碳中和目标下电力部门低碳转型路径分析

郝 鑫，孔 英，2

（1.清华-伯克利深圳学院，广东 深圳 518055；2.加拿大约克大学经济系，多伦多 M3J1P3）

2020年9月，国家主席习近平向世界做出庄重承诺，中国碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。在气候变化问题日益严峻，全球必须通力协作，出台更有效措施遏制全球变暖的背景下，中国宣布碳中和目标，是我国实现高质量绿色发展的内在要求，也是我国彰显大国责任担当的体现。

1 电力部门低碳转型是实现碳中和目标的关键

碳中和目标的实现是一个复杂的、涉及经济社会各部门联动的长期系统性问题。最根本的措施一方面是减少二氧化碳的直接排放，另一方面是通过森林碳汇或碳捕集与封存技术，吸收排放的二氧化碳，从而达到碳中和的目标。作为全国最大的碳排放部门，电力系统的减排动力和压力并存。我国电力部门经过几十年的发展，现有的自然资源禀赋条件、发电技术条件、电网设施条件、配套产业条件等世界领先，是实现碳中和目标的基础保障和重要动力。

近些年，中国电力消费长期处在增长通道中，主要依靠新建大量火电机组来满足需求的增加。截至2019年底，我国煤电总装机高达10.4 亿kW，约占全球煤电总装机的50%。2019年，电力部门的煤炭消费量约占全国总消费量的54%，碳排放约占全国总排放的43.2%。如果我国不采取有效的淘汰措施，煤电机组在未来锁定的碳排放总量会直接造成我国根本无法实现碳中和的目标。因此，电力部门的减排潜力巨大，其低碳转型发展对于中国实现碳中和的战略目标至关重要。

2 电力部门低碳转型需要解决的主要问题

经济结构转型，生态文明建设和环境因素倒逼，国家政策引导，共同推动中国进行能源体系转型重构。中国电力部门转型的最终目标应该是实现大规模开发利用可再生能源，使电能成为主要能源供给。但由于电力部门自身的客观条件和发展特点，未来实现碳中和目标还要面临很多的挑战和问题。

首先是大规模煤电装机的处置问题。我国现有的煤电总装机平均机组年龄也只有12年，如果大量的煤电设施提前加速淘汰，会严重影响现有电力系统的安全稳定运行，这也是对固定资产投资的严重浪费，产生巨大的经济成本。针对煤电带来的经济支持作用和“碳锁定”影响，如何正确看待其辩证关系，是电力部门低碳转型过程中面临的首要问题。

其次是如何发展高比例可再生能源问题。高比例的可再生能源并网不仅仅是简单的建造风电、太阳能发电设备，还包括建设相匹配的电网系统、储能系统、调度体系等。我国现有的跨区域电力外送通道无法满足传输需求，分布式储能技术研究才进入发展起步阶段。现有能源、电力系统还难以承受无任何约束的新能源大规模发展，严重制约未来大规模可再生能源的发展。

针对以上背景和问题，研究电力部门中长期低碳转型目标和可行的实现路径具有非常重要的现实意义。

3 电力部门未来发展的可能情景设定

本研究基于自主构建的自下而上的中国省级电力系统优化模型，通过情景设定和关键参数假设，模拟约束条件下满足电力需求的最小发电成本。其间重点讨论在满足碳中和目标下的电力部门未来发电结构、装机部署、排放轨迹等方面的可能性，探究切实可行的电力部门低碳转型路径和实施方案。

现有的多项研究表明，中国要实现2060年碳中和的目标，电力部门必须沿着1.5 ℃目标的路径深入探索，并在2050年实现“零排放”或者“负排放”。据此，本研究设定了三组情景：基准情景、低碳情景和零碳情景。

基准情景下，电力部门执行现有的政策和措施不变，不会采取更进一步的减排措施，不考虑碳达峰和碳中和的目标。低碳情景下，在现有政策措施的基础上，严格控制新建煤电项目，逐步提高可再生能源发电占比，到2050年将碳排放控制在1.5 ～2.0 ℃路径区间内。零碳情景是对低碳情景的进一步强化。2020年之后，不再增加煤电项目；2030年后加速煤电淘汰，碳捕集与封存技术（CCS）开始应用；2050年实现二氧化碳零排放或者负排放。

4 碳中和目标下的电力部门转型路径分析

4.1 不同情景下的碳排放趋势

电力部门的低碳化转型，最核心的指标就是碳排放量的减少趋势。通过图1 可以直观地看到，在不同的情景模拟下，电力部门的碳排放趋势差异显著。

图1 2020-2050年电力行业碳排放变化趋势

基准情景下，电力部门的碳排放峰值将在2030年左右达到，碳排放量将达到46.1 亿t。由于煤电仍是电力行业的主要能源，到2050年仍将有约21 亿t的碳排放。在基准情景模拟中，2030年左右全国实现碳达峰的目标可能勉强能做到，但是2060年实现碳中和的目标则完全不可能。

低碳情景下，电力部门将在2025年左右达到碳排放峰值，比基准情景提前了5年，峰值排放量为41.2 亿t。这是因为我国采取了更具体的可再生能源发展目标，逐步淘汰煤电机组，因此可以实现提前达峰。2030年之后，由于CCS 技术的应用，碳排放逐渐降低，到2050年约为9 亿t。零碳情景下，2030年后，由于对煤电机组实行提前淘汰措施，加快CCS技术的普及应用，加上2050年实现部门碳中和的目标共同作用，碳排放降低速率显著高于低碳情景，并在2050年实现部门零排放的目标。基于联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）报告中的几种不同模拟结果，要实现2 ℃目标，能源部门累计的排放量应保持在2 300 亿t 以下。结果显示，低碳情景和零碳情景累计排放量完全符合路径要求。

4.2 电源装机结构变化趋势

电力部门减少煤炭消费，一方面要不断推进煤电项目的退出，减缓或停止新建煤电项目，从根源上减少碳排放；另一方面，要不断增加可再生能源发电的占比，以此替代煤电淘汰后的电力供给缺口，保障能源系统安全。

通过图2 可以看到，2020-2050年，随着新能源发电的经济竞争力逐步增强，清洁能源装机容量持续增长，电源结构在不同情景下都朝着更加清洁低碳的方向发展。但由于采取的约束条件不同，不同情景下电源装机结构的变化趋势差异明显。

图2 2020-2050年电源装机结构变化趋势

在基准情景下，由于未限制煤电项目建设，2020-2030年，煤电装机量增加近100 GW。到2050年，煤电占比还有17.5%，远高于零碳情景的3.7%和低碳情景的11.3%。可再生能源占比在2050年仅为75.1%，低于低碳情景的81.6%和零碳情景的89.7%。对比低碳情景和零碳情景，零碳情景下有2050年碳排放为零的目标约束，2030-2050年，零碳情景的煤电淘汰速率约为每年28.5 GW，约是低碳情景的2 倍。

4.3 总发电量变化趋势

分析结果显示，在三种情景下，总发电量均稳步增加。其中，基准情景下，总发电量增长69.8%，在2050年达到14 118 亿kW·h。低碳情景和零碳情景下，总发电量增加速度更快，2050年分别达到151 940 亿kW·h 和1 851 391 亿kW·h，相比2020年水平，低碳情景下增长82.8%，零碳情景下已经实现总发电量翻倍增长，增长率达到123%，如图3 所示。

图3 2020-2030年电力部门总发电量变化趋势

具体到可再生能源发电占比，到2030年，低碳情景和零碳情景均完成《能源生产和消费革命战略（2016-2030）》承诺的目标，其可再生能源发电量占比分别达到53%和56%。到2050年，零碳情景下可再生能源发电量占比达到87%。

5 结论

碳中和目标的提出对中国电力行业低碳转型提出了极高的要求，研究表明，电力部门在2050年实现二氧化碳零排放的目标是可以做到的。“短期尽快达峰，中期加速下降，远期零排放”是逐步实现电力深度脱碳的有效路线图，具体操作目标是建成以高比例可再生能源发电为主体的现代化电力系统。

实现碳中和目标的关键是使电力系统到2050年实现零排放或者负排放。零碳情景结果表明，电力部门碳排放需要在2025年左右达峰，2030年后快速下降，2050年实现零排放。最主要的措施是2020年开始，停止新增煤电项目并加速淘汰，在2030年后加速推广应用CCS 技术，保障到2050年所有煤电机组完成CCS 改造。同时，必须完成大规模的可再生能源发电的替代任务。到2050年，争取实现可再生能源发电装机占比达到90%左右，总装机量达到7 260 GW。可再生能源发电和煤电总量和作用的转变正是中国电力系统实现低碳转型的最重要体现。