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中國電力行業(yè)碳達峰、碳中和的發(fā)展路徑研究

Research on the development path of carbon peak and carbon neutrality in China＇s Power Industry

朱法華^1，2 ，王玉山³ ，徐 振² ，李軍狀¹ ，董月紅¹ ，李 輝¹ ，李小龍¹ ，胡 蕓² ，孫雪麗² ，丁 力²

( 1． 國家能源集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210023; 2． 國電環(huán)境保護研究院有限公司國家環(huán)境保護大氣物理模擬與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗室，江蘇    南京 210031;

3． 北京清新環(huán)境技術(shù)股份有限公司，北京 100142)

摘要: 自習近平主席宣布中國碳達峰、碳中和的目標以后，電力行業(yè)的發(fā)展路徑廣受關(guān)注與熱議，為結合中國能源資源稟賦、技術(shù)水平與安全需求，探索符合中國國情的電力行業(yè)碳達峰、碳中和的發(fā)展路徑，從碳達峰、碳中和的基本概念入手，明確指出碳達峰包括達峰時(shí)間與峰值，碳中和不是CO2零排放。結合發(fā)達國家碳達峰、碳中和的路徑分析，得出中國碳達峰、碳中和與發(fā)達國家的異同及難度，提出中國應以節能與摻燒為引領(lǐng)，保留火電機組不少于8億kW;以低碳能源為關(guān)鍵，大力發(fā)展風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電；以?xún)δ芘c碳捕集為補充，保障電力系統穩定等3條重要舉措。根據中國富煤貧油少氣的化石能源現狀、水電資源開(kāi)發(fā)基本完畢、核電選址較為困難等實(shí)際情況，預測中國碳達峰時(shí)火電行業(yè)排放的CO2約47億t,碳中和時(shí)火電行業(yè)允許排放CO2約13.5億t,碳中和時(shí)中國電力裝機容量達64.3億kW,其中風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電50億kW,核電2億kW,水電4.3億kW,余熱、余壓、余氣發(fā)電0.5億kW,生物質(zhì)發(fā)電1.2億kW,氣電1億kW,煤電5.3億kW,非化石能源發(fā)電裝機容量占比90.2%,發(fā)電量占比85.3%。碳中和時(shí)中國電力行業(yè)排放CO2約15.21億t,其中火電行業(yè)排放13.18億t,小于允許排放量。

關(guān)鍵詞: 碳達峰 碳中和 資源稟賦 電力行業(yè) 發(fā)展路徑

0 引言

2020年9月22日，國家主席習近平首次在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì )一般性辯論會(huì )宣布：中國將提高國家自主貢獻力度，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(shí)現碳中和。至2021年4月22日的領(lǐng)導人氣候峰會(huì )，習近平主席至少在9次國際會(huì )議、國內3次會(huì )議與視察福建講話(huà)先后闡述了碳達峰與碳中和的目標、意義、政策、措施、行動(dòng)等內容，受到國內外的廣泛關(guān)注。

CO₂排放的最大來(lái)源是化石能源的燃燒，據《世界能源統計年鑒2020》^[1],中國煤炭、石油、天然氣消費量分別占世界總量51.7%、14.5%、7.8%,可見(jiàn)中國控制CO₂排放，首當其沖的是要控制煤炭消費。中國煤炭約一半用于燃燒發(fā)電，2018年中國火電(約90%是煤電)的CO₂排放量占全國總排放量的43%,是CO₂排放的最大單一來(lái)源^[2]。減少電力行業(yè)的煤炭消費確實(shí)是減少CO₂排放的有效手段，但中國富煤貧油少氣的資源稟賦^[3],使得電力行業(yè)很難離開(kāi)煤炭。針對碳達峰、碳中和約束下電力行業(yè)的發(fā)展路徑，各種觀(guān)點(diǎn)分歧很大，有的提出加快燃煤電廠(chǎng)退出，煤電清零^[4];有的提出煤炭開(kāi)發(fā)的綠色轉型^[5],因地制宜推進(jìn)區域能源革命^[6]。隨著(zhù)經(jīng)濟社會(huì )的發(fā)展，電力行業(yè)面臨著(zhù)增加供應和減少碳排放的雙重挑戰，有必要從中國的國情出發(fā)，結合技術(shù)可靠性、減碳效果、成本等，探討能夠提供安全、環(huán)境友好、社會(huì )可承受的電力行業(yè)的發(fā)展路徑。

1 電力行業(yè)碳達峰、碳中和概念與實(shí)現路徑1.1 碳達峰、碳中和的定義

根據聯(lián)合國政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì )(Intergovermental Panel on Climate Change, IPCC)的定義，碳達峰是指某個(gè)地區或行業(yè)年度CO₂排放量達到歷史最高值，然后進(jìn)入持續下降的過(guò)程，是CO₂排放量由增轉降的歷史拐點(diǎn)。碳達峰(peak CO₂emissions)包括達峰年份和峰值。碳中和是指由人類(lèi)活動(dòng)造成的CO₂排放量，與CO₂去除技術(shù)(如植樹(shù)造林)應用實(shí)現的吸收量達到平衡。

1.2 電力行業(yè)碳達峰、碳中和的概念

對照碳達峰的定義，碳達峰包括達峰年份和峰值。習近平主席已代表中國政府宣示，中國力爭在2030年前實(shí)現碳達峰。達峰年份基本確定，而且有條件的地區、行業(yè)可以率先實(shí)現碳達峰，但到目前為止具體峰值尚未公布。

事實(shí)上，電力行業(yè)除CO₂外，SO₂和NO_x也都有排放達峰的過(guò)程，如中國電力行業(yè)SO₂排放在2006年達到峰值1320萬(wàn)t, 此后逐步下降到2014年的620萬(wàn)t, 2015年快速下降至200萬(wàn)t; NO_x排放量在2011年達到峰值1107萬(wàn)t, 此后逐步下降到2014年的620萬(wàn)t, 2015年快速下降至180萬(wàn)t^[7-9],如圖1所示。從圖1可以看出，盡管中國燃煤電廠(chǎng)基本上均實(shí)現了煙塵、SO₂、NO_x超低排放，但2019年電力行業(yè)的SO₂和NO_x排放量仍分別高達89萬(wàn)t和93萬(wàn)t^[10-11]。

根據IPCC碳中和的定義，CO₂的排放量與吸收量相等。事實(shí)上電力行業(yè)只要發(fā)電就會(huì )排放CO₂,表1是IPCC發(fā)布的全球各種電源發(fā)電的CO₂平均排放強度^[2]。

可見(jiàn)，不論是何種電源形式，只要發(fā)電都要排放CO₂。對于化石能源發(fā)電，即使加裝碳捕集工程(Carbon Capture and Storage, CCS或Carbon Capture, Utilization and Storage ,CCUS),由于脫除效率所限，也是排放CO₂的，因此電力行業(yè)自身實(shí)現碳中和是不可能的，只能是在保障電力供應的同時(shí)，電力行業(yè)盡可能減少CO₂排放。所有國家碳中和時(shí)電力行業(yè)都應有一定額度的CO₂排放，所以電力行業(yè)碳中和不是CO₂零排放。

1.3 電力行業(yè)碳達峰、碳中和的實(shí)現路徑

世界各國由于資源稟賦、技術(shù)水平、經(jīng)濟水平、地域范圍等各不相同，因此不同國家電力行業(yè)碳達峰、碳中和的路徑也各不相同。需要指出的是發(fā)達國家的碳達峰過(guò)程一般都是經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的自然過(guò)程，如英國1973年就已實(shí)現碳達峰，法國、德國、瑞典1978年實(shí)現碳達峰，美國2007年實(shí)現碳達峰，這些早已實(shí)現碳達峰的國家，其共同點(diǎn)是早已完成工業(yè)化，進(jìn)入了后工業(yè)化時(shí)代或信息時(shí)代，經(jīng)濟增長(cháng)已不依賴(lài)能源消費的增長(cháng)，電力裝機容量或發(fā)電量多年維持在相對穩定的水平^[1,12]。

實(shí)現碳中和，促進(jìn)低碳發(fā)展轉型的各種國際規則、行業(yè)準則及企業(yè)標準層出不窮。世界范圍內力推實(shí)現1.5℃溫升控制目標，到21世紀中葉全球實(shí)現碳中和的呼聲日益強烈。歐盟提出“歐洲綠色新政”,宣布2050年實(shí)現凈零排放，成為首個(gè)碳中和歐洲大陸。全球已有121個(gè)國家提出2050年實(shí)現碳中和的目標和愿景，其中包括英國、新西蘭等發(fā)達國家以及智利、埃塞俄比亞、大部分小島嶼國家等發(fā)展中國家。不少?lài)液统鞘幸蔡岢?030—2050年期間實(shí)現100%可再生能源目標，提出煤炭和煤電退出以及淘汰燃油汽車(chē)的時(shí)間表，并有114個(gè)國家表示將強化和更新國家自主貢獻(National Determined Contributions, NDC)目標^[13]。

圖1 中國電力行業(yè)SO₂和NO_x排放量的達峰與下降過(guò)程

從表1中可以看出，化石能源電力，即煤電、石油和氣電均為高碳排放電源(簡(jiǎn)稱(chēng)“高碳電源”),其中以煤電為最高，而其余所有的8種電源，均是低碳排放電源(簡(jiǎn)稱(chēng)“低碳電源”)。從各種電源的CO₂排放強度可以看出，降低CO₂的最簡(jiǎn)單方法就是大力發(fā)展低碳電源，拋棄高碳電源。如2019年11月新西蘭通過(guò)《零碳法案》,2035年實(shí)現100%可再生能源發(fā)電。2020年7月，德國聯(lián)邦議會(huì )通過(guò)了《燃煤電廠(chǎng)淘汰法案》,最遲到2038年年底，完全淘汰煤炭發(fā)電能力^[14]。

其次是燃煤發(fā)電的燃料替代，如用低碳、零碳燃料替代煤炭，歐洲有不少?lài)依锰烊粴狻⒔諚U替代燃煤發(fā)電，如英國最大的燃煤電廠(chǎng)Drax擁有6臺660MW機組，其中4臺機組全部改燃生物質(zhì)燃料，另外2臺改燒天然氣^[2]。美國則大量使用頁(yè)巖氣替代燃煤發(fā)電。

再次是燃煤電廠(chǎng)的CO₂捕集利用，可分為燃燒前捕集、富氧燃燒和燃燒后捕集。從現階段來(lái)看，燃燒前捕集技術(shù)主要是應用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Intergrated Gasification Combined Cycle, IGCC)電廠(chǎng)，已有大規模工業(yè)應用的成功案例，但由于該技術(shù)工藝復雜，投資成本高，與現有工藝兼容性差，不適用于對現有工藝設備的改造，導致其發(fā)展較為緩慢。富氧燃燒仍處于中試驗證階段，沒(méi)有商業(yè)規模項目開(kāi)始實(shí)施建設，大型空分裝置的高投資和高能耗，以及系統升壓-降壓-升壓過(guò)程中的不可逆損失較大，是制約富氧燃燒技術(shù)成本降低的主要因素。燃燒后捕集技術(shù)是目前相對成熟的碳捕集技術(shù)，是現階段實(shí)現CO₂大規模捕集的重要途徑，其主要研究方向是提高效率，降低運行成本^[15]。

2 中國電力行業(yè)碳達峰、碳中和的適宜路徑2.1 中國與發(fā)達國家電力行業(yè)碳達峰、碳中和的路徑異同

發(fā)達國家碳達峰是經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的自然過(guò)程，碳達峰時(shí)經(jīng)濟發(fā)展已度過(guò)工業(yè)化階段，進(jìn)入了后工業(yè)化階段或信息化階段，經(jīng)濟發(fā)展已不依賴(lài)能源消費的增長(cháng)，電力長(cháng)期處于相對穩定的狀態(tài)，因此其碳中和主要是在保持現有電力供應的基礎上，盡可能減少CO₂排放。

中國GDP總量居全球第二，但人均GDP剛剛超過(guò)1萬(wàn)美元，2019年中國人均GDP僅占美國的16%,2020年末才消除貧困。中國2019年的人均GDP僅是16個(gè)國家碳達峰時(shí)人均GDP平均值的18.6%^[12],中國計劃在2035年左右基本實(shí)現代化，人均GDP達到中等發(fā)達國家水平。

中國目前尚未完成工業(yè)化，GDP的增長(cháng)仍依賴(lài)能源消費的增長(cháng)，因此中國電力行業(yè)的碳中和不僅要減少CO₂排放，而且要滿(mǎn)足電力需求的持續增長(cháng)。據解振華等人的研究預測，中國全社會(huì )用電量將從2020年的7.5億(kW·h)增長(cháng)到2050年的11.91～14.27億(kW·h)^[13],增長(cháng)率高達58.8%～90.3%。可見(jiàn)，中國電力行業(yè)碳中和的難度要遠高于任何發(fā)達國家。

中國電力行業(yè)碳中和的另一難度在于中國的資源稟賦，據《中國礦產(chǎn)資源報告2019》的數據測算，中國已查明的化石能源儲量中煤炭、石油、天然氣分別占99%、0.4%、0.6%^[3],因此歐美國家普遍采用的用天然氣、頁(yè)巖氣等替代燃煤發(fā)電，在中國是行不通的。盡管中國目前的燃氣電廠(chǎng)比例很低，但2019年中國天然氣的進(jìn)口依存度43%,石油的進(jìn)口依存度則高達71%,遠超國際公認的安全警戒線(xiàn)^[16]。可見(jiàn)，在中國完全淘汰燃煤電廠(chǎng)是不現實(shí)的。

2.2 以節能與摻燒為引領(lǐng)，保留火電機組裝機不少于8億kW2.2.1 實(shí)施煤電節能改造，降低單位煤電發(fā)電量的碳排放

2014年9月發(fā)展改革委、環(huán)境保護部、能源局印發(fā)了《煤電節能減排升級與改造行動(dòng)計劃(2014-2020年)》,與節能改造前的2013年相比，2019年全國火電行業(yè)平均供電煤耗從321g/(kW·h)降低到306.4g/(kW·h),下降14.6g/(kW·h),相當于2019年節約標煤7368萬(wàn)t^[18],僅此就可減少CO₂排放近2億t。

2019年全國火電機組容量118957萬(wàn)kW,其中燃煤發(fā)電104063萬(wàn)kW(占87.5%),燃氣發(fā)電9024萬(wàn)kW,生物質(zhì)發(fā)電2361萬(wàn)kW,余溫、余壓、余氣發(fā)電3272萬(wàn)kW,燃油發(fā)電175萬(wàn)kW。

60萬(wàn)kW及以上的大機組容量占比為45.0%;30～60萬(wàn)kW等級的機組容量占比35.4%,其中亞臨界機組約3.5億kW,近1000臺，容量占比超過(guò)30%;單機容量小于30萬(wàn)kW的老小機組容量占比19.6%^[11]。這說(shuō)明全國火電裝機容量中近一半的是效率低、煤耗高、性能差的亞臨界及以下參數的機組和熱電聯(lián)產(chǎn)小機組，如表2所示。

在實(shí)現碳中和過(guò)程中，國家應出臺政策首先淘汰關(guān)停效率低、煤耗高、役齡長(cháng)的落后老小機組。2019年的統計數據表明，小于10萬(wàn)kW的小機組容量11657.8萬(wàn)kW,占火電總容量的9.8%,年利用小時(shí)數4431h, 比全國火電機組的平均利用小時(shí)4365h高出66h^[11],小于30萬(wàn)kW的機組容量超過(guò)2.3億kW,應逐一分析這些機組的實(shí)際情況，該淘汰的堅決淘汰；其次應該對占煤電容量30%的近1000臺亞臨界機組進(jìn)行升級改造。將亞臨界機組的效率和煤耗提升到超超臨界的水平，以大幅度地降低其煤耗，同時(shí)大力改善其低負荷調節的靈活性，以大大提高其消納風(fēng)電和光伏發(fā)電量的能力，尤其是亞臨界機組均是汽包鍋爐，具有良好的水動(dòng)力學(xué)的穩定性，因而更加適應電網(wǎng)的負荷調節。徐州華潤電廠(chǎng)于2019年7月完成了對32萬(wàn)kW亞臨界燃煤機組的改造，額定負荷下的供電煤耗從改造前的318g/(kW·h)降低到282g/(kW·h),每度電降低標準煤耗36g, 按年利用小時(shí)4500h計，相當于每年節約標煤5.2萬(wàn)t, 減少CO₂排放約14萬(wàn)t。改造后機組不但具有穩定的100%～20%范圍內的調峰調頻性能，而且在19.39%的低負荷下仍然實(shí)現了超低排放，達到了大幅降低煤耗，顯著(zhù)提高靈活性的目標^[2]。

2020年12月并網(wǎng)發(fā)電的安徽平山電廠(chǎng)二期工程設計供電煤耗251g/(kW·h),廠(chǎng)用電率按5%考慮，發(fā)電煤耗僅為238.45g/(kW·h),折算單位發(fā)電量的CO₂排放量為643.8g/(kW·h),介于IPCC公布的油電與氣電CO₂排放強度之間。

2.2.2 摻燒非煤燃料，進(jìn)一步降低煤電碳排放

煤電的另一個(gè)低碳發(fā)展的方向是煤與生物質(zhì)、污泥、生活垃圾等耦合混燒。煤與生物質(zhì)耦合混燒發(fā)電主要的突出優(yōu)點(diǎn)是：利用固體生物質(zhì)燃料部分或全部代替煤炭，顯著(zhù)降低原有燃煤電廠(chǎng)的CO₂排放量；利用大容量高參數燃煤發(fā)電機組發(fā)電效率高的優(yōu)勢，大幅度提高生物質(zhì)發(fā)電效率，節約生物質(zhì)燃料資源；利用已有的燃煤發(fā)電機組設備，只對燃料制備系統和鍋爐燃燒設備進(jìn)行必要的改造，可以大大降低生物質(zhì)發(fā)電的投資成本；參與混燒的生物質(zhì)燃料比例可調節范圍大(通常為5%～20%),調節的靈活性強，對生物質(zhì)燃料供應鏈的波動(dòng)性變化有很強的適應性^[2]。

燃煤電廠(chǎng)摻燒生物質(zhì)燃料，在國內外均有成熟經(jīng)驗。摻燒污水處理廠(chǎng)污泥，在國內也有不少電廠(chǎng)投運，如廣東深圳某電廠(chǎng)300MW燃煤機組、江蘇常熟某電廠(chǎng)600MW燃煤機組、江蘇常州某電廠(chǎng)600MW燃煤機組。摻燒生活垃圾的主要是循環(huán)流化床鍋爐的燃煤電廠(chǎng)，也有先將垃圾氣化再摻入煤粉爐燃燒的電廠(chǎng)。

2.2.3 碳中和時(shí)中國火電機組的保留規模

2020年12月到2021年1月自湖南省通知有序用電之后，浙江、江西、陜西等多地都發(fā)出了限電的通知，全國多地出現拉閘限電。2021年1月7日當天晚高峰創(chuàng )出了全社會(huì )用電高點(diǎn)，達到了11.89億kW,全國的發(fā)電裝機容量為22億kW,為何不能保證11.89億kW的用電負荷呢?這就需要區分發(fā)電裝機容量與保供裝機容量。

2020年底中國發(fā)電裝機容量達到22億kW,但并不意味著(zhù)這些機組能夠同時(shí)發(fā)電。2021年1月7日11.89億kW的用電負荷高峰出現在晚上，太陽(yáng)能就是光伏發(fā)電沒(méi)有出力。剛好1月7日全國大面積沒(méi)有什么風(fēng)，風(fēng)力發(fā)電的裝機出力大概10%左右，全國5.3億kW風(fēng)電和光伏的總裝機，有5億kW沒(méi)有出上力。冬季又是枯水期，我國3.7億kW水電的裝機容量在用電高峰時(shí)超過(guò)2億kW沒(méi)有出上力。另外，冬季是天然氣的用氣高峰，中國1億kW左右的天然氣發(fā)電裝機，有一半左右也沒(méi)有出上力。加上發(fā)電機組停機檢修、區域布局等問(wèn)題，造成冬季缺電就顯而易見(jiàn)了^[2]。

2060年前中國爭取實(shí)現碳中和，電力行業(yè)首當其沖，需要大力發(fā)展可再生能源，但可再生能源不可控，不能作為保供電源。能夠作為保供電源的主要是火電、水電、核電、儲能(含抽水蓄能)。火電包括燃煤發(fā)電、燃氣發(fā)電、燃油發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等，是最可靠的保供電源。

2020年中國的水電裝機容量3.7億kW(含抽水蓄能3149萬(wàn)kW),容易開(kāi)發(fā)的水電資源已開(kāi)發(fā)完畢，據報道中國的水電開(kāi)發(fā)極限是4.32億kW。2020年中國的核電裝機容量0.5億kW,核電由于核安全問(wèn)題，選址極其困難，加上核燃料資源的限制，不可能大規模發(fā)展，預計可發(fā)展到2億kW。

2020年中國建成投運的儲能項目累計裝機規模3560萬(wàn)kW,其中抽水蓄能3149萬(wàn)kW^[19]。2021年4月19日，國家能源局印發(fā)《2021年能源工作指導意見(jiàn)》,明確提出開(kāi)展全國新一輪抽水蓄能中長(cháng)期規劃，穩步有序推進(jìn)儲能項目試驗示范。在所有儲能方式中，抽水蓄能經(jīng)過(guò)了幾十年的工程實(shí)踐檢驗，技術(shù)最為成熟，也最具經(jīng)濟性，具有大規模開(kāi)發(fā)潛力，但選址較為困難。

與抽水蓄能相比，其他儲能項目規模都比較小，且有潛在的安全風(fēng)險。儲能項目都是將電能的再次轉化，如抽水蓄能是將電能轉化為機械能，機械能再轉化為電能；化學(xué)儲能是將電能轉化為化學(xué)能，再將化學(xué)能轉化為電能等等，在轉換過(guò)程中會(huì )有大量的能源損耗。考慮到中國大規模開(kāi)發(fā)風(fēng)電與光伏發(fā)電，預計儲能項目需新增2億kW。

考慮到將來(lái)極端天氣會(huì )更多，仍以用電負荷高峰出現在冬季晚間為例，儲能、核電的出力能力均取1,水電的出力能力取0.5,計算可得儲能、核電、水電的同時(shí)發(fā)電能力為6.16億kW。

保留火電機組裝機8億kW,出力能力取0.85,用電高峰時(shí)發(fā)電能力6.8億kW。這樣，用電高峰時(shí)頂得上的發(fā)電能力為12.96億kW,基本可以保證電力供應。

2.3 以低碳能源為關(guān)鍵，大力發(fā)展風(fēng)電與光伏發(fā)電

從表1中可以看出，國內外有商業(yè)應用的低碳能源有8種，中國的水電資源開(kāi)發(fā)程度已經(jīng)很高，核電選址較為困難，生物質(zhì)發(fā)電規模已近2500萬(wàn)kW,多余生物質(zhì)燃料可摻燒到現有燃煤電廠(chǎng)，能夠發(fā)電的地熱資源非常有限，潮汐能發(fā)電早有建成的示范項目，但一直未能推廣，因此，現在能夠大規模發(fā)展以至于取代化石能源電力，取代煤電的就是可再生能源電力的風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電這兩種電源。

近10多年來(lái)中國的風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電均取得快速發(fā)展，如圖2所示。從圖2可以看出，中國風(fēng)能發(fā)電裝機從2009年的1613萬(wàn)kW增長(cháng)到2019年28153萬(wàn)kW,太陽(yáng)能發(fā)電裝機從2009年的2萬(wàn)kW增長(cháng)到2019年25343萬(wàn)kW^[11]。

圖2 中國風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電的發(fā)展狀況

2020年12月12日，習近平主席在氣候雄心峰會(huì )上進(jìn)一步宣布：到2030年，中國單位國內生產(chǎn)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60億m³,風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機容量將達到12億kW以上。

為了滿(mǎn)足全社會(huì )的用電需要，碳中和時(shí)中國非水可再生能源的發(fā)展預計將達到50億kW,主要是風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電，會(huì )有少量的地熱發(fā)電及潮汐能發(fā)電。

2.4 以?xún)δ芘c碳捕集為補充，保障電力系統穩定

為減少棄風(fēng)、棄光、棄水現象，保障電力系統穩定，發(fā)展儲能項目是非常必要的，但儲能項目不僅投資較大，而且本身消耗電能，如抽水蓄能是效率較高的儲能方式，能源轉換效率僅有75%左右，因此國家必須出臺相關(guān)政策，推動(dòng)儲能項目的建設。

碳捕集工程，包括碳捕集和封存(CCS)、碳捕集和利用(CCU)以及碳捕集、利用和封存(CCUS)。碳捕集工程不僅投資大、運行費用高，而且面臨高耗能、高風(fēng)險等問(wèn)題^[20]。使用CCUS單位(kW·h)發(fā)電能耗增加14%～25%^[21],導致能耗需求量大幅增加；CCUS各個(gè)環(huán)節成本高昂，導致CCUS難以發(fā)展應用；并且不論哪種方式封存CO₂都存在泄漏風(fēng)險，會(huì )造成難以評估的環(huán)境風(fēng)險。但是，CCUS仍是碳減排潛在的重要技術(shù)，中國政府高度重視，在一系列國家規劃與方案中將CCUS列為緩解氣候變化的重要技術(shù)^[22-31]。

2021年1月國內最大規模15萬(wàn)t/a CO₂捕集和封存全流程示范工程在國家能源集團國華錦界電廠(chǎng)建成^[32]。

因此，降低碳捕集，利用和封存(CCUS)的成本、能耗及風(fēng)險任重道遠，在沒(méi)有重大的技術(shù)突破以前，顯然不宜推廣應用。即使CCUS技術(shù)有所突破，也需要政府持續推進(jìn)。

3 電力行業(yè)碳達峰、碳中和時(shí)CO2排放量3.1 火電行業(yè)碳達峰時(shí)CO2排放量

2018年火電行業(yè)排放的CO₂占全國排放總量的43%,約43億t^[2,17]。2021年4月22日，習近平主席在領(lǐng)導人氣候峰會(huì )上指出：中國將嚴控煤電項目，“十四五”時(shí)期嚴控煤炭消費增長(cháng)、“十五五”時(shí)期逐步減少煤炭消費量。可以看出，2030年前煤電裝機容量還是會(huì )增長(cháng)的，全國煤炭消費量會(huì )有所減少，但電煤消費量會(huì )有所增加，需要大力推進(jìn)“以電代煤”,提高電氣化水平。

預計火電行業(yè)碳達峰時(shí)CO₂排放量會(huì )在2018年的基礎上增長(cháng)15%左右，約47億t。

3.2 火電行業(yè)碳中和時(shí)CO2允許排放量

據Pierre Friedlingstein等人的研究^[17],2009—2018年全球每年化石燃料排放的CO₂介于330～370億t之間，平均約350億t,全球碳循環(huán)后每年造成大氣中CO₂增加約180億t, 即全球每年化石燃料排放CO₂約170億t時(shí)，就可實(shí)現全球碳中和。中國人口數占世界人口總數的18.5%,如果不考慮共同但有區別的責任，按全球人均CO₂排放來(lái)考慮，中國碳中和時(shí)可排放CO₂約31.45億t, 比2018年排放的100.3億t減少68.85億t。

2018年中國火電行業(yè)排放的CO₂占全國排放總量的43%^[2],不考慮碳中和實(shí)現時(shí)煤炭基本上均用來(lái)發(fā)電，其他工業(yè)行業(yè)的CO₂排放占比會(huì )有所下降，火電行業(yè)應該上升的因素，火電行業(yè)可以排放CO₂約13.5億t, 電力行業(yè)的CO₂排放指標應超過(guò)該限值。

3.3 電力行業(yè)碳中和時(shí)CO2預測排放量

依據前面的分析，在現有能源資源、技術(shù)水平及安全需求基礎上，碳中和時(shí)中國電力行業(yè)的發(fā)電裝機構成、發(fā)電量及CO₂排放量測算如表3所示。風(fēng)電與太陽(yáng)能各按25億kW計，考慮到技術(shù)進(jìn)步，除燃煤發(fā)電外，CO₂排放強度均按表1中數值的0.8倍計算，全國煤電機組按發(fā)電煤耗281g/(kW·h)、供電煤耗295g/(kW·h)計，全國生物質(zhì)量按折算1.07億t標準煤計，折算其裝機容量及發(fā)電量，1t標煤燃燒后排放2.7t的CO₂。

從表3中可以看出，碳中和時(shí)，全國發(fā)電裝機容量高達64.3億kW,其中非化石能源發(fā)電裝機容量58億kW,占比90.2%;煤電裝機容量5.3億kW,占比8.2%;包括生物質(zhì)與余熱、余壓、余氣在內的火電裝機容量8億kW,占比12.4%。從發(fā)電量來(lái)看，碳中和時(shí)，全國發(fā)電量近13萬(wàn)億(kW·h),其中非化石能源發(fā)電量占比85.3%。

全國電力行業(yè)排放CO₂量15.21億t, 其中火電行業(yè)排放13.18億t, 占全國可排放總量31.45億t的41.9%,小于目前的占比水平43%。可見(jiàn)，如果能夠實(shí)現上述目標，電力行業(yè)作出的貢獻是相當巨大的。

4 結語(yǔ)

(1)碳達峰包括達峰時(shí)間與峰值，碳中和不是CO₂零排放，中國碳達峰時(shí)火電行業(yè)排放的CO₂量約47億t, 碳中和時(shí)火電行業(yè)允許排放CO₂量約13.5億t。

(2)中國電力行業(yè)的發(fā)展路徑應貫徹以節能與摻燒為引領(lǐng)，保留火電機組不少于8億kW;以低碳能源為關(guān)鍵，大力發(fā)展風(fēng)電與光伏發(fā)電；以?xún)δ芘c碳捕集為補充，保障電力系統穩定等3條重要舉措。

(3)碳中和時(shí)中國電力裝機容量預計可達64.3億kW(不包括儲能容量),非化石能源發(fā)電裝機容量占比90.2%,發(fā)電量占比85.3%。電力行業(yè)排放CO₂將從超過(guò)47億t下降至15.21億t, 其中火電行業(yè)排放13.18億t。

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