“雙碳”目標下我國能源電力系統(tǒng) 發(fā)展前景和關(guān)鍵技術(shù)

　　——“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃解讀之二

　　周孝信

　　在一系列國家戰(zhàn)略規(guī)劃指導下，我國未來能源電力系統(tǒng)的發(fā)展藍圖和關(guān)鍵技術(shù)途徑有了明確的導向性，即以“2030年前碳達峰、2060年前碳中和”為戰(zhàn)略目標，以落實“構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系、構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”為實施路徑。本文從新型電力系統(tǒng)主要特征和核心指標出發(fā)，構(gòu)建“雙碳”目標下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展情景，分析我國能源電力轉(zhuǎn)型實現(xiàn)路徑和關(guān)鍵技術(shù)需求，提出綜合能源生產(chǎn)單元設想，為能源轉(zhuǎn)型路徑規(guī)劃及戰(zhàn)略制定提供一定的參考。

　　一、新型電力系統(tǒng)主要特征和核心指標

　　新型電力系統(tǒng)作為未來我國能源體系的核心組成部分，具有5個主要特征：高比例可再生能源廣泛接入、高比例電力電子裝備大規(guī)模應用、多能互補綜合能源利用、數(shù)字化智能化智慧能源發(fā)展、清潔高效低碳零碳轉(zhuǎn)型。

　　為進一步量化描述上述特征，體現(xiàn)新型電力系統(tǒng)在能源轉(zhuǎn)型中的重要作用，提出以下5項核心指標：非化石能源在一次能源消費中比重、非化石能源發(fā)電量在發(fā)電量中比重、電能在終端能源消費中比重、系統(tǒng)總體能源利用效率、能源電力系統(tǒng)碳排放總量。

　　二、“雙碳”目標下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展情景分析

　　將2021~2060年40年期，劃分為2020~2030年、2030~2050年、2050~2060年三個時間段，分別為前、中、后3個時間段，預估“雙碳”目標下能源電力總體發(fā)展需求：一次能源消費總量指標方面，2020~2030年（前段），考慮經(jīng)濟社會發(fā)展水平的剛性增長需求，仍將保持每5年4億~5億噸標準煤的增長速度，至“十四五”末達到55億噸標準煤左右，2030年左右達到峰值59億噸標準煤，此后呈現(xiàn)下降趨勢；2030~2050年（中段），前15年間每5年下降1億噸標準煤，2045年降至56億噸標準煤后基本保持穩(wěn)定；2050~2060年（后段），仍具有小幅下降空間，2060年保持在55億噸標準煤左右水平。

　　非化石能源消費占比指標方面，總體呈現(xiàn)前后兩段穩(wěn)定增長，中段加速增長的趨勢。2030年前（前段），考慮目前新能源發(fā)電、電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行控制、儲能等方面技術(shù)發(fā)展水平尚未取得突破性進展，靈活調(diào)節(jié)資源和技術(shù)手段仍較為緊缺，無法全面支撐可再生能源高比例接入和大規(guī)模應用，仍需要煤電等傳統(tǒng)發(fā)電機組提供重要的基礎保障作用，而非化石能源以一次電力為主要消費形式，故這一時段非化石能源消費在一次能源消費總量中的占比應保持相對穩(wěn)定的增長速度，避免過快增長對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定帶來的沖擊，以保證能源供應平穩(wěn)過渡。該指標于“十四五”末達到20%，2030年達到25%，滿足國家最新提出的目標要求。2030~2050年（中段），非化石能源加速發(fā)展，在一次能源消費中的占比快速提高，二十年間由25%提高至75%，力爭2050年為2060年實現(xiàn)碳中和創(chuàng)造基礎條件。2050~2060年（后段），仍將在較高水平基礎上保持一定速度的平穩(wěn)增長，2060年達到90%，為碳中和目標實現(xiàn)提供重要支撐。

　　全社會用電總量指標方面，綜合電氣化等因素，總體保持增長且速度呈現(xiàn)“前高后低”趨勢。在“十四五”和“十五五”期間（前段），分別以4.5%和3.5%年均增速保持穩(wěn)定增長，至2030年達到11.1萬億千瓦時的水平。2030~2050年（中段），年均增長率逐步下降，2050年全社會用電量為當前水平的2倍，約為16萬億千瓦時。2050~2060年（后段），增速進一步放緩，2050~2055年間年均增速僅為1%，2055年后基本保持穩(wěn)定不再增長。

　　基于上述能源電力發(fā)展需求，預估2020~2060年我國電力裝機及發(fā)電結(jié)構(gòu)，由此得到風光發(fā)電量、煤電發(fā)電量、非化石能源發(fā)電量占比等關(guān)鍵參數(shù)演化趨勢。

　　電力裝機方面，隨著風光等新能源發(fā)電快速發(fā)展，非化石能源發(fā)電在電力裝機總量中的占比持續(xù)提高，“十四五”末將超過50%。新能源發(fā)電裝機不斷增加，2025~2030年間，風光裝機總量超過煤電，2030年將達到16.1億千瓦，占裝機總量41.5%；2035年達到24.3億千瓦，超過電力裝機總量的50%，成為裝機主體；2060年達到70.1億千瓦，在電力裝機總量中的占比超過85%。

　　發(fā)電量方面，2030~2035年間非化石能源年發(fā)電量超過50%，形成非化石能源發(fā)電為主體的電力系統(tǒng)；風光發(fā)電量快速提升是非化石能源發(fā)電量占比提高的主要原因，2030年風光發(fā)電量達到2.3萬億千瓦時，占總發(fā)電量20%；2035~2040年間風光發(fā)電量開始超過煤電，之后煤電進一步加速退役，風光發(fā)電量在總發(fā)電量中占比加速提高，2045~2050年間超過50%，成為發(fā)電主體；2060年風光發(fā)電量11.9萬億千瓦時，占總發(fā)電量69.2%，為構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)創(chuàng)造必要條件。

　　針對上述我國能源電力發(fā)展場景，初步測算能源電力系統(tǒng)年碳排放指標，可得到以下結(jié)論：能源系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的年碳排放均可實現(xiàn)2030年前達峰，2050年和2060年，能源系統(tǒng)年碳排放分別降低為峰值的28.0%、10.5%，電力系統(tǒng)碳排放分別降低為峰值的25.4%、1.6%，為實現(xiàn)2060年前碳中和目標奠定基礎。

　　三、我國能源電力轉(zhuǎn)型實現(xiàn)路徑和關(guān)鍵技術(shù)

　　為推動我國能源電力轉(zhuǎn)型、落實“兩個構(gòu)建”，需考慮5個方面實現(xiàn)路徑。一是大力開發(fā)利用可再生能源，發(fā)展核能、生物質(zhì)能、地熱能等非化石能源綜合利用，在電力系統(tǒng)中形成以非化石能源為主的電源結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵；二是積極推動煤電靈活性改造，為高比例可再生能源電力系統(tǒng)運行提供緊急備用和靈活調(diào)節(jié)能力，探索煤電碳資源綜合利用，助力煤電實現(xiàn)低碳無碳轉(zhuǎn)型；三是持續(xù)推進終端用能的電氣化，實現(xiàn)以電為中心的多能互補用能結(jié)構(gòu)，大幅提高電能在終端能源消費中比重，提高能源綜合利用效率；四是加強電力電子和儲能等關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型，推動新一代輸配電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設，促進高比例可再生能源電力消納，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行；五是完善能源轉(zhuǎn)型各項政策，堅持市場化改革方向，加快完善推動綠色電力、碳交易市場建設，助力國家應對氣候變化碳中和目標的實現(xiàn)。

　　技術(shù)進步是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的根本動力，圍繞未來電力系統(tǒng)以新能源為主體的發(fā)展需求，綜合考慮新能源開發(fā)、傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型兩個角度，從系統(tǒng)安全、低碳減排、綜合能源、靈活性需求等多個方面，提出以下10類關(guān)鍵技術(shù)需求：1.高效低成本電網(wǎng)支持型可再生能源發(fā)電和綜合利用技術(shù)；2.燃煤發(fā)電提高靈活性低碳排放和碳資源利用技術(shù)；3.高可靠性低損耗新型電力電子元器件裝置和系統(tǒng)技術(shù)；4.安全高效低成本長壽命新型儲能技術(shù)；5.清潔高效低成本氫能生產(chǎn)儲運轉(zhuǎn)化和應用技術(shù)；6.超導輸電和新型綜合輸能技術(shù)；7.新型電力系統(tǒng)規(guī)劃運行調(diào)度和仿真控制保護技術(shù)；8.數(shù)字化智能化綜合能源電力系統(tǒng)技術(shù)；9.信息物理融合的能源互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；10.綜合能源電力市場技術(shù)。

　　四、綜合能源生產(chǎn)單元（IEPU）設想

　　“雙碳”目標下，我國能源電力系統(tǒng)清潔低碳轉(zhuǎn)型任務艱巨，如何科學推進傳統(tǒng)煤電升級改造及有序退出、同時促進新能源消納成為能源轉(zhuǎn)型路徑規(guī)劃和相關(guān)戰(zhàn)略制定的重要議題。我們提出一種融合火電機組碳捕集、燃煤機組混燒生物質(zhì)、可再生能源電解水制氫、甲烷/甲醇合成等技術(shù)的設想——綜合能源生產(chǎn)單元（以下簡稱“IEPU”），期望能作為火電低碳/無碳轉(zhuǎn)型路徑方案的一種選擇。

　　IEPU基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其基本工作方式為：白天利用低成本的光伏發(fā)電制取綠氫，夜間利用低谷時段電網(wǎng)供電或火電機組發(fā)電，利于電解制氫系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定工作，產(chǎn)出的氫氣與煤電機組捕集的碳進一步合成生產(chǎn)甲烷/甲醇等綠色燃料或化工產(chǎn)品。

　　與此同時，IEPU也可有不同類型的結(jié)構(gòu)方案：IEPU所需的碳可由火電廠碳捕集，未來也可從空氣中捕集；IEPU可由風光發(fā)電與電解水制氫裝置、水電廠與電解水制氫裝置組成，生產(chǎn)的綠氫與空氣中氮氣耦合制氨；IEPU可由燃氣電廠與風光發(fā)電及電解水制氫、儲氫耦合組成，未來燃氣電廠的燃料將由綠氫提供，成為應對長周期能源不平衡的綠色重要措施。IEPU本身可以是實體的也可以是虛擬的。

　　IEPU將電解制氫、可再生能源發(fā)電、甲醇/甲烷/氨合成、二氧化碳捕集等設備集成為一體，具有以下兩個方面的優(yōu)點：一是以電解制氫裝置作為可控負荷，通過與火電、水電等可調(diào)機組聯(lián)合運行，在單元內(nèi)部各子系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化的同時，實現(xiàn)與電網(wǎng)互動，成為具有高靈活性的虛擬發(fā)電單元，為高比例新能源電力系統(tǒng)應對長周期能源供需不平衡提供靈活性支撐；二是通過二氧化碳直接與氫氣合成，生產(chǎn)甲烷、甲醇等便于存儲、運輸?shù)木G色燃料或作為重要化工原料產(chǎn)品，一方面可規(guī)避大規(guī)模二氧化碳捕集后壓縮及封存的高額成本投入，另一方面借助合理可行的產(chǎn)品收益模式，有利于火電企業(yè)推廣應用二氧化碳捕集與利用技術(shù)，在促進火電行業(yè)碳減排及轉(zhuǎn)型發(fā)展的同時，所生產(chǎn)的氫氣本身及與二氧化碳、氮氣合成生成的綠色燃料化工原料產(chǎn)品，也可為能源相關(guān)領域化石燃料和原料替代提供一定的來源補充。

　　綜合能源生產(chǎn)單元解決方案與數(shù)字化智能化技術(shù)相結(jié)合，可構(gòu)成未來能源供應側(cè)的智慧型基本單元，與預想的能源消費側(cè)智慧型基本單元一起，組成未來新型電力系統(tǒng)能源生產(chǎn)消費的基礎單元結(jié)構(gòu)，可能對電網(wǎng)的儲能需求、靈活性供應及調(diào)控模式產(chǎn)生重要影響。該發(fā)展模式的實現(xiàn)將會促進能源領域不同行業(yè)之間的融合，對此需要體制機制的突破和創(chuàng)新。（作者系中國科學院院士）

　　責任編輯：蘇偉

文章來源：中國能源新聞網(wǎng)