“雙碳”目標下的能源發展路徑

吳 琦 金 洋 韓 旭

(1.中國有色工程有限公司, 北京 100038; 2.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 前言

伴隨“碳達峰、碳中和”被首次寫入政府工作報告，2021年也成為中國開啟“碳中和”征程的元年。新的起點上，“碳減排”被提到前所未有的高度，成為影響經濟發展的重要因素。在此背景下，優化能源結構和產業結構迫在眉睫且任務艱巨。目前，發電、供熱的碳排放量占碳排放總量比例近半，因此，優化能源結構、提高能源效率，實現供給端的清潔化和消費端的電氣化，任重而道遠。

1 能源轉型重任在肩

2021年10月24日，《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》正式發布。其中，“構建綠色低碳循環發展經濟體系，提升能源利用效率，提高非化石能源消費比重，降低二氧化碳排放水平，提升系統匯碳能力”等方面內容，作為主要目標進行了明確；“加快構建清潔低碳安全高效能源體系”為能源轉型指明方向。

過去很長一段時間里，很多地區由于“短平快”的經濟發展思路，高能耗產業“大干快上”，規模擴張加劇，導致綠色可持續發展理念難以切實貫徹。要實現高質量發展，就必須告別低水平重復建設的發展模式，要以經濟、產業和能源結構的調整，促進中國在全球產業鏈中持續向高端邁進。2021年，中國碳市場啟動后，首批40億t二氧化碳排放量就超過了全球溫室氣體總體排放規模的7%，也遠超之前最大的碳市場——歐盟。當前，中國在能源消費和生產規模方面都位居世界前列，加速推進能源結構轉型，將對自身實現“雙碳”目標、全球應對氣候變化起到至關重要的積極作用。反過來說，實現“雙碳”目標，也會倒逼新舊能源系統迭代，從根本上推動我國經濟在更加長遠的時間空間里發生模式的巨變。

當前，電力行業的碳排放在我國能源消費碳排放中占比近半，其中60%以上碳排放來自煤炭，因此，脫碳的首要目標就是“減煤”。在減煤與新能源提速并行的道路上，構建以新能源為主的新型電力系統，成為首要任務。截至2021年3月底，中國煤電裝機容量10.9億kW，在能源中的占比首次降至50%以下[1]。中國電力聯合會預計，到2021年底，包括水電、核電在內的非化石能源裝機容量將達到11.2億kW，屆時其占比將達到47.3%，首次超過煤電。

眾所周知，新能源發電雖然在環保效益上具有顯著優勢，但是就目前技術水平所能實現的發展程度而言，間歇性強、波動性大、受制于氣候和天氣因素程度高等問題仍然有待解決，更為關鍵的是，儲能掣肘不消除，新能源即使“大發電”，卻也會因為無法全部上網、難以消納遭到拋棄。因此，隨著新能源占比的不斷提升，“極度豐饒”和“極度稀缺”必將交替出現，使電力系統的供需平衡遭遇嚴峻挑戰。在此背景下，可以預見的是，電力負荷峰谷差逐年加大，“尖峰負荷”更加顯著，煤電如果快速減退，儲能等電力峰谷熨平技術的研發應用如果無法跟上，必將導致嚴重的電力不足情況，造成缺電現象頻發，給能源安全造成隱患。

2 電荒原因分析

2021年二季度開始，“限電”“有序用電”的熱度一直不減。起初，華東、華南等制造業產業聚集區產能飽和，加上年底冬季取暖需求，導致局部地區的電力供應短缺，并造成煤價上漲。進入9月，煤價翻倍，絕大多數熱電廠發一度電虧幾分錢，很多以火電為主要能源的地區的電煤庫存只能維持幾天，設備負荷只有一半。按照國家有關制度要求，煤炭主產區以外的燃煤電廠存煤量原則上不應低于20 d，但各地煤炭庫存已經消耗到歷史低位，因此，9月下旬，從華東、華南到華北、東北，全國各地紛紛開始限電，其中不乏事先未經通知、倉促拉閘的，對交通運輸、工廠生產甚至居民生活造成了嚴重影響。雖然幾天之后，在全社會的廣泛關注、媒體的持續報道之下，很多“一刀切”的做法也趨于理性，但近有供暖壓力，遠有“雙碳”目標，一邊是減煤的必由之路，另一邊卻要面對缺煤的實際問題，更加重要的是，在此矛盾之下， “電荒”給生產生活帶來的嚴重影響，敲響了能源發展的警鐘。

造成“電荒”的原因是煤炭在安全環保壓力下供應緊張，煤價高漲，影響了火電企業的效益，從而對供給積極性有所影響。2021年1—8月，全國規模以上火電廠月發電量3.87萬億kW，占全社會發電總量的七成，而且同期全社會用電量同比增長13.8%，比規模以上企業發電量增速高出2.5個百分點，創下2003年以來增速差的最大值，反映了用電緊張的格局。

火電的主要燃料煤炭2021年9月底的價格是2020年同期的近3倍。主要原因是：從供給端看，自從煤炭行業在2016年啟動了“去產能”后，煤礦產量增幅逐步壓縮，2020年國家嚴管煤礦安全環保及超產等相關問題，加上進口受限，使煤礦規模大幅降低；從需求端看，“后疫情時期”的經濟復蘇，使海外訂單超預期增長，制造業產能擴張較快，國內用電量以兩位數的速度快速增長，造成煤炭需求居高不下的局面。國家發改委預測，2021年冬，受經濟穩定增長、取暖用電快速增加等因素影響，全國最高用電負荷將逐步攀升，或將超過2021年夏季和2020年冬季峰值。

此外，尤其值得關注的是，本輪電荒的發生，很重要的一個原因，就是新能源、清潔能源出力的大幅減少。比如，黑龍江、吉林、遼寧三省，原本風能、太陽能的裝機已經超過了3 000萬kW，可實現出力1 000萬kW。但是在2021年，由于冷空氣來襲，占比超過18%的風電在9月出力明顯下降，將電力缺口推至10%～20%的嚴重級別，雖啟動了3輪二級有序用電措施，但個別高峰時段缺口仍達416.92萬kW，于是東北電網調度部門直接決定下令，采取了“終極手段”——電網事故拉閘限電，以避免電網崩潰的風險。

同時，跨省送電的博弈也不可忽視。比如，一直處于緊平衡狀態的南方區域——廣東、廣西、云南等省份相繼啟動了有序用電，云南還在大規模推動以電解鋁為代表的高能耗產業，影響了自身本就“不富裕”的水電資源“東送”至廣東。也正因為如此，原本應該在年中簽署的“十四五”滇粵送電協議，在供需關系變化的影響下遲遲無法協調簽訂，加劇了廣東原本緊張的用電。9月底，廣東全省最高用電負荷需求達1.41億kW，比2020年峰值增加11%，負荷創歷史新高。

3 “雙控”之下的能源路徑

雖然全國性觸發限電看似原因很多，但其核心，卻直指深層次的“能耗雙控”誘因。“能耗雙控”是指能源消耗強度和消費總量。前者是指單位GDP所需能耗，旨在考察能源在創造經濟產值中的利用效率。部分省份2021年上半年能耗目標完成情況不盡如人意，8月份又被國家發改委點名，并在每個季度公布的“紅黃燈預警清單”上“榜上有名”。而在實際生產中，各地“兩高”行業的產能有所擴張，能源需求旺盛，煤電資源捉襟見肘，政府只能采取強制手段，導致個別“運動式”限電的發生。此輪電荒顯示，在資源有限的條件約束下，過去多年并未構成太大挑戰的“能耗雙控”，在“雙碳”目標驅動下所帶來的新舊能源系統迭代背景下，將成為持續激發多產業結構調整的牽引力量。而且，在所有一次能源中，“節能”已經和煤炭、石油、天然氣和一次電力并列，被稱為“第五能源”，也就是說，提高能源的利用效率，或者對已經得到利用的“廢棄能源”進行再次開發，將成為下一步能源發展的重要方式。

3.1 穩步“減煤”

在能源利用方面，“十四五”規劃綱要將“單位GDP能源消耗降低13.5%”作為經濟社會發展的主要約束性指標之一[2]。和“十三五”相比，這個目標雖只下降了1.5個百分點，但是卻給各地帶來了巨大壓力。8月份，國家發改委披露了2021年上半年，在能耗強度上不降反升的9個“紅燈”一級預警省區，以及能耗強度降低率未達標的10個“黃燈”二級預警省區。各地壓力巨大，尤其是一些傳統高能耗產業在經濟體系中占比較高的省區，由于前期能耗管控比較寬松，已經在一季度就用完了上半年乃至全年的能耗指標，到了年末，“雙控”形勢非常嚴峻，只能“急剎車、快收口”。在“雙碳”目標指引下，各地收緊能耗，卻面臨著“減排”和“發展”兩大目標的權衡難題。國家發改委出臺的《完善能源消費強度和總量雙控制度方案》(發改環資〔2021〕1310號)，在能源消費總量管控的彈性方面有所增強，也不再“一刀切”限制所有能源使用，而是對可再生能源更加鼓勵。但是，必須要面對的問題是，在接下來的40年時間里，要將40多億噸的煤炭消費量降到幾萬噸，能源路徑將如何轉變？煤炭利用所產生的碳排放占我國碳排放總量的70%，消費量長期處于平臺期。目前，消費主要集中在火電、鋼鐵、建材、煤化工四大行業，占比分別為53%、17%、13%和7%，合計90%，因此減碳以電力為主。“十四五”期間，風電、光伏能量密度不夠，還要考慮電網消納問題，未開發的水電優質資源極為有限，水電開發周期較長。因此，即使可再生能源全面鋪開，風、光、水電的增量部分也不能滿足能源消費的增量部分，仍需煤電來填補。

對于基礎能源煤炭來說，下一步，推動自身從生產方式、用能方式、智能程度和轉型發展上實現低碳減排是應盡之意，同時，煤炭地位從“主體”向“兜底”轉變也將是大勢所趨。市場普遍預計，煤電裝機容量將在2025年實現達峰，停留在11.5億kW，國家電網、中電聯與電規院將煤電裝機容量峰值設在了12億～13億kW，全球能源互聯網發展合作組織預計峰值將在11億kW左右。目前，中國煤電裝機容量為10.9億kW，再建1億kW，總計約為12億kW。未來，部分缺電省份還要新增少量煤電項目，煤電技術進步要依靠示范項目支撐，光熱發電、生物質耦合發電及其他新型的熱發電技術，也需要通過煤炭相關技術進行儲備。因此，“十四五”期間，每年仍然需要核準少量煤電機組。“十五五”后期，將逐步削減煤電存量，不過削減量或不大，到2030—2035年，削減會加速。2035年之前，整體仍靠電力部門減碳，以清潔能源進口替代電煤。隨著替代的加速，到2060年，市場普遍認為仍然需要保留一定煤電裝機，即仍需2億～3億kW煤電裝機，其中部分加裝二氧化碳補集、利用與封存技術(CCUS)，部分作為備用點支撐[3]。

3.2 提高非化石能源比重

此外，在提高非化石能源比重方面，按照目前業內估計，如果想要實現“雙碳”目標，2050—2055年我國的非石化能源所占比重至少提高至70%，也就是說，未來30年，每年都應該保持2%的漲幅才能滿足預期發展目標。目前，我國的水電、核電受制于多種因素無法實現成倍增長，且具有不確定性，因此，建立以風電、光伏發電為主力的能源結構，成為全球在實現碳中和方面的一致共識。2020年，我國風、光新增發電裝機容量合計已經達到了1.2億kW，規模相當于前兩年的增量之和。未來，隨著電網改造、儲能和氫能方面核心技術的持續攻關，新能源發電將得到有效消納，其隨機性、間歇性、波動性強的缺陷也將得到有效克服。

3.3 提升能源系統儲存和調節能力

建設高比例的可再生能源體系，對能源系統的存儲和調節能力提出了更高要求，也就是說，新能源能否替代傳統石化能源、實現“雙碳”目標的關鍵因素，就是要形成與可再生能源建設一致的發展節奏，既要增強傳統電力系統的應用水平和靈活性，又要加快物理化學儲能、先進儲冷儲熱、先進儲氫等新型儲能技術的發展。目前，以電化學儲能為代表的新一輪新能源技術正掀起熱潮，在動力電池、儲能電池加速應用的大背景下，儲能產業已經開始與風光發電形成互動發展格局。隨著新能源對能源系統儲蓄、調節需求的不斷擴大，我國也將迎來新能源發電與新能源汽車兩大戰略性新興產業融合促進的發展窗口期。

在此基礎上，加強對于終端電氣化技術的攻關及產品應用、持續健全產業鏈發展氫能、做好碳補集封存和利用技術儲備[4]，也將為在“雙碳”目標指引下加快能源轉型，注入強大動能。

4 結束語

在“雙碳”目標指引下，我國能源發展將迎來重大變革。在構建清潔、低碳、安全的能源體系的過程中，必須將加大新能源的支撐力度與穩步實現“減煤”放在同樣重要的位置，逐步建立“系統有效、安全可控、靈活高效、智能優化、開放互動”的能源轉型路徑，構建以新能源為主的新型電力系統。