“双碳”目标下低碳电力系统发展路径分析

中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 周百鸣

实现“双碳”目标是工业文明转向生态文明的标志，电力系统低碳发展是构建可持续能源产业体系的根本要求，作为现代能源系统的重要组成部分，为人们工作生活提供支撑作用，但电力系统一次能源消耗比重过大，主导性发电能源的二氧化碳产量超标，是“双碳”目标达成的主要障碍[1]。在低碳经济的发展理念下，应大力发展低碳能源技术，为电力系统制定碳减排目标，通过电力系统碳排放的减少，提高电力系统能源利用效率，将低碳经济作为能源消费方式，达到减少空气污染、减缓全球变暖等目的[2]。电力系统的低碳转型，必须从政策、制度、技术等多方面出发，考虑碳排放目标优化问题，在促进市场化、工业化的同时，实现电力系统的“双碳”转型目标，令环境生态和能源经济可以协调可持续发展[3]。

1 “双碳”目标下低碳电力系统发展现状

现阶段，随着电力系统负荷需求不断增加，我国电力经济高速发展，不可再生能源被大量消耗，在碳排放总量中，电力行业排碳比例较大，承担着重大的二氧化碳减排责任，但另一方面，电力系统发展空间大，电力企业已将节能减排作为电力系统发展目标，把电力作为低碳发展的战略中心，满足经济稳定增长需求的同时，科学利用电力能源资源，使用清洁能源代替化石能源，电力系统在地理分布上具有明显的不均衡性，电力消费主要地区为沿海等经济发达区域，在一次能源调运过程中，产生了大量且不必要的二氧化碳气体排放，发电能力已不是成为电力系统唯一目标，电力系统低碳转型势在必行。

当前，电力系统低碳转型仍存在一些问题：电力行业能源格局单一，无法摆脱一次能源结构，火电机组在发电机组总容量中占据很大比例，限制了低碳发展空间，一次能源污染严重，二氧化碳排放量大；电力企业未完全掌握电力机组的核心技术，火电装机能效水平低，低碳电力技术自主创新能力较低，清洁能源发电未规定技术标准，多数技术来源依靠联合设计和国外引进，低碳电力技术自成熟度和生产能力不佳，电力系统关键技术未突破创新瓶颈，科技研发的规模化生产落后，科技研发和低碳电力技术不协同和创新生产部门融合性较差，严重影响清洁能源市场的规模化发展；清洁能源不能完全上网，由于可再生能源负荷波动较大，电力系统无法消纳可再生能源电力，发电基地的弃风现象、弃光现象愈演愈烈，电力系统储能端发展不完善，发电机组燃料利用率低。针对以上问题，提出相应的解决策略，总结低碳电力系统发展路径。

2 “双碳”目标下低碳电力系统发展路径

2.1 提高清洁能源发电比重

优化电力系统电源结构，降低燃煤火电等一次能源的发电比例，增加可再生能源发电比重。将电力系统中的清洁能源产业，作为重点培育的经济利润增长点，增加一次能源发电的资源税，优先开发水电资源，其次开发风电等资源。

根据发电资源种类，明确电力机组的节能发电调度次序：第一为水能、风能、太阳能等电力机组；第二为地热能、生物质能等电力机组；第三为核能发电机组；第四为一次能源发电机组，按照碳排放水平、能耗水平，进一步排序电力机组调度次序。电力企业尽可能全额收购清洁能源，积极响应政府颁布的节能发电调度政策，推行可再生能源配额制，调整电力系统工业结构，重点建设风电基地、水电基地，以及配套送出工程，以大型基地为重点，结合中型基地、小型基地、蓄能电站，促进发电基地的流域梯级综合开发，在沿海区域规划海上风电场，激励高效环保机组发电，全面推进清洁能源发电调度，建设就地消纳通道，推动集中式、分布式的光伏发电同步发展，平衡低碳环保和资源效益之间的关系，推行可再生能源配额制，梳理电力系统的电力机组上网机制，减少发电市场空间中的高耗能发电机组。

2.2 加大低碳电力技术研发力度

增加发电行业融资渠道，加强专项资金的监管，用于研发和推广低碳电力的科技创新技术。政府可以采用鼓励投资、直接投资等方式，增加低碳电力技术研发的投资金额，刺激低碳电力技术创新，建立激励机制，组织管理科技创新工作。开展电力系统智能化，使用节能设备替代高耗能产品，应用分布式电源，增加可再生能源的发电份额，升级发电系统的火电机组，全面推进火电机组的清洁煤电技术，尽可能扩大新能源发电的并网规模，建设以二代加技术为代表的核电站，加强电网运行管理，最大限度减少输送过程中的电力损耗，提升资源跨区调度水平。建设低碳电力示范工程，运行低碳电力技术，包括热电气循环联产技术示范工程、多能互补技术示范工程、先进燃气轮机技术示范工程、天然气、水蒸汽循环发电技术示范工程、高参数筑坝示范工程等，记录电力系统安全系数，实现电力系统零风险运行。

2.3 构建电力行业减排体系

制定电力系统低碳发展规划，明确居民用户、工业企业、电网企业三个电力规划主体，以及相应的实施流程，构建电力行业减排体系。针对居民用户，充分发挥电力市场的作用，推广财政补贴，加快节能产品的研发，开展家电和LED 灯等产品的生态评估，加强节能设备的备案管理，将低碳发展作为约束性指标，以合同能源管理模式，编制电力低碳规划，完善电力服务支撑体系，建立电力规划管理机制，积极回收废旧用电产品，制定相关补贴政策，梳理节能产品检测标准，完善节能产品的认证体系，改革电力投资的政府采购政策，引导消费者选择节能产品，刺激居民用户选购节能产品的积极性，争取节能设备和关键材料的国产化，加大节能产品推广力度。

针对电网企业，建立需求侧管理长效机制，统一协调居民用户的诊断服务和节能咨询，重点监控节电增效重点用户，形成需求侧管理工作的激励机制，组织负荷避峰、负荷错峰的计划方案，利用热泵、冰蓄冷等技术手段，减少电网峰谷差，落实高耗电产品单位电耗限额。

2.4 推进智能电网建设

建设节能调度和低碳协调配合的智能电网，应用电力需求响应机制，稳步推进智能用电和电能替代。引入科学的电力调度机制，引导居民用户低碳用电，实现节能发电调度向智能电力调度的转变，使电力系统电源更加接近用户侧特点。

探索智能电网技术，低碳化改造电力机组，使电网能够容纳大规模发电能源，接受可再生能源发电的电网，减少碳污染严重的化石能源，控制常规火电排放的二氧化碳气体浓度，令发电机组的燃料得到充分燃烧，遵循燃料等量替代原则，混合燃烧煤炭、天然气等一次能源和清洁能源、生物质能源，其中生物质包括林木和秸秆等。政府应为智能电网项目提供政策支持，需要能源部门发出积极的市场信号，推广大容量燃煤机组，限制电力系统的碳排放总量，在智能电网建设中引入综合资源战略思维，统一优化电力系统供应侧、需求侧的资源规模，结合现行实施的需求侧管理和综合资源规划，凸显用电需求侧在电力系统中的重要作用，降低可再生能源发电负荷的波动范围，为低碳电力系统的稳定性提供保障。

将需求侧资源响应机制纳入智能电网统筹规划中，充分挖掘电力系统需求侧资源潜力，对资源潜力潜在效益进行评估，构建现代能源保障体系，转变能源供需与消费格局，发展快速储能技术，实施电能替代，推广使用节能电器、智能电能表计等设备，预测可再生能源和不可再生能源的能效，以及电力需求侧需要的电力负荷，尽可能提升预测精度，消纳一次能源和清洁能源，积极促进电力灌溉等电能替代方案，替代不可预测的能源电力，提高低碳电力系统能效。

3 实际案例分析

为了能够提供具体的参考和应用价值，帮助更好地理解上文提出的低碳电力系统发展路径，并将其应用到实际的业务中，本节通过案例分析，了解真实环境下的挑战与解决方案，以及具体的实施步骤，从而更有针对性地制定自己的策略和行动计划。以某电力为例来说明上述方法的有效性。该企业的规模和参数如下。

装机容量：1000MW；发电设备数量：包括500MW 的火力发电、300MW 的风力发电和200MW 的光伏发电。电网接入情况：接入主网和几个地方配网；发电成本和效率：火力发电成本较高，但稳定性好；风力和光伏发电成本较低，但受天气影响。碳排放数据：在过去一年排放了100万t CO2。储能设备容量：安装了100MW 的钠硫电池储能设备节能技术应用情况：引进了先进的燃气轮机技术，提高了能效。

步骤1：优化低碳电力系统电源结构--清能电力积极发展风电、水电等清洁能源，并在2023年2月开始逐渐减少了对煤炭等化石燃料的依赖，通过优化电源结构降低了二氧化碳排放。步骤2：加大低碳电力技术研发投入力度--清能电力公司加大对清洁煤发电技术的研发和应用，并进行技术本土化，成立了低碳电力技术联盟，促进各方资源共享、合作互惠，提高了清能电力的技术实力和竞争力。步骤3：制定电力系统低碳发展规划--清能电力公司与相关政府部门合作制定了低碳发展规划，明确了清能电力在减排方面的责任和目标，并得到政府的支持和奖励。步骤4：建设智能电网--清能电力积极推进智能电网建设，提高发电机组燃料燃烧效率，应用电力需求响应机制，提高电网消纳能源能力，从而更灵活地适应清洁能源的接入，减少了对传统高耗能、高污染能源的依赖。

对于这个电力企业，通过以下方式优化了低碳电力系统的电源结构：一是增加清洁能源比重。增加风电、水电、光伏等清洁能源的装机容量，减少对传统煤炭发电的依赖。二是提升能源利用效率。采用先进的燃气轮机、高效燃气蒸汽联合循环发电技术等，提高传统发电装置的效率，减少单位发电量的二氧化碳排放。三是采用可再生能源互补技术。结合风电与太阳能等不稳定可再生能源，展开互补发电，降低系统波动性，提升发电系统的稳定性。

针对发电厂安装大容量储能设备，可以采取以下措施进行优化：一是安装大型储能设备。如钠硫电池、钛酸锂电池等储能技术，用于平衡风光电发电的间歇性特点，提供平稳的电力输出。二是采用抽蓄式水电站。通过在谷时段利用电力将水抽升至高位蓄能，用于高峰时段释放水能，降低其期电网容量。三是利用超级电容器和超导磁储能。用于短期的功率平衡，提高系统的响应速度和调度灵活性。

在制定电力系统低碳发展规划方面，这个电力企业可以采取以下步骤：一是确定发展目标。明确企业低碳发展的总体目标，如减少二氧化碳排放，提高能源利用效率等。二是强化政策支持。争取政府的支持与激励政策，如税收优惠、补贴扶持等，以促进低碳发展规划的实施。

4 结语

本文介绍了低碳电力系统的发展现状，从清洁能源、高新技术、减排体系等角度出发，提出电力系统达到“双碳”目标的发展路径，对我国能源战略转型具有重要意义，电力企业也要提高决策能动性和自主性，积极落实以上发展路径。由于国内各省份存在显著地域特征，其电力系统低碳转型也存在明显差异，在今后的研究中，会对地区差异进行具体分析，得到符合各省特征的低碳转型路径。