是保障中國能源安全和電力供應(yīng)的“壓艙石”。隨著新能源快速發(fā)展，煤電將逐步科學(xué)退出，但轉(zhuǎn)型要堅持“先立后破”。煤電定位將從主體電源逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橥械妆９╇娫春挽`活性調(diào)節(jié)電源。在電網(wǎng)側(cè)，通過加強電網(wǎng)互聯(lián)，發(fā)揮資源互補、負荷錯峰等技術(shù)優(yōu)勢，提升網(wǎng)間支撐能力。在需求側(cè)，將需求側(cè)響應(yīng)資源統(tǒng)籌納入電力調(diào)度運行，如V2 G、電化學(xué)儲能、電制氫、虛擬電廠等，提高系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)能力。在儲能側(cè)，構(gòu)建超短時（超級電容、飛輪儲能）、小時級（抽水蓄能、電化學(xué)儲能）、長期（壓縮空氣、氫能）多時間尺度儲能體系。

（2）統(tǒng)籌調(diào)節(jié)資源的建設(shè)時序和布局。結(jié)合各階段各類儲能技術(shù)發(fā)展趨勢，采用電力系統(tǒng)全年8760 h逐小時精細化生產(chǎn)模擬方法，提出中國電力系統(tǒng)平衡資源布局建議。近中期，系統(tǒng)平衡資源主要來自電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)。到2030年，中國將建成調(diào)峰電源共4.4億kW，包括抽水蓄能1.2億kW、電化學(xué)儲能1.3億kW和燃氣發(fā)電1.9億kW，綜合采用需求側(cè)響應(yīng)、電網(wǎng)互聯(lián)等措施，提升系統(tǒng)平衡能力。遠期，電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、需求側(cè)、儲能側(cè)協(xié)同發(fā)力。到2050年，通過擴大電網(wǎng)互聯(lián)，充分調(diào)動需求側(cè)響應(yīng)資源，建設(shè)抽水蓄能、電化學(xué)儲能和氫儲能等，系統(tǒng)源、網(wǎng)、荷、儲各環(huán)節(jié)平衡資源規(guī)模將達到35億kW，進一步提升系統(tǒng)安全調(diào)節(jié)能力，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。屆時中國的系統(tǒng)平衡資源裝機結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 2050年中國系統(tǒng)平衡資源裝機結(jié)構(gòu)示意Fig. 11 Installed generator structure of system balancing resources in 2050

（3）發(fā)揮綠氫等電制燃料的長期儲能作用?？稍偕娏χ苽涞木G氫具有大規(guī)模儲能優(yōu)勢，能夠解決跨季節(jié)的長周期儲能問題。當電力系統(tǒng)中存在過剩電力或電力成本較低時，通過電解水制氫，能夠有效解決新能源大發(fā)時的消納問題。制備的綠氫作為儲能手段，可以進一步通過燃氣渦輪機燃燒發(fā)電，或通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能，在長時間尺度上實現(xiàn)電能的優(yōu)化配置，滿足實時平衡要求。目前，受設(shè)備造價、儲氫方式、設(shè)備利用率等因素制約，綠氫儲能系統(tǒng)成本為1萬～1.5萬元/kW；隨著系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率提高、設(shè)計制造工藝進步等，預(yù)計2030年綠氫儲能成本將降至0.7萬～1萬元/kW；2050—2060年，系統(tǒng)成本進一步下降至 6 000～8 500 元/kW[26]。預(yù)計到 2050 年，終端氫能用量將達到5 000萬t，在終端能源體系中占比7%～8%，其中800萬t氫用于提供季節(jié)性儲能和靈活性調(diào)節(jié)。到2060年，終端用氫達到6 000萬t，且100%為綠氫，電力系統(tǒng)儲能用氫達到1 500 萬 t，如圖 12 所示。

圖12 不同領(lǐng)域氫能消費量預(yù)測Fig. 12 Hydrogen energy consumption forecast in different sectors

4.3 轉(zhuǎn)型成本和疏導(dǎo)問題

從傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向新型電力系統(tǒng)過渡，需要付出一定的轉(zhuǎn)型成本，主要體現(xiàn)在綜合用電成本的上升。為解決這一問題，需要統(tǒng)籌設(shè)計市場機制與政策體系，合理疏導(dǎo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型成本，才能推動實現(xiàn)“雙碳”目標。

綜合用電成本將呈現(xiàn)先升后降趨勢。綜合用電成本包括發(fā)電成本、輸配電成本和系統(tǒng)靈活性成本。其中靈活性成本包括電化學(xué)儲能、抽水蓄能和燃氫發(fā)電成本，燃氣發(fā)電等靈活性資源成本計入發(fā)電成本。隨著技術(shù)發(fā)展，雖然新能源發(fā)電成本持續(xù)穩(wěn)步下降，但新能源消納帶來的輸配電成本與系統(tǒng)靈活性成本將會大幅增加。短期，綜合用電成本將明顯增加；中長期，各類投資和成本會逐步下降，綜合用電成本也將逐步下降。根據(jù)對電力系統(tǒng)投資成本的量化分析得到，從2020年到2060年，發(fā)電成本降幅逐步擴大，風電和光伏的造價分別下降50%和70%。保障高比例新能源消納的系統(tǒng)投資上升，其中系統(tǒng)靈活性成本隨新能源滲透率提升快速增長，占系統(tǒng)總投資比例增加15%～20%；輸配電成本隨電網(wǎng)投資持續(xù)增加，總體平穩(wěn)增長，電網(wǎng)安全性投資增加15%～20%，電網(wǎng)接入及補強投資增加20%～30%。目前全國綜合用電成本約0.58元/kW·h，到2030年，綜合用電成本將增加15%以上。碳達峰后，新能源發(fā)電占比加速增長，發(fā)電側(cè)的結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)型將扭轉(zhuǎn)綜合用電成本的上升趨勢，2018—2060年，電源、電網(wǎng)、靈活性資源及綜合用電成本趨勢如圖13所示。

圖13 2018—2060年電源、電網(wǎng)、靈活性資源及綜合用電成本趨勢Fig. 13 Trends of power source, grid, flexible resources,and comprehensive electricity cost from 2018 to 2060

電力成本疏導(dǎo)需要發(fā)揮市場機制的決定性作用，并建立健全能源電力綠色轉(zhuǎn)型政策體系。一是健全多層次統(tǒng)一電力市場體系。加快建設(shè)國家電力市場，引導(dǎo)全國、?。▍^(qū)、市）、區(qū)域各層次電力市場協(xié)同運行、融合發(fā)展，規(guī)范統(tǒng)一的交易規(guī)則和技術(shù)標準，推動形成多元競爭的電力市場格局。二是豐富市場交易品種與交易主體，建立多元化交易品種，推進調(diào)峰與電能市場融合，健全調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)品種。積極推動新能源、核電、未參與深度調(diào)峰的電廠分擔深度調(diào)峰等輔助服務(wù)費用，合理疏導(dǎo)電廠調(diào)峰成本。探索建立容量市場機制，激勵保供電源、抽水蓄能電站建設(shè)、保障電源投資成本回收，從而有效平衡保供電要求高與設(shè)備利用率低的矛盾。三是完善碳排放市場，將電能價格與碳排放成本有機結(jié)合，提升清潔能源的市場競爭力。四是做好政策體系頂層設(shè)計。制定促進煤電等傳統(tǒng)能源有序減少和清潔利用的政策，盡快出臺支撐新能源快速發(fā)展和可靠消納的政策機制等。

5 結(jié)語

實現(xiàn)碳中和是一個宏偉遠大的戰(zhàn)略目標，也是一項涉及經(jīng)濟社會方方面面的復(fù)雜系統(tǒng)工程。能源系統(tǒng)減碳脫碳是其中的重中之重，是其他行業(yè)脫碳的基礎(chǔ)。根本途徑是加快建設(shè)中國能源互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，加快兩個替代進程，協(xié)調(diào)處理好清潔能源發(fā)展與化石能源減退的關(guān)系，并通過回歸和轉(zhuǎn)化實現(xiàn)二氧化碳的資源化利用和原材料的可持續(xù)供應(yīng)。電-氫-碳協(xié)同支撐帶動全社會各行業(yè)的清潔化低碳化發(fā)展。面向未來還需要進一步研究化石能源退出與清潔能源發(fā)展的協(xié)同演進路徑、氫能網(wǎng)絡(luò)與電力網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同優(yōu)化、能源氣象和極端天氣新能源發(fā)電預(yù)警融合等問題。