上海市能源電力領域碳達峰碳中和路徑分析

金 穎 祝毅然 孫 騰

上海市節能減排中心有限公司

1 上海能源電力領域碳排放分析

1.1 電力消費量

上海市電力消費量持續增長，如圖1 所示，2010-2020年年均增長2.0%，人均用電6 337 kWh。其中，工業用電量基本持平，三產、生活消費用電量持續增長。

圖1 2010-2020年上海市電力消費量

1.2 碳排放量

根據生態環境部《關于印發<省級二氧化碳排放達峰行動方案編制指南>的通知》（環辦氣候函[2021］85 號）[1］，上海發電碳排放為發電投入能源產生的碳排放，其中，各種能源品種參考各年度《中國能源統計年鑒》折算為標準煤，不同種類化石能源的CO2排放因子，采用最新國家溫室氣體清單排放因子數據。電力調入蘊含的間接CO2排放量可利用本?。▍^、市）境內電力調入電量和國家推薦的煤電、氣電CO2排放因子計算得到。

“十二五”以來，由于本地煤電發電量和可再生能源發電量一減一增，如圖2所示，本市能源電力領域碳排放持續下降，從峰值的近8 300 萬t 下降至2020 年的6 720 萬t，2020 年全市綜合電力排放因子在4.2~4.3 tCO2/萬kWh之間。

圖2 2010-2020年本市能源電力領域碳排放量

1.3 驅動因素分析

能源電力領域的碳排放量主要取決于社會用電量及電力排放因子情況。

1）全社會用電量

全社會用電量主要受社會經濟的發展以及居民生活水平提升的影響。社會經濟發展方面，一是目前上海仍處于快速發展階段，全市社會經濟總量的持續增長將需要更多的用電量支撐；二是社會經濟發展的綠色轉型，將導致全市三產結構的變化，以及工業領域內部的產業結構調整優化，也將影響用電量需求。居民生活水平方面，居民生活水平的提升、人均住宅面積的增加，也將導致居民生活用電需求持續增長。另外，隨著各行業領域和居民生活的電氣化水平不斷提升，其它能耗也在不斷向電力領域轉化。

2）電力排放因子

電力排放因子主要取決于電源發電量結構，各類電源發展順序為：優先發展本地非化石能源，其次增加市外來電調入（以非化石能源為主），然后是發展本地天然氣發電，最后以燃煤發電作為安全托底保障。

2 其他國家能源電力領域碳達峰碳中和路徑

2.1 日本

日本全國于2004 年實現碳排放達峰，達峰年人均GDP 為4.4 萬美元（2010 年不變價，下同），能源電力領域碳排放占比為46.5%。全社會碳達峰后，受經濟發展及東日本大地震等因素影響，發電量及碳排放量繼續上升，由于非水可再生能源2010年后加速發展（2015 年比2009 年翻兩番），使得能源電力領域碳排放在2013 年達峰，該年度人均GDP 為4.6 萬美元，能源電力領域碳排放占比為53.1%。日本“第6 次能源基本計劃”[2］制定了到2030 年溫室氣體排放量較2013 年減少46%并努力爭取減排50%、到2050 年實現碳中和目標的能源政策實施路徑，要進一步引進和擴展可再生能源和氫能這兩大支柱，同時傳統火電行業通過使用清潔電力將穩步實現脫碳，包括通過氫/氨發電和基于碳捕集、利用與封存（CCUS）技術創新火力發電模式，實現傳統化石燃料發電的清潔脫碳。計劃明確提出了2030年電力結構優化目標：可再生能源占比36%~38%（其中光伏發電約14%~16%、風電約5%、水電約11%、生物質發電5%），核電占比20%~22%，火電占比41%。該計劃將火電定位為“實現能源轉型和脫碳化目標過渡期的主力電源”，提出淘汰落后低效火力發電技術裝備，發展清潔高效火電。

2.2 英國

英國全國于1971 年實現碳排放達峰，該年度人均GDP 為1.8 萬美元，能源電力領域碳排放占比為43.1%。英國總發電量在全社會碳達峰后繼續上升，1979年至1984年間發電量階段性下降，隨后繼續上升直至2003年至2007年期間進入峰值平臺期。由于1985 年發電量恢復增長時，煤電逐步被核能等零碳能源替代，占比下降超過電量增幅，使得能源電力領域在1979 年實現碳達峰，該年度人均GDP 為2.9 萬美元，能源電力領域碳排放占比為44.8%。2011 年英國宣布2020 年后溫室氣體減排目標，其后煤電占比快速下降，2015 年降至25%以下，2020 年占比已降至2%以下，風電占比最高，達到30%以上，為2050 年實現凈零排放目標奠定了較好基礎[3］。

2.3 美國

美國全國碳排放在2000年至2008年間進入達峰平臺期，維持在56 億t 以上，達峰階段，美國人均GDP 已跨過4.5 萬美元大關。同期，能源電力領域碳排放也進入達峰平臺期，碳排放占比維持在48.5%左右。2009 年后，全國發電量仍維持在4.3萬億kWh，但由于電力結構進一步低碳化，碳排放平穩下降。美國能源電力領域碳達峰的直接支撐因素是頁巖氣革命帶來的廉價天然氣。在此背景下，美國天然氣發電快速發展，發電量占比從2008年的21%快速提升至2015 年的32%，成為煤電的主要替代電源。

2.4 德國

德國全國碳排放在1990 年前已達峰，2008 年碳排放較1990 年下降約19%。但由于發電量持續上升，能源電力領域碳排放始終保持在3.6 億至4.0億t，碳排放占比從44%升至51%。2008 年后德國發電量進入平臺期，加之電力結構優化提速，核能及可再生能源占比顯著提升，能源電力領域碳排放達峰，并持續下降。德國電力結構中，可再生能源占比46.4%（其中風電約24%，光伏發電約11%，生物質發電約8%，水電約3%），核電占比5.6%，火電占比45%。根據德國修訂的《能源轉型法》[4］，提出了到2030 年實現80%可再生能源發電的新目標，最遲到2032 年，德國2%的領土將被指定用于陸上風力發電。

2.5 小結

基于對美歐日等能源電力領域碳達峰碳中和趨勢和路徑分析，可以得出如下規律：

1）受需求側和資源側影響，能源電力領域碳達峰一般晚于全口徑碳達峰。一是電量的持續上升，帶動能源領域碳排放增長，能源領域碳排放長期保持在全社會碳排放的40%~50%，甚至在全社會碳達峰后進一步上升。二是電力結構優化與資源條件密切相關，正面例子如美國的能源領域碳達峰受益于頁巖氣革命帶來的廉價天然氣，在天然氣發電大發展前，美國能源領域始終未能達峰；反面例子如日本停用核電后，可再生能源無法迅速填補電力空缺，火電反彈帶動能源領域碳排放創新高。

2）經濟發展達到較高水平時，能源電力領域才有可能實現碳達峰。英國、德國在人均GDP 3 萬美元左右實現能源電力領域碳達峰，美國、日本在人均GDP 4 萬美元以上實現能源領域碳達峰。對于發達經濟體，至少要達到人均GDP 3 萬美元的水平，才可能實現能源領域碳達峰。

3）燃煤發電仍將在較長一段時間存在，但電力清潔化、低碳零碳化為大勢所趨。除了英國等少數國家外，美、德、日等主要發達國家在2030 年前仍將使用一定比例的煤電，日本還將發展高效煤電列為能源領域主要降碳舉措之一，但總體上火電發展將更加傾向天然氣發電，尤其是天然氣發電成本低于燃煤發電的美國，煤電占比將更快下降。

3 上海能源電力領域碳中和預測研判

3.1 全社會用電量預測

3.1.1 近期（至2030年）

對標分析法：目前上海正處于人均GDP 2 萬美元發展階段（2020 年2.3 萬美元），參考相對較為近期跨過此發展階段、產業結構較為類似的韓國進行分析預測。韓國2005 年人均GDP 達到2 萬美元，10 年間重點發展了電子信息、汽車、造船等產業，2015 年接近人均3 萬美元，其間用電量每5 年增長20%（前5 年約30.2%、后5 年約11.3%）。在上海當前大力發展電子信息、造船、汽車等戰略新興產業制造業的背景下，預計用電量變化趨勢將較為 接 近 韓 國，2025 年 電 量 約1 890 億~2 050 億kWh，2030年電量約2 190億~2 350億kWh。

分領域預測法：一產基本在6 億~7 億kWh 左右；二產受電子信息、汽車、發電等產業帶動，預計“十四五”GDP年均增長4%、電力消費彈性系數維持2015 年以來的平均水平，用電量達到約1 000 億kWh。三產受疫情反復影響，恢復較慢，隨著疫情趨于結束，預計“十四五”GDP 年均增長6.1%，電力消費彈性系數逐步恢復到2015年以來的平均水平，用電量達到670 億kWh。居民生活用電持續平穩增長，隨著居民生活水平進一步提高，人均生活用電量將從約1 000 kWh 繼續向1 500 kWh 的國際大都市水平邁進，2025 年用電量達到330 億kWh。綜上，2025 年全市用電量約1 950 億kWh；考慮“十五五”期間本市GDP 增速降至年均4%，電力彈性系數較“十四五”穩中略降（0.75），2030 年本市總用電量約為2 250 億kWh。

綜合上述對標分析和分產業預測法，預計上海全社 會 用電 量2025 年約1 950 億kWh、2030 年約2 250 億kWh。

3.1.2 中遠期（至2060年）

對標分析法：本市人均終端能源消費量將在2035 年左右達到甚至超過目前人均GDP 4 萬美元以上的主要發達經濟體中位數水平（4.1 tce/人，電力為當量值），后續隨著產業結構的進一步調整優化，逐步下降至3.5 tce/人。上海當前電氣化水平為0.20，對標日本、中國香港等東亞經濟體，挪威、瑞典等歐洲經濟體，并考慮交通電氣化等重大因素影響，預計2050年電氣化水平將達到0.35。綜上，2050年本市終端用電量約2 900 億~3 000 億kWh，2060 年約3 200億~3 300億kWh。

趨勢外推法：參考近期相關機構發布的2050年全球能源展望報告，對電力需求增速作預測均在2%上下浮動，按此增速，2050年本市終端用電量為2 840 億kWh。另考慮新能源車大力推廣因素增加用電量約120 億kWh。2050 年本市終端用電量約2 960億kWh，2060年約3 300億kWh。

綜合上述對標分析和分產業預測法，預計上海全社會用電量2050 年約2 960 億kWh、2060 年約3 300 億kWh。

3.2 預測情景設置

3.2.1 本市能源電力領域政策背景

2022 年8 月，上海市印發了《上海市能源電力領域碳達峰實施方案》[5］，明確了在保障能源安全供應基礎上，推動能源結構轉型，加快用能方式轉變，構建清潔低碳、安全高效的能源體系，為實現碳達峰碳中和目標、建設現代經濟體系提供堅強保障。

碳達峰階段（2021-2030 年）：根據《上海市能源電力領域碳達峰實施方案》，該階段的能源電力綠色低碳發展方向和目標已基本明確，將碳達峰戰略導向和目標要求貫穿于能源電力發展的各方面和全過程，在保障能源供應安全的前提下，聚焦可再生能源開發、煤炭消費替代和轉型升級、油氣消費合理調控、新型電力系統建設等關鍵環節，組織實施本市能源電力領域碳達峰行動。

碳中和階段（2031-2060 年）：隨著電氣化程度提升，能源電力領域排放強度降低難度越來越大，能源電力領域碳中和時間取決于新型電力系統建設進程[6］，通過大規模開發深遠海上風電、謀劃海島核電，從理論上可以實現新能源占比的不斷提升。未來煤電在確保安全前提條件下逐步轉為備用，并通過加裝CCUS 系統，在實現碳達峰的基礎上逐步實現碳中和[7］。

3.2.2 情景設置和碳排放預測

根據不同的能源工作力度和相關技術發展水平，課題組設置了基準情景、低碳情景及強化情景，并對不同情景下上海市能源電力領域碳排放開展了分析,如圖3所示。

圖3 上海市能源電力領域碳排放量預測

基準情景：考慮保持現狀電力結構，煤電仍為主力托底電源。維持現有可再生能源開發、燃氣發電的發展速度，煤電機組裝機保持不變，近期新增市外來電中煤電占比50%，遠期占比20%。

低碳情景：考慮煤電逐步從主力電源向安全調峰及保障轉變，進一步挖掘可再生能源電源潛力，加快新型電力系統的建設，增強燃氣發電的調峰功能以及CCUS的應用。

強化情景：在低碳情景的基礎上，進一步提升非化石能源的占比。未來重點考慮氫能、核能等多種零碳發電前沿技術的成熟及應用，能源電力領域逐步走向碳中和。

4 結論和建議

1）能源電力是實現全社會碳中和的重點領域。能源電力領域的碳排放量占全社會碳排放的40%-50%，且隨著工業、建筑、交通等終端用能領域電氣化水平的不斷提升，能源電力領域將被傳導更多的減碳壓力?；谝陨弦幝?，從既有發展經驗來看，能源電力領域的碳達峰會晚于全社會碳達峰，當能源電力領域能夠實現近零排放或者碳中和后，全社會才有條件實現碳中和目標。

2）積極穩妥推進能源革命是實現碳中和的主要路線。大力發展可再生能源等零碳能源電力是實現能源電力領域碳中和的主要手段。要把促進新能源和清潔能源發展放在突出的位置，加快發展有規模有效益的風能、太陽能、生物質能、地熱能、海洋能、氫能等新能源?？傮w發展節奏上要立足能源資源稟賦，傳統能源逐步退出必須建立在新能源安全可靠的替代基礎上。

3）能源電力領域碳中和需要各類能源技術的支撐。要構筑能源電力領域碳中和場景，需要大容量零碳能源發電技術，以及新能源電力網絡輸配、儲存和消納體系的建立。一是要強化前沿技術研發和核心技術攻關，加快能源前沿性、顛覆性開發利用技術攻關，聚焦開展可控核聚變技術、海洋能發電及綜合利用技術、超大型海上風機研制技術、高效光伏電池技術、氫能和燃料電池技術以及大容量、高密度、高安全、低成本新型儲能技術研發。二是要加大新型電力系統關鍵技術研究應用，創新高比例可再生能源、高比例電力電子裝置的電力系統穩定理論、規劃方法和運行控制技術，提升系統安全穩定運行水平。研究建立電力應急保障體系，合理配置新型儲能，優化系統風光水火儲結構，提高多元互濟能力。