摘 要：自習(xí)近平主席宣布中國(guó)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)以后，電力行業(yè)的發(fā)展路徑廣受關(guān)注與熱議，為結(jié)合中國(guó)能源資源稟賦、技術(shù)水平與安全需求，探索符合中國(guó)國(guó)情的電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的發(fā)展路徑，從碳達(dá)峰、碳中和的基本概念入手，明確指出碳達(dá)峰包括達(dá)峰時(shí)間與峰值，碳中和不是CO2零排放。結(jié)合發(fā)達(dá)國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和的路徑分析，得出中國(guó)碳達(dá)峰、碳中和與發(fā)達(dá)國(guó)家的異同及難度，提出中國(guó)應(yīng)以節(jié)能與摻燒為引領(lǐng)，保留火電機(jī)組不少于8億kW;以低碳能源為關(guān)鍵，大力發(fā)展風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電；以儲(chǔ)能與碳捕集為補(bǔ)充，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定等3條重要舉措。根據(jù)中國(guó)富煤貧油少氣的化石能源現(xiàn)狀、水電資源開發(fā)基本完畢、核電選址較為困難等實(shí)際情況，預(yù)測(cè)中國(guó)碳達(dá)峰時(shí)火電行業(yè)排放的CO2約47億t,碳中和時(shí)火電行業(yè)允許排放CO2約13.5億t,碳中和時(shí)中國(guó)電力裝機(jī)容量達(dá)64.3億kW,其中風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電50億kW,核電2億kW,水電4.3億kW,余熱、余壓、余氣發(fā)電0.5億kW,生物質(zhì)發(fā)電1.2億kW,氣電1億kW,煤電5.3億kW,非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量占比90.2%,發(fā)電量占比85.3%。碳中和時(shí)中國(guó)電力行業(yè)排放CO2約15.21億t,其中火電行業(yè)排放13.18億t,小于允許排放量。關(guān)鍵詞：碳達(dá)峰;碳中和;資源稟賦;電力行業(yè);發(fā)展路徑;
0 引言
2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平首次在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論會(huì)宣布：中國(guó)將提高國(guó)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(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。至2021年4月22日的領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會(huì)，習(xí)近平主席至少在9次國(guó)際會(huì)議、國(guó)內(nèi)3次會(huì)議與視察福建講話先后闡述了碳達(dá)峰與碳中和的目標(biāo)、意義、政策、措施、行動(dòng)等內(nèi)容，受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。CO2排放的最大來源是化石能源的燃燒，據(jù)《世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒2020》,中國(guó)煤炭、石油、天然氣消費(fèi)量分別占世界總量51.7%、14.5%、7.8%,可見中國(guó)控制CO2排放，首當(dāng)其沖的是要控制煤炭消費(fèi)。中國(guó)煤炭約一半用于燃燒發(fā)電，2018年中國(guó)火電(約90%是煤電)的CO2排放量占全國(guó)總排放量的43%,是CO2排放的最大單一來源。減少電力行業(yè)的煤炭消費(fèi)確實(shí)是減少CO2排放的有效手段，但中國(guó)富煤貧油少氣的資源稟賦,使得電力行業(yè)很難離開煤炭。針對(duì)碳達(dá)峰、碳中和約束下電力行業(yè)的發(fā)展路徑，各種觀點(diǎn)分歧很大，有的提出加快燃煤電廠退出，煤電清零;有的提出煤炭開發(fā)的綠色轉(zhuǎn)型,因地制宜推進(jìn)區(qū)域能源革命。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，電力行業(yè)面臨著增加供應(yīng)和減少碳排放的雙重挑戰(zhàn)，有必要從中國(guó)的國(guó)情出發(fā)，結(jié)合技術(shù)可靠性、減碳效果、成本等，探討能夠提供安全、環(huán)境友好、社會(huì)可承受的電力行業(yè)的發(fā)展路徑。
1 電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和概念與實(shí)現(xiàn)路徑
1.1 碳達(dá)峰、碳中和的定義
根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovermental Panel on Climate Change, IPCC)的定義，碳達(dá)峰是指某個(gè)地區(qū)或行業(yè)年度CO2排放量達(dá)到歷史最高值，然后進(jìn)入持續(xù)下降的過程，是CO2排放量由增轉(zhuǎn)降的歷史拐點(diǎn)。碳達(dá)峰(peak CO2 emissions)包括達(dá)峰年份和峰值。碳中和是指由人類活動(dòng)造成的CO2排放量，與CO2去除技術(shù)(如植樹造林)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的吸收量達(dá)到平衡。
1.2 電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的概念
對(duì)照碳達(dá)峰的定義，碳達(dá)峰包括達(dá)峰年份和峰值。習(xí)近平主席已代表中國(guó)政府宣示，中國(guó)力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。達(dá)峰年份基本確定，而且有條件的地區(qū)、行業(yè)可以率先實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，但到目前為止具體峰值尚未公布。事實(shí)上，電力行業(yè)除CO2外，SO2和NOx也都有排放達(dá)峰的過程，如中國(guó)電力行業(yè)SO2排放在2006年達(dá)到峰值1320萬t, 此后逐步下降到2014年的620萬t, 2015年快速下降至200萬t; NOx排放量在2011年達(dá)到峰值1107萬t, 此后逐步下降到2014年的620萬t, 2015年快速下降至180萬t,如圖1所示。從圖1可以看出，盡管中國(guó)燃煤電廠基本上均實(shí)現(xiàn)了煙塵、SO2、NOx超低排放，但2019年電力行業(yè)的SO2和NOx排放量仍分別高達(dá)89萬t和93萬t。根據(jù)IPCC碳中和的定義，CO2的排放量與吸收量相等。事實(shí)上電力行業(yè)只要發(fā)電就會(huì)排放CO2,表1是IPCC發(fā)布的全球各種電源發(fā)電的CO2平均排放強(qiáng)度?？梢姡徽撌呛畏N電源形式，只要發(fā)電都要排放CO2。對(duì)于化石能源發(fā)電，即使加裝碳捕集工程(Carbon Capture and Storage, CCS或Carbon Capture, Utilization and Storage ,CCUS),由于脫除效率所限，也是排放CO2的，因此電力行業(yè)自身實(shí)現(xiàn)碳中和是不可能的，只能是在保障電力供應(yīng)的同時(shí)，電力行業(yè)盡可能減少CO2排放。所有國(guó)家碳中和時(shí)電力行業(yè)都應(yīng)有一定額度的CO2排放，所以電力行業(yè)碳中和不是CO2零排放。
1.3 電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的實(shí)現(xiàn)路徑
世界各國(guó)由于資源稟賦、技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)水平、地域范圍等各不相同，因此不同國(guó)家電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的路徑也各不相同。需要指出的是發(fā)達(dá)國(guó)家的碳達(dá)峰過程一般都是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的自然過程，如英國(guó)1973年就已實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，法國(guó)、德國(guó)、瑞典1978年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，美國(guó)2007年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，這些早已實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的國(guó)家，其共同點(diǎn)是早已完成工業(yè)化，進(jìn)入了后工業(yè)化時(shí)代或信息時(shí)代，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)已不依賴能源消費(fèi)的增長(zhǎng)，電力裝機(jī)容量或發(fā)電量多年維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平。實(shí)現(xiàn)碳中和，促進(jìn)低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型的各種國(guó)際規(guī)則、行業(yè)準(zhǔn)則及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)層出不窮。世界范圍內(nèi)力推實(shí)現(xiàn)1.5℃溫升控制目標(biāo)，到21世紀(jì)中葉全球?qū)崿F(xiàn)碳中和的呼聲日益強(qiáng)烈。歐盟提出“歐洲綠色新政”,宣布2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放，成為首個(gè)碳中和歐洲大陸。全球已有121個(gè)國(guó)家提出2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)和愿景，其中包括英國(guó)、新西蘭等發(fā)達(dá)國(guó)家以及智利、埃塞俄比亞、大部分小島嶼國(guó)家等發(fā)展中國(guó)家。不少國(guó)家和城市也提出2030—2050年期間實(shí)現(xiàn)100%可再生能源目標(biāo)，提出煤炭和煤電退出以及淘汰燃油汽車的時(shí)間表，并有114個(gè)國(guó)家表示將強(qiáng)化和更新國(guó)家自主貢獻(xiàn)(National Determined Contributions, NDC)目標(biāo)。
圖1 中國(guó)電力行業(yè)SO2和NOx排放量的達(dá)峰與下降過程表1 全球各種電源的平均CO2排放強(qiáng)度 g/(kW·h)
從表1中可以看出，化石能源電力，即煤電、石油和氣電均為高碳排放電源(簡(jiǎn)稱“高碳電源”),其中以煤電為最高，而其余所有的8種電源，均是低碳排放電源(簡(jiǎn)稱“低碳電源”)。從各種電源的CO2排放強(qiáng)度可以看出，降低CO2的最簡(jiǎn)單方法就是大力發(fā)展低碳電源，拋棄高碳電源。如2019年11月新西蘭通過《零碳法案》,2035年實(shí)現(xiàn)100%可再生能源發(fā)電。2020年7月，德國(guó)聯(lián)邦議會(huì)通過了《燃煤電廠淘汰法案》,最遲到2038年年底，完全淘汰煤炭發(fā)電能力。其次是燃煤發(fā)電的燃料替代，如用低碳、零碳燃料替代煤炭，歐洲有不少國(guó)家利用天然氣、秸桿替代燃煤發(fā)電，如英國(guó)最大的燃煤電廠Drax擁有6臺(tái)660MW機(jī)組，其中4臺(tái)機(jī)組全部改燃生物質(zhì)燃料，另外2臺(tái)改燒天然氣。美國(guó)則大量使用頁(yè)巖氣替代燃煤發(fā)電。再次是燃煤電廠的CO2捕集利用，可分為燃燒前捕集、富氧燃燒和燃燒后捕集。從現(xiàn)階段來看，燃燒前捕集技術(shù)主要是應(yīng)用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Intergrated Gasification Combined Cycle, IGCC)電廠，已有大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的成功案例，但由于該技術(shù)工藝復(fù)雜，投資成本高，與現(xiàn)有工藝兼容性差，不適用于對(duì)現(xiàn)有工藝設(shè)備的改造，導(dǎo)致其發(fā)展較為緩慢。富氧燃燒仍處于中試驗(yàn)證階段，沒有商業(yè)規(guī)模項(xiàng)目開始實(shí)施建設(shè)，大型空分裝置的高投資和高能耗，以及系統(tǒng)升壓-降壓-升壓過程中的不可逆損失較大，是制約富氧燃燒技術(shù)成本降低的主要因素。燃燒后捕集技術(shù)是目前相對(duì)成熟的碳捕集技術(shù)，是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)CO2大規(guī)模捕集的重要途徑，其主要研究方向是提高效率，降低運(yùn)行成本。
2 中國(guó)電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的適宜路徑
2.1 中國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的路徑異同
發(fā)達(dá)國(guó)家碳達(dá)峰是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的自然過程，碳達(dá)峰時(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展已度過工業(yè)化階段，進(jìn)入了后工業(yè)化階段或信息化階段，經(jīng)濟(jì)發(fā)展已不依賴能源消費(fèi)的增長(zhǎng)，電力長(zhǎng)期處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，因此其碳中和主要是在保持現(xiàn)有電力供應(yīng)的基礎(chǔ)上，盡可能減少CO2排放。中國(guó)GDP總量居全球第二，但人均GDP剛剛超過1萬美元，2019年中國(guó)人均GDP僅占美國(guó)的16%,2020年末才消除貧困。中國(guó)2019年的人均GDP僅是16個(gè)國(guó)家碳達(dá)峰時(shí)人均GDP平均值的18.6%,中國(guó)計(jì)劃在2035年左右基本實(shí)現(xiàn)代化，人均GDP達(dá)到中等發(fā)達(dá)國(guó)家水平。中國(guó)目前尚未完成工業(yè)化，GDP的增長(zhǎng)仍依賴能源消費(fèi)的增長(zhǎng)，因此中國(guó)電力行業(yè)的碳中和不僅要減少CO2排放，而且要滿足電力需求的持續(xù)增長(zhǎng)。據(jù)解振華等人的研究預(yù)測(cè)，中國(guó)全社會(huì)用電量將從2020年的7.5億(kW·h)增長(zhǎng)到2050年的11.91～14.27億(kW·h),增長(zhǎng)率高達(dá)58.8%～90.3%?？梢?，中國(guó)電力行業(yè)碳中和的難度要遠(yuǎn)高于任何發(fā)達(dá)國(guó)家。中國(guó)電力行業(yè)碳中和的另一難度在于中國(guó)的資源稟賦，據(jù)《中國(guó)礦產(chǎn)資源報(bào)告2019》的數(shù)據(jù)測(cè)算，中國(guó)已查明的化石能源儲(chǔ)量中煤炭、石油、天然氣分別占99%、0.4%、0.6%,因此歐美國(guó)家普遍采用的用天然氣、頁(yè)巖氣等替代燃煤發(fā)電，在中國(guó)是行不通的。盡管中國(guó)目前的燃?xì)怆姀S比例很低，但2019年中國(guó)天然氣的進(jìn)口依存度43%,石油的進(jìn)口依存度則高達(dá)71%,遠(yuǎn)超國(guó)際公認(rèn)的安全警戒線?？梢?，在中國(guó)完全淘汰燃煤電廠是不現(xiàn)實(shí)的。
2.2 以節(jié)能與摻燒為引領(lǐng)，保留火電機(jī)組裝機(jī)不少于8億kW
2.2.1 實(shí)施煤電節(jié)能改造，降低單位煤電發(fā)電量的碳排放
2014年9月發(fā)展改革委、環(huán)境保護(hù)部、能源局印發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》,與節(jié)能改造前的2013年相比，2019年全國(guó)火電行業(yè)平均供電煤耗從321g/(kW·h)降低到306.4g/(kW·h),下降14.6g/(kW·h),相當(dāng)于2019年節(jié)約標(biāo)煤7368萬t,僅此就可減少CO2排放近2億t。2019年全國(guó)火電機(jī)組容量118957萬kW,其中燃煤發(fā)電104063萬kW(占87.5%),燃?xì)獍l(fā)電9024萬kW,生物質(zhì)發(fā)電2361萬kW,余溫、余壓、余氣發(fā)電3272萬kW,燃油發(fā)電175萬kW。60萬kW及以上的大機(jī)組容量占比為45.0%;30～60萬kW等級(jí)的機(jī)組容量占比35.4%,其中亞臨界機(jī)組約3.5億kW,近1000臺(tái)，容量占比超過30%;單機(jī)容量小于30萬kW的老小機(jī)組容量占比19.6%。這說明全國(guó)火電裝機(jī)容量中近一半的是效率低、煤耗高、性能差的亞臨界及以下參數(shù)的機(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)小機(jī)組，如表2所示。表2 全國(guó)火電機(jī)組容量等級(jí)占比
在實(shí)現(xiàn)碳中和過程中，國(guó)家應(yīng)出臺(tái)政策首先淘汰關(guān)停效率低、煤耗高、役齡長(zhǎng)的落后老小機(jī)組。2019年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，小于10萬kW的小機(jī)組容量11657.8萬kW,占火電總?cè)萘康?.8%,年利用小時(shí)數(shù)4431h, 比全國(guó)火電機(jī)組的平均利用小時(shí)4365h高出66h,小于30萬kW的機(jī)組容量超過2.3億kW,應(yīng)逐一分析這些機(jī)組的實(shí)際情況，該淘汰的堅(jiān)決淘汰；其次應(yīng)該對(duì)占煤電容量30%的近1000臺(tái)亞臨界機(jī)組進(jìn)行升級(jí)改造。將亞臨界機(jī)組的效率和煤耗提升到超超臨界的水平，以大幅度地降低其煤耗，同時(shí)大力改善其低負(fù)荷調(diào)節(jié)的靈活性，以大大提高其消納風(fēng)電和光伏發(fā)電量的能力，尤其是亞臨界機(jī)組均是汽包鍋爐，具有良好的水動(dòng)力學(xué)的穩(wěn)定性，因而更加適應(yīng)電網(wǎng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)。徐州華潤(rùn)電廠于2019年7月完成了對(duì)32萬kW亞臨界燃煤機(jī)組的改造，額定負(fù)荷下的供電煤耗從改造前的318g/(kW·h)降低到282g/(kW·h),每度電降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗36g, 按年利用小時(shí)4500h計(jì)，相當(dāng)于每年節(jié)約標(biāo)煤5.2萬t, 減少CO2排放約14萬t。改造后機(jī)組不但具有穩(wěn)定的100%～20%范圍內(nèi)的調(diào)峰調(diào)頻性能，而且在19.39%的低負(fù)荷下仍然實(shí)現(xiàn)了超低排放，達(dá)到了大幅降低煤耗，顯著提高靈活性的目標(biāo)。2020年12月并網(wǎng)發(fā)電的安徽平山電廠二期工程設(shè)計(jì)供電煤耗251g/(kW·h),廠用電率按5%考慮，發(fā)電煤耗僅為238.45g/(kW·h),折算單位發(fā)電量的CO2排放量為643.8g/(kW·h),介于IPCC公布的油電與氣電CO2排放強(qiáng)度之間。
2.2.2 摻燒非煤燃料，進(jìn)一步降低煤電碳排放
煤電的另一個(gè)低碳發(fā)展的方向是煤與生物質(zhì)、污泥、生活垃圾等耦合混燒。煤與生物質(zhì)耦合混燒發(fā)電主要的突出優(yōu)點(diǎn)是：利用固體生物質(zhì)燃料部分或全部代替煤炭，顯著降低原有燃煤電廠的CO2排放量；利用大容量高參數(shù)燃煤發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率高的優(yōu)勢(shì)，大幅度提高生物質(zhì)發(fā)電效率，節(jié)約生物質(zhì)燃料資源；利用已有的燃煤發(fā)電機(jī)組設(shè)備，只對(duì)燃料制備系統(tǒng)和鍋爐燃燒設(shè)備進(jìn)行必要的改造，可以大大降低生物質(zhì)發(fā)電的投資成本；參與混燒的生物質(zhì)燃料比例可調(diào)節(jié)范圍大(通常為5%～20%),調(diào)節(jié)的靈活性強(qiáng)，對(duì)生物質(zhì)燃料供應(yīng)鏈的波動(dòng)性變化有很強(qiáng)的適應(yīng)性。燃煤電廠摻燒生物質(zhì)燃料，在國(guó)內(nèi)外均有成熟經(jīng)驗(yàn)。摻燒污水處理廠污泥，在國(guó)內(nèi)也有不少電廠投運(yùn)，如廣東深圳某電廠300MW燃煤機(jī)組、江蘇常熟某電廠600MW燃煤機(jī)組、江蘇常州某電廠600MW燃煤機(jī)組。摻燒生活垃圾的主要是循環(huán)流化床鍋爐的燃煤電廠，也有先將垃圾氣化再摻入煤粉爐燃燒的電廠。
2.2.3 碳中和時(shí)中國(guó)火電機(jī)組的保留規(guī)模
2020年12月到2021年1月自湖南省通知有序用電之后，浙江、江西、陜西等多地都發(fā)出了限電的通知，全國(guó)多地出現(xiàn)拉閘限電。2021年1月7日當(dāng)天晚高峰創(chuàng)出了全社會(huì)用電高點(diǎn)，達(dá)到了11.89億kW,全國(guó)的發(fā)電裝機(jī)容量為22億kW,為何不能保證11.89億kW的用電負(fù)荷呢?這就需要區(qū)分發(fā)電裝機(jī)容量與保供裝機(jī)容量。2020年底中國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到22億kW,但并不意味著這些機(jī)組能夠同時(shí)發(fā)電。2021年1月7日11.89億kW的用電負(fù)荷高峰出現(xiàn)在晚上，太陽(yáng)能就是光伏發(fā)電沒有出力。剛好1月7日全國(guó)大面積沒有什么風(fēng)，風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)出力大概10%左右，全國(guó)5.3億kW風(fēng)電和光伏的總裝機(jī)，有5億kW沒有出上力。冬季又是枯水期，我國(guó)3.7億kW水電的裝機(jī)容量在用電高峰時(shí)超過2億kW沒有出上力。另外，冬季是天然氣的用氣高峰，中國(guó)1億kW左右的天然氣發(fā)電裝機(jī)，有一半左右也沒有出上力。加上發(fā)電機(jī)組停機(jī)檢修、區(qū)域布局等問題，造成冬季缺電就顯而易見了。2060年前中國(guó)爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)碳中和，電力行業(yè)首當(dāng)其沖，需要大力發(fā)展可再生能源，但可再生能源不可控，不能作為保供電源。能夠作為保供電源的主要是火電、水電、核電、儲(chǔ)能(含抽水蓄能)?；痣姲ㄈ济喊l(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電、燃油發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等，是最可靠的保供電源。2020年中國(guó)的水電裝機(jī)容量3.7億kW(含抽水蓄能3149萬kW),容易開發(fā)的水電資源已開發(fā)完畢，據(jù)報(bào)道中國(guó)的水電開發(fā)極限是4.32億kW。2020年中國(guó)的核電裝機(jī)容量0.5億kW,核電由于核安全問題，選址極其困難，加上核燃料資源的限制，不可能大規(guī)模發(fā)展，預(yù)計(jì)可發(fā)展到2億kW。2020年中國(guó)建成投運(yùn)的儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模3560萬kW,其中抽水蓄能3149萬kW。2021年4月19日，國(guó)家能源局印發(fā)《2021年能源工作指導(dǎo)意見》,明確提出開展全國(guó)新一輪抽水蓄能中長(zhǎng)期規(guī)劃，穩(wěn)步有序推進(jìn)儲(chǔ)能項(xiàng)目試驗(yàn)示范。在所有儲(chǔ)能方式中，抽水蓄能經(jīng)過了幾十年的工程實(shí)踐檢驗(yàn)，技術(shù)最為成熟，也最具經(jīng)濟(jì)性，具有大規(guī)模開發(fā)潛力，但選址較為困難。與抽水蓄能相比，其他儲(chǔ)能項(xiàng)目規(guī)模都比較小，且有潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。儲(chǔ)能項(xiàng)目都是將電能的再次轉(zhuǎn)化，如抽水蓄能是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能；化學(xué)儲(chǔ)能是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能等等，在轉(zhuǎn)換過程中會(huì)有大量的能源損耗。考慮到中國(guó)大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電與光伏發(fā)電，預(yù)計(jì)儲(chǔ)能項(xiàng)目需新增2億kW?？紤]到將來極端天氣會(huì)更多，仍以用電負(fù)荷高峰出現(xiàn)在冬季晚間為例，儲(chǔ)能、核電的出力能力均取1,水電的出力能力取0.5,計(jì)算可得儲(chǔ)能、核電、水電的同時(shí)發(fā)電能力為6.16億kW。保留火電機(jī)組裝機(jī)8億kW,出力能力取0.85,用電高峰時(shí)發(fā)電能力6.8億kW。這樣，用電高峰時(shí)頂?shù)蒙系陌l(fā)電能力為12.96億kW,基本可以保證電力供應(yīng)。
2.3 以低碳能源為關(guān)鍵，大力發(fā)展風(fēng)電與光伏發(fā)電
從表1中可以看出，國(guó)內(nèi)外有商業(yè)應(yīng)用的低碳能源有8種，中國(guó)的水電資源開發(fā)程度已經(jīng)很高，核電選址較為困難，生物質(zhì)發(fā)電規(guī)模已近2500萬kW,多余生物質(zhì)燃料可摻燒到現(xiàn)有燃煤電廠，能夠發(fā)電的地?zé)豳Y源非常有限，潮汐能發(fā)電早有建成的示范項(xiàng)目，但一直未能推廣，因此，現(xiàn)在能夠大規(guī)模發(fā)展以至于取代化石能源電力，取代煤電的就是可再生能源電力的風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電這兩種電源。近10多年來中國(guó)的風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電均取得快速發(fā)展，如圖2所示。從圖2可以看出，中國(guó)風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)從2009年的1613萬kW增長(zhǎng)到2019年28153萬kW,太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)從2009年的2萬kW增長(zhǎng)到2019年25343萬kW。
圖2 中國(guó)風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r2020年12月12日，習(xí)近平主席在氣候雄心峰會(huì)上進(jìn)一步宣布：到2030年，中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億m3,風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上。為了滿足全社會(huì)的用電需要，碳中和時(shí)中國(guó)非水可再生能源的發(fā)展預(yù)計(jì)將達(dá)到50億kW,主要是風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電，會(huì)有少量的地?zé)岚l(fā)電及潮汐能發(fā)電。
2.4 以儲(chǔ)能與碳捕集為補(bǔ)充，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定
為減少棄風(fēng)、棄光、棄水現(xiàn)象，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定，發(fā)展儲(chǔ)能項(xiàng)目是非常必要的，但儲(chǔ)能項(xiàng)目不僅投資較大，而且本身消耗電能，如抽水蓄能是效率較高的儲(chǔ)能方式，能源轉(zhuǎn)換效率僅有75%左右，因此國(guó)家必須出臺(tái)相關(guān)政策，推動(dòng)儲(chǔ)能項(xiàng)目的建設(shè)。碳捕集工程，包括碳捕集和封存(CCS)、碳捕集和利用(CCU)以及碳捕集、利用和封存(CCUS)。碳捕集工程不僅投資大、運(yùn)行費(fèi)用高，而且面臨高耗能、高風(fēng)險(xiǎn)等問題。使用CCUS單位(kW·h)發(fā)電能耗增加14%～25%,導(dǎo)致能耗需求量大幅增加；CCUS各個(gè)環(huán)節(jié)成本高昂，導(dǎo)致CCUS難以發(fā)展應(yīng)用；并且不論哪種方式封存CO2都存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)造成難以評(píng)估的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。但是，CCUS仍是碳減排潛在的重要技術(shù)，中國(guó)政府高度重視，在一系列國(guó)家規(guī)劃與方案中將CCUS列為緩解氣候變化的重要技術(shù)。2021年1月國(guó)內(nèi)最大規(guī)模15萬t/a CO2捕集和封存全流程示范工程在國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)華錦界電廠建成。因此，降低碳捕集，利用和封存(CCUS)的成本、能耗及風(fēng)險(xiǎn)任重道遠(yuǎn)，在沒有重大的技術(shù)突破以前，顯然不宜推廣應(yīng)用。即使CCUS技術(shù)有所突破，也需要政府持續(xù)推進(jìn)。
3 電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和時(shí)CO2排放量
3.1 火電行業(yè)碳達(dá)峰時(shí)CO2排放量
2018年火電行業(yè)排放的CO2占全國(guó)排放總量的43%,約43億t。2021年4月22日，習(xí)近平主席在領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會(huì)上指出：中國(guó)將嚴(yán)控煤電項(xiàng)目，“十四五”時(shí)期嚴(yán)控煤炭消費(fèi)增長(zhǎng)、“十五五”時(shí)期逐步減少煤炭消費(fèi)量?？梢钥闯?，2030年前煤電裝機(jī)容量還是會(huì)增長(zhǎng)的，全國(guó)煤碳消費(fèi)量會(huì)有所減少，但電煤消費(fèi)量會(huì)有所增加，需要大力推進(jìn)“以電代煤”,提高電氣化水平。預(yù)計(jì)火電行業(yè)碳達(dá)峰時(shí)CO2排放量會(huì)在2018年的基礎(chǔ)上增長(zhǎng)15%左右，約47億t。
3.2 火電行業(yè)碳中和時(shí)CO2允許排放量
據(jù)Pierre Friedlingstein等人的研究,2009—2018年全球每年化石燃料排放的CO2介于330～370億t之間，平均約350億t, 全球碳循環(huán)后每年造成大氣中CO2增加約180億t, 即全球每年化石燃料排放CO2約170億t時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)全球碳中和。中國(guó)人口數(shù)占世界人口總數(shù)的18.5%,如果不考慮共同但有區(qū)別的責(zé)任，按全球人均CO2排放來考慮，中國(guó)碳中和時(shí)可排放CO2約31.45億t, 比2018年排放的100.3億t減少68.85億t。2018年中國(guó)火電行業(yè)排放的CO2占全國(guó)排放總量的43%,不考慮碳中和實(shí)現(xiàn)時(shí)煤炭基本上均用來發(fā)電，其他工業(yè)行業(yè)的CO2排放占比會(huì)有所下降，火電行業(yè)應(yīng)該上升的因素，火電行業(yè)可以排放CO2約13.5億t, 電力行業(yè)的CO2排放指標(biāo)應(yīng)超過該限值。
3.3 電力行業(yè)碳中和時(shí)CO2預(yù)測(cè)排放量
依據(jù)前面的分析，在現(xiàn)有能源資源、技術(shù)水平及安全需求基礎(chǔ)上，碳中和時(shí)中國(guó)電力行業(yè)的發(fā)電裝機(jī)構(gòu)成、發(fā)電量及CO2排放量測(cè)算如表3所示。風(fēng)電與太陽(yáng)能各按25億kW計(jì)，考慮到技術(shù)進(jìn)步，除燃煤發(fā)電外，CO2排放強(qiáng)度均按表1中數(shù)值的0.8倍計(jì)算，全國(guó)煤電機(jī)組按發(fā)電煤耗281g/(kW·h)、供電煤耗295g/(kW·h)計(jì)，全國(guó)生物質(zhì)量按折算1.07億t標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)，折算其裝機(jī)容量及發(fā)電量，1t標(biāo)煤燃燒后排放2.7t的CO2。表3 碳中和時(shí)中國(guó)電力行業(yè)生產(chǎn)與CO2排放
從表3中可以看出，碳中和時(shí)，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量高達(dá)64.3億kW,其中非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量58億kW,占比90.2%;煤電裝機(jī)容量5.3億kW,占比8.2%;包括生物質(zhì)與余熱、余壓、余氣在內(nèi)的火電裝機(jī)容量8億kW,占比12.4%。從發(fā)電量來看，碳中和時(shí)，全國(guó)發(fā)電量近13萬億(kW·h),其中非化石能源發(fā)電量占比85.3%。全國(guó)電力行業(yè)排放CO2量15.21億t, 其中火電行業(yè)排放13.18億t, 占全國(guó)可排放總量31.45億t的41.9%,小于目前的占比水平43%?？梢姡绻軌?qū)崿F(xiàn)上述目標(biāo)，電力行業(yè)作出的貢獻(xiàn)是相當(dāng)巨大的。
4 結(jié)語
(1)碳達(dá)峰包括達(dá)峰時(shí)間與峰值，碳中和不是CO2零排放，中國(guó)碳達(dá)峰時(shí)火電行業(yè)排放的CO2量約47億t, 碳中和時(shí)火電行業(yè)允許排放CO2量約13.5億t。(2)中國(guó)電力行業(yè)的發(fā)展路徑應(yīng)貫徹以節(jié)能與摻燒為引領(lǐng)，保留火電機(jī)組不少于8億kW;以低碳能源為關(guān)鍵，大力發(fā)展風(fēng)電與光伏發(fā)電；以儲(chǔ)能與碳捕集為補(bǔ)充，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定等3條重要舉措。(3)碳中和時(shí)中國(guó)電力裝機(jī)容量預(yù)計(jì)可達(dá)64.3億kW(不包括儲(chǔ)能容量),非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量占比90.2%,發(fā)電量占比85.3%。電力行業(yè)排放CO2將從超過47億t下降至15.21億t, 其中火電行業(yè)排放13.18億t。作者：朱法華，王玉山，徐 振，李軍狀，董月紅，李 輝，李小龍，胡 蕓，孫雪麗，丁力；國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院有限公司國(guó)家環(huán)境保護(hù)大氣物理模擬與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京清新環(huán)境技術(shù)股份有限公司
