“碳中和”愿景下的四川電力減碳路徑構想

葉 強，胥威汀，汪 偉，王海燕，劉 陽，李 旻，唐 權

(國網四川省電力公司經濟技術研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

中國國家主席習近平2020年9月22日在第七十五屆聯合國大會宣布：中國將提高自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現“碳中和”。這是中國首次向全球明確實現“碳中和”的時間點，也是迄今為止各國中做出的最大減少全球變暖預期的氣候承諾。2020年12月12日習近平主席在氣候雄心峰會上進一步宣布：到2030年，中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加6.0×109m3，風電、太陽能發電總裝機容量將達到1200 GW以上。

四川是中國最大清潔能源基地，為支撐全國“碳中和”目標的實現，下面分析了“碳中和”的目的和意義、國內外“碳中和”措施和政策。根據新形勢下的變化分析了四川電力減碳的路徑構想，并提出了需提前準備應對大規模新能源接入、大范圍靈活性資源調配、低慣量大系統穩定性及電網“高彈性”等全新的挑戰和要求。經初步估算，該戰略路徑能為全國“碳中和”目標貢獻約3%的二氧化碳減排量。

1 “碳中和”的目的和意義

“碳中和”是指在一定時間內直接或間接產生的溫室氣體排放總量，通過植樹造林、節能減排等形式，以抵消自身產生的二氧化碳排放量，實現二氧化碳“零排放”。“碳中和”涉及政府行為、企業行為、個人行為，需要全民族的共識和全社會的行動。

“碳中和”旨在減少碳排放，控制溫室效應。為應對氣候變化所造成的影響，各國政府于2015年達成的《巴黎協定》提出要將全球平均氣溫相比于工業革命前的升幅控制在2 ℃以內，并努力控制在1.5 ℃以下。根據最新評估模型和情景研究，若要將溫升控制在2 ℃范圍內，中國需要在2080年左右實現“碳中和”；若要將溫升控制在1.5 ℃范圍內，需要在2060年左右實現“碳中和”。

實現“碳中和”有利于能源經濟和生態文明良性發展。對內有利于經濟結構、能源結構、產業結構轉型升級；有利于生態文明建設和生態環境保護、生態環境質量持續改善；有利于國內大循環為主體、國內國際雙循環發展格局的形成。對外有利于中國國際政治形象提升和國際影響力的增強；有利于生態文明和美麗地球建設；有利于全球“碳中和”目標的盡早實現。

2 “碳中和”國內外現狀

“碳中和”是世界各國應對氣候變化的重要手段，根據《巴黎協定》中各國碳排放承諾目標，全球各國均根據本國發展情況制定相關支持政策[1] 。

歐盟及日本等發達經濟體采取較為積極支持政策，穩步推進主要碳排放部門減排。歐盟委員會于2018年年底發布了2050年零凈碳排放量計劃，計劃到2050年實現“碳中和”，即將凈碳排放量降至0；日本于2019制定了《巴黎協定下的長期戰略》，其中提出到2030年溫室氣體較2013年減排26%，2050年減排80%，到本世紀下半葉盡早實現溫室氣體排放中和的目標。德國2019年可再生能源發電比例達到46%，創歷史新高，計劃到2050年實現總發電量中可再生能源占80%以上。法國計劃到2050年全國電力全部來自清潔能源。瑞典、奧地利已于2020年關閉了所有燃煤電廠。法國、英國分別宣布到2021年、2025年關閉所有燃煤電廠。芬蘭計劃更為徹底，到2030年將全面禁止使用煤炭。此外，挪威計劃到2025年禁售全部燃油汽車；丹麥、荷蘭、愛爾蘭計劃到2030年實現燃油車禁售；法國、西班牙、英國、葡萄牙計劃到2040年實現此目標。減碳措施總體而言：能源供應方面，提高可再生能源裝機及應用比例，減少煤炭利用；交通運輸方面，推廣電動汽車應用，降低燃油汽車排放標準；工業生產方面，促進碳排放與工業生產脫鉤，降低鋼鐵、水泥等行業碳排放量；建筑物排放方面，提高建筑物及設備能效標準，并要求新建房屋“零能耗”。美國、印度等國，在“碳中和”目標實現上政策較為保守甚至出現倒退。

中國采取有力措施應對應氣候變化。2013年制定了《國家適應氣候變化戰略》，出臺了行業適應氣候變化政策。2015年向聯合國提交了國家貢獻目標；二氧化碳排放2030年左右達到峰值并爭取盡早達到峰值。2016年在《能源生產和消費革命戰略2016—2030》制定出各階段目標，綜合運用調整產業結構和能源結構、節約能源和提高能效、增加森林碳匯和制度創新等多種手段，大幅度降低了能源消耗強度和二氧化碳排放強度，有效地控制了溫室氣體排放。2019年碳排放強度比2005年降低48.1%，提前完成2020年控制溫室氣體排放目標，據轉了二氧化碳排放快速增長的局面。

世界主要國家二氧化碳逐年排放量及2019年碳排放比例分別如圖1和圖2所示。

圖1 世界主要國家二氧化碳逐年排放量

圖2 2019年世界主要國家二氧化碳排放比例

3 四川電力減碳路徑構想

3.1 四川碳排放現狀

四川碳排放已階段性達到峰值。四川在有效的環保減排政策和“清潔替代、電能替代”等一系列舉措下，通過調整能源結構、提高節能技術、優化產業結構等措施，節能減排成效顯著，單位GDP能耗呈下降態勢，“十一五”和“十二五”分別降低了20.3%和25.2%，“十三五”以來降低了16.0%。二氧化碳排放總量在2013年階段性達到峰值3.42×108t，此后開始逐年下降，2019年已降至3.04×108t。相比于發達國家和東部發達地區，四川經濟基礎較為薄弱，人均GDP、城鎮化率均低于全國平均水平，持續推進工業化、城鎮化和農業現代化對碳排放仍有剛性需求。伴隨著成渝地區雙城經濟圈的建設，碳排放極有可能出現新的峰值。四川逐年二氧化碳排放量和單位產值能耗見圖3。

圖3 四川逐年二氧化碳排放量和單位產值能耗

四川為減少碳排放作出了巨大貢獻。2019年四川可再生能源發電量341 500 GWh，占全部發電量的87.5%，高于全國平均水平56.4個百分點，相當于減排二氧化碳2.86×108t。碳排放強度為0.65 t/萬元，僅全國平均水平的66%，居全國22位，是中西部最低省份之一，僅高于西藏。

四川可率先實現“碳中和”。作為全國最大的清潔能源基地，四川省碳排放總量和人均排放均處于較低水平。2019年四川碳排放占全國3%，居全國第12位，而GDP占全國4.7%，居全國第六；人均碳排放約36 300 t/a，僅為全國平均水平的50%，是除西藏外人均碳排放最低的省份。清潔能源是四川目前保持較低碳排水平的重要原因。依托清潔能源優勢，四川可提前實現省內“碳中和”，并可向省外輸出凈碳減排量。四川省碳排放總量和人均排放均還處于較低水平。

3.2 電力減碳的必要性

電力系統降低碳排放是實現“碳中和”的必然要求。自2005年起，中國已成為世界第一碳排放國，2019年全球二氧化碳排放總量為3.3×1010t左右，其中中國二氧化碳排放量達到28.8%，見圖1和圖2。能源生產，主要是電力和熱力生產是中國最大的二氧化碳排放行業，2018年電力和熱力生產行業二氧化碳排放量占總排放量比例已超過50%[3]，詳見圖4。可見，電力系統降低碳排放是“碳中和”中至關重要的一環，電力減碳是實現“碳中和”的重要路徑和手段。

圖4 1990—2018年中國主要排放行業二氧化碳排放量

3.3 減碳路徑

通過推動能源生產低碳化、能源消費電氣化及電網降損等措施，可大大降低二氧化碳排放量。以2060年實現以上減碳總量為目標，努力實現全國“碳中和”。

3.3.1 加速推進能源生產低碳化

持續開發水力發電，適度發展天然氣發電，大力發展風力和光伏發電[4]，適時發展生物質發電，安全高效發展核電，嚴控煤電規模并有序退出[5]。預計2060年清潔能源每年可發998 400 GWh電量，減排9.294 8×108t二氧化碳。相對2019年減排6.211 7×108t。

1)持續開發水力發電。水力發電效率高，不產生碳排放，綠色環保，具有較高的技術成熟度、能源密度以及較優的經濟性，長期在中國電力低碳轉型中發揮著戰略性作用。四川境內河流眾多，水力資源豐富，技術可開發量148 GW，年發電量676.4 TWh，位居全國第一；經濟可開發量145 GW，年發電量659.4 TWh。水電是四川最具優勢的清潔能源，目前已累計外送電量超過1000 TWh，為減排做出了巨大貢獻。2019年年底，四川水電裝機78 460 MW，開發率僅五成，后續開發空間依然較大。

2)適度發展天然氣發電。相比煤電，氣電碳排放低，每千瓦時的發電量的二氧化碳排放約為煤電的44%；相比風電光伏，氣電更加穩定、靈活，有優秀的調峰性能，建設一定比例的氣電，有利于維持電網安全穩定運行。目前制約氣電發展的因素主要有天然氣對外依存度高、上網電價高以及燃氣發電核心技術尚未完全掌握。隨著國內燃機、頁巖氣開采技術的提升，氣電的發展空間巨大。四川天然氣資源豐富，是全國三大氣田之一，根據全國第二次油氣資源評價結果，四川盆地天然氣總資源量為7.185 1×1012m3，約占全國天然氣資源總量的19%。

3)嚴控煤電規模并有序退出

煤電在中國的發電結構中占有主導地位，約占發電量50%以上。要實現“碳中和”，必須嚴控煤電規模并有序退出，煤電的發電量由可再生能源來替代，這是實現電力減碳的重點所在。四川省煤炭資源貧乏，煤炭資源保有儲量約1.227×1010t，探明儲量僅占全國總儲量的1%左右，電煤主要依靠本地煤炭及鐵路運輸供給本地煤電機組。宜按“先小后大” 的原則有序退出煤電裝機，同時在電力系統中發展電化學儲能，提高電網運行靈活性。

4)安全高效發展核電。核電是一種清潔能源，不排放二氧化碳和煙塵，具有經濟性、高效性和安全性的特點，發展核電是電力減碳的有效途徑。目前中國核電規模較小，發展潛力巨大。目前已完全掌握以華龍一號、AP1000為代表的三代核電技術，并具有完全自主知識產權，部分領域已達到了國際領先水平，并在積極開展小堆、四代堆、熱核聚變等新一代核電技術的研發。四川鈾礦資源豐富、地質穩定、河流眾多，同時擁有中國核動力研究院、核工業西南物理研究院、中國工程物理研究院等核技術研發單位，有東方電氣等核電設備制造單位，發展核電具有得天獨厚的優勢。

5)快速提升風電和光伏發電裝機。新能源分布廣，具備可再生特性，可供永續使用，不產生碳排放。四川省風能資源集中在川西高原和盆周山地，其中以德昌為中心的安寧河谷、茂縣為中心的岷江河谷、丹巴為中心的大渡河谷資源較好，盆周地區也具有潛在開發價值。初步估算目前全省離地50 m高的風能理論儲量為88 350 MW，潛在開發量15 000 MW。

川西高原太陽能相對富集，是四川省乃至中國太陽能的主要分布區，年總輻射量在5000 MJ/m2以上。全省太陽能理論蘊藏量每年約8.0×105t標準煤，其中三州一市約占全省的72%。

6)適時發展生物質發電。生物質屬于清潔的可再生能源，燃燒后的二氧化碳排放屬于自然界的碳循環，利用生物質發電可大限度降低環境污染問題，也可降低化石能源消耗。四川生物質能源比較豐富，每年有可待開發利用的人畜糞便3.149×107t，薪柴1.189×107t，秸稈4.212×107t，沼氣約1.0×109m3。適時建設一定規模的生物質發電，可減少二氧化碳的排放。

綜合考慮了四川能源資源稟賦、發電技術約束及電力電量平衡等因素，清潔能源裝機規模建議詳見表1。

3.3.2 持續推動終端用能電氣化

加快電能替代，推動電能在工業、建筑、交通等領域以電代煤、以電代油、以電代氣、以電代柴的廣泛應用，形成以電能為主的能源消費格局，將大幅提高中國能效水平，降低二氧化碳排放強度[6]。預計2060年汽車保有量約3000萬輛，全部實現電動化，用電量為4.5×1010kWh，節約替代燃油超過6.96×107t，減少二氧化碳排放超過1.166×108t。相對2019年減排1.164 8×108t。

3.3.3 提高電網傳輸效率

1)電網技術設備低碳更新：增強科研力量重點研究SF6泄露監測技術和回收再利用技術[7]，加強SF6氣體回收工作，最大限度減少SF6的排放。據測算，國網四川省電力公司每年回收SF6氣體約3.5 t，相當于年降低碳排放8.3×104t，凈化再生氣體回用至設備，可節約新氣購置費約50萬元，低碳和經濟效益可觀。

2)電網低碳調度控制[8]：充分利用四川省內的清潔能源發電資源和儲能技術，開展水風光儲協調的低碳調度，在煤電退出以前通過對各類發電機組按能耗排序聯合經濟調度，以優化電網潮流與清潔能源的利用和消納。

表1 2019—2060年四川省清潔能源裝機構成 單位：MW

3)電網節能降損：通過合理規劃電網結構、調整運行方式、加強管理等手段來降低電網的能量損耗。網損在電能傳輸過程中并未直接導致碳排放，但其源端的化石燃料燃燒發電因這部分損耗產生了實際的碳排放。2019年，國網四川省電力公司綜合線損率為7.65%，損失電量為1.807×1010kWh，若分攤至火電，相當于2.39×106t的二氧化碳排放。這意味著在其他條件不發生變化的情況下，當前四川電網線損率每降低1個百分點，折合減排二氧化碳約3.35×105t。考慮化石能源發電規模變化，能夠得到逐年減排規模。

經初步估算：預計2030年，四川電力每年可貢獻二氧化碳減排量6.17×108t，相對于2019年減排3.08×108t；預計2060年，四川電力每年可貢獻二氧化碳減排量1.046×109t，相對于2019年減排7.38×108t。四川電力貢獻減碳量估算見圖5和表 2。

圖5 四川電力減碳總量估算

四川電力減碳路徑能為全國“碳中和”目標貢獻約3%的二氧化碳減排量。根據以上路徑分析，若能按期實現減碳目標，則到2030年，四川電力能為全國貢獻3.08×108t碳減排量；2030—2060年，四川電力能通過源、網、荷多個維度的路徑，實現4.29×108t碳減排量(含電動汽車接入)，為全國減碳目標做出約3%的貢獻值。

按照規劃，四川將在現有的“四直六交”跨省跨區外送通道的基礎上規劃新增雅中—江西、白鶴灘—江蘇、白鶴灘—浙江以及金上—湖北共四回±800 kV特高壓直流工程，建成后年外送電量達3.0×1011kWh，相當于為外省提供2.67×108t碳減排量。

4 建 議

要實現以上減碳戰略，四川電網將面臨大規模新能源接入、大范圍靈活性資源調配、低慣量大系統穩定性及電網“高彈性”等全新的挑戰和要求。為適應“碳中和”圖景下的新形勢，建議提前采取以下舉措，實現電網的迭代升級，力爭在萬象更新的未來保持科學發展和創新引領。

1)大力推進大渡河、雅礱江、金沙江上游水電開發，全面支撐甘孜、阿壩、攀西新能源基地建設及其接入送出，積極論證四川天然氣和核電規劃布局，到2060年水電裝機容量至少達到140 GW，新能源裝機容量至少達到約120 GW，天然氣、核電、生物質及其他清潔能源裝機容量至少達到20 GW；統籌火電靈活性改造、需求側響應、電化學儲能等靈活性資源的配置，確保電網調節友好和系統備用。

2)推進電能替代，提升電能在終端能源消費占比。提前布局，科學合理規劃充換電網絡，滿足大規模電動汽車接入電網的需求。密切跟蹤研究電動汽車市場發展動態，對具有經濟開發潛力的點位提前做好項目前期和儲備工作，提高市場應對速度；配合政府主管部門做好電動汽車充換電設施規劃工作，同時做好與電網規劃的對接工作，引導充換電設施有序建設，避免電網配套工程重復或滯后建設，確保社會資本投資建設的充電設施無障礙接入電網，為建設資源節約型、環境友好型社會，推動綠色發展、高質量發展貢獻電網力量。

表2 四川電力各環節減碳總量估算 單位：104 t

3)超前規劃，加快特高壓電網建設，打造多元融合高彈性四川電網，充分發揮大電網的優化配置資源的平臺作用，統籌電源負荷兩端，提高用能效率，以承載大規模可再生能源接入和用電負荷的不斷增長。一方面，推進建設“新三直”和金上—湖北±800 kV特高壓直流工程，加快論證攀西等新能源富集地區網架加強和外送方案，圍繞甘孜、阿壩水電富集區和成都等負荷中心構建阿壩—成都東—天府南—甘孜1000 kV交流特高壓環網，并建設天府南—重慶雙回1000 kV線路向重慶電網延伸；另一方面，利用“大云物移智鏈”等技術手段賦能電網，挖掘設備能力，釋放電網潛力，豐富調劑手段，引導“源網荷儲”多能互聯、柔性互動、彈性平衡，積極建設完備的市場機制，疏導靈活性資源建設，在提高電網安全水平的同時大幅提升運行效率。

4)深入開展大規模新能源并網、高比例電動汽車接入對電力系統影響機理、源端水風光儲和終端分布式儲能協同、低慣量系統穩定性、彈性電網探索應用和電網安全、經濟、高效運行等研究。通過技術和管理手段，保障電力系統在新能源、電動汽車、儲能配置、交直流協同等靈活性資源及不確定性影響下的安全經濟運行。

6 結 語

能源低碳轉型的關鍵是電力轉型，電力是能源系統碳減排的主力，對中國實現碳排放目標起決定性作用。四川電力可通過推動能源生產低碳化、能源消費電氣化及電網降損等措施，為四川及全國實現“碳中和”貢獻力量。同時，隨著大規模清潔能源和新型用電設施廣泛接入，電力系統的規劃、運行將面臨全新挑戰，需要從技術與經濟、市場與政策等方面開展研究。