王永利，蔡成聰，姚蘇航，陳鑫，劉晨，馬裕澤，劉琳

（華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206）

0 引言

長期以來，工業(yè)文明發(fā)展依靠化石能源，隨之造成了環(huán)境、氣候惡劣等阻礙人類生存發(fā)展的現(xiàn)象。為解決上述難題，全球聚焦節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰等目標(biāo)，共同致力于加快綠色低碳轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)以有效解決全球變暖問題。中國作為全球能源消耗第一大國，也是全球二氧化碳排放及其他排放總量最大的發(fā)展中國家，亟須解決包括碳排放等環(huán)境污染問題。為此，中國積極采取措施以期控制碳排放量，并繼續(xù)致力于加快構(gòu)建一個(gè)節(jié)能低碳且可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系。中國不僅簽訂了《巴黎協(xié)定》，而且在2020年第七十五屆聯(lián)合國大會上又提出了新目標(biāo)：中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，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(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

為貫徹落實(shí)低碳可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，電能的清潔性、安全性和便捷性等優(yōu)勢支撐了其在中國碳減排過程中代替其他能源的關(guān)鍵地位。電能的經(jīng)濟(jì)效率能達(dá)到石油的3.2倍、煤炭的17.27倍，即1噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量電力所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與3.2噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量的石油、17.27噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量的煤炭創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值相同[1]。因此，中國從2013年陸續(xù)出臺并落實(shí)電能替代政策，在各領(lǐng)域開展電能替代工程，提升電能替代技術(shù)，以期改變能源結(jié)構(gòu)，促使能源發(fā)展方向的轉(zhuǎn)變。電能替代雖然在能源清潔化轉(zhuǎn)型上具有巨大的優(yōu)勢，但在其經(jīng)濟(jì)性與能源供給上仍然存在一定的問題。一方面，電能替代可以給社會帶來經(jīng)濟(jì)收益和社會效益，但因其成本高、發(fā)展環(huán)境要求高，必須有相關(guān)的政策支持才能推動實(shí)施；另一方面，經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的完善以及技術(shù)水平的革新將使得全社會電氣化水平迅速增長，電能利用設(shè)備在生產(chǎn)生活領(lǐng)域相繼大規(guī)模普及，不僅在客觀上提升了全國的電能替代程度，而且全社會用電量將顯著增加，對電源供給側(cè)造成一定的壓力。因此，在電能替代大規(guī)模普及的未來，如何協(xié)調(diào)電力與其他能源在我國能源結(jié)構(gòu)中的比例，最終在保證能源系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)的前提下實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)成為目前需要關(guān)注的重要議題。

國內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞著碳排放、如何減排、減排潛力等方面開展研究。從早期的能源結(jié)構(gòu)、碳排放影響因素研究到近年的碳排放峰值預(yù)測、電能替代預(yù)測研究，國內(nèi)外學(xué)者仍在持續(xù)深入這些研究，力求為政府有效解決碳排放問題提供理論基礎(chǔ)。

在能源結(jié)構(gòu)方面，國外大多數(shù)學(xué)者以美國為例構(gòu)建了NEMS模型[2]，模糊邏輯方法[3]，包含能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的計(jì)量模型[4]，以探究美國的能源結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。林伯強(qiáng)等[5]在中國最先開展能源結(jié)構(gòu)研究，以能源消費(fèi)成本為目標(biāo)、以碳排放量為約束構(gòu)建能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，求解得到2020年我國在不同規(guī)劃目標(biāo)背景下的最優(yōu)能源結(jié)構(gòu)。石瑩等[6]構(gòu)建的模型則考慮了經(jīng)濟(jì)動力學(xué)與能源成本最優(yōu)控制，以有無碳排放為約束，分析中國能源成本和能源結(jié)構(gòu)的演變趨勢。

在碳排放影響因素方面，國內(nèi)外學(xué)者們主要采用STIRPAT模型、LMDI分解方法、投入產(chǎn)出分析等模型進(jìn)行研究。他們分析得出了碳排放的幾類主要影響因素，分別是經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、人口、城鎮(zhèn)化水平、城市規(guī)模、土地利用管制、政策因素等[7-13]。此外，還可融合多種挖掘碳排放影響因素的方法，例如將Kaya恒等式與LMDI分解法結(jié)合，再利用蒙特卡羅模擬法動態(tài)預(yù)測碳排放量，楊玉文等[14]通過該方法研究得出了經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和能源強(qiáng)度對碳排放作用顯著的結(jié)論。

隨著各國政府提出了各自碳排放達(dá)峰目標(biāo)，學(xué)術(shù)界開始圍繞碳排放峰值預(yù)測展開研究，主要采用TIMES模型、CGE模型、STIRPAT模型、情景模擬法等研究方法預(yù)測國家[15-17]、省域[18]、行業(yè)[19-20]碳排放峰值與時(shí)間。目前，也有不少學(xué)者將兩種研究方法融合使用，如李雪梅和張慶[21]將LMDI與情景預(yù)測法相結(jié)合預(yù)測天津市的碳排放變化趨勢，研究表明天津市在增長—強(qiáng)減排模式下發(fā)展最優(yōu)；吳立軍和田啟波[22]改進(jìn)固定效應(yīng)的擴(kuò)展模型，融入EKC模型，推導(dǎo)出城市碳排放拐點(diǎn)從而演算出達(dá)峰時(shí)間；丁甜甜和李瑋[23]利用STIRPAT模型進(jìn)行了中國電力行業(yè)的碳排放預(yù)測，并利用情景預(yù)測法分析了不同情景下的碳排放峰值及對應(yīng)時(shí)刻；Mi & Wei[24]采用投入產(chǎn)出模型，發(fā)現(xiàn)到2026年中國的二氧化碳排放量將達(dá)到峰值。

在電能替代方面，截至2020年，中國累計(jì)實(shí)現(xiàn)替代電量7 264億千瓦時(shí)，相當(dāng)于減少原煤4.1億噸、標(biāo)煤2.9億噸，節(jié)約燃油2.5億噸，減排二氧化碳7.2億噸[25]，電能替代工作總體取得了顯著成效。中國近年來的電能替代完成情況如圖1所示。因此，電能替代也逐漸走入專家學(xué)者的視野，并在近幾年中開展了預(yù)測與戰(zhàn)略分析等研究，旨在促進(jìn)電能替代事業(yè)發(fā)展。如曹昉和錢睿忻[26]根據(jù)參數(shù)發(fā)展的不確定性分別采用長期能源替代規(guī)劃系統(tǒng)模型和灰色—蒙特卡羅模型對電能替代量進(jìn)行預(yù)測，提高了預(yù)測的精準(zhǔn)性，為電力系統(tǒng)發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；屈博等[27]研究了電能替代各項(xiàng)技術(shù)在“十四五”期間的發(fā)展戰(zhàn)略及后續(xù)工作，為電能替代技術(shù)投資與推進(jìn)提供決策基礎(chǔ)。

圖1 2016—2020年的電能替代量統(tǒng)計(jì)

綜上，雖然國內(nèi)外學(xué)者對能源結(jié)構(gòu)、碳排放影響因素、碳排放峰值預(yù)測以及電能替代都開展了大量研究，但是現(xiàn)有文獻(xiàn)仍然存在以下兩點(diǎn)不足：一是沒有量化電能替代與碳排放的關(guān)系，二是沒有考慮不同電能替代程度的能源供給安全、經(jīng)濟(jì)適用性、減排效果。因此，本文在“雙碳”目標(biāo)的背景下，分析電能替代對碳排放的影響機(jī)理，研究不同電能替代程度下的能源供給安全、經(jīng)濟(jì)適用性、碳排放演變趨勢。本研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義：第一，有利于政府預(yù)判碳排放走勢，為中國未來推進(jìn)電能替代工作提供理論基礎(chǔ)與決策建議，及時(shí)調(diào)整戰(zhàn)略計(jì)劃中的碳排放計(jì)劃，避免過大的能源供應(yīng)壓力；第二，有利于政府對行業(yè)減排措施進(jìn)行有效管理，有針對性地出臺政策，充分調(diào)動資源，提高行業(yè)減排的活躍度，順利實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

1 電能替代的減排傳導(dǎo)機(jī)理

考慮中國現(xiàn)有技術(shù)水平和能源革命背景，電能替代對碳排放可能存在兩種影響。一方面是通過替代化石能源，減少化石能源的使用，從而改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，降低碳排放；另一方面是因電能替代實(shí)施而產(chǎn)生更多的電力需求可能需要由火電補(bǔ)給，火電增發(fā)造成煤炭消耗增加，從而增加碳排放。

1.1 電能替代對能源結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理

電能替代，是指通過充分開發(fā)電能資源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源，從而在使用過程中最大限度地減少有害物質(zhì)產(chǎn)生。從理論上來說，電能替代通過電能設(shè)備替代了原來消耗煤炭、石油、天然氣等化石能源的設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)生活，從而實(shí)現(xiàn)化石能源消費(fèi)的減少，達(dá)到改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的目的。這種能源方式可以使得能源結(jié)構(gòu)更為合理，有利于緩解氣溫升高過快等環(huán)境問題。與傳統(tǒng)能源相比，電能具有清潔、安全、可再生等優(yōu)勢，也是全球公認(rèn)的防治污染的主要手段。

從中國當(dāng)前實(shí)際情況出發(fā)，大規(guī)模電能替代可能正向促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)清潔化，也可能反向加劇能源結(jié)構(gòu)高碳化。從短期來看，就中國目前的能源技術(shù)水平而言，電能替代若是大規(guī)模推進(jìn)將會產(chǎn)生一定的能源供給壓力。為了緩解電力供應(yīng)緊張和不足等問題，火電供應(yīng)是更為安全有效的方式，依靠其補(bǔ)給電力增量，在發(fā)電量增加的同時(shí)必然使得化石能源消費(fèi)增加。而電能替代的化石能源受替代技術(shù)、轉(zhuǎn)化效率等方面的影響，所能替代的化石能源有限，這有可能使電能替代所消耗的化石能源遠(yuǎn)大于替代的化石能源。從長期來看，中國通過提升能源技術(shù)水平，有效解決新能源發(fā)電的波動性、間歇性等一系列問題，使得電能替代做到真正的清潔化發(fā)電，從而優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，加快能源結(jié)構(gòu)清潔化轉(zhuǎn)型。

1.2 能源結(jié)構(gòu)對碳排放的影響機(jī)理

能源結(jié)構(gòu)是指各類能源量占總能源量的比重，在這里具體為能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，其調(diào)整對減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。這是由于能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及調(diào)整可以改變煤炭、石油、天然氣和電力的所占比重，從而使得各類別能源消費(fèi)量重新進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)從能源總需求量以及消費(fèi)量到二氧化碳排放量降低的目標(biāo)。

然而，中國當(dāng)前的傳統(tǒng)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)十分不平衡，煤炭的消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的60%左右，而中國煤炭資源含碳量相對較高且環(huán)境污染嚴(yán)重。含碳量相對較少的石油的消耗量占比為20%左右，相對更加清潔的天然氣占比還不到5%。煤炭占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電力所占的比重，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)存在著嚴(yán)重的利用效率低下的現(xiàn)象。因此，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)是否清潔化是碳排放能否降低的關(guān)鍵。

2 研究方法

2.1 碳排放核算

IPCC測算法又稱IPCC清單系數(shù)法，其核心內(nèi)容是需要確定各個(gè)能源在消耗過程中的排放系數(shù)，然后將能源消費(fèi)統(tǒng)計(jì)量與碳排放系數(shù)相乘并加以匯總便可得到碳排放的總量。碳排放系數(shù)的確定方法通常為在常規(guī)生產(chǎn)中計(jì)算出最終產(chǎn)品的氣體排放平均值。該計(jì)算方法可操作性較強(qiáng)，數(shù)據(jù)樣本容易獲得，在實(shí)際操作中通過了較大的信度檢測。因此，本文采用IPCC測算法核算碳排放，根據(jù)不同機(jī)構(gòu)中提供的各類能源碳排放系數(shù)，取其平均值，如表1所示。

表1 各類能源碳排放系數(shù)單位：kg-CO2/kg

式中：E為碳排放量（萬噸碳），Si為第i種能源的消耗量（萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤），F(xiàn)i為第i種能源的碳排放系數(shù)，i為能源種類，44/12是CO2分子與碳原子的質(zhì)量比。

2.2 情景分析法

情景分析被廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)略決策、政策分析等領(lǐng)域。情景分析法是通過假設(shè)、模擬等生成未來的情景，并分析情景的發(fā)展對目標(biāo)產(chǎn)生的影響，然后再采取相關(guān)的措施來調(diào)動積極因素同時(shí)消除消極因素，以此來輔助政策制定，實(shí)現(xiàn)事物發(fā)展的目標(biāo)。情景分析法的主要步驟如圖2所示。

圖2 情景分析法流程

2.3 情景及變量設(shè)置

2.3.1 情景設(shè)置

本文基于情景分析法，考慮電能替代政策，對中國未來的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析從而設(shè)置可能出現(xiàn)的發(fā)展場景。本文選取能源結(jié)構(gòu)作為情景構(gòu)建的指標(biāo)，詳細(xì)分為煤炭消費(fèi)增速、石油消費(fèi)增速、天然氣消費(fèi)增速和電力消費(fèi)增速四類，根據(jù)上述四個(gè)指標(biāo)構(gòu)建中國未來發(fā)展中可能出現(xiàn)的情景。

本文基于不同政策下的中國未來能源結(jié)構(gòu)發(fā)展情況設(shè)置兩種情景：

（1）電能替代目標(biāo)基準(zhǔn)情景（簡稱基準(zhǔn)情景）。該情景是根據(jù)中國政府出臺的電能替代政策、能源發(fā)展規(guī)劃以及相關(guān)機(jī)構(gòu)對中國未來能源發(fā)展預(yù)測所構(gòu)建的情景。

（2）電能替代目標(biāo)強(qiáng)化情景（簡稱比較情景）。該情景是在基準(zhǔn)情景的基礎(chǔ)上，考慮國家加大電能替代的政策力度，依據(jù)大規(guī)模電能替代后的能源結(jié)構(gòu)發(fā)展情況所構(gòu)建的比較情景。

2.3.2 變量設(shè)置

本文在設(shè)置變量時(shí)，主要參考《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計(jì)劃（2014—2020年）》《中國能源展望2030》《2050年世界與中國能源展望》《BP世界能源展望（2018年版）》《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略（2016—2030）》《強(qiáng)化應(yīng)對氣候變化行動——中國國家自主貢獻(xiàn)率》《中國電力發(fā)展報(bào)告》《中國新能源發(fā)電分析報(bào)告》《中國電力供需分析報(bào)告》《中國建筑能耗研究報(bào)告》《中國工業(yè)發(fā)展報(bào)告》等國家規(guī)劃、官方預(yù)測及行業(yè)發(fā)展報(bào)告。

3 電能替代的能源供給分析

3.1 電能替代的能源供給方式

電能替代的實(shí)施會造成全社會用電量的增加，而其發(fā)展的替代程度將決定電力需求增量的大小。在國家能源電力規(guī)劃的基礎(chǔ)上，本文對2021—2030年的電力供應(yīng)趨勢做了預(yù)測，如圖3所示。考慮電能替代的大規(guī)模實(shí)施，上浮調(diào)整電力增速1%～2%，得到比較情景下的電力年需求量，如圖4所示。根據(jù)能源供需平衡，電力年供應(yīng)量等于電力需求量。從圖中可以看出，比較情景下的電力供給量均大于基準(zhǔn)情景下的電力供給量，說明未來提速電能替代必然產(chǎn)生一定的電力缺口，具體缺口值見表2。這表明中國當(dāng)前的分布式能源技術(shù)與電源機(jī)組技術(shù)不能夠完全支撐電能替代的提速推進(jìn)工作。一方面，由于中國的分布式能源技術(shù)不完善，數(shù)字信息技術(shù)處于初始階段，沒有與分布式能源友好結(jié)合起來以實(shí)現(xiàn)各類能源資源的靈活匯聚，上述情況造成了在滿足用戶側(cè)的用能需求同時(shí)，不能夠及時(shí)補(bǔ)給電源側(cè)等資源浪費(fèi)問題；另一方面，由于中國的電源機(jī)組技術(shù)不先進(jìn)，退役火電機(jī)組的作用沒有得到充分發(fā)揮，其利用率較低，而且各類新能源發(fā)電設(shè)備的能源轉(zhuǎn)化效率不高。此外，能源電力、綜合能源等領(lǐng)域的相關(guān)人才比較缺乏，使技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)研究難度增加。

圖3 基準(zhǔn)情景下的2021—2030年中國電力供應(yīng)趨勢

圖4 比較情景下的2021—2030年全社會用電量趨勢

表2 基準(zhǔn)情景與比較情景的電力供給量年差值單位：億千瓦時(shí)

由于電能是二次能源，是由一次能源轉(zhuǎn)化而來，那么電能替代產(chǎn)生的電能增量必然給能源供給帶來一定的壓力，同時(shí)其電能增量的大小決定了能源供給壓力的大小。為了保證能源供給安全，本文針對電力增量的能源補(bǔ)給形式做出三種假設(shè)：一是僅火電補(bǔ)給；二是火電、新能源發(fā)電混合補(bǔ)給；三是僅新能源補(bǔ)給。三種假設(shè)分別記為方式A、方式B和方式C。

考慮到中國當(dāng)前的新能源開發(fā)技術(shù)水平，電能增量若由新能源供給，就需要解決新能源在并網(wǎng)中的間歇性、波動性等問題。本文針對上述問題，提出了兩種解決思路。一是為保證能源供給安全和電網(wǎng)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定性，火電和可再生能源同時(shí)提供電能供應(yīng)，即方式B。在這種情況下，煤電提供一部分的電力供應(yīng)，保障電力系統(tǒng)安全并承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)。二是電力供需缺口全部由新能源補(bǔ)給，即方式C。此時(shí)就要通過儲能技術(shù)、新能源發(fā)電技術(shù)等的創(chuàng)新，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

三種能源補(bǔ)給方式的電源結(jié)構(gòu)與電源裝機(jī)容量預(yù)測情況如圖5和圖6所示。從圖中可以看出，新能源發(fā)電中以風(fēng)電、太陽能發(fā)電為主要補(bǔ)給能源，水電和核電一直處于平穩(wěn)變化中，這說明短期內(nèi)可大幅提高新能源比重來提高電力供應(yīng)量。然而，目前的電力系統(tǒng)靈活性不足，電網(wǎng)可能會面臨棄風(fēng)、棄光等可再生能源消納難題，存在一定安全隱患。這就必然要求電力系統(tǒng)以更高的靈活性來應(yīng)對這種波動性。除了新能源發(fā)電技術(shù)提升之外，還需要從電力機(jī)制、數(shù)字信息、能源互聯(lián)網(wǎng)等更高的層面對電力系統(tǒng)的多種靈活性資源進(jìn)行調(diào)配，挖掘當(dāng)前各類靈活性資源的潛力。

圖5 比較情景下的電源結(jié)構(gòu)

圖6 比較情景下的電源裝機(jī)容量

3.2 不同方式的優(yōu)劣勢分析

對于中國當(dāng)前的發(fā)電技術(shù)水平而言，從短期來看，雖然方式A能夠彌補(bǔ)電力缺口，保證了電能供需平衡安全，發(fā)電成本相對較低，但是新增的火電機(jī)組發(fā)電造成煤炭消耗增加進(jìn)而導(dǎo)致排放量增加，加劇了環(huán)境污染；從長期來看，燃煤機(jī)組將向著清潔化方向轉(zhuǎn)型，提升煤電清潔化技術(shù)，創(chuàng)新P2G技術(shù)等手段，逐步降低煤炭消耗帶來的二氧化碳排放量。方式B與方式C雖然比方式A的發(fā)電成本高，但是這兩種方式的碳排放量相對較低，能夠有效改善環(huán)境質(zhì)量。

就方式B和方式C本身而言，這兩種方式均存在新能源發(fā)電補(bǔ)給。從資源角度來看，新能源資源豐富；從環(huán)保角度來看，發(fā)電過程環(huán)保無污染。然而，新能源發(fā)電不僅建設(shè)投資大，而且還受季節(jié)、氣候、環(huán)境等因素影響。光電有日夜、能量密度低、光伏板轉(zhuǎn)換效率低、光伏產(chǎn)業(yè)鏈中存在高耗能與環(huán)境污染等問題，風(fēng)電則受天氣、風(fēng)速等因素影響，水電有枯水季、建廠后不易增加容量等問題。因此，從短期來看，傳統(tǒng)的發(fā)電方式必須逐步由以煤電為主導(dǎo)的方式向以新能源發(fā)電為主導(dǎo)的多能源協(xié)同供給模式轉(zhuǎn)變，需要加速研究分布式能源技術(shù)、能源系統(tǒng)間的耦合性技術(shù)等方面的創(chuàng)新與提升方式，構(gòu)建區(qū)域協(xié)同的多能源網(wǎng)絡(luò)，保證電力平穩(wěn)供應(yīng)。從長期來看，傳統(tǒng)的火電方式將逐漸退出市場，電能替代增量采用方式C是必然結(jié)果。重點(diǎn)開發(fā)各類新能源開采技術(shù)以降低成本，探索大規(guī)模儲能技術(shù)或發(fā)展低棄風(fēng)、棄光、棄水率的發(fā)電技術(shù)以保證其發(fā)電并網(wǎng)的穩(wěn)定可靠性，是電能替代長期推進(jìn)的基礎(chǔ)。

3.3 不同方式的經(jīng)濟(jì)適用性分析

從投資建設(shè)角度來看，目前中國新建陸上風(fēng)電和光伏項(xiàng)目的度電成本位于50美元/兆瓦時(shí)的水平，與新建煤電不相上下（New Energy Outlook）；相比之下，水電由于建設(shè)面積較大、建設(shè)工程量較多，建設(shè)成本比較高；核電由于設(shè)備安全性要求高、土建強(qiáng)度要求性高，建設(shè)成本也相對較高。從原材料成本角度來看，新能源的原材料基本取自大自然，因此新能源發(fā)電無原材料成本；而煤炭資源還需要開采，因此火電還存在原材料成本。從能源轉(zhuǎn)換效率來看，2016—2019年，全國每年平均新增電源裝機(jī)12 553萬千瓦，其中火電年新增裝機(jī)容量占比39.9%，核電占比4.5%，水電占比7.36%，風(fēng)電占比16.07%，光伏占比32.16%；2016—2019年，全國每年平均新增發(fā)電量4 452億千瓦時(shí)，其中火電年均新增發(fā)電量占比為56.62%，核電占比10.15%，水電占比9.07%，風(fēng)電占比12.33%，光伏占比11.79%。新能源發(fā)電效率與火電發(fā)電效率還存在一定差距，有待提升。從運(yùn)行成本角度來看，新能源的運(yùn)行成本均較低，火電的運(yùn)行成本較高。從環(huán)保成本角度來看，新能源無環(huán)境污染問題，因此無環(huán)保成本；而火電由于依靠燃煤發(fā)電，在環(huán)保方面存在很高的成本，必須采取一定的措施把對環(huán)境的影響降到最小。綜合對比目前發(fā)電成本如表3所示。

微流控電泳儀采集的標(biāo)記熒光信號非常微弱，易受噪聲的污染，嚴(yán)重干擾對檢測樣品中所含物質(zhì)成分進(jìn)行定性定量分析.對檢測到的標(biāo)記熒光蛋白信號去噪，提高了分析樣品成分的準(zhǔn)確度.在信號處理中具有多分辨率分析的小波變換引起了學(xué)者們的關(guān)注，在文獻(xiàn)[1]中就使用小波變換應(yīng)用于礦物油熒光光譜去噪研究中.考慮微流控電泳儀檢測信號為低信噪比以及去噪過程計(jì)算復(fù)雜度，本文采用小波閾值法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪.

表3 目前發(fā)電成本優(yōu)勢對比

考慮中國目前的減排政策以及火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保等一系列問題，完全采用火電補(bǔ)給電能替代產(chǎn)生的電力增量并不是明智的選擇。而現(xiàn)階段中國要想僅采用新能源發(fā)電方式補(bǔ)給電能替代產(chǎn)生的電力增量，要么增加建設(shè)投資，擴(kuò)大新能源裝機(jī)容量；要么增加能源技術(shù)創(chuàng)新等投資，提升新能源轉(zhuǎn)電能的效率。這兩種方式的投資消費(fèi)，前者投資大且回收期較長，后者投資資金較大且投資成效慢。在當(dāng)前抗擊新冠肺炎疫情的嚴(yán)峻形勢下，全球經(jīng)濟(jì)大幅度下滑，中國經(jīng)濟(jì)受到嚴(yán)重影響，如實(shí)體經(jīng)濟(jì)壓力加劇、經(jīng)濟(jì)增長下行、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)失衡惡化、貿(mào)易出口銳減等。在對上述情況的綜合考慮下，中國采取補(bǔ)給方式C將面臨更大的經(jīng)濟(jì)壓力。而中國若采取補(bǔ)給方式B，則能夠降低一定的經(jīng)濟(jì)壓力。

4 電能替代下的碳排放演化趨勢分析

4.1 電能替代技術(shù)適用性

針對全國電能替代工作涉及面廣、專業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)層次高的特點(diǎn)，采用波士頓矩陣分析法（圖7）對電能替代技術(shù)進(jìn)行分類，具體如表4所示。

圖7 波士頓矩陣

表4 電能替代技術(shù)波士頓矩陣分析法分類情況

4.2 替代電量的分布特征

基于各行業(yè)的電能替代技術(shù)適用性，參考?xì)v史電能替代程度[28]、電能替代規(guī)劃等，模擬各行業(yè)電能替代程度，如表5和表6所示。

表5 各行業(yè)電能替代占比模擬平均值

表6 各行業(yè)能源電能替代占比模擬值

圖8是替代電量的行業(yè)分布預(yù)測。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：一是未來10年內(nèi)，工業(yè)是電能替代推進(jìn)的重中之重。這是由于工業(yè)的碳排放量達(dá)到了社會碳排放量的40%，而電能替代作為當(dāng)前減排的主要手段，必然要側(cè)重于工業(yè)的化石能源替代。二是從2026年開始，電能替代開始在農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)快速推進(jìn)，替代電量增速逐年增加。這是由于工業(yè)上的電能替代技術(shù)經(jīng)過“十四五”期間的創(chuàng)新研發(fā)，許多問題技術(shù)已經(jīng)成長為明星技術(shù)，因此有了更多投資其他行業(yè)的空間。由此可見，電能替代的投資與實(shí)施并不是單一針對某一行業(yè)執(zhí)行，而是以一個(gè)方方面面平衡的最優(yōu)解來實(shí)現(xiàn)終端電能消費(fèi)比例的提升。

圖8 替代電量的行業(yè)分布預(yù)測

4.3 碳排放的分布特征

對比圖9～圖13可以發(fā)現(xiàn)，在基準(zhǔn)情景下，農(nóng)林牧漁業(yè)、工業(yè)的碳排放達(dá)峰時(shí)間均為2025年，交通運(yùn)輸業(yè)、居民生活、建筑業(yè)在2030年前未能實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。這可能是因?yàn)檗r(nóng)林牧漁業(yè)具有碳源與碳匯的雙重身份，工業(yè)是碳排放的大戶。為了盡可能降低其碳排放，充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)碳匯作用，政府針對這兩個(gè)行業(yè)減排的政策較多，二者替代的電能設(shè)備及技術(shù)水平相對較高，所以能夠先行達(dá)峰。在交通運(yùn)輸業(yè)中，雖然電動汽車普及速度很快，但這類汽車不適用于長途距離，而在如商用車、民航、船舶等領(lǐng)域脫碳正面臨技術(shù)瓶頸，這都將影響該行業(yè)的整體碳排放達(dá)峰時(shí)間。建筑領(lǐng)域的電能替代技術(shù)及應(yīng)用已經(jīng)相對比較成熟，本身的碳排放量較低，所以在以當(dāng)前電能替代目標(biāo)為任務(wù)時(shí)，得到的替代比例較小，從而導(dǎo)致2030年前不能實(shí)現(xiàn)行業(yè)碳達(dá)峰目標(biāo)。在居民領(lǐng)域，由于區(qū)域經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)、發(fā)展不平衡等問題，導(dǎo)致地方政策補(bǔ)貼不足，設(shè)備價(jià)格相對昂貴，電能還不足以完全替代煤和天然氣，離子電火焰灶等發(fā)展受到一定的限制，從而導(dǎo)致2030年前不能實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)。

圖9 兩種情景下的農(nóng)林牧漁業(yè)碳排放總量對比

圖13 兩種情景下的建筑業(yè)碳排放總量對比

在比較情景下，農(nóng)林牧漁業(yè)、工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、居民生活、建筑業(yè)的碳排放達(dá)峰時(shí)間分別為2021年、2025年、2027年、2026年、2025年。這是由于政府在強(qiáng)化了電能替代政策后，各行業(yè)積極響應(yīng)，從電能設(shè)備、電采暖工程到綜合能源系統(tǒng)、分布式電源等措施紛紛大規(guī)模落實(shí)。

由此可見，一是每個(gè)行業(yè)的碳排放達(dá)峰時(shí)間不同，這說明每個(gè)行業(yè)的碳排放都受自身發(fā)展水平、技術(shù)水平、生產(chǎn)工藝、能源需求結(jié)構(gòu)以及不同電能替代度的影響。二是比較情景下的各行業(yè)碳排放達(dá)峰時(shí)間均提前了，這說明大規(guī)模電能替代確實(shí)能夠有利于主要行業(yè)的碳減排。三是要想實(shí)現(xiàn)中國2030年碳排放達(dá)峰的目標(biāo)，各行業(yè)還需要依據(jù)本行業(yè)的碳排放特征、生產(chǎn)特征制定不同的電能替代方案，降低潛在二氧化碳排放潛力。確定重點(diǎn)減排行業(yè)有助于政府抓住重點(diǎn)，也有利于行業(yè)間更好更快地錯(cuò)峰實(shí)現(xiàn)自身碳排放達(dá)峰，從而推動中國整體二氧化碳排放達(dá)峰目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

圖10 兩種情景下的工業(yè)碳排放總量對比

圖11 兩種情景下的交通運(yùn)輸業(yè)碳排放總量對比

圖12 兩種情景下的居民生活碳排放總量對比

4.4 全國碳排放演化趨勢

如圖14所示，對比不同能源補(bǔ)給方式下的全國碳排放演化曲線可以發(fā)現(xiàn)，方式A的碳排放增速＞方式B的碳排放增速＞方式C的碳排放增速；方式A的碳排放達(dá)峰年份（2027年）＞方式B的碳排放達(dá)峰年份（2025年）=方式C的碳排放達(dá)峰年份（2025年）；方式A的碳排放峰值為1 311 948.75萬噸，方式B的碳排放峰值為1 293 010.98萬噸，方式C的碳排放峰值為1 276 854.87萬噸。由此可見，電能替代產(chǎn)生的電能增量由新能源供給更有利于促進(jìn)碳排放峰值較早地來臨，從而使其累計(jì)碳排放量相對減少，對環(huán)境影響的總體效應(yīng)也相對最小。

圖14 兩種情景下的中國碳排放總量對比圖

結(jié)合3.3節(jié)中的研究結(jié)果可以得出，現(xiàn)階段中國大規(guī)模推進(jìn)電能替代工程產(chǎn)生的電力增量應(yīng)該采取方式B進(jìn)行補(bǔ)給。該方式是在保證能源供應(yīng)安全與電力供需平衡的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)成本相對最小的補(bǔ)給方式。

5 結(jié)論與對策建議

本文闡述了電能替代的減排機(jī)理，并采用情景分析法，通過設(shè)置電能替代目標(biāo)基準(zhǔn)情景和電能替代目標(biāo)強(qiáng)化情景，對不同電能替代程度下的中國碳排放達(dá)峰演化趨勢進(jìn)行預(yù)測分析。研究發(fā)現(xiàn)，通過電能替代調(diào)整非化石的能源份額或者能源系統(tǒng)的碳強(qiáng)度，對中國實(shí)現(xiàn)碳峰值至關(guān)重要。研究結(jié)果表明：一是不同的電能替代程度會帶來不同的減排效果，使得碳達(dá)峰的時(shí)間提前。如果這一趨勢持續(xù)下去，當(dāng)前的碳排放峰值將在2030年之前達(dá)到下降點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)中國對碳達(dá)峰時(shí)間的承諾。二是為了實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》承諾的最高目標(biāo)，中國必須增加能源系統(tǒng)的非化石份額。因此，電能替代產(chǎn)生的電能增量由新能源參與供給，將促進(jìn)碳排放峰值較早地來臨。三是中國經(jīng)濟(jì)放緩和結(jié)構(gòu)重組，使新能源更迅速地替代燃煤發(fā)電成為可能。電能替代產(chǎn)生的電能增量由新能源發(fā)電與火電混合供給，更符合中國當(dāng)前經(jīng)濟(jì)、技術(shù)現(xiàn)狀與電力供給安全性。

基于以上研究結(jié)論，本文對電能替代下的中國碳排放達(dá)峰管理提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）向以新能源發(fā)電為主導(dǎo)的多能源協(xié)同供給模式轉(zhuǎn)型，緩解電能替代造成的能源供給壓力。大規(guī)模開發(fā)具有綠色環(huán)保優(yōu)勢的新能源是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必由之路，也是緩解電能替代造成的能源供給壓力的有效方法之一。僅僅依靠火電或新能源發(fā)電難以應(yīng)對電能替代產(chǎn)生的電能供應(yīng)不足的問題，通過新能源機(jī)組與火電機(jī)組協(xié)調(diào)運(yùn)行，為我國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)提供安全、經(jīng)濟(jì)的能源保障。一方面電源側(cè)加大可再生能源的開發(fā)力度和創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)；另一方面加大電網(wǎng)側(cè)輸電能力，構(gòu)建新型特高壓/超高壓直流輸電系統(tǒng)來提高輸電輸能效率，滿足中國可再生能源大范圍接入的需要。

（2）系統(tǒng)優(yōu)化電能替代分配方案，加快調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。目前，中國能源消費(fèi)仍然是以煤炭為主導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的清潔低碳化是中國完成碳達(dá)峰目標(biāo)的關(guān)鍵步驟。加大清潔能源并網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)力度，促進(jìn)清潔能源的跨省域消納，保證電能替代的能源供應(yīng)。根據(jù)行業(yè)的能源消費(fèi)特征與生產(chǎn)性質(zhì)，在不同時(shí)期側(cè)重發(fā)展各行業(yè)的電能替代技術(shù)。系統(tǒng)優(yōu)化各行業(yè)的替代電量分配，實(shí)現(xiàn)從能源消費(fèi)各環(huán)節(jié)對煤、油、氣等化石能源進(jìn)行全方位深度替代。加快能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)向低碳化方向發(fā)展，以能源體系碳減排推動全社會碳減排，為中國節(jié)能減排和高質(zhì)量發(fā)展提供優(yōu)選路徑。

（3）依據(jù)各行業(yè)的減排潛力制定電能替代政策，推動碳達(dá)峰目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。在制定電能替代方案時(shí)優(yōu)先發(fā)展高碳排放的行業(yè)，分階段規(guī)劃低碳排放的行業(yè)。只有高碳排放行業(yè)的碳排放量得到合理控制，才能緩解全社會的碳排放量增長。而且，各行業(yè)由于行業(yè)性質(zhì)的不同會表現(xiàn)出不同方面的減排潛力。因此，根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化的電能替代分配電量，針對不同潛力的行業(yè)制定不同的電能替代實(shí)施方案與技術(shù)提升方案，以期實(shí)現(xiàn)良好的減排效果，使得中國逐步完成“雙碳”目標(biāo)。