電力裝備助力“碳達峰·碳中和”途徑與措施研究（上）

／中國電器工業協會／

2021年中國電器工業協會（中電協）受工信部國家重大技術裝備辦公室的委托，組織開展電力裝備碳達峰碳中和相關研究。中電協先后赴上海、哈爾濱、沈陽、成都、西安、廣州、天津等地開展了充分的調研，組織全產業鏈內的 180 家企業 400 余人，分別設立總體組、6 個分領域專業組和 5 個專題組開展課題研究，圍繞行業發展現狀和未來支撐，通過“三摸三探”，即摸清電力行業需求導向、摸清電力裝備行業技術裝備產業現狀、摸清距離“雙碳”目標差距，以及探明技術裝備發展方向、探明技術裝備新應用場景、探明重點任務和實施路徑方向的方式，凝聚全行業的力量，形成了《電力裝備助力“碳達峰、碳中和”途徑與措施研究》總報告、6 個專業領域報告和 5 個專題研究報告系列研究報告。從本期起，《電器工業》將陸續刊登《雙碳研究》總報告精彩內容，以饗讀者。

第一部分 構建新型電力系統的意義及挑戰

構建以新能源為主體的新型電力系統，是在立足新發展階段、貫徹新發展理念、構建新發展格局，加快推進生態文明建設和人類命運共同體建設，深入貫徹落實國家能源安全新戰略的背景下，提出的新思想、新論斷。構建新型電力系統具有重大意義，同時也面臨風險挑戰。

一、構建新型電力系統的意義

“雙碳”目標的提出彰顯了中國積極應對氣候變化、實現經濟高質量發展的決心。實現“雙碳”目標，能源是主戰場，電力是主力軍，將從多個維度對電力行業產生深刻影響。構建以新能源為主體的新型電力系統，為中國電力系統轉型升級指明方向的同時，也為全球電力可持續發展提供了中國智慧和中國方案。

（一）內涵和基本特征

以新能源為主體的新型電力系統是傳統電力系統的跨越升級，新型電力系統是清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動的系統。構建新型電力系統最核心的任務就是能源生產的清潔化，能源使用的電氣化，與能源互聯網在基本內涵上具有高度一致性，都指明了電網轉型發展的方向。相對而言，新型電力系統更加強調新能源的主體地位和技術變革，能源互聯網更加突出多能互補、數字化和產業變革。推動電網向能源互聯網升級的過程，就是推動構建新型電力系統的過程。

從供給側看，新能源將逐步成為裝機和電量主體。截至2020年底，我國風電、太陽能發電裝機約5.3億kW，占總裝機容量的24%。隨著能源轉型步伐持續加快，預計2030年風電和太陽能發電裝機達到12億kW以上，規模超過煤電，成為第一大電源；到2060年前，新能源發電量占比有望超過50%，成為電量主體。此消彼長中，煤電將從目前的裝機和電量主體，逐步演變為調節性和保障性電源。

從用戶側看，發用電一體“產消者”大量涌現。隨著分布式電源、多元負荷和儲能快速發展，很多用戶側主體兼具發電和用電雙重屬性，既是電能消費者也是電能生產者，終端負荷特性由傳統的剛性、純消費型，向柔性、生產與消費兼具型轉變，網荷互動能力和需求側響應能力將不斷提升。

從電網側看，以大電網為主導、多種電網形態相融并存的格局將呈現。交直流混聯大電網依然是能源資源優化配置的主導力量，配電網成為有源網，微電網、分布式能源系統、電網側儲能、局部直流電網等將快速發展，與大電網互通互濟、協調運行，電網的樞紐平臺作用進一步凸顯，有效支撐各種新能源開發利用和高比例并網，實現各類能源設施便捷接入，實現“即插即用”。

從系統整體看，運行機理和平衡模式出現深刻變化。隨著新能源發電大量替代常規電源，以及儲能等可調節負荷廣泛應用，電力系統的技術基礎、控制基礎和運行機理將深刻變化，平衡模式由源隨荷動的實時平衡，逐步向源網荷儲協調互動的非完全實時平衡轉變，氣候因素的影響顯著增大，電力系統與天然氣等其他能源系統日益成為協調互動的整體。

新型電力系統在內部電氣特征和外部表現形式上，與現有電力系統相比存在差異。

從內部電氣特征看，新型電力系統將由高碳電力系統向深度低碳或零碳電力系統轉變，由以機械電磁系統為主向以電力電子器件為主轉變，由確定性可控連續電源向不確定性隨機波動電源轉變，由高轉動慣量系統向弱轉動慣量系統轉變。

從外部表現形式看，新型電力系統將通過廣泛互聯互通推動電網向能源互聯網演進，現代數字技術與傳統電力技術深度融合將使得電力系統發輸配用等各領域、各環節整體智能化、互動化，虛擬電廠、抽水蓄能電站、多種形式的新型儲能、電力輔助服務等將讓電力調度和源網荷儲互動更加靈活智能，安全智能可控的技術手段成為交流電網與直流電網、電網和電源協調發展的關鍵保障。

因此新型電力系統將具有四個方面基本特征：

一是廣泛互聯。形成更加堅強的互聯互通網絡平臺，發揮大電網優勢，獲取時間差季節差互補、風光水火互相調劑和跨地區跨流域補償調節等效益，實現各類發電資源充分共享、互為備用。

二是智能互動。現代信息通信技術與電力技術深度融合，實現信息化、智慧化、互動化，改變傳統能源電力配置方式，由部分感知、單向控制、計劃為主， 轉變為高度感知、雙向互動、智能高效。

三是靈活柔性。新能源要能主動平抑出力波動，提高發電品質，成為友好型電源，具備可調可控能力，提升主動支撐性能。電網具備充足的調峰調頻能力， 實現靈活柔性控制，增強抗擾動能力，保障多能互補，更好地適應新能源發展需要。電力用戶既是電能消費者又是生產者，加強主動配電網建設，由過去單一的網隨荷動，變為荷隨網動、源網荷協調互動。

四是安全可控。實現交流與直流、各電壓等級協調發展，建設新一代調控系統，筑牢安全“三道防線”，有效防范系統故障和大面積停電風險。

（二）服務“雙碳”目標的核心任務

我國能源電力發展已經進入以電力為中心的新階段，呈現出能源電力化、電力能源化、電力綜合化的顯著特征。新型能源尤其是綠色低碳新能源的開發利用，絕大多數都是通過轉化為電力來實現的。“以電代煤”“以電代油”“以電代氣”等工作不斷推進，電能在終端能源消費中的比重加速提升。“多聯供”、電動汽車和分布式能源系統的發展，顯示出電力在某種程度上已經具備了全能型能源的屬性，實現了能源價值增值。智能電網、能源互聯網技術快速發展， 電力數據等要素廣泛成為研判經濟社會運行、服務政府管理與決策、助力企業發展、幫助用戶科學用能等的關鍵要素，使得電力在社會經濟領域實現更加重要而廣泛的價值增值。為此構建以新能源為主體的新型電力系統是電力行業服務我國碳達峰碳中和目標的核心任務。

（三）技術融合創新發展的主要方向

構建以新能源為主體的新型電力系統是順應能源技術進步趨勢、促進系統轉型升級的必然要求，也代表了電力生產力大解放大發展的方向。近年來，電力電子技術、數字技術和儲能技術在能源電力系統日益廣泛應用，低碳能源技術、先進輸電技術和先進信息通信技術、網絡技術、控制技術深度融合，既有力推動了新能源、分布式電源、微電網的快速發展，也極大促進了系統分析預測、運行控制水平的提升。構建以新能源為主體的新型電力系統，不僅是科技進步的必然趨勢，是電力生產力大解放大發展的方向，也有利于凝聚行業共識，促進協同創新，破解能源轉型技術難題，搶占行業發展制高點，提高我國電力產業鏈現代化、自主化水平。

（四）行業實現高質量發展必由之路

構建以新能源為主體的新型電力系統是實現電力行業高質量發展、服務構建新發展格局的重要途徑。隨著經濟發展、社會進步和能源轉型，電力的應用領域不斷拓展，電力服務需求和消費理念日益多元化、個性化、低碳化，電力行業的新產業、新業態、新模式不斷涌現。構建以新能源為主體的新型電力系統為供需精準對接、滿足各種需求、挖掘潛在價值、降低社會能耗、促進產業升級，提供強有力的平臺支撐，以高質量的電力供給為美好生活充電、為美麗中國賦能。同時，也有利于搶占行業轉型發展的制高點，爭取全球產業競爭的主動權。

（五）電力裝備制造業轉型發展的動力

“雙碳”目標要實現，電力行業必須變革。電力行業要發展，技術裝備得先行。電力裝備制造業支撐著電力行業的發展。我國擁有全球門類最全、規模最大、品種最多、技術水平較為先進的電力裝備產業體系，這是我們的優勢。當前面臨世界百年未有之大變局和新冠肺炎疫情全球大流行等因素的交織影響，外部環境更趨復雜嚴峻，全球風起云涌的應對氣候變化。多國不約而同地把構建以新能源為主體的新型電力系統作為重要抓手，這是我國電力裝備制造業轉型發展的動力。

二、構建新型電力系統的挑戰

新型電力系統具有“三高雙峰”（高比例新能源、高比例電力電子裝備、發電和用能高自由度，夏季用電高峰、冬季用電高峰）的運行特征，對安全可控帶來前所未有的挑戰。這對我國能源結構、現有電力系統以及低碳技術發展等提出了更高的要求。

（一）經濟增長需求與碳排放深度脫鉤

中國宣布將力爭于2030年前實現二氧化碳（CO2）排放達到峰值、2060年前實現碳中和，這意味著作為世界上最大的能源生產國和消費國，中國將完成全球最高碳排放強度降幅，用全球歷史上最短的時間實現從碳達峰到碳中和。要實現“雙碳”目標意味著中國經濟增長與碳排放深度脫鉤，而當前中國能源消費總量仍然處于上升通道，能源結構以高碳的化石能源為主。中國要在未來40年內完成從達峰到凈零排放的轉型，能源行業主要面臨三個方面的艱巨挑戰：一是我國已經是世界的制造大國，部分領域已進入世界領先水平，但在全球制造業四級梯隊格局中，中國處于第三梯隊，產品能耗物耗高，增加值率低，經濟結構調整和產業升級任務艱巨；二是煤炭消費占比較高，仍超過50%，單位能源的CO2排放強度比世界平均水平高約30%，能源結構優化任務艱巨；三是單位GDP的能耗仍然較高，為世界平均水平的1.5倍、發達國家的2～3倍，建立綠色低碳的經濟體系任務艱巨。

（二）能源生產消費方式面臨重大轉變

清潔能源利用是新一輪能源革命的主要方向，電能將發揮更大作用，化石能源將回歸工業原料和材料基本屬性。再電氣化，推進電能替代是實現能源消費高效化的有力舉措，使用便捷且容易實現各種形式能源的相互轉換。未來電能在終端的比重將不斷提升，2030年、2060年電氣化率分別達到33%和66%左右。電力行業不僅要在能源生產側實現對化石能源的替代，還要在能源消費側承受工業、建筑、交通等領域轉移的能源消耗和碳排放，因此電力系統碳達峰壓力巨大。

與發達國家相比，我國工業化進程起步較晚，GDP的增長仍依賴能源消費的增長，因此中國電力行業的碳中和不僅要減少CO2排放，而且要滿足電力需求的持續增長。據預測，中國全社會用電量將從2020年的7.5萬億kWh增長到2060年的16萬億kWh左右，增幅高達116%，中國電力行業碳中和的難度要遠高于任何發達國家。

要實現新型電力系統，需要發揮我國在能源電力領域的優勢，形成技術集成、系統綜合、包容兼納的關鍵技術體系，重點在清潔發電技術如光伏發電、光熱發電、風力發電，水電、核電領域提升轉換效率；在先進輸電技術如特高壓交直流、柔性直流技術提高可再生能源消納比例；促進工業領域電制熱、電制氫、熱泵技術，促進生產消費電能替代。

（三）現有發電裝機結構亟需加速調整

煤電在我國占據主力電源地位，起著保供托底的“壓艙石”作用。截至2020年底，我國煤電裝機容量達到10.8億kW，占全部電源裝機的49.1%，在電力系統中占據著半壁江山。同時，煤電作為傳統基建，機組單機容量大、投資體量達數十億元、壽命期長達30年，而我國煤電的加權平均壽命僅15年左右。火電特別是煤電比重過高是現階段我國電力系統的階段性特征，雖然火電比重近年來持續下降，非化石能源裝機和發電量穩步上升，但以煤為主的能源結構，難以快速跨越到以低碳電力為主（圖1、表1）。

表1 目前我國不同壽命期煤電機組構成

圖1 2015～2020年我國各類電源裝機情況

原因在于，多年來我國電力開發遵循電源開發與電網規劃相匹配，現階段電力系統靈活性不能滿足能源轉型的要求。此外，火電機組的大型化與電力系統靈活性還存在內在矛盾。隨著可再生能源發電機組比例的進一步提高，在風電、光電發電高峰，大量的火電機組就要停下來或者低負荷運轉讓風電機組、光伏設備優先發電；當風電、光電出力掉下來時，火電機組要馬上頂上去。這就要求火電機組有足夠的靈活性，而機組規模越大，靈活性越差。此外60萬kW的超臨界機組如果低負荷運行，煤耗和排放都要大幅度增加，節能減排的目標也無法完全實現。

（四）急需加大電網對新型電力系統的適應性投入

電網方面，我國投資都是“重輸輕配”，導致電網結構薄弱，自動化水平偏低； 基礎數據分割嚴重無法共享，信息化水平低；遠不能應對電力系統轉型的過程所帶來的挑戰，也不能適應未來智慧城市和低碳發展的要求。以新能源為主體的新型電力系統至少會產生兩個重大的方向性變化：一是隨著大量分布式光伏、小型生物質電站、多能互補的微電網等在用戶側出現，電能從生產端向消費端的單向流動將轉變為雙向流動（用戶端也生產電能-即產消者）；二是電網從縱向一體化的集中式電網向分布式扁平電網轉變。這兩個轉變，都需要一個數字化、智能化水平更高，本地平衡能力更強的本地配電網。無論是出于大量小型的分布式電站“集成”的需要，還是大量儲能設備、電動企業等分布式接入對配電網優化運行和控制的需要，加快實現配電網轉型都迫在眉睫。

（五）配套設施和低碳技術仍有待完善

為實現“雙碳”目標，構建以新能源為主體的新型電力系統，需要在電能的產、送、用全鏈條加大投入力度。從電源側看：為了解決新能源裝機帶來的隨機性、波動性問題，必須加快推動儲能項目建設；從電網側看：保障供電可靠、運行安全，需要大幅提升電力系統調峰、調頻和調壓等能力，需要配置相關技術設備；從用戶側看：政府鼓勵用戶儲能的多元化發展，需要分散式儲能設施與技術，需要以電代煤、以電代油等再電氣化技術及裝備。

儲能目前及可預期未來主要包括火電靈活性改造、抽水蓄能、化學儲能及氫能等形式。當前行業形成的共識是，“十四五”期間火電機組靈活性改造仍是調峰的主力；“十五五”期間將以抽水蓄能為主，化學儲能作為重要組成； “十六五”將以化學儲能為主，抽水蓄能為重要組成。作為清潔、高效、安全、可持續的二次能源，氫能正迎來快速發展的戰略機遇期，我國“十四五”規劃明確提出包括氫能與儲能在內的幾個前沿科技和產業變革領域，無疑氫儲能會成為主要儲能方法之一，利用風能，太陽能棄風、棄光制氫成為能源領域關注的重點，孤島制氫、分布式太陽能制氫等諸多新應用場景被提出，但儲、運氫能成為產業鏈的制約環節。

低碳技術是實現“雙碳”目標的關鍵。目前低碳技術可分為三個類型：第一類是減碳技術，是指高能耗、高排放領域的節能減排技術，如煤的清潔高效利用、油氣資源和煤層氣的勘探開發技術等。第二類是無碳技術，如核能、太陽能、風能、生物質能等可再生能源技術。第三類是去碳技術，典型的是CO2捕獲封存和利用（CCUS）。要實現“雙碳”目標，電力系統需通過促進儲能及氫能技術、碳捕捉封存與利用技術挖掘更大的減排潛力，支撐電力系統轉型升級，助力實現碳達峰碳中和目標。

三、電力系統轉型目標

構建新型電力系統是實現“雙碳”目標的重要戰略舉措，其核心特征在于以風光等新能源為代表的可再生能源成為提供電能支撐的主體電源。未來隨著可再生能源發電大規模集群并網和高滲透分散接入，風光等電源出力的波動性和不確定性將給電力系統帶來更為復雜的安全穩定挑戰，因此高比例可再生電力系統中電儲能是保障電力供應的重要一環。

預計未來電力資源將構成“三分天下、互為補充”的格局（圖2），即可再生能源成為電量主體，并提供一定的電力支撐；大型可控電源，作為電力系統安全穩定的基石，并提供基礎的調節服務；無所不在的短時電池儲能與必要的長時儲能互補構成全時間尺度的系統調節能力。

圖2 新型電力系統電力資源架構體系

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發布的全球各種電源發電的CO2平均排放強度（表2）。考慮到技術進步，除燃煤發電外，CO2排放強度均按表2中數值的0.8倍計算，全國煤電機組按發電煤耗281g/kWh、供電煤耗295g/kWh計，全國生物質量按折算1.07億t標準煤計，折算其裝機容量及發電量，1t標煤燃燒后排放2.7t的CO2。在現有能源資源、技術水平及安全需求基礎上，預計電力行業碳達峰時CO2排放量約為45億t。碳中和時，電力行業CO2排放量約為14億t（表3）。

表3 碳中和時中國電力系統CO2排放量

（一）碳達峰階段（2021～2030年）

電力系統排放在2028年前后進入峰值平臺期，工業、建筑、交通等領域電氣化進程快速推進，電力需求持續增長（增速4.5%左右）。實施清潔替代， 嚴控煤電總量，新增電力需求主要由清潔能源滿足。

預計碳達峰時煤電裝機11.74億kW，占比30.9%，發電量4.54萬億kWh，占比42%；新能源裝機達到17億kW，占比44.71%，發電量2.92萬億kWh，占比升至27%。電力生產碳排放明顯下降，峰值約為45億t。

（二）深度低碳階段（2031～2050年）

能源活動排放快速下降，能源生產環節清潔替代推動電力生產快速脫碳， 電力系統碳排放在平臺期后快速下降，采用CCUS 部分移除后降至峰值10%左右，實現深度低碳。電力需求增速放緩（增速1.4%左右）。新能源裝機達到44億kW，發電量占比升至50%以上，煤電降至10%。

（三）碳中和階段（2051～2060年）

碳移除技術進一步完善，電力系統從深度低碳發展到零碳電力系統。到2060年全國電力系統碳排放量控制在14億t左右。新能源裝機達到59億kW，發電量占比超過60%，煤電7%左右（表4、表5）。

表4 2020～2060年我國電源裝機總量及結構（單位：萬億kW）

表5 2020～2060年我國發電量及結構（單位：萬億 kWh）

（未完待續）