“碳中和”目標下的電能替代發展戰略研究

屈 博，劉 暢，李德智，郭炳慶

（中國電力科學研究院，北京 100192）

0 引言

溫室氣體排放造成溫室效應，使全球氣溫上升。全球變暖已成為制約人類經濟社會可持續發展的重要障礙。控制污染物和溫室氣體排放已引起全球的高度重視。據聯合國政府間氣候變化專門委員會（intergovernmental panel on climate change，IPCC）統計，全球化學工業每年使用二氧化碳約為1.15 億t。近年來，中國高度重視碳減排，特別是黨的十八大以來，中央將生態文明建設納入“五位一體”總體布局和“四個全面”戰略布局統籌推動，把綠水青山就是金山銀山的發展理念貫穿經濟社會發展全過程、全領域，采取強有力措施推進節能減排，經濟增長方式已由資源消耗導向轉變為綠色生態導向。

本文梳理了“碳中和”目標下，我國能源供給與消費結構發生的變化，分析了在“十四五”期間電能替代面臨的機遇與挑戰，并提出了未來重點發展領域與戰略。

1 “碳中和”目標與電能替代

1.1 全球主要經濟體的“碳達峰”、“碳中和”目標

G7國家中英國、德國、法國、意大利、加拿大表示將用60年的時間，實現從碳排放頂峰到零碳排放（碳中和）的轉變，在2050年實現零碳排放。日本首相提出到2050年日本實現溫室氣體零排放（碳中和）的目標。美國重返《巴黎協定》后承諾將在2050 年實現“碳中和”。在世界各國大力推進“碳中和”的環境下，習近平總書記在第75屆聯合國大會上提出中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，爭取在2060年前實現“碳中和”的目標，并且在第十九屆五中全會提出“十四五”目標:能源資源配置更加合理，利用效率大幅提高，推進能源革命，加快數字化發展［1］。

2019 年中國二氧化碳排放量約占全球的29%［2］，如圖1 所示。未來碳排放量會出現陡降的形勢，預計2030年二氧化碳排放將達到“碳達峰”排放量約為135 億t，從2040 年開始二氧化碳排放量將大幅降低，到2050 年排放量將降低到55 億t，2060 年將達到 2 億 t 左右，以實現“碳中和”目標。當前我國減排任務艱巨，創新替代是主要挑戰之一。下一步，我國將圍繞實現“碳達峰”、“碳中和”目標采取有力措施，持續提升能源利用效率，加快能源消費方式轉變。

圖1 二氧化碳排放預測Fig.1 CO2 emissions forecast

1.2 “碳中和”涉及主要領域

“碳中和”主要涉及5 個領域。碳匯:主要涉及植樹造林、植被恢復等；節能:主要涉及工業、建筑等；減排:主要涉及交通運輸、商貿物流等；能源電力:主要涉及可再生能源推廣、提高電氣化率等；非電力能源:主要涉及氫能發展、碳捕獲、農業等。

2019年全國碳排放約在115億t二氧化碳當量，約為美國 58 億t、歐洲35 億 t 的 2～3 倍［3］。我國目前碳排放主要來源是能源、工業過程、農業、廢物處理。實現“碳中和”目標涉及:一方面通過增加植樹造林、植被恢復、碳匯交易等措施，提高自然界中CO2的吸收能力；另一方面通過工業、建筑、交通等領域節能減排，在電力系統推廣可再生能源、提高電氣化率，在非電力能源系統拓展氫能，研發碳捕獲技術等來減少碳源。

1.3 “碳中和”目標下能源電力領域主要措施

2019 年化石能源占一次能源消費的85.7%，燃煤發電和化石用能排放的二氧化碳占總量的88%。預計實現“碳達峰”之前，我國仍以化石能源為主。因此，實現“碳中和”需要建立全體系解決方案。

在源端，大規模部署清潔能源實現對化石能源的替代，光伏發電、風電替代煤炭成為主體能源，儲能成為電力系統靈活性運行的主體，促使電能配置模式從單方向鏈式向多向轉變。

在負荷端，推行電能替代，對交通、工業、建筑等領域的終端進行電氣改造，實現化石能源清潔利用，提升終端用能的電氣化，提升能效水平，降低終端用能碳排放。根據初步估算，通過實施清潔替代和電能替代預計2030年前可累計節約10%～15%的能源需求，2030—2050年可累計節約35%～40%的能源需求。

1.4 “碳中和”目標下能源結構轉變

在大規模部署可再生能源，提升電氣化的實現路徑下，預計2025年、2030年，清潔能源（含水電）發電裝機將分別達到14.8億kW和21.9億kW，占當年裝機容量的49.3%和57.6%，如圖2 所示［2］。預計2030 年非化石能源發電量占比達到49%，如圖3 所示，能源變革大幅提速。

圖2 各類型電源裝機容量占比Fig.2 Installed capacity ratio of each type of power supply

圖3 發電量占比Fig.3 Power generation ratio

1.5 “碳中和”目標下消費結構變化

2019年我國能源消費總量48.6億t，以煤炭和石油為主，占比超過76.0%。2020年，我國煤炭消費量占能源消費總量的57.1%，比上年下降0.6個百分點；天然氣、水電、核電、風電等清潔能源消費量占能源消費總量的24.8%，比上年上升1.4個百分點。目前我國對煤炭和石油的依賴度較世界平均水平高14.0%，單位GDP能耗仍是世界平均水平的1.5倍。清潔能源消費占比較低，但總體發展趨勢正在向清潔能源快速發展。

電能替代方面，分布式電源及儲能方面有著較大的發展潛力。在電能替代快速發展的前提下，首要目標是將分布式電源充分消納，持續推進儲能技術發展；在用戶側，推進清潔取暖、交通電氣化、商業電廚炊、港口岸電、電動汽車、工業電鍋爐、電窯爐等替代類型，進一步推進電能替代產業發展。

2 “十三五”期間電能替代工作成就

國外沒有“電能替代”的概念，因此引入“電氣化率”指標作為國內外電能替代情況的對比。2019年中國的電氣化率為26.5%，年人均用電量5 100 kWh［2］，僅為經濟合作與發展組織（organization for economic cooperation and development，OECD）國家年人均用電量8 234 kWh的60%左右，略高于世界平均水平，遠低于發達國家。

我國商業、工業、居民電氣化水平還有較大發展空間。工業電氣化水平達到30%，處于中等水平，居民電氣化水平25%，較日本等國家低28 個百分點，商業電氣化水平37%，在典型國家中處于落后位置，交通電氣化水平4%［4］。

我國居民電氣化率較美國差距較大。美國家庭電氣化遠遠領先于我國，住宅建筑中，電力主要用途包括空調、冰箱和其他部分，其他部分主要為廚房家電、衣物烘干機、游泳池、熱水浴缸、汽車充電、發電機以及其他小型電動機，比如割草機等。

隨著電能替代產業的發展，電能替代技術由最初的單一、集中向大規模、多領域轉變，科學合理的技術歸類是規范、引導行業良性發展的基礎。電能替代技術主要分布于工業、建筑供暖供冷、交通、農業、電力供應與消費等。

“十三五”期間我國電能替代總體目標為4 500 億 kWh［5］。截至 2020 年 12 月僅國家電網服務區范圍就完成了7 246 億kWh，各級政府部門累計出臺支持政策1 000余項，建立了發展規劃、環保約束、補貼價格引導“三位一體”的政策支撐體系，有效緩解了棄風、棄光、棄水，促進了清潔能源消納。在“三北”風/光電清潔能源富裕地區實現了蓄能供暖、風/光電供暖，促進風/光就地消納；在西南水電富裕地區通過電力交易中心平臺，以同等條件清潔能源優先成交的方式大力開展清潔替代交易。

“十三五”期間，已累計推廣實施電能替代項目25萬余個，累計替代電量7 246億kWh，相當于減少原煤 4.1 億 t、標煤 2.9 億 t、節約燃油 2.5 億 t、減排二氧化碳7.2億t，為促進社會節能減排、優化終端能源消費結構作出積極貢獻［5］。

3 “十四五”期間電能替代發展戰略

3.1 電能替代面臨的機遇與挑戰

進入“十四五”期間，電能替代工作逐步進入深水區。據估算2025年我國能源碳排放量需要由原先預測的132億t下降到105億t，節能與電能替代（降低能耗）對碳減排貢獻最大（74%），非化石能源貢獻22%，天然氣貢獻4%，電能替代面臨前所未有的壓力。

3.2 電能替代的發展戰略

（1）充分用電:以潛力挖掘為主，實現價值增長和能力釋放，通過技術創新支撐用電量增加，包括電網不增容、微增容、合理增容等；

（2）充分創新:在用戶端，充分利用新材料、新技術，實現規模化、低成本應用，用好用足政策紅利；

（3）充分交易:探索源荷互動和多方交易，通過市場和價格驅動，充分利用峰谷價差，實現用能費用的降低，提升能源系統運行效率及效益。

3.3 “碳中和”目標下的發展建議

（1）以國家能源電力布局為基礎，提速向非石化能源轉型，西部北部地區建設化石能源和可再生能源大型綜合能源基地；西南地區建設大型水電基地；東中部地區推進分布式光伏和分散式風電建設；沿海地區發展核電和海上風電。

（2）構建以風電、光伏新能源電源匯集、送出、消納為主要功能和目的的特高壓大電網，實現風光儲互補、靈活轉運、大范圍安全消納。

（3）通過網絡化、彈性化、互動化、儲配融合技術等，科學有序釋放和挖掘電網存量和潛在資源，調動用戶側資源參與協調互動，推動電力電量市場化交易，以“免增容、微增容、合理增容”為手段，實現包括電網企業在內的各利益相關方共贏的建設目標。

（4）突破技術瓶頸，在工農業生產領域、民用領域、交通領域尋求突破，以“高效電熱轉換技術、蓄熱技術、智能化調控技術、高效電動技術”為措施，大幅提升一次能源消費中電氣化率。

3.4 “十四五”期間電能替代重點挖掘領域

經估算，“十四五”期間我國電能替代理論潛力超 11 000 億 kWh，實現減排二氧化碳 10.976 億 t。主要在工業領域，預計替代潛力7 500億kWh；其次在交通運輸領域和生活消費領域，預計替代潛力為1 200億kWh。

在交通領域主要推廣電動汽車、港口岸電、機場橋載輔助動力裝置（APU）替代等新技術，可在基礎條件較好的地區優先推廣，并逐步實現全覆蓋。在主干高速公路和環渤海、長三角城市群建成城際充換電服務網絡。在沿海、沿江、沿湖、沿河等港口碼頭，推廣高低壓岸電系統和電動貨物裝卸，推進京杭大運河互聯互通，積極開拓優質港口岸電市場。

工/農業生產制造領域，主要是電鍋爐和電窯爐，針對生產工藝用熱量較大的各類生產制造行業推廣蓄熱式工業電鍋爐。針對玻璃、鑄造等行業推廣電熱隧道窯、中頻爐等電窯爐技術。將電動皮帶廊廣泛應用于具有物料運輸環節的企業。

居民電氣化應全面推動廚炊洗浴電氣化（家庭、商業、餐飲），實現“電代煤”、“電代氣”。

4 結束語

“碳中和”將給能源格局帶來革命性變化，是一個多領域協同的共同目標。“四個革命、一個合作”戰略強調生產、消費、技術、體制等多個方面的系統化行動路線，需要政府和社會各界共同努力來推動這場革命。

電能替代是實現“碳達峰”與“碳中和”目標的重要路徑，需要新領域、新技術、新方法和新模式的支撐。可以預見，電能替代必將帶來用能方式、能源結構、電網架構等多方重塑。

要持續不斷提升技術裝備能效水平，提升能源消費及管理的智能化水平。在經濟領域，要鼓勵社會資本投入，探索多元共贏的市場化項目運作模式，引導社會力量積極參與電能替代技術、業態和運營等創新。只有多方合力，才能推動電能替代工作健康發展。