我国未来能源系统及能源转型现实路径研究.pdf

基于我国2060年达到碳中和、实现零碳能源架构的需求，针对我国未来能源系统及能源转型现实路径展开研究。结合能源技术发展的趋势和我国目前以化石能源为主的能源体系的实际情况，分析我国实现能源转型的硬约束。通过对比研究碳中和能源解决方案不同技术选择的可行性、主要挑战及全球能源技术发展趋势，推演出在保证国家能源安全的前提下，我国2060年实现碳中和能源架构与零碳能源转型的现实路径。最后，提出未来构建以可再生能源为主体的新型能源系统亟需开展的关键技术及应采取的政策措施建议。关键词关键词：碳中和；可再生能源；零碳能源；能源转型；新型能源系统ABSTRACT:Based on the demand of China to achieve carbon neutrality and zero carbon energy architecture by 2060,this paper studied the future energy system and the realistic path of energy transformation in China.Combined with the trend of energy technology development and the actual situation of Chinas current energy system dominated by fossil energy,the hard constraints of Chinas energy transformation were analyzed.By comparing and studying the feasibility,the main challenges of different technology options for carbon neutrality energy solutions,and the global energy development trend,this paper deduced the realistic path of realizing carbon neutrality energy architecture and zero carbon energy transformation in 2060 under the premise of ensuring national energy security.Finally,the key technologies and the policy measures were put forward,which should be promoted to build a novel energy system with renewable energy as the main body for the future.KEY WORDS:carbon neutrality;renewable energy;zero carbon energy;energy transformation;novel energy system0引言引言2060年达到碳中和、构建以可再生能源为主体的新型能源系统、实现零碳能源架构是行业共识，也是我国的重大战略决策。目前，研究者1-4对我国未来的零碳能源架构组成、转型路径及发展路线图存在明显不同的看法。不同的能源转型路径存在巨大差异，如果路径选择错误，不仅会造成巨大经济损失，还会丧失发展机遇。因此，亟需研究我国以化石能源为主的能源系统向零碳能源体系转型的现实路径，转型过程中能源系统的架构、运行模式，以及不同能源种类在不同阶段的角色转变。本文结合我国实现能源转型的硬约束和面临的不同技术选择，研究符合我国国情的未来能源架构与能源转型现实路径，推导出我国实现零碳能源安全、稳定、可持续发展的特色转型之路，并结合行业现状与面临的挑战，给出我国实现零碳能源系统的技术和政策措施建议。1实现能源转型的硬约束实现能源转型的硬约束我国目前和化石能源有关的碳排放约占总排DOI：10.12096/j.2096-4528.pgt.23002 中图分类号：TK 01基金项目：中国科学院战略性先导科技专项(XDA29010500)。Project Supported by Strategic Pilot Science and Technology Project of Chinese Academy of Sciences(XDA29010500).第第 44 卷卷 第第 4 期期发电技术发电技术放的90%，若要实现碳中和，就必须推动以化石能源为主的能源结构转型5。能源系统的低碳及零碳能源转型是我国实现碳中和的重中之重6。基于国家战略需求、全球技术发展趋势和我国的实际情况，我国的能源转型需要满足以下约束条件：1）转型过程中必须保证国家能源安全。目前我国化石能源的占比超过80%，从化石能源占绝对统治地位的能源体系转型为以可再生能源为主体的零碳能源系统面临巨大挑战，不但技术形态发生变化，相应的体制机制也要顺应技术发展的趋势。2021年我国部分地区发生大规模电荒，原因来自多个方面，其中最主要的原因是：可再生能源的快速发展使煤电的发电小时数逐年下降，煤电的上网电价不变甚至降低，而煤炭价格大幅度上涨，造成煤电发电越多亏损越大。2022年发生的俄乌战争使欧洲的能源供应出现短缺，用能成本大幅度上升。虽然德国等欧盟国家加快了向可再生能源系统转型的步伐，但为解决面临的电力短缺等现实问题，又重启了部分煤电和核电。我国的电荒问题和俄乌战争引发的能源短缺问题表明，能源保障至关重要，需更加重视转型期间的能源安全。2）能源转型必须满足国家2060年实现碳中和的战略目标。我国2060年实现碳中和的战略决策，使打造碳中和的零碳能源体系成为共识。低碳和零碳能源转型是全球应对气候变化、打造人类利益共同体的一致需求。我国实现能源碳中和在技术体系和政策体系方面都面临巨大挑战。有研究7-8表明，打造以可再生能源为主体的零碳能源架构，实现能源碳中和完全可行，必须坚定不移。3）经济性是能源转型过程自始至终的硬约束。各种能源转型路径技术可行性比较容易满足，如何实现在满足国家能源安全和低碳转型的前提下经济性最好，至少经济上可承受，是能源转型期的硬约束。有研究9表明，打造未来可再生能源架构，实现能源碳中和，不仅技术可行，经济性也比以化石能源为主的能源体系在满足能源需求上更具优势。能源系统关乎国计民生，在满足国家能源安全和低碳转型的前提下，实现最低成本的能源转型技术路径是必须追求的目标。4）能源转型过程中需要同步发展高技术产业。现在是我国及全球能源转型关键期，能源系统架构、系统运行模式、可再生能源技术、不同能源种类的角色定位都在发生深刻的变化。智能电网、储能、绿氢技术的快速发展推动全新的能源架构体系建立。材料、人工智能、大数据、数字孪生等技术突飞猛进，将深刻地影响未来能源的发展，在很大程度上将改变能源格局与业态。在打造以可再生能源为主体的新型能源体系方面，我国占据有利位置，特别是我国的光伏和风电产业在规模和产品的性价比方面世界领先。我国需要抓住历史机遇，准确把握技术发展趋势，重视同步发展相关高技术产业，加速并推动未来能源科技发展。22060 碳中和能源解决方案的不同技术碳中和能源解决方案的不同技术选择选择一般认为，核聚变技术是解决人类能源问题的终极方案，但在2060年前无法依靠核聚变实现能源转型。能源转型的路径选择非常重要，需要站在系统和全局的角度确定我国能源架构演变路径，2060年的能源架构存在以下4种可能的技术选择。1）以化石能源为主、可再生能源和核能为辅的能源架构截至2022年12月底，我国发电装机容量为25.64亿kW，其中火电占比51.96%，主要可再生能源发电(包括风能、太阳能、水电)占比45.69%，核电占比2.17%10。如果我国未来能源架构仍然以化石能源为主，可再生能源和核能为辅，要满足我国2060碳中和的能源战略需求，需解决化石能源燃烧产生CO2的处理问题。技术上的解决方案一般选择碳捕集、利用与封存(carbon capture，utilization and storage，CCUS)11，但在这个过程中需要消耗大量的电能，大大增加发电成本，且我国适应大规模储存CO2的地质条件有限12。随着可再生能源技术的飞速发展及成本的快速下降，加上煤油气资源总量的有限性，已很少有人认为485Vol.44 No.4许洪华等许洪华等：我国未来能源系统及能源转型现实路径研究我国未来能源系统及能源转型现实路径研究未来的能源架构还是以化石能源为主。但从技术而言，利用CCUS技术可以使化石能源系统实现零碳。2）以可再生能源为主、化石能源和核能为辅的能源架构第2种技术选择是未来能源架构以可再生能源为主，可再生能源是能量的主要提供者，化石能源成为能源系统稳定、安全供应保障的重要辅助手段与有效补充，目前这可能是被业界大多数人认可的能源架构。辅助化石能源产生的CO2通过CCUS技术实现零碳。3）以可再生能源为主、核能为辅的能源架构第3种技术选择是由可再生能源和核能构成未来能源架构。在保证安全的前提下，发展一部分核能和可再生能源共同构建零碳能源系统，在技术上也是一种可行的方案。4）100%可再生能源的能源架构第4种技术选择是100%可再生能源，即在未来能源架构中我国所有最终用户的能源需求都来自可再生能源，满足最终用户电力、冷热、交通的用能需求，可以由本地的可再生能源提供，也可以由区域以外可再生能源通过辅助技术设施来提供，包括电网、氢能、热网跨区域输送等。所有参与能源系统平衡的储能设施的能源来源也必须是可再生能源。打造以可再生能源为主或100%可再生能源的能源架构，与现有以化石能源为主的能源架构有本质的区别，技术形态和相应的体制机制都会发生巨大变化。随着预测技术的发展，虽然对太阳能、风能的预测精度越来越高，可再生能源的间歇性和不确定性要求在能源系统中增加“灵活性”，以保证系统稳定和安全可靠。有研究13表明，构建以可再生能源为主甚至100%可再生能源的未来零碳能源体系，不仅技术可行，经济性也更具优势，同时还满足零碳和可持续性要求。在未来零碳能源架构中，不同的能源种类有不同的定位和作用，风能和太阳能光伏是主体能源，水能、生物质能、太阳能、地热能、海洋能是辅助能源，太阳能热利用、抽水蓄能、地热利用等是调节能源。在100%可再生能源的零碳架构体系中，绿氢可以提供所有的能源应用形式且绝对清洁，可以作为化工原料，同时在能源系统中提供大规模、长时期、跨季节的能量存储，技术上可以是实现100%可再生能源、碳中和的最终保证。储能技术在零碳能源架构和能源转型中可能发挥重要作用。在未来可再生能源系统中对秒级、分钟级、小时级、日级，甚至月级、季级储能都有技术上的需求。除储能技术外，还有多种技术(如负荷响应、多能源互补等)增加系统的灵活性。储能是未来可再生能源系统灵活性的重要手段，甚至可能是主要手段，但不是唯一手段，其市场的大小取决于储能未来技术经济性的发展及其相应竞争技术的发展程度。同时，各种储能需求也有不同的储能技术在竞争，没有最终确定技术路线，需要在研究及应用实践中确立主流的技术路线。由于电动汽车覆盖了储能的设备成本，因此V2G技术是比较确定的应用广泛的技术14-16。储热冷技术的成本大大低于储电技术，需要给予充分关注。无论哪种零碳能源架构方案，都需要很多的技术创新和持续探索。但总体而言，在技术上实现零碳没有不可逾越的障碍。核心问题是如何根据技术发展的趋势和我国的实际情况，找出最经济的转型路径。3我国未来零碳能源架构及现实转型路径我国未来零碳能源架构及现实转型路径3.1全球能源系统发展趋势全球能源系统发展趋势多个国家规划2050年前实现100%可再生能源，丹麦、挪威、芬兰等139个国家相继做出实现100%可再生能源的时间承诺，其中已经有10个国家的97.5%100%的电力来自可再生能源17。斯坦福大学Jacobson教授团队18探索了139个国家的100%可再生能源电源规划方案，结合各国2050年用电负荷及可再生能源出力预测，考虑储能和需求响应，以系统总成本最低为目标，零负荷损失为核心约束，得出未来各国实现100%可再生能源的基本规划方案。全球超过200个城市相继承诺并给出了实现100%可再生能源的时间表，如芝加哥、哥本哈根、法兰克福、慕尼黑、悉尼等。目前已经有6个486第第 44 卷卷 第第 4 期期发电技术发电技术城市实现了100%的可再生能源，超过40个城市实现100%可再生能源电力19。全球已有超过370家极具影响力的企业(包括苹果、谷歌、Facebook、可口可乐、微软、飞利浦、高盛、台积电、远景、隆基、阳光电源等)承诺实现100%绿色电力，并给出了时间表，其中75家企业已实现100%可再生能源20。文献21指出，到2050年在全球能源行业达到净零排放的路线是存在的，实现的关键在于2030 年前以空前的力度推进清洁技术。到 2050年，由于可再生能源发电新增装机可使全球总发电量翻一番，可再生能源发电在全球电力行业占比将达到85%22。综上所述，以可再生能源为主甚至100%可再生能源的能源架构是全球能源系统的发展趋势。3.2我国实现碳中和的能源架构我国实现碳中和的能源架构预计2050年我国能源系统有两大特点23：一是以高比例电气化为标志的电力为主的能源供应系统，能源使用效率大幅度提高，各种污染物和CO2的排放量大幅度降低；二是在电力供应中，非化石能源发电量占比91%，可再生能源发电量占比87%，在满足同样的经济发展目标约束下，高比例可再生能源发展情景下的一次能源供应量要比2/3化石能源情境下降低51%，即一次能源供应量从以化石能源为主的70亿t标准煤降低到以可再生能源为主的 34 亿 t 标准煤，进而保证了2050年的各种污染物排放量不高于1980年的排放水平，碳排放强度也与2050年的中国经济总量和人口水平相适应。3.3我国能源转型的现实路径我国能源转型的现实路径3.3.1煤电灵活性改造截至 2021 年底，我国煤电装机容量累计11.1亿kW，2021年煤电设备平均利用小时数为4 568 h24。通过灵活性改造将煤电设备年平均利用小时数控制在800 h，则减少的煤炭发电量为41 824.8亿kWh。2021年并网光伏发电设备年平均利用小时数为1 281 h，并网风力发电设备年平均利用小时数为2 232 h。根据2021年风电、光伏发电情况，假设新增可再生能源装机并网光伏发电是风力发电的2倍，减少的煤炭发电量用风电和光伏发电替代，可支撑我国可再生能源新增装机容量26亿kW。现有煤电灵活性改造后的功率调节范围一般为30%100%。依据参考文献25，每增加1倍的灵活性调节手段，可支撑新增45倍的风电、光伏装机。若 11.1 亿 kW 煤电都进行灵活性改造，则系统的灵活性可支撑新增风电、光伏装机容量30亿kW以上，对支撑我国能源转型起主要作用。煤电灵活性改造单位成本最低，且深度调峰度电成本仅约为0.05元/(kWh)26，显著低于燃气轮机0.48元/(kWh)和新型储能电站0.75元/(kWh)的度电成本，与抽水蓄能电站0.06元/(kWh)的度电成本相近27。抽水蓄能电站是国内外公认的技术成熟可靠、经济可行的电网灵活性调节手段28，我国正在大力发展，预计2030年装机规模达1.2 亿kW左右，国家中长期规划装机容量为3.05 亿kW29。我国的抽水蓄能电站未来有可能支撑新建风电、光伏装机容量达15亿20亿kW。利用煤电灵活性改造和抽水蓄能这2种技术经济性最好的大规模储能技术手段，就能支撑我国新增风电、光电的装机容量达到40亿kW以上，完全能够实现我国2040年乃至2050年前可再生能源的大规模、高比例快速发展。3.3.2利用储热对煤电机组进行灵活性改造参考文献30，对压缩空气储能、电化学储能、抽水蓄能、热储能4种储能技术效率与单位投资成本进行分析，结果如图1所示。计算案例中采用5个直径4.8 m、高24 m的储热罐，1 h储热容量为1 800 m3，最大负荷为660690 MW，最小负荷为244264 MW。结果表明，火电+储热技0204060801000200400600800储能效率/%单位投资成本/(欧元/kW)1 0001 200电化学储能 抽水蓄能 热储能 压缩空气储能图图1 4种储能技术效率和单位投资成本对比种储能技术效率和单位投资成本对比Fig.1 Comparison of efficiency and unit investment cost of four energy storage technologies487Vol.44 No.4许洪华等许洪华等：我国未来能源系统及能源转型现实路径研究我国未来能源系统及能源转型现实路径研究术经济性最优，与电化学储能相比，效率和成本均具有明显优势。利用储热进行煤电机组的灵活性改造，技术上大大减轻了改造原有机组低负荷效率和安全性的压力，利用储热环节作为调节，可使煤电机组锅炉一直运行在较高负荷。同时，利用储热还增加了煤电机组的功率调节范围。一般的灵活性改造机组的功率调节范围为30%100%，添加储热环节后，火电机组的调节范围可以达到0100%，进一步提高了调节能力。煤电+储热+灵活性改造是实现可再生能源消纳最经济的技术措施。3.3.3利用卡诺热电池进行大规模储能调节卡诺电池是一种低成本、不受地域限制的大规模储能技术31，除了储存电能以外，还具备提供热量和制冷的能力，对于我国实现脱碳尤为重要。目前，在卡诺电池中将热量存储在水(90)或熔融盐(300800)中，并在需要时通过热能过程转化为电能。熔盐卡诺电池的储能设备成本约在300元/(kWh)甚至更低32，热启动15 min可达满功率，与热泵结合的新型卡诺电池系统充放电效率可达50%70%，热电联供储能成本会更低，效率会更高。结合现有煤电装机，卡诺电池是大规模调节储能的有效技术手段。在煤电+储热+灵活性改造的基础上改造成卡诺热电池，不仅可以实现灵活性电源的0100%可调节，还可以在源端用生物质等替代煤，在可再生能源消纳困难时，以负荷形式吸收弃风、弃光和电网多余电力，转换成热、冷直接向用户提供，或以热能形式储存起来，负荷峰时再释放出来，实现灵活性电源100%100%的调节能力。这种技术方案具有非常显著的优势，既不改变现有大电力系统，又可以解决高比例可再生能源接入电网造成的低惯量、高电力电子化问题。3.4我国零碳能源转型的现实路径我国零碳能源转型的现实路径考虑我国目前以化石能源为主体的能源结构，零碳能源转型过程中充分利用好现有超4万亿的煤电资产，是我国低碳、低成本转型比较现实、经济的特色之路。按一般的火电灵活性改造技术方案，调节能力范围基本上是30%100%，可支撑我国新能源装机容量12亿kW以上。采用火电+储热的灵活性改造方案，技术路线完全改变，可实现0100%的调节能力，支撑我国新能源装机容量30亿kW以上。用可再生能源替代化石燃料，通过卡诺电池技术将弃风、弃光和电网多余电力储存起来，实现100%100%的调节能力，可支撑我国新能源装机容量至少60亿kW。充分利用现有火电资源是这一路径的技术、经济优势，一是利用现有设施进行改造，技术成本低；二是煤电设施在全国已有完善布局，且电网体系、管理人员、土地等配套资源成熟，可以实现与现有电力体系的有机融合；三利用现有系统低电力电子化特点分段、分别改造，分步或并行实现从 30%100%灵活调节到 0100%甚至100%100%的调节能力。4我国实现零碳能源系统的措施建议我国实现零碳能源系统的措施建议全球能源形势、技术发展趋势已发生改变，挖掘、培育、推动行业发展的新技术，建立促进零碳能源系统加速实现的可持续发展机制、适应新形势，是我国实现能源转型的必要条件。综合以上研究结果，本文给出实现能源碳中和目标的技术工作、非技术工作、政策机制和标准规范建议。4.1技术工作建议技术工作建议1）区域可再生能源多能互补、就地消纳利用相关技术，多能互补的能源外送基地设计及容量优化配置技术。2）绿氢制备及氢能全产业链布局，包括可离网可再生能源规模制氢及储运技术。3）针对未来提供能量的最主要能源种类，如光伏、风电、水电等，需要继续提高效率、降低成本关键技术。4.2非技术工作建议非技术工作建议1）打破既有利益格局，主要从系统和全局的技术经济性角度制定并分阶段量化国家目标和实现路径，下达各省份量化阶段目标和任务，纳入政府考核机制，进行碳中和、碳达峰区域和城市示范。488第第 44 卷卷 第第 4 期期发电技术发电技术2）开展我国多能源互补、冷热电联供的源网荷一体化能源规划及发展路径研究，明确分阶段的量化国家目标。3）建立国家级行业公共研究测试平台，完善支撑产业可持续发展的可再生能源技术创新体系。4.3政策机制建议政策机制建议能源系统架构及技术正在发生深刻变革，需要紧跟技术发展趋势，结合我国的现实情况和未来的战略需求，从根本原则上以实现全社会、能源系统总体的最大价值为出发点，在系统和全局的高度科学分析、解决问题。梳理已有政策措施，面向未来技术发展趋势和我国能源转型需求与零碳能源挑战，建立适应未来多能互补、冷热电联供、源网荷一体的多能融合、多元清洁能源供应体系的可持续发展机制。技术发展和能源转型的路径存在不确定性，在保证目标实现的前提下，利用竞争性的技术方案和市场手段寻找最经济可行的方案，经过充分验证后再大力推广，避免由“权威”机构指定具体技术路径。目前，我国很多省区要求风电、光电项目按比例配置电化学储能，以大部分地区20%、2 h的储能配备要求预计，到2050年，需要配备电化学储能设施超过2万亿元。结合以上分析，煤电的灵活性改造及抽水蓄能在技术经济上更可行。风电、光电电源侧强制配电化学储能的作用和经济性需要研究，在技术上需要探讨电化学储能配置在源网荷的位置、使电力系统更优的容量。在更经济的规模调节手段未充分发挥作用之前，大规模地在电源侧强制配电化学储能缺乏经济性和科学合理性。能源架构在发生巨大改变，用传统、简单的技术手段和解决方案对待新问题，致使风电站单独配无功调节装置、功率预测等要求不能及时改变。从技术性能而言，风电机组的变流器和光伏电站的逆变器完全可以满足无功调节的需要，无须另配。如果不改变，到2050年我国风电场和光伏电站单独配无功调节装置的投资就要超过1 000亿元，这是完全可避免的无效投资，不但增加了成本，无功调节装置本身还要消耗1%以上的电能，同时也增加了故障源。太阳能热发电的上网电价明显高于光伏和风电，但太阳能热发电从性能上和现有的火电厂相同，在能源架构中利用其较低的储热成本，可实现其既可作为基荷电源又可作为调节电源的作用。而现有政策是太阳能热发电单一的上网电价，未根据其调节、稳定特点发挥其特性，制定激励政策。我国基本按化石能源电源要求光伏电站、风电场现场多人24 h值班，几乎每个项目都建设值班室等，这与日本、欧美等国家风电场、光伏电站现场基本无人值守、现场很少有值班室的情况有很大不同。4.4标准规范建议标准规范建议根据技术发展趋势，用发展的眼光从系统、全局的技术经济性上评估选择技术方案，需要修订、完善相应的标准规范，充分利用不同可再生能源系统特性，发挥其最大作用。5结论结论1）2060年达到碳中和，从目前以化石能源为主的能源体系向以可再生能源为主体的新型能源系统转型的过程面临巨大挑战，要持续进行能源转型路径和发展路线图研究，充分发挥已有系统的作用，避免路径错误，不造成大的浪费和错失发展机遇。2）充分利用现有以煤炭为主的能源和电网架构，研究在保证国家能源安全的前提下实现低碳、低成本的能源转型路径，最终构建不含化石能源的零碳能源体系。3）在满足国家需求上，新能源增长及技术进步需要时间，转型过程中煤电在相当长时间还是保证国家能源安全的压舱石；煤电由主导能源向调节电源转型过程中，存量煤电的高效能利用、可再生能源的加速开发与持续降低成本是我国能源经济转型安全、稳定、可持续发展的需要。如果此路径走通，将是我国特色的能源转型之路，可实现100%可再生能源。参考文献参考文献1许洪华 创新使命：中国在行动M 北京：商务印书馆，2022：88-91489Vol.44 No.4许洪华等许洪华等：我国未来能源系统及能源转型现实路径研究我国未来能源系统及能源转型现实路径研究XU H HInnovative mission：China is in actionMBeijing：The Commercial Press，2022：88-912李冶我国能源转型与电气技术创新J电器工业，2023(3)：18-19LI Y Chinas energy transformation and electrical technology innovationJ China Electrical Equipment Industry，2023(3)：18-193王国法，刘合，王丹丹，等新形势下我国能源高质量发展与能源安全J中国科学院院刊，2023，38(1)：23-37WANG G F，LIU H，WANG D D，et al High-quality energy development and energy security under the new 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