“碳中和”愿景下的四川电力减碳路径构想

叶 强，胥威汀，汪 伟，王海燕，刘 阳，李 旻，唐 权

(国网四川省电力公司经济技术研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

中国国家主席习近平2020年9月22日在第七十五届联合国大会宣布：中国将提高自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现“碳中和”。这是中国首次向全球明确实现“碳中和”的时间点，也是迄今为止各国中做出的最大减少全球变暖预期的气候承诺。2020年12月12日习近平主席在气候雄心峰会上进一步宣布：到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加6.0×109m3，风电、太阳能发电总装机容量将达到1200 GW以上。

四川是中国最大清洁能源基地，为支撑全国“碳中和”目标的实现，下面分析了“碳中和”的目的和意义、国内外“碳中和”措施和政策。根据新形势下的变化分析了四川电力减碳的路径构想，并提出了需提前准备应对大规模新能源接入、大范围灵活性资源调配、低惯量大系统稳定性及电网“高弹性”等全新的挑战和要求。经初步估算，该战略路径能为全国“碳中和”目标贡献约3%的二氧化碳减排量。

1 “碳中和”的目的和意义

“碳中和”是指在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放”。“碳中和”涉及政府行为、企业行为、个人行为，需要全民族的共识和全社会的行动。

“碳中和”旨在减少碳排放，控制温室效应。为应对气候变化所造成的影响，各国政府于2015年达成的《巴黎协定》提出要将全球平均气温相比于工业革命前的升幅控制在2 ℃以内，并努力控制在1.5 ℃以下。根据最新评估模型和情景研究，若要将温升控制在2 ℃范围内，中国需要在2080年左右实现“碳中和”；若要将温升控制在1.5 ℃范围内，需要在2060年左右实现“碳中和”。

实现“碳中和”有利于能源经济和生态文明良性发展。对内有利于经济结构、能源结构、产业结构转型升级；有利于生态文明建设和生态环境保护、生态环境质量持续改善；有利于国内大循环为主体、国内国际双循环发展格局的形成。对外有利于中国国际政治形象提升和国际影响力的增强；有利于生态文明和美丽地球建设；有利于全球“碳中和”目标的尽早实现。

2 “碳中和”国内外现状

“碳中和”是世界各国应对气候变化的重要手段，根据《巴黎协定》中各国碳排放承诺目标，全球各国均根据本国发展情况制定相关支持政策[1] 。

欧盟及日本等发达经济体采取较为积极支持政策，稳步推进主要碳排放部门减排。欧盟委员会于2018年年底发布了2050年零净碳排放量计划，计划到2050年实现“碳中和”，即将净碳排放量降至0；日本于2019制定了《巴黎协定下的长期战略》，其中提出到2030年温室气体较2013年减排26%，2050年减排80%，到本世纪下半叶尽早实现温室气体排放中和的目标。德国2019年可再生能源发电比例达到46%，创历史新高，计划到2050年实现总发电量中可再生能源占80%以上。法国计划到2050年全国电力全部来自清洁能源。瑞典、奥地利已于2020年关闭了所有燃煤电厂。法国、英国分别宣布到2021年、2025年关闭所有燃煤电厂。芬兰计划更为彻底，到2030年将全面禁止使用煤炭。此外，挪威计划到2025年禁售全部燃油汽车；丹麦、荷兰、爱尔兰计划到2030年实现燃油车禁售；法国、西班牙、英国、葡萄牙计划到2040年实现此目标。减碳措施总体而言：能源供应方面，提高可再生能源装机及应用比例，减少煤炭利用；交通运输方面，推广电动汽车应用，降低燃油汽车排放标准；工业生产方面，促进碳排放与工业生产脱钩，降低钢铁、水泥等行业碳排放量；建筑物排放方面，提高建筑物及设备能效标准，并要求新建房屋“零能耗”。美国、印度等国，在“碳中和”目标实现上政策较为保守甚至出现倒退。

中国采取有力措施应对应气候变化。2013年制定了《国家适应气候变化战略》，出台了行业适应气候变化政策。2015年向联合国提交了国家贡献目标；二氧化碳排放2030年左右达到峰值并争取尽早达到峰值。2016年在《能源生产和消费革命战略2016—2030》制定出各阶段目标，综合运用调整产业结构和能源结构、节约能源和提高能效、增加森林碳汇和制度创新等多种手段，大幅度降低了能源消耗强度和二氧化碳排放强度，有效地控制了温室气体排放。2019年碳排放强度比2005年降低48.1%，提前完成2020年控制温室气体排放目标，据转了二氧化碳排放快速增长的局面。

世界主要国家二氧化碳逐年排放量及2019年碳排放比例分别如图1和图2所示。

图1 世界主要国家二氧化碳逐年排放量

图2 2019年世界主要国家二氧化碳排放比例

3 四川电力减碳路径构想

3.1 四川碳排放现状

四川碳排放已阶段性达到峰值。四川在有效的环保减排政策和“清洁替代、电能替代”等一系列举措下，通过调整能源结构、提高节能技术、优化产业结构等措施，节能减排成效显著，单位GDP能耗呈下降态势，“十一五”和“十二五”分别降低了20.3%和25.2%，“十三五”以来降低了16.0%。二氧化碳排放总量在2013年阶段性达到峰值3.42×108t，此后开始逐年下降，2019年已降至3.04×108t。相比于发达国家和东部发达地区，四川经济基础较为薄弱，人均GDP、城镇化率均低于全国平均水平，持续推进工业化、城镇化和农业现代化对碳排放仍有刚性需求。伴随着成渝地区双城经济圈的建设，碳排放极有可能出现新的峰值。四川逐年二氧化碳排放量和单位产值能耗见图3。

图3 四川逐年二氧化碳排放量和单位产值能耗

四川为减少碳排放作出了巨大贡献。2019年四川可再生能源发电量341 500 GWh，占全部发电量的87.5%，高于全国平均水平56.4个百分点，相当于减排二氧化碳2.86×108t。碳排放强度为0.65 t/万元，仅全国平均水平的66%，居全国22位，是中西部最低省份之一，仅高于西藏。

四川可率先实现“碳中和”。作为全国最大的清洁能源基地，四川省碳排放总量和人均排放均处于较低水平。2019年四川碳排放占全国3%，居全国第12位，而GDP占全国4.7%，居全国第六；人均碳排放约36 300 t/a，仅为全国平均水平的50%，是除西藏外人均碳排放最低的省份。清洁能源是四川目前保持较低碳排水平的重要原因。依托清洁能源优势，四川可提前实现省内“碳中和”，并可向省外输出净碳减排量。四川省碳排放总量和人均排放均还处于较低水平。

3.2 电力减碳的必要性

电力系统降低碳排放是实现“碳中和”的必然要求。自2005年起，中国已成为世界第一碳排放国，2019年全球二氧化碳排放总量为3.3×1010t左右，其中中国二氧化碳排放量达到28.8%，见图1和图2。能源生产，主要是电力和热力生产是中国最大的二氧化碳排放行业，2018年电力和热力生产行业二氧化碳排放量占总排放量比例已超过50%[3]，详见图4。可见，电力系统降低碳排放是“碳中和”中至关重要的一环，电力减碳是实现“碳中和”的重要路径和手段。

图4 1990—2018年中国主要排放行业二氧化碳排放量

3.3 减碳路径

通过推动能源生产低碳化、能源消费电气化及电网降损等措施，可大大降低二氧化碳排放量。以2060年实现以上减碳总量为目标，努力实现全国“碳中和”。

3.3.1 加速推进能源生产低碳化

持续开发水力发电，适度发展天然气发电，大力发展风力和光伏发电[4]，适时发展生物质发电，安全高效发展核电，严控煤电规模并有序退出[5]。预计2060年清洁能源每年可发998 400 GWh电量，减排9.294 8×108t二氧化碳。相对2019年减排6.211 7×108t。

1)持续开发水力发电。水力发电效率高，不产生碳排放，绿色环保，具有较高的技术成熟度、能源密度以及较优的经济性，长期在中国电力低碳转型中发挥着战略性作用。四川境内河流众多，水力资源丰富，技术可开发量148 GW，年发电量676.4 TWh，位居全国第一；经济可开发量145 GW，年发电量659.4 TWh。水电是四川最具优势的清洁能源，目前已累计外送电量超过1000 TWh，为减排做出了巨大贡献。2019年年底，四川水电装机78 460 MW，开发率仅五成，后续开发空间依然较大。

2)适度发展天然气发电。相比煤电，气电碳排放低，每千瓦时的发电量的二氧化碳排放约为煤电的44%；相比风电光伏，气电更加稳定、灵活，有优秀的调峰性能，建设一定比例的气电，有利于维持电网安全稳定运行。目前制约气电发展的因素主要有天然气对外依存度高、上网电价高以及燃气发电核心技术尚未完全掌握。随着国内燃机、页岩气开采技术的提升，气电的发展空间巨大。四川天然气资源丰富，是全国三大气田之一，根据全国第二次油气资源评价结果，四川盆地天然气总资源量为7.185 1×1012m3，约占全国天然气资源总量的19%。

3)严控煤电规模并有序退出

煤电在中国的发电结构中占有主导地位，约占发电量50%以上。要实现“碳中和”，必须严控煤电规模并有序退出，煤电的发电量由可再生能源来替代，这是实现电力减碳的重点所在。四川省煤炭资源贫乏，煤炭资源保有储量约1.227×1010t，探明储量仅占全国总储量的1%左右，电煤主要依靠本地煤炭及铁路运输供给本地煤电机组。宜按“先小后大” 的原则有序退出煤电装机，同时在电力系统中发展电化学储能，提高电网运行灵活性。

4)安全高效发展核电。核电是一种清洁能源，不排放二氧化碳和烟尘，具有经济性、高效性和安全性的特点，发展核电是电力减碳的有效途径。目前中国核电规模较小，发展潜力巨大。目前已完全掌握以华龙一号、AP1000为代表的三代核电技术，并具有完全自主知识产权，部分领域已达到了国际领先水平，并在积极开展小堆、四代堆、热核聚变等新一代核电技术的研发。四川铀矿资源丰富、地质稳定、河流众多，同时拥有中国核动力研究院、核工业西南物理研究院、中国工程物理研究院等核技术研发单位，有东方电气等核电设备制造单位，发展核电具有得天独厚的优势。

5)快速提升风电和光伏发电装机。新能源分布广，具备可再生特性，可供永续使用，不产生碳排放。四川省风能资源集中在川西高原和盆周山地，其中以德昌为中心的安宁河谷、茂县为中心的岷江河谷、丹巴为中心的大渡河谷资源较好，盆周地区也具有潜在开发价值。初步估算目前全省离地50 m高的风能理论储量为88 350 MW，潜在开发量15 000 MW。

川西高原太阳能相对富集，是四川省乃至中国太阳能的主要分布区，年总辐射量在5000 MJ/m2以上。全省太阳能理论蕴藏量每年约8.0×105t标准煤，其中三州一市约占全省的72%。

6)适时发展生物质发电。生物质属于清洁的可再生能源，燃烧后的二氧化碳排放属于自然界的碳循环，利用生物质发电可大限度降低环境污染问题，也可降低化石能源消耗。四川生物质能源比较丰富，每年有可待开发利用的人畜粪便3.149×107t，薪柴1.189×107t，秸秆4.212×107t，沼气约1.0×109m3。适时建设一定规模的生物质发电，可减少二氧化碳的排放。

综合考虑了四川能源资源禀赋、发电技术约束及电力电量平衡等因素，清洁能源装机规模建议详见表1。

3.3.2 持续推动终端用能电气化

加快电能替代，推动电能在工业、建筑、交通等领域以电代煤、以电代油、以电代气、以电代柴的广泛应用，形成以电能为主的能源消费格局，将大幅提高中国能效水平，降低二氧化碳排放强度[6]。预计2060年汽车保有量约3000万辆，全部实现电动化，用电量为4.5×1010kWh，节约替代燃油超过6.96×107t，减少二氧化碳排放超过1.166×108t。相对2019年减排1.164 8×108t。

3.3.3 提高电网传输效率

1)电网技术设备低碳更新：增强科研力量重点研究SF6泄露监测技术和回收再利用技术[7]，加强SF6气体回收工作，最大限度减少SF6的排放。据测算，国网四川省电力公司每年回收SF6气体约3.5 t，相当于年降低碳排放8.3×104t，净化再生气体回用至设备，可节约新气购置费约50万元，低碳和经济效益可观。

2)电网低碳调度控制[8]：充分利用四川省内的清洁能源发电资源和储能技术，开展水风光储协调的低碳调度，在煤电退出以前通过对各类发电机组按能耗排序联合经济调度，以优化电网潮流与清洁能源的利用和消纳。

表1 2019—2060年四川省清洁能源装机构成 单位：MW

3)电网节能降损：通过合理规划电网结构、调整运行方式、加强管理等手段来降低电网的能量损耗。网损在电能传输过程中并未直接导致碳排放，但其源端的化石燃料燃烧发电因这部分损耗产生了实际的碳排放。2019年，国网四川省电力公司综合线损率为7.65%，损失电量为1.807×1010kWh，若分摊至火电，相当于2.39×106t的二氧化碳排放。这意味着在其他条件不发生变化的情况下，当前四川电网线损率每降低1个百分点，折合减排二氧化碳约3.35×105t。考虑化石能源发电规模变化，能够得到逐年减排规模。

经初步估算：预计2030年，四川电力每年可贡献二氧化碳减排量6.17×108t，相对于2019年减排3.08×108t；预计2060年，四川电力每年可贡献二氧化碳减排量1.046×109t，相对于2019年减排7.38×108t。四川电力贡献减碳量估算见图5和表 2。

图5 四川电力减碳总量估算

四川电力减碳路径能为全国“碳中和”目标贡献约3%的二氧化碳减排量。根据以上路径分析，若能按期实现减碳目标，则到2030年，四川电力能为全国贡献3.08×108t碳减排量；2030—2060年，四川电力能通过源、网、荷多个维度的路径，实现4.29×108t碳减排量(含电动汽车接入)，为全国减碳目标做出约3%的贡献值。

按照规划，四川将在现有的“四直六交”跨省跨区外送通道的基础上规划新增雅中—江西、白鹤滩—江苏、白鹤滩—浙江以及金上—湖北共四回±800 kV特高压直流工程，建成后年外送电量达3.0×1011kWh，相当于为外省提供2.67×108t碳减排量。

4 建 议

要实现以上减碳战略，四川电网将面临大规模新能源接入、大范围灵活性资源调配、低惯量大系统稳定性及电网“高弹性”等全新的挑战和要求。为适应“碳中和”图景下的新形势，建议提前采取以下举措，实现电网的迭代升级，力争在万象更新的未来保持科学发展和创新引领。

1)大力推进大渡河、雅砻江、金沙江上游水电开发，全面支撑甘孜、阿坝、攀西新能源基地建设及其接入送出，积极论证四川天然气和核电规划布局，到2060年水电装机容量至少达到140 GW，新能源装机容量至少达到约120 GW，天然气、核电、生物质及其他清洁能源装机容量至少达到20 GW；统筹火电灵活性改造、需求侧响应、电化学储能等灵活性资源的配置，确保电网调节友好和系统备用。

2)推进电能替代，提升电能在终端能源消费占比。提前布局，科学合理规划充换电网络，满足大规模电动汽车接入电网的需求。密切跟踪研究电动汽车市场发展动态，对具有经济开发潜力的点位提前做好项目前期和储备工作，提高市场应对速度；配合政府主管部门做好电动汽车充换电设施规划工作，同时做好与电网规划的对接工作，引导充换电设施有序建设，避免电网配套工程重复或滞后建设，确保社会资本投资建设的充电设施无障碍接入电网，为建设资源节约型、环境友好型社会，推动绿色发展、高质量发展贡献电网力量。

表2 四川电力各环节减碳总量估算 单位：104 t

3)超前规划，加快特高压电网建设，打造多元融合高弹性四川电网，充分发挥大电网的优化配置资源的平台作用，统筹电源负荷两端，提高用能效率，以承载大规模可再生能源接入和用电负荷的不断增长。一方面，推进建设“新三直”和金上—湖北±800 kV特高压直流工程，加快论证攀西等新能源富集地区网架加强和外送方案，围绕甘孜、阿坝水电富集区和成都等负荷中心构建阿坝—成都东—天府南—甘孜1000 kV交流特高压环网，并建设天府南—重庆双回1000 kV线路向重庆电网延伸；另一方面，利用“大云物移智链”等技术手段赋能电网，挖掘设备能力，释放电网潜力，丰富调剂手段，引导“源网荷储”多能互联、柔性互动、弹性平衡，积极建设完备的市场机制，疏导灵活性资源建设，在提高电网安全水平的同时大幅提升运行效率。

4)深入开展大规模新能源并网、高比例电动汽车接入对电力系统影响机理、源端水风光储和终端分布式储能协同、低惯量系统稳定性、弹性电网探索应用和电网安全、经济、高效运行等研究。通过技术和管理手段，保障电力系统在新能源、电动汽车、储能配置、交直流协同等灵活性资源及不确定性影响下的安全经济运行。

6 结 语

能源低碳转型的关键是电力转型，电力是能源系统碳减排的主力，对中国实现碳排放目标起决定性作用。四川电力可通过推动能源生产低碳化、能源消费电气化及电网降损等措施，为四川及全国实现“碳中和”贡献力量。同时，随着大规模清洁能源和新型用电设施广泛接入，电力系统的规划、运行将面临全新挑战，需要从技术与经济、市场与政策等方面开展研究。