碳中和目標下的電力系統和電力市場轉型

彭端丹 李鵬云 殷明凱

摘 要：中國當前的目標是到2030年二氧化碳排放量達到峰值，到2060年實現碳中和，這對能源發展提出了新要求。在目前的發展模式下，中國在實現碳中和目標方面面臨更大的挑戰和困難，中國的能源體系需要更早、更有力地轉型。在碳中和的情況下，中國與能源有關的碳排放量必須在2025年左右達到峰值，到2050年降至約24億噸。脫碳途徑從邊際減排成本低或負的行業以及電力和工業部門發展而來，將是減排的重點和優先領域。能源系統必須加速向低碳的轉型。一次能源需求將在2035年左右達到頂峰，非化石能源將成為新能源的主要來源，傳統化石能源的替代將加速，到2050年占總能源消耗的65.6%。

關鍵詞：碳中和;能源轉型;轉型路徑;清潔低碳;能源消費

中圖分類號：TM73;F123.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）09-0-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.09.028

1 碳中和目標下的電力系統規劃和運行

碳中和電力系統是指在電力生產中利用水力、核能、風能、太陽能、生物質能和其他清潔能源作為能源，或使用具有碳捕集與封存裝置的燃氣發電機組，實施生產過程中將靜態碳氧化物的排放量降至零甚至為負，同時對用電量的要求在質和量上滿足用電用戶的需求。與僅考慮電力用戶需求的傳統電力系統相比，碳中和電力系統在環境保護和能源可持續性方面有更高的要求。

碳中和電力系統和100%可再生電力系統之間存在一些差異。在能源結構方面，碳中和電力系統主要由核能、水能、化石能源，例如配備有“碳捕獲，利用和存儲”裝置（CCUS裝置）的火力發電裝置，風能和太陽能能源，強調無碳排放。100%可再生能源系統以水能，風能，太陽能，生物質能和地熱能為主導。重點是能源的可持續性。100%可再生能源系統將難以實現，因為它需要替換當前電力系統中最大份額的化石燃料發電機[1]。

2 碳中和電力系統的規劃問題

碳中和電力系統的供電計劃包括現有化石能源發電裝置的淘汰和改造計劃，配備CCUS裝置的化石能源發電裝置的擴展計劃以及清潔能源發電裝置的擴展計劃。通過各種發電機的協調規劃，實現零排放電力系統的碳中和碳核目標，同時保持系統的慣性水平，確保系統具有足夠的安全性和穩定性，具有足夠的靈活性為碳中性電力系統運行提供輔助服務，盡可能降低總投資成本。具有多種清潔能源的碳中和電力系統將具有更復雜的約束條件，需要在電力規劃中加以考慮。風電和光伏發電的輸出具有很強的不確定性，因此在進行電力投資規劃和決策時，必須確保系統的發電資源能夠適應風電和光伏發電的各種場景。

3 碳中和電力系統的運行問題

將很大比例的新能源并入電力系統會帶來很大的不確定性，但也消除了大多數同步發電機組，這是安全和穩定控制的重要手段。新能源通過逆變器并入電網，系統的電子化程度高，增加了系統不穩定風險。發電調度是系統運行中最重要的任務，承擔著電力供應和功耗的實時平衡。碳中和的電力系統具有較高的新能源滲透率和較低的發電成本，在滿足系統負荷和安全穩定運行的前提下，應盡可能吸收新能源，以有效節省系統的運行成本。

碳中和的電力系統包括靈活的資源，例如天然氣、水和能源存儲。為了應對風、光和其他新能源輸出的不確定性，系統還需要有足夠儲備。應綜合考慮各種柔性資源的運行特性，協調各種柔性資源的上下儲備量，以最大程度地降低發電成本和風險。設備維護安排對于維持系統安全可靠的運行至關重要。

4 碳中和目標下的電力市場機制

電力市場體制機制改革的目的歸根到底還是更有效地支撐電力系統的規劃運行。在低碳環保中和儲能目標下的智能電力系統中，隨著以光伏和大型風電儲能為主要代表的各種間歇性可再生清潔能源占總發電量的比例逐步明顯升高，從而有效提高整個電力系統的成本可靠性和成本彈性[2]。

深入研究體現多種不同價值的電能商品價格形成機制傳統電力市場中電能商品的價值相對來說比較簡單，主要包括電能量價值（體現于現貨與遠期合同產品）、容量價值（體現于容量市場）和安全穩定價值（體現于輔助服務）。電源和并網負荷實時接入平衡管理是保證電力系統安全穩定正常運行的基本條件，在主干碳電網中和大型電力系統中，由于沒有風、光等多種新能源的大量實時接入，在并網電源側面會引入大量的短期隨機性和長期波動性，給我國電網的電源調度以及運行管理帶來諸多困難，也使電能商品價值更加趨于多樣化，特別是靈活性也已成為業內所關注的新焦點。因此，應在準確衡量各類電能元件商品使用價值時充分考慮電能功率變化曲線在較長時間和多維度的改變形狀和不同類型電能元件商品的使用靈活性和高品質，并設計合理的價格形成機制。

在減少碳的集中和碳的目標下，社會對清潔電能的持續需求不斷快速增長，電網的總容量規模不斷擴大，用電來源結構亦發生變化，各大規模電網的有效峰谷差日趨明顯增大，電網目前的有效調峰用電能力和有效調峰能源需求之間的矛盾愈發尖銳，低谷時長期缺乏有效調峰能力手段的用電問題更為突出。

隨著我國電力能源市場化制度改革的深入以及全球波動性可再生動力能源的日益增多，將會促使我國煤電機組逐步由能夠提供固定電力、電量的新型主體性動力電源，向能夠提供可靠可變電力、調峰電和調頻供電能力的新型基礎性動力電源類型轉變。結合新型電力系統尖峰調節區和能力系統提升改造工程，充分發揮火電運行靈活性系統改造在大大提高電力系統用電調峰調節能力和有效促進新一代能源綜合消納排放方面的重要推動作用，從而提升電力機組運行靈活性，及時有效響應水力電網優化調控，將加快推進新型碳能集中和碳型電力系統工程建設。

此外，國內外納入現有電力輔助用電服務交易市場的電力交易主要品種不一定包括一次調頻（一般只能作為國家強制要求提供的基本電力輔助用電服務）和一次慣性，國際電力交易市場在積極公開討論將一次慣性調頻納入現有輔助用電服務市場品種的交易可能性[3]。

5 建立電力市場與碳排放交易市場之間的協調機制

隨著全球對“氣候危機”的關注，碳排放許可已成為繼石油和其他商品之后價值的新象征，這對于實現碳中和目標具有重要意義。《京都議定書》奠定了國際碳交易的法律基礎，不僅以法律法規的形式限制了相關國家的溫室氣體排放，而且從市場角度創建了以二氧化碳排放權為主要交易對象的碳交易市場。《京都議定書》建立了排放交易機制（ET）、聯合實施機制（JI）、清潔發展機制（CDM）三個碳交易機制，賦予碳排放權以商品性質。作為世界上最大的發展中國家，中國主要在CDM機制下進行項目開發，并已成為CDM項目數量最多的國家之一。

2011年，中國按照“十二五”發展綱要制定了五年計劃，經過幾年的試驗，效果顯著。試點地區企業實施率保持較高水平，形成了要素齊全，特色鮮明，規模初步形成的地方碳市場。關聯企業的碳排放總量和強度均實現了“雙下降”，顯示了碳市場以較低的成本控制碳排放的良好效果。每個試點系統在系統的設計和運行方面都積累了豐富的經驗，并在實踐中比較和驗證了不同政策設計的適用性，為建設全國統一的碳市場積累了經驗。

在碳中和目標下，應建立電力市場和碳排放權交易市場的協調機制。參照歐盟碳交易機制EU—ETS的經驗，全國統一碳排放權交易市場建立之初有可能在配額設置上比較寬松，也可能采取免費分配的方式發放配額。這樣做從碳市場自身建設的角度講有一定的合理性，但要防范與電力市場機制產生相互抵消的負效應，即由于碳價過低影響深化電力體制改革對于節能減排的要求[4]。

全國碳市場體系形成后，電力行業作為主要碳排放行業應該率先發揮碳市場的調節作用，電力市場改革也應有助于這個目標的實現。從國外碳市場發展進程可以發現，從事碳交易的電力企業的碳成本將會通過電價向下游企業（包括最終消費者）傳導，但對于這種傳導要有所約束，因此，電價形成機制的設計應合理考慮碳成本，在全面推進電價改革時應考慮與全國碳市場價格的交互影響，形成電價與碳價的良性互動并確保碳市場對碳排放的有效調節。

參考文獻

[1] 2050年世界與中國能源展望[R].北京：中國石油集團經濟技術研究院，2020.

[2] 王利寧，陳文穎，戴家權，等.智能互聯重塑中國能源體系[J].氣候變化研究進展，2021，17（2）：204-211.

[3] 王利寧，戴家權.中國長期能源發展趨勢研判[J].國際石油經濟，2017，25（8）：58-63，87.

[4] 戴家權，王利寧，向征艱.關于中國長期能源戰略制定的幾點思考[J].國際石油經濟，2019，27（12）：10-14.