面向碳中和的中国电能替代发展路径规划方法探讨

张静，李昊，李文，张洪秩，王博

(1.中国电力科学研究院有限公司，北京市 100192；2.北京理工大学管理与经济学院，北京市 100081)

0 引 言

气候变化对人类生存，社会经济的可持续发展构成了严重威胁，引起全世界的广泛关注。大规模排放二氧化碳是全球气候变化的主要原因[1]。中国作为世界上较大的温室气体排放国之一，面临着相当大的减排压力。2020年9月22日，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上向全世界庄严承诺“中国将提高国家自主贡献力度，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”[2]。自此次会议以来，习近平总书记先后多次在国内外重大会议上，做出我国深化落实“双碳”目标的重要论述，表明我国推动绿色低碳转型的决心和意志。

实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。相比于欧洲、美国等发达国家和地区，中国实现碳中和目标，面临着高碳产业结构，高碳能源结构，中高速工业化、城镇化进程，碳减排时间短的严峻挑战。应对“三高一短”的挑战、解决碳排放问题的关键是要减少能源碳排放，治本之策是加快推进能源清洁替代和电能替代，彻底摆脱化石能源依赖，从源头上消除碳排放。

新型电力系统的构建和电能清洁替代是实现我国碳中和的关键抓手，是电力行业深入贯彻“四个革命、一个合作”能源安全新战略的重要措施。2021年3月15日，中央财经委员会第九次会议研究部署实现碳达峰、碳中和的基本思路和主要举措时指出“深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统”[3]。一方面，在电源侧大规模开发清洁能源，构建多元电力生产格局[4]，可有效减少对油气资源的依赖，有助于保障国家能源安全战略。另一方面，在能源消费环节以电代煤、以电代油、以电代气、以电代柴，深入实施电能替代，不断提高电能占终端能源消费比重，有助于提升社会能效，降低碳排放强度[5]。二者协同发展、相辅相成，对推动能源消费革命、落实国家能源战略、促进能源清洁利用意义重大。双碳背景下，电能占终端能源的消费比重将从2020年的27%左右提升到2060年的66.4%[6]，未来电能将成为最主要的终端能源消费品种，各领域电能替代任务重、潜力大。面对巨大的电能替代需求，亟需探索推动双碳目标实现的电能替代协同发展路径。

1 电能替代发展历程

电能替代是促进能源消费减量化、高效化的重要措施。研究表明，电能占终端能源消费的比重每提高1个百分点，能源强度可下降3.7%[7]。在积极应对气候变化的全球发展趋势下，实施电能替代已成为世界各国的普遍选择。

进入21世纪，我国逐步下发了一系列支持电能替代的政策文件。2016年8月，国家发展改革委、国家能源局等八部门联合发布了《关于推进电能替代的指导意见》，明确电能替代的重要意义和总体要求，在重点任务和保障措施方面提出指导性意见，正式将电能替代纳入国家战略。随着可再生能源不纳入能源总量控制，“碳双控”要求以及市场化电价等多种政策出台，能源消费的绿色低碳转型迫在眉睫，亟需深入实施电能替代，提升终端用能电气化水平，契合国家能源考核转型方向。

1)“十三五”期间电能替代量持续上升，各重点领域电气化水平总体提高。

“十三五”期间，在社会各界共同努力下，我国电能替代潜力不断被挖掘，电能替代工作成效显著。据中国电力企业联合会(China Electricity Council，CEC)数据显示，2016—2019年，我国每年完成的替代电量分别为1 079亿、1 286亿、1 558亿、2 066亿kW·h[5]。到2020年，全年累计替代电量为2 252亿kW·h，比2019年增长9%，替代电量占用电增量的比重达76.1%，成为新增用电量的主体[8]，全社会用电量和电气化水平稳步提升。“十三五”期间我国电能替代实施电量如图1所示。

图1 “十三五”期间我国电能替代实施电量

我国电能替代项目主要分布在工业、建筑、交通、农业等重点领域，通过大力推广工业电锅炉(窑炉)、地能热泵、船舶岸电、农业电排灌、电采暖等电能替代措施提升各领域电气化水平。其中，工业领域是替代电量的主要来源，占总替代电量的70%左右[9]。

各重点领域电力占终端能源消费比重如图2所示，近年来我国各重点领域电力占终端能源消费比重整体呈上升趋势，其中建筑(包含采暖)领域上升最为明显。2019年各重点领域电力占终端能源消费比重分别为：建筑(包含采暖)22.8%、农业18.21%、钢铁行业11.19%、交通行业5.32%，各领域终端用能结构差别较大。

图2 各重点领域电力占终端能源消费比重

2)我国电能替代工作起步晚，人均发电量水平与发达国家比有较大差距。

从世界电能替代发展的角度来看，与发达国家电能占终端能源消费比重保持稳定相比，我国电能替代工作起步晚、发展快。1990年电能占终端能源消费比重不到7%；2020年电能占终端能源消费比重达到27%左右[10]，位列世界第一。

尽管我国电能占终端能源消费比重领先世界，但从2020年人均发电量水平来看，我国与发达国家相比还处在低位。其中，美国通过颁布政策推进农村电气化，鼓励电动汽车产业的发展，扶持热泵技术的应用等，实现了较高的终端消费电气化水平，人均发电量达到了12 950 kW·h。欧盟通过建立健全电能替代标准，加大环保影响力，开放电价市场，人均发电量达到6 222 kW·h。日本通过加速基础设施建设，补贴电动汽车充电站，征收化石能源的资源税，资金补贴企业电能替代技术等措施，人均发电量达到7 945 kW·h。而我国2020年的人均发电量为5 262 kW·h，有望进一步提高。

3)我国电能替代潜力大、任务重，推广部署面临诸多现实问题。

2020年年初，国家能源局“十四五”电力规划工作启动，要求加快构建清洁低碳安全高效能源体系，加快电能替代发展。我国各领域电能替代潜力大、任务重，进一步推广部署面临诸多挑战。经过几年的扩展，我国电能替代工作开始面临天花板，我国电源清洁化比例不高、经济性差、政策制度待完善、节能意识待加强等问题日渐凸显。

首先，我国电力供给侧清洁化程度不高，电力需求侧电能替代大规模推广可能导致碳排放增加。例如目前而言，工业行业的冶金电窑炉相对于冲天炉并无减排效果。与之相反，即便是全部使用火电，电动汽车相较于燃油汽车仍有减碳效果[11]。在供给侧清洁化程度不高的前提下，亟需建立健全我国各个重点行业领域的技术参数库，统筹协调、有序推进，明确优先领域与技术路径。

其次，我国电能替代项目经济性差，电力市场化程度不高，电-碳耦合市场建设有待进一步完善。我国电能替代项目初期投资建设经济性普遍较差，以补贴为主的相关政策导致项目运营成本较高，电能替代项目配套电网投资和运维成本难以回收。需要加快建设电碳协同市场，将碳排放纳入企业经营成本，充分发挥电能替代在减排和降成本方面的综合优势。

最后，我国需求侧用能方式粗放，节能意识薄弱，导致整体用能效率偏低。2020年，我国GDP能耗强度是全球平均水平的1.7倍[11]，是经济合作与发展组织(Organization for Economic Cooperation and Development，OECD)的2.7倍。为保证电能替代项目的有效性，需要进一步强化节能工作，把节约能源、提高能效贯穿到经济社会发展的全过程。

2 碳中和目标下电能替代面临的科学挑战

鉴于我国同其他发达国家在资源禀赋、能源结构、技术水平、政策制度环境等方面存在较大差异，电能替代实施方案、发展布局难以复制，亟需探索具有中国特色的电能替代协同发展路径。然而，我国面向双碳目标的电能替代宏微观市场协同发展的理论体系尚不健全，局部与整体相协同、短期与长期统筹优化的电能替代系统分析工具匮乏，电能替代双轮驱动理论体系有待完善，系统分析工具有待进一步开发。

电能替代路径规划涉及到能源、经济与环境等多个领域，需要使用跨学科的系统综合评估模型作为研究工具。目前较为成熟的系统综合评估模型根据建模方法可以分为自上而下模型、自下而上模型和综合模型3种类型。然而，自上而下的模型缺乏微观技术刻画，自下而上的模型难以实现宏观把控，综合系统评估模型缺少中国化参数，这给电能替代工作进一步推广和部署带来了挑战。

2.1 自上而下模型

自上向下模型是基于新古典经济理论发展而来，依照总体战略目标，分解出实施目标的路径和方法，代表模型有CGE(computational general equilibrium)模型、MERGE(model for evaluating the regional and global effects of GHG reduction policies)模型、3Es-Model(macroeconomic, energy and environment sub-model)模型等。此类模型综合考虑了能源-经济-环境的系统协同，对周期长、区域广的系统模拟更为准确，能够考察资本、劳动力、能源等要素投入与部门产出之间的关系。在宏观经济政策、气候政策和能源规划等方面有广泛应用[12-14]。在电能替代建模中，可以根据政府顶层设计，利用电力市场、碳市场、用能权交易、能源市场等相关参数，对电能替代发展路径进行模拟。

然而，自上而下模型缺少微观企业技术的刻画，难以模拟能源技术之间的替代过程、难以刻画技术之间的有效互动，无法评估技术路线的可行性。目前电能替代领域技术实施路径亟需规划，以实现更具深度和广度的发展。单纯考虑自上而下模型，难以指导电能替代进一步推广实施。

2.2 自下而上模型

自下而上模型主要是以工程技术为出发点，从微观技术层面推演整体目标实现的可能性，与自上而下的模型相比考虑了微观市场资源配置，代表模型有TIMES(the integrated MARKAL-EFOM system)模型、MESSAGE(the model for energy supply systems alternatives)模型、LEAP(long-range energy alternatives planning system)模型等。此类模型能够对微观技术细节进行详细地刻画和仿真，考虑各技术的成本-经济性，优化特定能源需求目标下的技术路径。

自下而上模型能够对能源生产、能源加工转换与能源消费全过程涉及的能源技术进行模拟[15-16]，可以分析电能替代技术的节能潜力、环境影响和成本效益，为电能替代工作提供有力的支持与引导。

然而，自下而上模型对经济的刻画只局限于技术的成本层面，难以实现与宏观层面顶层设计的协同耦合，且忽略了行业间的溢出效应和回弹效应。若采用自下而上模型对电能替代技术路径进行规划，由于溢出效应的存在，可能难以达到预期的减排目标。

2.3 综合评估模型

目前，自上而下和自下而上耦合的综合评估模型是学术研究前沿，综合模型既强调技术方面的因素，同时也注重宏观经济指标，能够充分结合自上而下和自下而上两种模型对能源系统进行分析，发挥以上两种模型的优点[17-19]。典型的综合评估模型有AIM/CGE(Asian Pacific integrated model)系列、GCAM(global change assessment model)、IAMGE(integrated model to assess the greenhouse effect)等。

而目前的综合评估模型，“自上而下”的顶层设计，尚未结合我国颁布的电能替代相关的具体政策，如《关于进一步推进电能替代的指导意见》等；“自下而上”的技术实现，尚未考虑各行业电能替代项目的具体实施效果，比如某钢厂电窑炉项目的实施成本、经济效益、减排效果等，这导致以往综合模型的宏微观参数不符合中国产业发展的技术水平和政策特点，可能导致模型结果与中国实际情况不符。

总体而言，我国电能替代规划研究相关理论支持有限，规划基础相对薄弱，局部与整体相协同、短期与长期统筹优化的电能替代系统分析工具十分匮乏。因此，如何在综合考虑宏观政策目标和微观市场资源配置的前提下，提出适用于中国国情的电能替代综合评估模型，是当前亟待解决的问题。

3 电能替代综合评估模型框架

针对目前电能替代路径规划领域存在的理论缺失问题，本文提出了具有中国特色的综合评估模型框架，既考虑重点领域的技术参数，又结合具有中国特色的宏观市场，为实现未来电能替代项目的整体部署提供理论参考。电能替代综合评估模型框架主要从以下四部分考虑：一是构建典型行业数据库，为各行业电能替代潜力分析提供基础；二是宏观上顶层设计，将联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)开发的共享社会经济路径(shared socioeconomic pathways，SSPs)中国化，作为社会经济发展情景输出；三是将技术参数中国化，实现微观层面参数校准；四是耦合宏观微观市场，建立动态反馈、双轮驱动机制，充分发挥宏观政策管理优势和微观市场基础性作用。电能替代综合评估模型框架如图3所示。

图3 电能替代综合评估模型框架

3.1 典型行业数据库构建

建筑、交通、钢铁等各行业发展步调不一致，资源禀赋和技术瓶颈各不相同，因此有必要构建分行业的数据库，整理各行业特有的历史数据，制备资源参数。例如整理建筑行业的各类型建筑面积、分类型建筑用能结构、建筑单位面积能耗、建筑行业能源平衡表、采暖方式等数据，以便测算未来电能替代潜力。同时依托于各行业历史数据，可以采用因素分解等方法，进一步分析哪些指标对碳达峰起到决定性作用，为双碳目标下电能替代工作的推进方向提供科学指导。

3.2 宏观场景参数中国化

在宏观上建立与电能替代相关的符合我国国情的社会经济发展情景与政策情景，充分发挥我国政府宏观制度管理优势，为自上而下模型提供政策目标。

IPCC开发的SSPs基于一系列内部逻辑一致的人为假设，描述了缓解和适应气候变化挑战下的未来社会经济系统发展的不同轨迹[18]。SSPs情景包括了人口、国内生产总值、城市化特征的定量描述，以及能源和土地使用的定性假设，为综合评估模型进一步拟定情景提供了基础[20]。共享社会经济路径框架依据减缓、适应挑战的难易程度分为5个主要情景，如图4所示：可持续发展情景——绿色发展之路(SSP1)、中间情景(SSP2)、悲观情景——严峻的经济与减排挑战(SSP3)、低预期情景——经济发展不畅(SSP4)、传统情景——化石能源高度发展(SSP5)。图4中：横轴表示适应方面的挑战水平从左到右不断上升；纵轴表示减缓方面的挑战水平从下到上不断上升。

图4 SSPs情景气候变化挑战

电能替代综合评估模型所需的情景框架，除了SSPs自有的经济、人口、城镇化水平等社会经济状况，还需要进一步预测未来电能替代各重点领域特有的情景参数值。例如交通行业的未来货运结构、客运结构、电气化交通工具渗透率等；建筑行业的未来建筑面积、电采暖面积、居民能源消费需求、保温标准等；钢铁行业的BOF-EAF结构、废钢比、钢铁比、纯氧高炉、熔融电解技术渗透率等。

不同区域在SSPs场景中经济社会发展的趋势不同，因此有必要预测得到我国特定的情景参数值。可以依托SSPs情景下经济发展水平、技术发展水平、公平程度等基本社会因素的设定，结合我国碳达峰行动方案，利用回归模型、机器学习等模型进行预测，初步实现SSPs情景下关键参数的中国化，即得到SSPs情景下中国的人口、GDP和城市化特征等宏观经济参数，同时结合各行业电能替代相关政策，获得未来各重点领域的关键参数，如交通行业的货运结构等。

3.3 微观技术参数制备

自下而上模型需要输入详细的技术参数。建立健全中国电能替代重点领域关键技术参数库，实现工业、交通、农业、建筑等重点领域技术参数中国化，是当前亟需解决的问题。

电能替代主要代表性技术如表1所示。按照电力用途的不同，电能替代可分为3类具有全局影响性的关键技术：电转冷热技术、电转动力技术、电力供应技术。其中，工业领域中热泵、电炉、辅助电动力技术，交通领域电动汽车，采暖领域的分散电采暖具有较大的潜力空间。

表1 电能替代主要代表性技术

基于大数据驱动算法，借鉴典型的电能替代项目实践案例，依据实践效果将3类关键技术参数中国化。主要的技术参数有电能替代技术的开展领域、能耗状况、减排效果、成本变化、技术实施的难易程度、技术进步与革新等。自下而上模型依托技术参数，可以核算各领域实施电能替代技术的成本收益、能源需求、减排潜力等，并实现技术优选，为技术路线决策提供参考。

3.4 “自上而下”与“自下而上”模型耦合

建立具有中国特色的电能替代综合评估模型，在开展中国电能替代政策场景构建及电能替代技术参数中国化的基础上，更为关键的是要厘清市场间协同机理，实现自上而下的中国特色政策场景与自下而上的电能替代技术场景耦合。宏微观场景耦合如图5所示。

图5 宏微观场景耦合

需求侧电能替代技术是否能达到减排效果，减排潜力如何，不仅与技术本身特性相关，也与供给侧发电结构密不可分。

“电力系统碳排放流是依附于电力潮流存在且随着系统有功潮流定向移动的耦合碳排放”[21]，电-碳耦合体系，从电力系统“源-网-荷”全环节衡量碳排放，包含发电侧的直接碳排放、输配电网的能量损失、用电侧的隐含碳排放。

SSPs情境下有不同的电源结构，如可持续发展情景(SSP1)相较于其他情景，电源结构更为清洁。宏观层面，考虑电力系统全环节碳排放，确定SSPs情景下经济发展用能需求(如钢铁需求量、货运周转量等)；微观层面，在满足能源需求的前提下，如何统筹协调、有序推进微观技术配置，明确优先领域与技术路径，以实现电力系统最大的减排量，对促进电能替代的发展具有非常重要的现实意义。

除了宏观经济指标，政策导向和约束也是实现“自上而下”与“自下而上”模型软连接的关键因素。政策公布的排放标准、能耗标准、发展规划，有利于促进微观层面技术的革新与进步，加快能源结构转型。本文提出的模型综合考虑宏观政策因素、微观技术发展与能源需求和供给间的相互作用，实现多重能源-环境-技术的协同与耦合，建立宏观政策目标与微观市场资源配置之间的联系。

未来模型的完善会进一步考虑电力市场、碳交易市场、能源市场、资源税等多重能源-环境政策的协同与耦合。构建上层情景输出、下层参数校准体系，完善双轮驱动、动态反馈机制，为电能终端消费市场的发展提供客观依据。

4 结 语

电能替代是实现能源战略转型的重要举措。从我国电能替代实施现状来看，在推进双碳目标的大趋势下，电能替代发展须破解技术、经济和理念几方面的制约。技术上，加快推进技术变革，开发与行业发展相适应的电力新技术。经济上，加快促进电碳市场耦合，完善价格体系，科学实现经济最优。用能理念上，塑造全民节约意识，实现终端用能清洁化、低碳化，持续推进电能高质量替代。

另外，本文就目前理论方面存在的不足，提出了新的建模思考：在实现宏观场景参数和微观技术参数中国化的基础上，将模型“上下”耦合实现电能替代的仿真推演。中国电能替代综合评估模型构建是一个开放性、持续性工作，今后还应在扩大基础数据来源、扩展领域范围、深入实现参数中国化，完善宏观微观市场耦合理论等方面进一步推进，以更加全面准确衡量我国电能替代工作的成效，为未来电能替代工作提供更多更具参考价值的决策支撑信息。