“双碳”目标下能源电力行业的机遇与挑战

摘要：“双碳”目标升级为国家战略,电力行业作为实现“双碳”目标的重要领域,其低碳发展对我国实现“双碳”目标起着至关重要的作用。基于“碳达峰”和“碳中和”的定义与发展要求,结合我国能源结构现状以及实现“碳中和”的4个主要路径,包括电力生产清洁低碳化,发展氢能源、碳捕捉技术,以及推动交通的电动化、氢能化,对实现“双碳”目标下能源电力行业面临的碳交易市场、储能、不同行业转型路径等机遇与挑战进行了分析研究,为未来能源电力行业更好地实现“双碳”目标提供参考。

关键词： 碳中和; 碳达峰; 能源电力; 碳减排; 低碳经济; 固碳; 氢能源; 碳捕集; 可再生能源消纳

本文引用格式：

喻小宝, 郑丹丹, 杨康, 孔杰, 章天浩. “双碳”目标下能源电力行业的机遇与挑战[J]. 华电技术, 2021, 43(6): 21-32 doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.06.003

YU Xiaobao, ZHENG Dandan, YANG Kang, KONG Jie, ZHANG Tianhao. Opportunities and challenges faced by energy and power industry with the goal of carbon neutrality and carbon peak[J]. Huadian Technology, 2021, 43(6): 21-32 doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.06.003

（来源：《华电技术》 作者：喻小宝 郑丹丹 杨康 孔杰 章天浩）

0 引言

全球气候变暖已经是不争的事实,在联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告中提到,1880—2012年,全球地表平均温度上升0.85 ℃[1]。随着气候变暖的不断加剧,气候变化给人类造成了巨大威胁,例如沿海洪涝和风暴潮、内陆洪水、海洋生态系统及服务丧失、陆地生态系统丧失、极端高温和极寒引发的健康问题等,可以说,气候变化是人类社会面临的重大非传统安全问题[2]。在这种背景下,从2009年的哥本哈根会议到2015年的巴黎气候变化大会,中国早已积极参与国际社会碳减排。在2020年9月的联合国大会上,我国明确提出将努力争取2060年前实现“碳中和”,这也是我国首次在国际社会上提出“碳中和”的承诺[3]。

对于“碳中和”的研究并不是从近期开始的,在以往关于碳减排的研究中,有一些学者早已开始对“碳达峰”和“碳中和”的相似问题开展研究。张九天等[4]对“碳中和”背景下碳捕集、利用与封存（CCUS）等大规模碳减排技术面临的挑战进行了分析,并对该技术发展应该关注的重点任务也做了分析。喻小宝等[5]研究了碳市场与电力市场的关系,基于此构建了电力行业碳减排的动力学模型,结果表明所提出的反馈机制能够有效地抑制电力行业碳排放量增长的趋势。徐冬等[6]梳理了碳捕获、利用与封存技术的发展现状,通过对中国低碳制氢路径的分析,评估了CCUS耦合低碳制氢的减排潜力及市场竞争力,促进CCUS耦合制氢发展对于实现大气环境治理和助力实现“碳中和”目标具有重要意义。黄欣等[7]基于碳排放权交易背景,运用微分博弈理论研究了政府与其所辖多个工业企业之间的Stackelberg减排博弈问题,同时考察了多个地区进行合作减排对政府及企业的策略影响情况。高涵等[8]对有助于提升电动汽车碳减排潜力的关键创新技术以及创新运营模式展开研究,同时提出了推广电动汽车创新技术发展、发掘碳减排潜力的对策与建议。在我国提出“双碳”目标的背景下,“碳中和”与“碳达峰”相关研究更多地在我国各行业中展开,王利宁等[9]模拟了2060年实现“碳中和”目标的中国能源减排及转型路径,结果表明在当前模式下,中国实现“碳中和”目标面临较大的挑战和难度,中国能源体系须更早、更大力度转型。黄畅等[10]对燃煤发电技术、产业发展等做了相关研究,并且提出了燃煤发电产业升级策略,助力我国节能减排与“碳中和”国家战略的顺利实施。刘晓龙等[11]从中国实际国情和碳减排目标出发得出中国在“碳中和”目标背景下能源高质量发展面临的挑战,在此基础上,提出“碳中和”背景下中国能源高质量发展三大显性途径,即节能提效、优化能源结构和技术创新。焦念志等[12]为落实“碳中和”国家战略提供科技支撑,提出了包括陆海统筹减排增汇、海洋缺氧酸化环境减排增汇、滨海湿地减排增汇等8个海洋负排放相关的基本路径。龙惟定等[13]对我国城市民用建筑的隐含碳和运行碳作了测算,提出了城市建筑“碳中和”的5项基本措施,强调城市开发建设的方式必须从粗放型外延式发展转向集约型内涵式发展。

综上所述,我国关于“双碳”的研究主要是在碳减排技术以及各行业的初步研究,并没有针对“双碳”背景下能源电力行业所面临的机遇与挑战进行详细的分析研究,如何促进低碳发展,最终实现“碳达峰”和“碳中和”,不仅仅是中国各行各业面临的挑战,更是一次行业转型和发展的机遇。本文就能源电力行业如何实现“双碳”目标,给出“双碳”目标的定义,剖析当前中国能源结构,分析实现“双碳”目标路径和潜在机遇,最后给出一些能源转型的建议措施。

1 “双碳”目标的内涵

1.1 “碳达峰”与“碳中和”

实现“碳达峰”和“碳中和”愿景是生态文明体系建设的目标之一,也是确定发展目标和选择何种发展道路的重大战略决策[14]。从发展观来看,“双碳”目标要求高质量的发展和高水平的保护;从新时代目标来看,“双碳”目标是构建绿色低碳循环发展的经济体,建设人与自然和谐共生的现代化体现;从新发展格局来看,“双碳”目标是经济社会发展全面绿色转型,以能源绿色低碳发展为关键,形成节约资源和保护环境的产业结构、生产方式、生活方式、空间格局。

1.1.1 碳达峰

“碳达峰”的基本内涵是指某个地区或行业年度二氧化碳排放量达到历史最高值,然后经历平台期进入持续下降的过程,是二氧化碳排放量由增转降的历史拐点[15]。

由于我国目前对能源需求仍处在增长期,化石能源以及高耗能产业占比过高,因此想要在2030年前实现“碳达峰”存在一定难度。“双碳”目标示意如图1所示（数据来源：清华大学气候变化与可持续发展研究院《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》（2020年10月发布）、波士顿咨询、Wind、华泰证券研究所）。从图中可以看出,在2030年实现“碳达峰”,需要在“十四五”和“十五五”期间做好充分准备,尤其是当前阶段的“十四五”期间,对涉及碳排放的多个领域进行管控,才有可能在2030年实现“碳达峰”。

图1 “双碳”目标示意

Fig.1 The goal of carbon neutrality and carbon peak

1.1.2 碳中和

“碳中和”的基本内涵是指某个地区在一定时间内人为活动所产生的二氧化碳排放量,与其通过植树造林、技术手段等吸收的二氧化碳相互抵消,从而实现二氧化碳“零排放”的效果[16]。

“碳中和”示意如图2所示（数据来源：清华大学气候变化与可持续发展研究院《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》（2020年10月发布）、波士顿咨询公司、Wind、华泰证券研究所）。从图中可以看出,相比其他发达国家,中国“碳中和”之路异常困难,从“碳达峰”到“碳中和”的30年,碳减排的斜率明显高于其他发达国家,例如欧盟规划从1980—2050年,用70年的时间实现从“碳达峰”到“碳中和”,而留给中国实现2060年“碳中和”目标的时间已不到40年。同时,相较于其他承诺在2050年左右实现“碳中和”且已经实现“碳达峰”的国家来说,我国在承诺2060年实现“碳中和”的时候并没有达到“碳达峰”,因此,中国实现“碳中和”需要付出更大的努力。

图2 “碳中和”示意

Fig.2 Carbon neutrality

1.2 低碳经济

低碳发展的实质是以应对全球气候变化、保护人类家园为导向,以控制二氧化碳排放为载体,以低碳技术和低碳制度创新为保障,加快形成以低碳为特征的产业体系、能源体系和生活方式,从而实现社会经济的可持续发展[17]。低碳经济减排措施见表1。可以看出,实现“双碳”目标离不开低碳经济的支持,本文根据GB/T 4754—2017《国民经济行业分类》挑选6个主要行业开展低碳经济研究,包括农、林、牧、渔业,采矿业,制造业,电力、热力、燃气及水生产和供应业,建筑业,交通运输、仓储和邮政业。其中,对于电力、热力、燃气及水生产和供应业而言,应当着重在低碳发电领域做出贡献,提高清洁能源比例,从源头控制碳排放,从而达到碳减排效果,实现低碳经济。

表1 低碳经济减排措施

Tab.1 Emission reduction measures for low-carbon economy

2 “碳中和”背景下能源结构与关键技术

实现“碳达峰”和“碳中和”离不开能源结构调整的支撑,这需要厘清当前能源结构下的碳排放来源。根据《联合国气候变化框架公约》下的《IPCC国家温室气体清单指南》,通过对人类活动进行分析,将碳排放来源主要划分为五大类,包括能源活动、工业生产活动、农业活动、林业活动和废弃物处理等活动[18]。其中,能源活动是指在化石燃料的开采和化石燃料的燃烧过程中所产生的二氧化碳排放,占总碳排放量的8成以上[19];工业生产活动是指在工业生产中二氧化碳排放之外的其他物理或化学反应过程导致的二氧化碳排放,占比约15.4%。由此可见,能源活动和工业生产活动所产生的二氧化碳排放量是当前人类活动产生二氧化碳的最主要来源。碳排放构成全景如图3所示。

图3 碳排放构成全景

Fig.3 Panorama of carbon emissions' composition

2.1 能源结构

2.1.1 一次能源消费结构近年来,我国一次能源消费结构发生了一定的变化。我国一次能源消费结构中,煤炭、石油仍是我国能源消费的主要占比,但2000年以来总体呈下降趋势,天然气能源消费整体占比较少但逐年递增,反映出我国能源消费结构仍以化石能源为主。由于我国近年来大力发展水电、核电等清洁能源和可再生能源,水电的能源消费占比增长较快,而核能在我国能源结构中占比较少,仍有较大的发展空间。2000 —2018年我国一次能源消费占比如图4所示（数据来源：国家统计局）。

图4 2000 —2018年我国一次能源消费占比

Fig.4 Proportion of primary energy consumption from 2000 to 2018 in China

在本世纪初,我国非化石能源消费占比的增长较为缓慢,总体维持在5%~7%的水平。而自2008年至今,我国在非化石能源领域的各项技术已取得较大进步,非化石能源在我国一次能源消费中的占比增长迅速,在2018年其占比已超过了16%,说明在我国一次能源消费结构中,非化石能源正逐步成为主要的能源消费来源之一。2000年以来我国非化石能源占比变化趋势如图5所示（数据来源：国际能源可再生机构）。

图5 2000年以来我国非化石能源占比变化趋势

Fig.5 Variation trend of non-fossil energy's proportion in China since 2000

根据国家能源局、国家统计局、中电联、中信证券研究部的预测,2010 —2019年,我国能源消费结构中,一次能源消费量逐年递增,而由于发电技术的进步以及能源利用效率的提升,平均发电煤耗逐年递减,因此折算后的电力需求增速低于一次能源消费量的增速。非化石能源占比以及非化石电力需求也不断提升,其中,风光发电量需求及实际占比增长较为明显。基于上述“十二五”“十三五”期间我国能源消费结构数据,国家能源局、国家统计局等相关部门对“十四五”“十五五”光伏风电发电量需求做出预测。预计在“十四五”“十五五”期间,我国一次能源消费量仍将增长,将于2030年达到59.60亿t标准煤,但一次能源消费量的增速将放缓,体现在年均复合增长率（CAGR）的降低,而平均发电煤耗将进一步降低,于2030年达到258.5 g/（kW·h）。预计非化石能源电力需求将逐年递增。其中,光伏风电发电将得到大力发展,风光发电量需求也将显著提升,相比于2019年的661.2 TW·h,2030年风光发电量需求预测将达到2 950.1 TW·h。中国能源消费结构及“十四五”“十五五”光伏风电发电量需求测算见表2（数据来源：国家统计局、国际能源可再生机构、华泰证券研究所）。

表2 中国能源消费结构及“十四五”“十五五”光伏风电发电量需求测算

Tab.2 Energy consumption structure in China and the demand for electricity generated by PV systems and wind turbines during the 14th and 15th Five-Year Plan

2.1.2 重点行业能源消费结构

随着我国经济社会的不断发展,重点行业的能源消费结构也发生着相应的变化。以制造业和交通运输行业为例,我国2000 —2018年制造业的能源消费结构中,煤炭、石油、天然气、煤油、柴油等一次能源仍占主导地位,其中煤炭消费占比最高。而电力作为被广泛使用的二次能源,在我国制造业中占有一定比例,总体也呈持续增长的态势,说明我国制造业的电气化、自动化水平不断提高,对电能的消费需求也在逐年提升。2000 —2018年我国制造业能源消费占比如图6所示（数据来源：国家统计局、国际能源可再生机构、华泰证券研究所）。

图6 2000 —2018年我国制造业能源消费占比

Fig.6 Proportion of energy consumption in manufacturing industry in China from 2000 to 2018

我国2000 —2018年交通运输业的能源消费结构中,煤炭自2000年以来占比显著减少,作为交通运输业曾经的主要能源消费来源之一,煤炭几乎已被其他能源取代。汽油、柴油、煤油在交通运输业的能源消费结构中占比较大,并且自2000年以来维持在较为稳定的水平。天然气、电力是交通运输业的新兴能源,并在近年来得到了较明显的发展,正逐步成为交通运输业主要的能源消费来源。由此可以看出,在我国的交通运输业中,低效、落后的能源正逐渐被抛弃,高效、清洁的能源正逐步得到应用。2000 —2018年我国交通运输业能源消费占比如图7所示（数据来源：国家统计局、国际能源可再生机构、华泰证券研究所）。

图7 2000 —2018年我国交通运输业能源消费占比

Fig.7 Proportion of energy consumption in transportation industry in China from 2000 to 2018

2.1.3 主要行业电力消费结构

2000 —2018年,我国电力总消耗量逐年递增,到2018年已超过7 000 TW·h,说明随着我国社会经济的不断发展,对电能的需求量也逐步提高。在本世纪初,我国电力总消耗量同比增速较快,而近年来有所放缓,总体维持在5%~10%的水平。2000 —2018年我国电力总消耗量的变化趋势如图8所示（数据来源：国家统计局、国际能源可再生机构、华泰证券研究所）。

图8 2000 —2018年我国电力总消耗量的变化趋势

Fig.8 Variation trend of total electricity consumption in China from 2000 to 2018

在2000 —2018年我国主要行业电力消耗结构中,第一产业（农林牧渔业）由于电力需求相对不高,在主要行业电力消耗量中占比较小。制造业作为第二产业的主要部分,在我国主要行业电力消耗量中占比一直较高,建筑业、采掘业和电煤水业也在主要行业电力消耗量中占一定的比例。第三产业较少涉及对大型用电设备的使用,例如批发零售和住宿餐饮业等,因此在我国主要行业电力消耗量中占比较小。2000 —2018年我国主要行业电力消耗占比如图9所示（数据来源：国家统计局、国际能源可再生机构、华泰证券研究所）。

图9 2000 —2018年我国主要行业电力消耗占比

Fig.9 Power consumption structure of major industries in China from 2000 to 2018

2.2 “碳中和”实现的关键技术

实现“碳中和”的途径主要分为4个方面：电力生产清洁低碳化,发展氢能源,发展碳捕捉技术,以及推动交通的电动化、氢能化[20]。

2.2.1 电力生产清洁低碳化

发电行业是当前碳排放的最主要来源,其碳排放占全部碳排放的1/3以上,实现“碳达峰”和“碳中和”离不开发电行业的碳减排,目前国内主要电力来源还是火电,是碳排放的关键,需要通过提高清洁能源发电比例来降低碳排放,包括光伏、风电、核电和水电等。其中,水电由于受到水力资源的限制,未来替代火力发电的潜力较小;核电由于受到近年来其他国家及地区核事故影响,国内新增核电容量也受到较大影响,替代效应不明显;风电和光伏的潜力最大,我国国土面积辽阔,适合风电和光伏发展,目前主要受“弃能”影响较大,未来随着风电、光伏建设成本的进一步降低以及配套储能设施的不断完善,替代火力发电的可能性最大,也是实现“碳达峰”和“碳中和”最佳清洁能源[21]。

2.2.2 氢能源发展

能源供给结构中,电力作为二次能源,在一定程度上替代了传统化石能源[22],但有部分工业生产场景无法使用电力供能,例如电池能量密度限制,电能无法作为一些化学反应的还原剂,而继续使用化石能源有悖于实现“双碳”目标,故而需要其他清洁能源作为补充。氢能源的燃烧只产生水,可以作为电能的重要补充能源备选。电池的能量密度远低于化石能源和氢能源,在航空航天等领域无法用电力作为动力来源,氢能源很好地解决了这一问题;另外在工业生产中,例如炼钢过程的还原反应,电力只能提供能量而无法作为还原剂,氢能源也能有效解决这一问题。截至目前,国内制氢过程主要来源于工业副产物和煤炭制氢,这一过程会产生碳排放,未来氢能源应该来源于光伏、风电等清洁电力对水的分解。

2.2.3 碳捕捉技术

在工业生产中,有些过程产生的碳排放并不来源于化石能源,而来源于矿物质,例如石灰石的分解过程。水泥、玻璃等产品的制造过程离不开石灰石的分解过程,石灰石本身含有碳元素,该过程必然也会产生大量碳排放。在当前技术水平下,并没有适合替代的绿色建筑材料,大概率在未来几十年还会由于这些工艺的存在导致碳排放。降低这一过程中的碳排放可通过其他途径实现,例如大量的植树造林和发展碳捕捉技术等。考虑到土地资源的约束,植树造林并不能完全解决碳吸收的问题,未来需要更多考虑碳捕捉技术的发展,通过技术手段对二氧化碳进行捕集、封存、利用等,从而实现碳减排的目的[23]。

2.2.4 交通运输业的电动化

除了工业生产过程中产生的碳排放之外,在日常生活中接触到的交通领域也是实现碳减排关注的重点之一。近年来电动汽车的推广,减少了对石油进口的压力,也是减少碳排放的措施之一。在乘用车、商用车领域,随着“三电”技术的不断进步,未来一段时间实现高续航、快速补能等目标并不会成为限制电动汽车发展的障碍,从近年来各国电动汽车市场保有量占比的增长可以看出,电动汽车必然会取代燃油汽车,使用清洁能源发电,可全过程降低碳排放[24];在航空航天领域,受电池功率的限制,可以采用氢能源或者氨能源替代传统化石能源,从而解决电动化在航空航天领域限制的问题,氨能源产业链如图10所示。

图10 氨能源产业链

Fig.10 Ammonia energy industry chain