碳中和目标下的新一代电力系统低碳转型分析及控制策略研究

黄 亮

（国电南瑞南京控制系统有限公司， 江苏 南京 211106）

0 引言

电力系统作为能源系统的关键部分，其发展与整个社会经济的发展有着直接联系。我国的电力能源供应系统主要采用燃煤发电方式，对环境和气候的影响相对较大。为了响应国家“双碳”目标，需对现阶段能源系统进行优化，进而实现经济社会可持续发展[1]。

1 电力系统的低碳转型发展理论

1.1 电力技术系统可持续转型特征

1）具有一定目的导向性。为了有效促进经济社会与环境的可持续发展，电力系统低碳转型时需以一定的目标为导向，针对燃煤燃烧产生的碳排放与碳污染问题，确定具体的目标，并付诸实践。因此，电力系统的低碳转型具有一定目的导向性[2]。

2）追求集体利益最大化。主要体现在不以个人的利益为目的，而是以集体利益为出发点，从全局考虑电力企业转型后的发展趋势。虽然在确定转型方案时可能会出现相应的限制条件，但方案的执行需从整体的利益角度出发。

3）技术系统低碳可持续性转型。主要表现在技术结构中存在相应的互补产品，在研发同类产品以及互补产品的过程中，可实现环境的创新与突破，进而达到低碳转型的目的[3]。

1.2 电力结构低碳转型阶段

碳排放的基本原理为：对排放单位进行初始配额分配，当排放单位碳排放量超额时，需要购买碳排放配额，减排单位可以出售富余配额，使总的排放量满足碳排放量要求，如图1 所示。

图1 碳排放基本原理

电力系统实现低碳转型是一个较为漫长的过程，电力企业的转型主要分为碳达峰、深度低碳和零低碳三个阶段，如图2 所示。

图2 低碳转型三个阶段

1.3 电力系统低碳转型目标

在我国经济飞速发展的背景下，工业化进程加快，碳排放的总量也在集聚增长。由于碳排放会导致温室效应产生，并且对环境会造成一定的污染，因此，节能减排成为现阶段全球关注的问题[4]。据相关数据显示，2015 年，我国的碳排放总量达到106 t，约占全球总碳排放量的1/3。碳排放量的增加主要是由于我国电力行业燃烧的化石能源量大，为了实现碳中和目标，需对我国电力系统的碳排量予以控制。有研究表明，在实现2 ℃温升目标可能性＞66%的情景下，中国2012—2100 年剩余排放空间仅为2 571 亿t，考虑在2050 年前将碳预算全部用完的情况下，年均排放量也仅为56 亿t。我国的节能减排面临着较大的挑战，电力行业作为碳排放量较大的行业，其节能减排的空间相对较大。因此，为了有效促进我国电力系统低碳转型，需开发相应的低碳技术，充分利用清洁能源的优势，我国的电力系统在2050 年需要达到零碳排放，贡献15 亿t 左右的负排放空间，才能实现我国深度碳减排，碳排放量同期相比下降80%的目标。

2 电力系统低碳转型价值分析

2.1 低碳转型的环境价值

实施低碳转型战略后，在减少使用不可再生能源的同时，也一定程度上降低了发电机组的发电量，合理控制装机可有效降低电力系统各种环境污染物的排放量，如氮化物、硫化物等。据某省2010 年环境统计公报数据显示，在电力系统实际转型过程中，煤炭的烟尘排放量大于天然气排放量，煤炭烟尘排放排放系数为0.199，天然气烟尘排放系数不足0.01。由此可知，煤炭燃烧是影响环境污染的主要原因。除此之外，天然气燃烧产生的SO2远远低于煤炭燃烧所产生的量，氮化物的排放两者大致相同，如表1 所示。因此，电力企业低碳转型后，不仅可有效降低天然气与煤炭的燃烧量，而且还能实现对环境的保护。

表1 某省低碳转型下煤炭、天然气SO2、NxO 和烟尘减少产生量

2.2 低碳转型的经济价值

电力企业实现低碳转型，可带动其他行业发展，有效促进国民经济的增长。电力行业带动其他行业国内GDP 总值增长情况，如表2 所示。

表2 电力行业带动其他行业国内GDP 总值增长情况

在BASE 的背景下，我国2007—2020 年的GDP增长率为61.85%。相比较2007 年，低碳转型后GDP增长率达到78.26%，GDP 的增长率相比BASE 情景下增长16.44%。由此可以看出，电力系统实现低碳转型，可以有效促进我国社会经济的发展。

2.3 低碳转型的民生价值

电力系统的发展与我国经济社会的发展有着直接联系，尤其是在电力系统实施低碳转型战略后，社会民生发生了相应的变化。主要体现在以下几个方面：一是电力企业低碳转型改变了人们的用电思想，使人们开始逐渐学会使用节能灯、太阳能灯和节能用电器等，在一定程度生提升了人们的节能用电、清洁用电意识。二是低碳转型给人们的生活带来了便利，增加了人们户外活动的时间，进一步提升了人们对环境的满意度，对推动人与自然的和谐发展有着十分重要的作用。三是低碳转型带动了社会经济的发展，在一定程度上提升了人们的物质生活条件，对于促进国民生活质量有着十分重要的作用[5]。

3 碳中和目标下我国电力系统转型策略

为了实现碳中和目标，我国需借鉴国外先进的经验，从以下几个方面推进我国电力系统转型，实现高质量发展。

3.1 加大节能提效力度，控制碳排放强度

对于我国的能源转型而言，首要任务就是实现节能提效。在能源领域数字化、智能化水平不断提升的背景下，国内大部分能源企业纷纷开展了相应的综合能源服务模式，充分开发能源系统节能的潜力。一方面，是大部分企业通过数字化、智能化手段提高自身能源利用效率的必然选择。另一方面，也是我国重视节能与提升系统效率的必然结果。

随着我国对节能减排工作的重视，相关部门实施了相应的“双控”制度，其实质为控制能源强度与碳排放强度，并取得了相应的成效。然而，我国单位GDP能耗远远超过国外发达国家，节能潜力相对较大。基于此，我国应对高碳、高能耗行业进行转型升级，从战略、制度等方面做好相应的顶层设计，进而促进社会开展相应的节能活动。除此之外，我国还需对标各个行业的先进技术水平，研发较为先进的技术装备，创新生产管理理念，加快对传统产业、重化工业的低碳化智能化的升级改造，提前实现能源消费端的碳达峰。

3.2 提高非化石能源比重，加快能源结构清洁

在“双碳”战略中，以化石能源为主，实现电力企业低碳转型，进而实现“双碳”目标。对于我国而言，如果在2060 年前实现碳中和，新能源在能源结构中的占比将进一步增大，甚至可达到80%以上。将新能源结构作为新型能源结构的主体，需分阶段调整。根据先高后低的发展趋势，在2025 年前，我国非化石能源的比重年均增长幅度相对较低，需以风能、电能等可再生能源支撑我国非化石能源增长，进而提升电力行业的产电量。同时，在化石能源的使用过程中，需实现清洁高效利用，以此来适应新能源技术需求，这对于提升系统的智能化、柔性化水平有着十分重要的作用。

3.3 加快技术创新融合，抢占能源发展制高点

在电力行业低碳转型过程中，需加快技术创新，抢占能源技术制高点[6]。因此，相关部门应充分考虑我国的实际情况，制定实现我国碳中和目标的技术攻关与相应的实施方案，主要从以下几个方面进行：一是加快电力系统储、调能力建设，使其能够跟上可再生能源的发展节奏。加快先进技术研发，如物理储能、化学储能等，进而提升电力行业的灵活性。二是加快能源技术与信息技术融合，推动能源数字化转型，实现资源的高效利用。三是大力推广能源耦合技术、虚拟电厂技术，加快集中式与分布式相结合的城乡一体化能源建设，提升农村地区用电的安全性，实现用电方式的清洁化。四是充分发挥碳捕捉封存用户利用技术的优势，在节能减排过程中充分发挥其作用。

4 结论

本文基于碳中和的目标，对电力系统低碳转型进行了相应的研究，并得出下列结论：

1）低碳转型主要分碳达峰、深度低碳和零碳三个阶段进行，其中，零碳排放阶段是电力行业低低碳转型的最终目的。

2）在电力行业低碳转型后，不仅可以实现对环境的保护，而且还能带动国民经济增长，对提升民生质量有着十分重要的作用。

3）要加大节能提效力度，控制碳排放强度，提高非化石能源比重，加快能源结构优化。加快技术创新融合，抢占能源发展制高点，对电力企业低碳转型具有一定的促进作用。