01從“雙碳”目標到新型電力系統

 

能源消費在碳排放中占據絕對主體地位

 

習近平總書記在第七十五屆聯合國大會上宣布，中國將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。這就要求我國在今后很長的周期內，對碳排放總量施行更嚴格的控制。

 

據估算，2020年我國二氧化碳排放總量約110億噸，我國能源燃燒的二氧化碳排放約為98億噸，電力行業約39億噸（不含熱電聯供的供熱碳排放約5億噸，計入工業、建筑等終端用熱行業），占二氧化碳總排放量的比重分別為88%和35%。可以看出，能源燃燒和電力行業在二氧化碳排放中占據絕對主體地位，在上述領域實現碳減排將成為實現全行業“雙碳”目標實現的重要一環。

 

能源結構轉型是實現“雙碳”目標的重要途經

 

從目前的的產業模式和技術發展來看，實現能源領域的碳減排主要有四個主要途徑：能源結構轉型，產業模式升級，用能效率提升，碳捕獲、利用和封存（CCUS）技術的廣泛應用，其中能源結構轉型對碳減排的貢獻率最高。

 

根據波士頓咨詢公司的數據，全球范圍內，能源結構轉型對碳減排的貢獻率達到70%。根據國家統計局的數據統計，與2005年相比，2019年我國煤炭消費比重從72.4%下降到57.7%，非化石能源占一次能源比重從7.4%提高到了15.3%。為實現碳中和的目標，2060年我國非化石能源占比需要達到80%以上，而非化石能源消費的95%是通過電力來實現的。全面提升電能在終端能源中的消費比例，是實現碳中和的重要手段，對于電力對碳中和的貢獻，大致有以下判斷。

 

一是滿足終端用電負荷增長需求，通過電能替代幫助其他行業轉移碳排放。與2020年相比，未來十年，其他行業電能替代電量將新增超過1萬億千瓦時，可減少其他行業二氧化碳排放超過5億噸。

 

二是服務源端高比例風、光等非化石能源發電的接入和送出，支撐源端的清潔替代減排。根據預測，以2020年為基準，2030年由于支撐源端新增非化石能源電量，替代化石能源電量等效碳減排16億噸以上；2060年由于支撐源端新增非化石能源電量，替代化石能源電量等效碳減排超過85億噸。

 

三是電力行業能源燃燒碳排放持續下降，助力碳減排目標實現。2030年后，能源燃燒碳排放加速下降，2060年考慮LULUCF（土地利用及土地利用變化）后全行業溫室氣體基本實現近零排放，能夠實現碳中和目標。

 

構建新型電力系統是實現“雙碳”目標的必然選擇

 

為實現“雙碳”目標，能源結構需要進行電能替代、清潔替代兩個轉型。在這個轉型過程中，電力將從過去的二次能源逐漸轉變為其他行業事實上的基礎能源。而電網連接著能源供應、消費及傳輸轉換，是能源轉型的中心環節。根據測算，為實現碳中和的目標，非化石能源發電量占比需達到90%，而以風電、太陽能為主體的新能源發電量占比需達到60%左右。這就要求電網要以目前以輸送常規能源發電為主的模式，向支撐高比例新能源消納、支撐和保障多種終端用能需求轉型，形成可支撐多種能源品種交叉轉換的能源互聯網平臺。

 

從清潔能源目前的開發情況來看，以風電、光伏為主的新能源，在我國可開發潛力巨大、技術成熟度高，幾乎是目前成本最低的新建發電方式，隨著規模效應不斷增大，將成為未來電力生產的主體能源。因此，實現“雙碳”目標必然要依賴以新能源為主體的新型電力系統。

 

綜上所述，構建以新能源為主體的新型電力系統對實現“雙碳”目標、推動我國高質量發展意義重大。一是大力發展風電、太陽能等非化石能源，降低能源領域碳排放，對推進我國生態文明建設有重大意義。二是在能源供應上實現以新能源為主體，大幅降低對油氣等化石資源依賴，對保障國家能源安全有重大意義。三是通過提升電能在能源中的消費比例推動全社會能效提升，全產業向綠色發展轉型，對我國國民和經濟建設實現健康可持續發展意義重大。四是通過建設新型電力系統，實現電力能源領域核心裝備技術擺脫對外依賴，對能源電力產業全鏈條安全可控和轉型升級意義重大。

 

02

 

新型電力系統的主要特征和新變化

 

主要特征

 

以新能源為主體的新型電力系統承載著能源轉型的歷史使命，是清潔低碳、安全高效能源體系的重要組成部分，是以新能源為供給主體、以確保能源電力安全為基本前提、以滿足經濟社會發展電力需求為首要目標，以堅強智能電網為樞紐平臺，以源網荷儲互動與多能互補為支撐，具有清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動基本特征的電力系統。

 

1.清潔低碳，形成清潔主導、電為中心的能源供應和消費體系，生產側實現多元化、清潔化、低碳化，消費側實現高效化、減量化、電氣化。

 

具體來看，多元化：供給側風、光、水、火、核、生物質、天然氣等多種一次能源形式。清潔化：清潔化是比較外在感性的說法（清潔是指不排放污染物，如清潔煤燃燒發電是清潔的，但不是低碳的），此處主要指電源結構以清潔能源為主。低碳化：新型電力系統源側的核心要求，提高風、光、水、天然氣等零碳、低碳發電量比例，常規燃煤電廠通過加裝CCUS實現凈零排放。高效化：我國作為發展中國家，必須在實現能源消費總量控制的同時保障未來經濟持續增長，就必須提高全社會用能效率，降低能源消費強度（單位GDP能耗）。減量化：指實現能源消費總量（包括一次能源消費與終端能源消費）的減量控制，但同時值得指出的是，電能消費需求從2020~2060年一直在持續增長。電氣化：持續推動消費側電能替代，提升能源利用效率，降低其他行業碳排放,是實現高效化和減量化的重要手段。

 

2.安全可控，新能源具備主動支撐能力，分布式、微電網可觀可測可控在控，大電網規模合理、結構堅強，構建安全防御體系，增強系統韌性、彈性和自愈能力。

 

3.靈活高效，發電側、負荷側調節能力強，電網側資源配置能力強，實現各類能源互通互濟、靈活轉換，提升整體效率。

 

4.智能友好，高度數字化、智慧化、網絡化，實現對海量分散發供用對象的智能協調控制，實現源網荷儲各要素友好協同。

 

5.開放互動，適應各類新技術、新設備以及多元負荷大規模接入，與電力市場緊密融合，各類市場主體廣泛參與、充分競爭、主動響應、雙向互動。

 

新型電力系統帶來的新變化

 

1.電源結構發生變化。主要體現在電源結構由可控連續出力的煤電裝機占主導，向強不確定性、弱可控出力的新能源發電裝機占主導轉變。

 

2.負荷特性發生變化。主要體現在基本負荷體量大，尖峰負荷增幅大，隨機負荷波動大；源-荷角色轉換呈現隨機性；負荷特性由傳統的剛性、純消費型，向柔性、生產與消費兼具型轉變。

 

3.電網形態發生變化。主要體現在電網形態由單向逐級輸配電為主的傳統電網，向包括交直流混聯大電網、直流電網、微電網和可調節負荷的能源互聯網轉變。一是大電網仍將發揮重要作用，承擔電能的大容量、遠距離輸送任務。二是配電網將接入源荷儲等元素，發揮能源綜合承載與互動作用。三是微電網將與多類能源網絡互聯互通，發揮終端用能交互與自治協調的作用 。

 

4.運行特性發生變化。主要體現在從以充裕度確保發電與用電平衡的方式，轉變為“發電從優、用電可調、發用聯動”的運行方式。一是由源隨荷動的實時平衡模式、大電網一體化控制模式，向源網荷儲協同互動的非完全實時平衡模式轉變。二是儲能將從以抽蓄集中式接入電網為主過渡到以抽蓄和電化學儲能為主，多類型儲能協調發展，通過集中式與分布式接入廣泛應用于發輸配用各環節。三是由于風光等新能源發電全部來源于氣候資源，系統運行將高度依賴于氣象條件，氣象條件影響范圍涵蓋發電、輸電、用電全環節。

 

5.技術基礎發生變化。一是體現在物理電力系統的技術基礎由同步發電機為主導的機械電磁系統，向由電力電子設備和同步機共同主導的混合系統轉變。二是體現在物理電力系統的技術基礎由同步發電機為主導的機械電磁系統，向由電力電子設備和同步機共同主導的混合系統轉變。

 

03構建新型電力系統下

 

實現“雙碳”目標的路徑

 

構建新型電力系統，總的發展路徑是：進行電網架構的重構，要素的布局和配置，理論和技術的突破，數字的深度賦能，機制與模式的創新，構建能源互聯網，形成以新能源為主體的新型電力系統，實現碳中和目標。在建設進程上，與國家實現“雙碳”目標的主要時間節點是基本同步的，具體可大致劃分為兩個階段。

 

建設期

 

具體特征表現為：新能源裝機逐步成為第一大電源，常規電源逐步轉變為調節性和保障性電源。電力系統總體維持較高轉動慣量和交流同步運行特點，交流與直流、大電網與微電網協調發展。系統儲能、需求響應等規模不斷擴大，發電機組出力和用電負荷初步實現解耦。

 

主要解決的問題：要實現達峰時的新能源裝機容量達到一定的規模，為達峰后的新能源向主體發展奠定基礎，保證達后不返；開展新能源為主體的新型電力系統設計和構建，探索新型電力系統的路徑并向其演進。

 

成熟期

 

具體特征表現為：新能源逐步成為電力電量供應主體，火電通過CCUS技術逐步實現凈零排放，成為長周期調節電源。分布式電源、微電網、交直流組網與大電網融合發展。系統儲能全面應用、負荷全面深入參與調節，發電機組出力和用電負荷逐步實現全面解耦。

 

主要解決的問題：該階段是新型電力系統建設的主導發展期，重點需要通過技術手段解決新能源出力比例和消納利用受限的問題，解決全社會深度脫碳的電能增長的承載問題，最終實現電網形態的革命性轉變。

 

04電力行業實現“雙碳”目標的

 

難點及建議

 

面臨難點

 

電力行業實現“雙碳”目標，根本途徑是建設以新能源為主體的新型電力系統。現階段主要在電力穩定供應、電力系統安全穩定運行、新技術成熟度不足以及政策機制不配套等方面面臨重大挑戰，這也是目前電力行業實現“雙碳”目標的最大難點。

 

1.電力供應安全方面面臨挑戰。

 

一是體現在新能源最小出力處于較低水平，對電力平衡支撐能力不足。部分地區高溫寒潮等極端氣候發生過程中電力供應需求顯著增加，保障電力供應難度大。以東北電網為例，2021年7月28日，受副熱帶高壓位置偏北影響，東北地區天氣連續多日高溫，東北全網用電負荷最高達到7058萬千瓦，同比增長8.2%；而風力發電創歷史新低3.4萬千瓦，不足風電裝機容量的0.1%，新能源難以支撐電網的電力需求。

 

二是體現在現有火電等常規裝機規模不足以保證未來電力供應需求。2030年如維持現有火電裝機規模不變，則火電裝機容量缺額達1.54億千瓦，難以有效保障電力供應。

 

2. 高比例新能源消納難以維持。

 

一是體現在新能源電量滲透率與利用率之間相互制約，高比例的新能源電量占比必然造成利用率的下降。亟待推動新能源消納模式從追求新能源利用率到提高新能源發電量占比的轉變。經測算，2030年，以新能源發電量最大為目標布局新能源，可提升新能源電量占比1.75個百分點，但新能源利用率降低1.87個百分點。

 

二是體現在系統調峰能力存在缺額，不足以支撐高比例新能源消納。2030年，若保證新能源100%全額消納，國家電網經營區的調峰能力缺額為3.98億千瓦；若保證新能源利用率95%，國家電網經營區的調峰能力缺額為1.96億千瓦。

 

三是體現在跨區直流運行方式靈活性欠缺，新能源跨區消納難度大。2030年，送/受端電網新能源利用率分別由當前的98% / 100%降至85% / 95%左右，在送/受端電網新能源同時受限消納形勢下，電網跨區互濟作用凸顯，需采取市場政策、技術創新等多種方式提升跨區直流運行靈活性。

 

3.電網安全穩定運行面臨重大挑戰。

 

一是體現在新能源發展駛入快車道、跨區直流送電需求旺盛，電力系統向“雙高”（高比例新能源、高比例電力電子）轉型成為必然趨勢，系統特性復雜，頻率、電壓、功角等安全穩定問題仍將存在。以英國8.9 大停電為例，事故前英國電力系統呈現高比例新能源狀態，一臺燃氣機組停機造成大面積新能源脫網，引發連鎖故障，停電范圍波及100萬人。

 

二是現有技術條件下跨區輸電及新能源承載規模存在技術約束。現有技術框架下，為了保證系統穩定，常規機組開機需要保持一定安全水平，使系統調峰能力下降，新能源承載規模進一步受到限制，跨區輸電及新能源規模存在技術約束。

 

4.適應減碳目標的市場機制亟待完善。

 

一是現行上網電價機制無法維持火電機組生存。預計到2030年煤電機組年利用小時數低于4000小時，2060年低于2000小時，按照當前的電價機制，火電機組無法回收成本。

 

二是輔助服務費用僅在發電側分攤，并未疏導至用戶側。目前輔助服務成本通過電源側分攤，進一步擠壓了電源側生存空間，電源經濟承受能力不足不利于未來長期電力系統穩定運行。

 

三是現行需求側響應補償機制難以為繼。據測算，需求側響應量與火電機組裝機的降低量相當。但實施需求側響應需要向用戶提供大量補償，推高系統運行成本，需在電價機制中統籌考慮。

 

四是規模化儲能的應用將推高供電成本。為了實現大規模新能源消納，系統中需要配置大量儲能設備，將推高供電成本，需在電價機制中統籌考慮。

 

五是現行交叉補貼電價政策不利于調動用戶側資源。居民、農業用電長期享受大規模交叉補貼，但其資金來源近年逐漸下降，現行交叉補貼方式難以為繼。由于可再生能源大規模接入，各類用戶需承擔更多成本。

 

5.構建新型電力系統面臨技術挑戰。

 

根據構建新型電力系統現有的技術路線及實施路徑，需要在電制氫、CCUS、碳排放評估、電力數字化、儲能、電力電子設備主動支撐技術、需求響應、電力市場等方面加大技術研發，但上述技術絕大部分還處于成熟度不高、穩定性不足，無法大規模推廣應用。繼續在短期內實現技術突破并廣泛應用于新型電力系統建設之中。

 

相關建議

 

一是要解決好安全問題。在“碳達峰、碳中和”目標下，隨著生產和消費側電能占比的提高，電力作為基礎能源的作用和地位愈加重要，而電力生產又以強不確定性的風光為主，各時空尺度的能源安全（主要體現在電力）挑戰巨大，從毫秒級的設備安全、秒/分的運行控制安全、小時/天調度安全、周/年的供給安全，以及物理、功能、跨行業和社會等廣義空間尺度的安全，需要從全社會的視角審視電力安全問題，需要通過創新解決電力安全問題。

 

二是要多行業、多主體統籌推進。在建設新型電力系統的過程中保證電力安全，是一項復雜的系統工程，需要各級政府、各行各業協同，通過政策、法規和體制機制創新，業態、市場和電價機制創新，以及技術創新共同解決。

 

三是要明確階段，分步實施。從能源電力系統的發展來看，近期是能源轉型期，任務是市場、法規、技術的研發；中期是新型電力系統形成期，完善政策法規和市場電價機制，解決新型電力系統構建和安全運行問題；遠期是新一代能源系統形成期，解決能源近零排放和能源電力安全問題。因此建設新型電力系統一定要尊重科學規律，做到規劃上由遠及近、措施上全面具體，分階段統籌實施。