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观点|碳中和愿景下中国能源转型的三大趋势

碳中和愿景下能源转型的核心是零碳、低碳能源对高碳能源的逐步替代,是非化石能源消费比重的大幅度提高,这将深度改变未来能源系统。由于非化石能源主要是通过转化为电能供终端使用,非化石能源消费比重的提高必然会提高能源系统的电气化水平:一方面,一次能源电能转化的比重趋于提高;另一方面,电能占终端能源消费的比重趋于提高。对于电力系统而言,非化石能源消费比重的大幅度提高则意味着电源结构发生深度改变,非化石能源发电比重将在电力系统中逐步占据主导地位。此外,考虑到非化石能源尤其是风能、太阳能等新能源资源的分散性和间歇性特征,能源电力系统形态也必将发生深刻变革,需要集中式与分布式并举开发利用新能源。因此,能源系统电气化、电力系统低碳化和能源电力系统去中心化是碳中和愿景下能源转型的三大趋势,也是三大必由之路。

 

一、碳中和愿景下中国能源转型趋势之一:能源系统电气化

过去二十年间,随着经济社会快速发展、城市化进程加速和科技水平不断进步,中国的电气化水平稳步提升。电气化水平在能源生产侧主要体现为一次能源通过电能转化的比重,即一次能源用于发电的比重,在消费侧主要体现为电能占终端能源消费的比重。如图1所示:在生产侧,一次能源电能转化的比重从2000年的35%左右逐步提高到2020年的45%左右;在消费侧,电能占终端能源消费的比重从2000年的不到15%逐步提高到2020年的27%左右。近年来,在能源革命战略引领下,可再生能源的发展和终端电能替代取得了较快进展,电气化水平提升较快。

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图1 2000-2020年中国电气化水平

 

注:2000-2019年数据来自《中国能源统计年鉴》;2020年数据来自国家能源局发布

 

碳中和愿景下能源系统绿色低碳转型,一方面,需要加快调整一次能源结构,大幅度提升非化石能源消费比重;另一方面,需要加快改变终端部门用能方式,实施电能替代。现阶段工业、交通、建筑等终端部门的化石能源消费量和二氧化碳排放量仍居高位,随着生产侧非化石能源大比例接入电力系统,加强终端部门电能替代将可以有效削减煤炭等化石能源消费从而减少二氧化碳排放。在生产侧和消费侧两方面的协同作用下,未来能源系统电气化水平必然会进一步提升。

 

在生产侧,一次能源通过电能转化的比重为煤炭、石油、天然气和非化石能源的不同能源品种电能转化的比重的加权平均,权重为一次能源消费结构。当前,中国煤炭用于发电的比重为52%左右,而在美国等发达国家煤炭用于发电的比重超过90%;中国天然气用于发电的比重为14%左右,而世界平均水平为30%左右①。可以预计,在碳中和大背景下,一方面,煤炭等化石能源的消费量将受到控制而逐步减少②;另一方面,化石能源的利用方式也会趋于清洁高效,通过电能转化的比重将逐步提高。本文假定到2050年煤炭和天然气用于发电的比重分别提到95%和35%③。非化石能源方面,考虑到碳中和背景下生物质燃料、地热能、光热等领域的发展,假定非化石能源通过电能转化的比重维持在90%左右。一次能源消费结构方面,本文参照林卫斌和吴嘉仪(2021)的情景设定,具体设定如表1 所示。根据上述情景设定,可以推算出一次能源电能转化的比重。如图2所示,到2050年一次能源电能转化的比重可能达到80%左右,电力将在能源供应中占据绝对主导地位。

 

表1 能源消费结构情景设定图片

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图2 电气化水平变化趋势研判

 

在消费侧,基于能源系统中一次能源与终端能源的平衡关系,可以推算出电能占终端能源消费的比重。计算公式为:电能占终端能源消费的比重=(一次能源电能转化比重×电能转化效率)/(一次能源电能转化比重×电能转化效率+一次能源非电能转化比重×加工转化效率)。通过能源平衡表计算可得过去五年一次能源电能转化效率约为38%,非电能转化的能源加工转化效率约为98%。结合上文推算出的一次能源电能转化的比重,可以推算出电能占终端能源消费的比重。如图2所示,到2050 年电能占终端能源消费的比重可能提升至60%左右,电能将逐步成为终端能源主体。

 

二、碳中和愿景下中国能源转型趋势之二:电力系统低碳化

当前,煤电在中国电力系统中仍占主导地位,装机容量比重近50%,发电量比重超过60%。这种以高碳能源为主的发电结构不可避免地造成二氧化碳的大量排放,难以满足碳中和的要求。未来随着电气化水平持续提升,电力需求不断增加,电力系统在能源转型和碳减排中的作用将尤为凸显。在能源生产侧,由于非化石能源主要通过发电进行转化,非化石能源对煤炭等传统化石能源的清洁替代将有效作用于电力系统。随着非化石能源的大力发展,电源结构将逐渐优化,电力系统将趋于绿色低碳化。

 

对于电力系统的低碳化程度,可以用非化石能源发电比重,即总发电量中非化石能源发电量的占比进行衡量。具体公式为:非化石能源发电比重=(非化石能源消费比重×非化石能源电能转化比重)/一次能源电能转化比重。考虑到非化石能源主要通过转化为电能而得到利用,非化石能源用于发电的比重变化不会太大。因此,非化石能源发电比重的变化将主要取决于非化石能源消费比重和一次能源电能转化比重的变化。以2020年为例,非化石能源消费比重为15.9%,一次能源电能转化比重约为45%。与此相对应地,非化石能源发电比重为33%左右。未来非化石能源消费比重和一次能源电能转化比重都将趋于提高,非化石能源发电比重也将随之提高。

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图3 非化石能源发电占比趋势

 

结合非化石能源消费比重情景设定以及一次能源电能转化比重的趋势,可以研判非化石能源发电比重。与非化石能源消费高比重和低比重两种情景相对应的,存在非化石能源发电高比重与低比重两种情景。如图3所示,未来三十年,非化石能源发电量占总发电量的比重将持续提升,到2050年,如果一次能源中非化石能源消费比重达到75%-80%,则非化石能源发电量比重将高达84%-90%。非化石能源在成为一次能源供应主体的同时也将成为电力供给的主力军,电力系统将呈现深度低碳化特征。


三、碳中和愿景下中国能源转型趋势之三:能源电力系统去中心化

满足碳中和下能源转型要求的非化石能源尤其是风能、太阳能的大规模开发利用要求能源电力系统形态发生深刻变革。由于风能和太阳能等具有间歇性的特征,在传统集中式开发利用模式下,需要在大规模建设风电、光伏电站的同时,配套建设相应的火电机组以满足电力系统灵活性要求,保障电力供应安全。例如,“十三五”期间,中国风电、太阳能发电装机容量增加了3亿多千瓦。与此同时,火电装机容量也增加了2亿多千瓦。长远看,可再生能源与火电“比翼齐飞”式扩张的能源转型之路无疑会不断增加“冗余”,大幅提高系统成本并最终体现为用能成本。因此,满足碳中和要求的非化石能源的大规模开发利用需要突破传统的能源电力系统形态,突破集中式、中心化的开发利用模式,更多地采取分布式、去中心化的开发利用模式。正如里夫金在《第三次工业革命》一书中所构想的:每一栋楼都变成即时收集可再生能源资源的微型发电厂;在每一栋建筑采用氢能和其他存储技术,使建筑的每一部分都能存储间歇性能量;用互联网技术把电网转变成一个能够实现能源共享的互联电网;逐步将交通车辆转为电动和燃料电池汽车,并与智能电网互联互通(杰里米•里夫金,2012)。

 

可以预见的是:开放互联、多源协同、多能互补、能源与信息深度耦合的能源互联网将会是未来能源电力系统的主要形态特征,这种去中心化的能源电力系统主要包括以下几大关键元素:

 

一是可再生能源资源的分布式开发利用。与煤炭、石油等化石能源不同,风能、太阳能的分散性特征使其开发利用无需再囿于一处,分布式开发、就地转化和就近消纳可以最大程度地利用可再生能源。中国可再生能源资源丰富、分布较为广泛,分布式新能源资源可开发潜力巨大,据评估可开发潜力高达54亿千瓦左右(李琼慧等,2020)。随着技术进步和成本下降,未来分布式新能源开发利用形式将愈发多样化。例如,发展建筑光伏一体化,将每一栋建筑变成一个小型发电厂;在农村推进风能、太阳能、生物质能等资源的分布式开发利用,因地制宜建设“农光互补”等复合光伏发电项目。

 

二是微电网和智能电网。高渗透率的分布式可再生电源直接接入配电网会给电网安全稳定运行带来巨大挑战,而以分布式电源、配电设施、控制设备、负荷以及储能装置等构成的微电网既可以离网独立运行,实现电力供需自平衡,也可以接入大电网,在电力短缺时从大电网购电,在电能过剩时为大电网提供调峰服务,这种分布式能源组织方式可以有效降低大电网的负担,提高电网安全可靠性。未来随着大数据、云计算、物联网、移动互联等先进信息技术和智能技术在电力系统的应用,电力系统的各个环节将全面智能化、数字化、互动化。一个个微电网通过智能电网相互联接,电力系统中所有节点之间的信息和电能都将可以实现双向流动。

 

三是储能。鉴于可再生能源间歇性的出力特性,储能将成为能源电力系统不可或缺的元素。储能的使用可以突破电力发、输、配、用同时连续进行的传统模式,实现电能的“跨时间转移”。因此,通过发展“可再生能源+储能”的模式可以有效减少可再生能源出力波动及不确定性,有望成为未来主流的发展方向。按照技术原理,储能主要有物理储能、化学储能和电磁储能三类,其中物理储能技术的典型代表抽水蓄能是当今最为成熟的储能技术,而化学储能如锂离子电池等目前技术进步最快、最受关注。考虑到技术可行性、建设的经济性、安全性等因素,能源转型前期抽水蓄能仍将是最主要的储能形式,转型后期随着化学储能技术的成熟以及成本的下降,电化学储能容量预计将显著增加。

 

四是氢能。氢能能量密度大、转化效率高,具有来源广泛、用途多样、既可运输也可储存的特性,是功能灵活的能源载体和燃料。当前氢气主要通过化石燃料制取,制氢过程会产生温室气体排放,有悖于碳中和要求。随着风能、太阳能发电电价进一步下降,电解水制氢成本降低,可再生能源电解水制氢有望成为氢气制取的主要方式。通过可再生能源电解水制取的氢气可以在能源转型中发挥多重作用:一方面风能、太阳能、水能等的弃电可以通过电解水制氢,以氢气的形式进行储存和运输,在电力不足时再以氢供电(曹军文等,2021),通过电—氢之间的高效转化,实现电氢协同,提高电力系统灵活性;另一方面,零碳的氢能可以实现多种能量形式的转化,氢能的应用有助于终端用能部门实现深度脱碳,例如在难以减碳的炼钢领域,以氢气代替焦炭作为还原剂可以实现“零碳炼钢”,在碳排放较高的交通运输领域,应用氢燃料电池可以实现“零污染”。

 

五是新能源交通。智能技术以及新能源的使用是交通行业低碳转型的必然方向,未来传统燃油车将逐步被清洁、智能化的电动车所替代。技术成熟时,电动汽车可以作为储能设备,通过合理机制的引导参与电力系统调节,在电网负荷较低时进行充电,在电网负荷较高、电力供应不足时为电网回输电能。考虑到未来电动车的广泛使用,这种储能资源将具有巨大潜力,新能源交通将成为去中心化能源电力系统不可缺少的部分。此外,随着以新能源为动力的运输工具在交通全域的广泛应用,绿色清洁的运输体系逐步形成,这将极大助力碳中和的实现。

 

四、结语

满足碳中和目标的能源转型要求大幅度提高非化石能源消费比重。随着非化石能源占一次能源比重逐步提升,一次能源通过电能转化的比重和电能占终端能源消费的比重将趋于提高,能源系统的电气化水平将不断提升。对于电力系统而言,随着非化石能源消费比重和生产侧电气化水平的持续提升,非化石能源发电比重也将不断提高,非化石能源在电源结构中将逐步占据主导地位,电力系统将呈现深度低碳化特征。为支撑非化石能源规模化发展,能源开发利用模式需要由传统的集中式转向去中心化模式,能源电力系统形态将迎来深刻变革。碳中和愿景下能源转型将呈现三大趋势:能源系统电气化、电力系统低碳化和能源电力系统去中心化。

 

①中国煤炭和天然气用于发电的比重根据《中国能源统计年鉴2020》计算,美国煤炭用于发电的比重和天然气用于发电比重的世界平均水平根据IEA 统计数据计算。

 

②相对低碳的天然气在碳中和实现过程中作为一种过渡能源,其消费量可能先增后减。

 

③在中国石油用于发电的比重很小,因此忽略不计。