電力行業(yè)的低碳轉型是減少全球二氧化碳排放的關鍵。中國具有世界上最大的電力行業(yè)，產(chǎn)生的巨大碳排放量（幾乎等于歐盟國家的總排放）和大量燃煤電廠決定了其在全球應對氣候變化中的重要作用。近年來，國內外學者對于中國電力行業(yè)如何實現(xiàn)深度減排開展了很多研究。從轉型技術路徑來看，需要大力發(fā)展非化石能源發(fā)電技術，具體的差異體現(xiàn)在不同種類非化石電源的發(fā)展水平。現(xiàn)有研究中更多是從宏觀角度出發(fā)關注減排目標下電力系統(tǒng)未來的技術組合，模型模擬與微觀的現(xiàn)實問題（如分區(qū)域資源特性和區(qū)域間聯(lián)系、電力系統(tǒng)運行的技術特性、可再生能源接入下的電網(wǎng)穩(wěn)定性等）聯(lián)系不緊密，因此未能給出現(xiàn)實可行且成本可負擔的轉型路徑和實施建議。

現(xiàn)實中，決策者在制定轉型路徑和政策時，往往會考慮3方面關鍵因素：轉型路徑成本的準確評估；煤電資產(chǎn)的出路；系統(tǒng)性的政策建議。回答上述3個問題需要具備電力系統(tǒng)的定量分析評估工具，能夠準確描述分區(qū)域特性、發(fā)電技術細節(jié)以及電力系統(tǒng)的運行過程，盡可能與實際物理系統(tǒng)保持一致。

清華大學李政教授團隊將具有足夠時空分辨率和技術精度的“自下而上”電力系統(tǒng)模型應用于2℃/1.5℃目標下中國電力行業(yè)低碳轉型的研究，緊密結合模型模擬與政策研究，圍繞決策部門關注的核心問題，提出了切實可行的中國電力行業(yè)脫碳路徑和實施方案。中國的電力行業(yè)轉型將為現(xiàn)在仍在大量上馬煤電以支撐能源需求增長的發(fā)展中國家提供借鑒，一方面可以提供從煤電為主的電力系統(tǒng)向低碳電力系統(tǒng)轉型的經(jīng)驗，另一方面提醒這些國家避免煤電路徑鎖定。

摘要：電力行業(yè)的脫碳對于實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的減排目標至關重要，但同時也面臨著巨大的困難和挑戰(zhàn)，具有很強的復雜性和不確定性。為了給出現(xiàn)實可行且成本可負擔的電力低碳轉型路徑，建立了具有足夠時空分辨率和技術準確度的“自下而上”能源系統(tǒng)模型來模擬與優(yōu)化中國電力行業(yè)的未來發(fā)展路徑。通過設置3種典型情景（基準情景、2℃情景和1.5℃情景），分析電力脫碳技術路徑以及相應的實施方案。結果表明，若按照當前的電力發(fā)展趨勢，將不能實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》規(guī)定的2℃/1.5℃目標，必須在當前基礎上加大可再生能源擴張、加快燃煤電廠退出以及大規(guī)模部署碳捕集技術。未來30 a，風電和光伏發(fā)電需要逐漸轉變?yōu)橹髁﹄娫矗昃b機增速達到當前水平的2~4倍。燃煤機組容量需要逐漸減少，部分機組甚至要提前退役，這將導致燃煤機組的平均壽命降低0.42~1.93 a，對應1 050億~6 550億元的擱淺成本。碳捕集技術需要大規(guī)模應用，尤其是煤炭生物質摻燒再加碳捕集裝置的技術，到2050年，電力行業(yè)的二氧化碳年捕集量達到8.9億~10.8億t。為了保障上述轉型路徑的實現(xiàn)，需要處理好電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、煤電有序退出、碳捕集技術的部署以及轉型投資成本的問題。通過加大儲能等先進技術研發(fā)力度、建立存量煤電有序退出機制、加快碳捕集相關技術的研發(fā)與應用示范以及建立和完善綠色投融資機制等措施，可以有效解決這些問題。應對氣候變化是全人類共同的責任，應當超前部署相關措施和政策，以實現(xiàn)2℃/1.5℃目標下的中國電力低碳轉型。

電力行業(yè)長期發(fā)展規(guī)劃模型

本文提出的模型旨在聯(lián)合優(yōu)化電力行業(yè)的長期發(fā)展規(guī)劃和短期運行調度，最終得出最優(yōu)的電力裝機類型、容量、建設時間和地點以及運行調度策略。該模型涵蓋了13種發(fā)電技術：亞臨界和超臨界燃煤發(fā)電、超超臨界燃煤發(fā)電、配備碳捕集裝置的燃煤發(fā)電、天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、核電、水電、陸上風電、海上風電、集中式光伏、分布式光伏、生物質發(fā)電和配備碳捕集裝置的煤炭-生物質摻燒發(fā)電。

模型具有較高的時空分辨率和技術精度。在空間尺度方面，根據(jù)資源稟賦和電網(wǎng)結構，將中國分為17個區(qū)域。區(qū)域間現(xiàn)有的和已規(guī)劃在建的輸電線路被作為輸入?yún)?shù)考慮在內，未來長期的輸電線容量設置為待優(yōu)化變量。在時間尺度方面，為了反映電力需求和可再生能源資源的季節(jié)和逐時變化特性，模型將每年劃分為4個季節(jié)（春季、夏季、秋季、冬季），在每個季節(jié)中選取一個典型日，總共得到96個時間窗口，以刻畫小時級的電力平衡。根據(jù)實際電力系統(tǒng)特性，模型中還考慮了負荷分配過程中發(fā)電技術的運行特點和約束條件，如火電機組的負荷運行區(qū)間和爬坡速度等。

低碳轉型路徑分析

2.1電力行業(yè)的困局

根據(jù)中國2050年現(xiàn)代化目標，能源需求預計還將持續(xù)增長，到2050年總量趨于穩(wěn)定。煤炭是中國一次能源消費主體，2017年煤炭消費占比約60%，碳排放占比約80%。中國的煤炭消費量約50%用于發(fā)電，其余終端使用領域包括工業(yè)、交通和住宅炊事等。其中前5位行業(yè)（鋼鐵、建材、化工、有色金屬和制造業(yè)）消費煤炭的總占比約45%，主要和基礎設施以及工業(yè)生產(chǎn)設施建設相關。隨著中國城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的逐漸完成，基建需求逐漸飽和，煤炭在這些領域的使用會減少。與此同時，隨著用電水平以及終端部門電氣化程度的提高，電力需求將快速增長，增速要快于能源需求增長速度。如果非煤電力的發(fā)展速度不足以覆蓋新增的電力需求，將不得不繼續(xù)依賴燃煤發(fā)電，從而導致電力部門煤炭消費量的增加。按照當前的電力發(fā)展趨勢，到2030年，非煤發(fā)電量的年均增速為5.35%，大約可以滿足2.02%的年均電力需求增長。因此，如果電力需求的年均增速大于2.02%，則電煤消費量仍將繼續(xù)增長。

從中國能源系統(tǒng)總體來看，雖然煤炭消費總量會逐漸減少，但會向電力行業(yè)集中。因此，電力行業(yè)陷入困局：一方面，更易脫碳的電力行業(yè)本應該是能源系統(tǒng)中脫碳的排頭兵；另一方面，由于終端電氣化水平提高所導致的電力需求大幅增加使得電力行業(yè)可能仍需增加煤炭消費，從而造成脫碳速度滯后。此外，整體能源系統(tǒng)不同的低碳轉型力度，對應著不同的電氣化水平提升速度。為了實現(xiàn)2℃和1.5℃的氣候目標，電氣化進程需要進一步加快，從而導致更快增長的電力需求，這對于電力行業(yè)的脫碳將形成更大的挑戰(zhàn)。在此情況下，電力行業(yè)在整體能源系統(tǒng)低碳轉型中的角色將更加重要，因此非常有必要研究與設計其發(fā)展路徑，從而以電力行業(yè)的低碳化支撐終端用能的電氣化，實現(xiàn)全經(jīng)濟口徑脫碳。

2.2轉型情景

針對中國電力行業(yè)當前面臨的困局，本研究設計了3個情景來定量分析電力低碳轉型過程，即基準情景（BAU），2℃情景（2DS）和1.5℃情景（1.5DS）。基準情景（BAU）是對當前電力行業(yè)發(fā)展趨勢的延伸，并作為比較的基礎。2℃情景（2DS）和1.5℃情景（1.5DS）中，電力低碳轉型將分為2個階段：①2030年前，在基準情景的基礎上加大非化石能源發(fā)展力度，到2030年非化石能源發(fā)電量在總發(fā)電量中的占比達到50%。②2030年后，設定與《巴黎協(xié)定》中的全球碳減排目標一致的碳排放預算（其中1.5℃情景設定2050年實現(xiàn)凈零排放），采用目標倒逼機制來研究電力行業(yè)脫碳路徑。

從不同情景下中國電力行業(yè)2018—2050年的年度和累計CO2排放量可以看到，相比于基準情景，2℃情景和1.5℃情景中由于在2030年前采取了更強化的減排措施，電力行業(yè)的碳排放達峰時間從2029年提前至2023年，碳排放峰值從44.1億t降低至40.9億t，更嚴格的碳排放預算倒逼電力碳排放在2030年后進一步加速下降。基準情景中的累積CO2排放量已經(jīng)超限，這意味著當前的減排努力還無法實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的氣候目標。

2.3脫碳路徑及實施方案

電力行業(yè)的低碳轉型本質上是從高碳電力向低碳電力的轉變。一方面要避免新增排放，如大力發(fā)展非化石電力來滿足增量電力需求。另一方面要降低現(xiàn)有化石能源發(fā)電設施的存量排放，如壓縮其使用壽命或配備碳捕集與埋存（CCS）技術。與此同時，近年來生物質發(fā)電加CCS（BECCS）作為一種負排放技術受到學術界的廣泛關注，但也存在生物質資源和土地資源限制的問題。基于中國擁有大量燃煤電廠的實際國情，煤炭-生物質摻燒發(fā)電再加上CCS的技術（本研究將其命名為Partial-BECCS，簡稱PBECCS）是一個具有發(fā)展前景的技術，因為該技術可以充分利用現(xiàn)有燃煤機組進行深度減排。

總體來看，電力行業(yè)的深度脫碳取決于可再生能源（尤其是風能和太陽能）的迅速擴張、燃煤電廠的加速淘汰以及CCS的使用。結果表明，到2050年，如果將可再生能源發(fā)電量比重增加至68.2％（2℃情景）和69.1％（1.5℃情景），將燃煤發(fā)電量（不含煤電CCS和PBECCS電廠）比重減少至1.1％（2℃情景）和0.1％（1.5℃情景），并將煤電CCS和PBECCS的發(fā)電量比重之和增加至9.9%（2℃情景）和12.4%（1.5℃情景），便可以實現(xiàn)2℃和1.5℃的減排目標。

為了保障上述脫碳路徑的實現(xiàn)，核心是要解決好幾個關鍵問題，并給出相應的實施方案，包括可再生能源的發(fā)展、煤電退出、CCS/PBECCS的部署和轉型投資成本。

1）可再生能源的發(fā)展

發(fā)展可再生能源是實現(xiàn)電力低碳轉型的基本手段，需要從3方面考慮，一是總體發(fā)展規(guī)模和速度，二是區(qū)域間的資源匹配，三是高比例可再生能源接入后的電網(wǎng)穩(wěn)定性。

為了發(fā)展?jié)M足減排目標要求的可再生能源規(guī)模，2030年前，即“十四五”、“十五五”期間，應將風電和太陽能發(fā)電的建設速度提升至當前建設速度的1~2倍，以滿足增量電力需求。2030年后，需要進一步加快建設速度，以替代煤電滿足存量電力需求。總體而言，2020—2050年，風能和太陽能的平均擴張速度需要達到當前擴張速度的2~4倍。

中國可再生能源資源主要分布在西北、西南和東北地區(qū)，而電力需求主要集中在東部和中部地區(qū)，可再生能源資源和電力需求在地理位置上總體呈逆向分布。因此，在大規(guī)模開發(fā)資源富集地區(qū)可再生能源資源的同時，需要建設更多的區(qū)域間輸電線路來向負荷集中區(qū)傳輸電力。到2050年，2℃情景和1.5℃情景中的區(qū)域間電力傳輸容量需要達到1 258 GW和1 461 GW，是當前水平的5.6和6.5倍。

高比例波動性可再生能源（風電、光伏）的大規(guī)模接入，對于電力系統(tǒng)的靈活性提出了更高的要求。2030年前，由于波動性可再生能源發(fā)電量占比仍低于45%，依靠煤電的靈活性運行和區(qū)域間電網(wǎng)互聯(lián)互濟即可有效消納。到2050年，波動性可再生能源發(fā)電量占比60％以上。如此高比例波動性可再生能源的接入，會給電力系統(tǒng)帶來慣性不足、雙向/極端潮流、配電網(wǎng)擁塞、季節(jié)性不平衡等問題，需要采用虛擬同步發(fā)電技術、基于多能互補的綜合能源系統(tǒng)、能量路由器等措施來提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對可再生能源資源的日內和季節(jié)性波動導致的發(fā)用電不平衡問題，可以通過新建大量的儲能設施來解決。到2050年，2DS和1.5DS中的儲能容量需要達546 GW和670 GW，是當前水平的17和21倍。然而，上述很多技術當前仍處于示范階段，距離大規(guī)模應用仍有一定距離，應投入更多的研發(fā)力量以促進技術進步。

2）煤電退出

當前很多研究認為，為了實現(xiàn)2℃和1.5℃的減排目標，燃煤電廠的退出速度需要加快，甚至在達到其經(jīng)濟使用壽命之前提前退役。然而，煤電的退出面臨著較大的經(jīng)濟成本和就業(yè)問題，需要統(tǒng)籌考慮，如德國煤炭委員會建議國家財政提供400億歐元來支持德國的2038年退煤計劃。中國當前在役煤電機組平均服役時間短（僅為12 a），包括上游煤炭行業(yè)在內的相關從業(yè)人數(shù)接近400萬人，決策稍有不慎便會產(chǎn)生嚴重的經(jīng)濟和社會問題。

本研究基于總成本最小的原則給出了燃煤電廠的退役計劃。總體而言，未來電力系統(tǒng)不需要大量的煤電來承擔電力供應，只需保留少量煤電作為調峰負荷以應對可再生能源的波動性問題。因此，從現(xiàn)在開始不能再大規(guī)模地新建煤電裝機。2030年前，煤電發(fā)展處于平臺過渡期，無需大量退出，主要是做好由基本負荷向調峰負荷的轉變。2030年后，煤電退出速度需要加快，到2050年累計減少的容量要達到900 GW以上，其中包括加裝CCS和改造為PBECCS的機組。

這些減少的燃煤電廠中有很多需要在其預期使用壽命之前退役，這會導致燃煤電廠的平均壽命下降0.42 a（2℃情景）和1.93 a（1.5℃情景）。由于提早退役，燃煤電廠有一部分剩余價值沒有得到利用，本文定義為擱淺成本。2℃情景中煤電總擱淺成本為1 050億元，1.5℃情景中由于需要更多的燃煤電廠提前退役，擱淺成本更高，為6 550億元。盡管這是一個不小的數(shù)額，但和中國總體燃煤電廠的體量相比，仍處于可以接受的水平。

關于煤電和上游煤炭行業(yè)工人的就業(yè)問題，可以充分利用可再生能源的快速發(fā)展所提供的大量高質量就業(yè)機會，做好有序交接，以應對煤電退出帶來的就業(yè)壓力。

3）CCS/PBECCS的部署

由于CCS可以捕獲90％的碳排放量，在燃煤電廠加裝CCS使其變?yōu)橐环N相對低碳的發(fā)電技術。如果將煤炭和生物質摻燒進行發(fā)電，再加上CCS形成PBECCS，則是負排放技術，更有利于中和碳排放量，提升減排效果。CCS和PBECCS技術的部署，可以在減少CO2排放的同時，又保留適當煤電產(chǎn)能。這樣可以充分利用現(xiàn)有的煤電機組，避免一部分煤電資產(chǎn)提前退役而導致的資源浪費。

本研究建議從2030年后就開始大規(guī)模部署CCS/PBECCS技術。到2050年，在2℃情景和1.5℃情景中，CCS/PBECCS的裝機容量要分別達到115 GW/119 GW和74 GW/272 GW，累計捕獲二氧化碳69億t和180億t，對于電力行業(yè)碳減排的貢獻達到25%和39%。通過部署CCS和PBECCS技術，即使在1.5℃情景中需要滿足2050年凈零排放的目標，煤電容量仍可以保留351 GW。

CCS的部署規(guī)模主要取決于其成本競爭力，而PBECCS還受到生物質資源的限制。為了探討CCS和PBECCS加速發(fā)展對電力行業(yè)脫碳路徑的影響，本研究在1.5℃情景中，對CCS的成本下降率進行了敏感性分析。隨著CCS成本下降率的提高，煤電CCS和PBECCS作為一種低碳發(fā)電技術變得更具競爭力。由于燃煤電廠可以通過加裝CCS設備或改造成PBECCS而繼續(xù)服役，因此2050年的剩余煤電總容量將增加，煤電退出過程得到減緩。這可以有效降低提前退役燃煤機組的擱淺成本，從而實現(xiàn)更為緩和的轉型。但由于2050年電力行業(yè)的凈零排放限制，這種效果趨于飽和，2050年最大的剩余燃煤發(fā)電容量不能超過623 GW。

此外，本研究還計算了1.5℃目標下假設不使用CCS技術的情景，該情景下模型不存在可行解。這表明，如果不使用CCS/PBECCS技術，電力行業(yè)到2050年實現(xiàn)凈零排放是不可行的。而當前CCS技術在中國仍處于示范階段，高昂的成本是限制其商業(yè)化的主要原因。因此，為了實現(xiàn)氣候目標，應當加大CCS技術研發(fā)力度，為大規(guī)模應用做好準備。

4）轉型投資成本

在考慮電力低碳轉型時，不僅要考慮技術的可行性，也需要考慮經(jīng)濟的可負擔性。因此，轉型所需的投資成本是決策者關心的重點，這關乎國家所付出的經(jīng)濟代價以及社會用電成本的變化。

根據(jù)IPCC對實現(xiàn)1.5℃氣候目標所需額外投資的評估，未來30 a全球每年所需投資的平均值約為0.9萬億美元，約占同期全球GDP的0.6%。根據(jù)本研究的計算，2℃情景和1.5℃情景中，電力行業(yè)2018—2050年的累計總投資成本分別為35萬億和49萬億元，約占中國同期累計GDP的0.5％和0.7％。中國僅電力行業(yè)轉型投資成本在GDP中的占比與全球全行業(yè)低碳轉型平均所需投資成本在GDP中的占比相當，經(jīng)濟代價不容小視。與基準情景相比，2℃情景和1.5℃情景中的總投資成本將分別增加31％和90％。從基準情景到2℃情景的平均碳減排成本為296元/t，從2℃情景到1.5℃情景的平均碳減排成本為577元/t。

就成本結構而言，2℃情景和1.5℃情景的較高投資成本主要歸因于風電和光伏的投資，約占整體投資額的57%（2℃情景）和62%（1.5℃情景）。為了實現(xiàn)低碳目標，可再生能源的年新增投資規(guī)模將長期維持在較高水平，因此需要建立和完善綠色投融資機制，以綠色金融支持低碳轉型。

結論與建議

從電力行業(yè)的角度來看，按照當前趨勢發(fā)展將無法實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》下2℃和1.5℃的溫升控制目標，需要付出更大的努力。應當超前部署相關措施和政策。關鍵的措施包括加大可再生能源部署、加快燃煤電廠的退出以及大規(guī)模部署碳捕集和封存技術。為了保障這些舉措的順利實施，本研究提出以下政策建議。

1）保障可再生能源的發(fā)展。一是在“十四五”和“十五五”期間，明確將可再生能源定位為滿足增量電力需求，在“十三五”的基礎上加快部署速度。待2030年可再生能源產(chǎn)業(yè)具備顯著成本競爭力時，可以自然過渡到更快速的增長階段。二是加強跨區(qū)域電力交換通道建設，保障可再生能源資源與電力需求的區(qū)域間匹配，實現(xiàn)跨區(qū)域資源配置以及電網(wǎng)互聯(lián)互濟。三是積極部署儲能設施、源-網(wǎng)-荷協(xié)調、綜合能源系統(tǒng)等電網(wǎng)相關技術的研發(fā)和示范應用，通過多種技術手段組合來應對高比例波動性可再生能源的接入問題，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

2）做好煤電有序退出。嚴格控制新建煤電機組，并建立存量煤電有序退出機制。充分利用好存量機組，逐漸實現(xiàn)煤電機組功能轉變。2030年前對存量煤電機組大力實施靈活性改造，逐步實現(xiàn)煤電的功能定位由基本負荷向調峰負荷轉變。關于煤電和上游煤炭行業(yè)工人的就業(yè)問題，可以充分利用可再生能源的快速發(fā)展所提供的大量高質量就業(yè)機會，妥善引導再就業(yè)，努力降低經(jīng)濟和社會風險。

3）加強CCS/PBECCS的研發(fā)與部署。實現(xiàn)CO2捕集、埋存、利用等關鍵技術突破，為全流程技術系統(tǒng)集成和大規(guī)模示范打好基礎。強化CCS產(chǎn)業(yè)化政策研究，加強國際合作與技術轉移。PBECCS技術對于以煤電為主的電力系統(tǒng)轉型具有重要意義，應當作為關鍵技術優(yōu)先發(fā)展，其研發(fā)與應用示范應從農(nóng)業(yè)、生態(tài)和環(huán)境等角度統(tǒng)籌考慮。

4）保障電力低碳轉型所需投資。為了實現(xiàn)更嚴格的減排目標，電力行業(yè)需要保持30 a以上的高投資水平。另外，電力行業(yè)投資包括電源投資和電網(wǎng)投資，未來每年所需新增電力設施投資遠遠高于當前投資規(guī)模。這對現(xiàn)有投融資機制是一個極大的挑戰(zhàn)，需要盡快健全和完善綠色投融資機制。

注：該研究成果以《現(xiàn)實可行且成本可負擔的中國電力低碳轉型路徑》為題在《潔凈煤技術》進行了網(wǎng)絡首發(fā)。