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中國電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的發(fā)展路徑研究
中國電力行業(yè)碳達(dá)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(tuán)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(hù)研究院有限公司國家環(huán)境保護(hù)大氣物理模擬與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xí)近平主席宣布中國碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)以后，電力行業(yè)的發(fā)展路徑廣受關(guān)注與熱議，為結(jié)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(dá)峰、碳中和的發(fā)展路徑，從碳達(dá)峰、碳中和的基本概念入手，明確指出碳達(dá)峰包括達(dá)峰時間與峰值，碳中和不是CO2零排放。結(jié)合發(fā)達(dá)國家碳達(dá)峰、碳中和的路徑分析，得出中國碳達(dá)峰、碳中和與發(fā)達(dá)國家的異同及難度，提出中國應(yīng)以節(jié)能與摻燒為引領(lǐng)，保留火電機(jī)組不少于8億kW;以低碳能源為關(guān)鍵，大力發(fā)展風(fēng)電與太陽能發(fā)電；以儲能與碳捕集為補(bǔ)充，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定等3條重要舉措。根據(jù)中國富煤貧油少氣的化石能源現(xiàn)狀、水電資源開發(fā)基本完畢、核電選址較為困難等實(shí)際情況，預(yù)測中國碳達(dá)峰時火電行業(yè)排放的CO2約47億t,碳中和時火電行業(yè)允許排放CO2約13.5億t,碳中和時中國電力裝機(jī)容量達(dá)64.3億kW,其中風(fēng)電與太陽能發(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(jī)容量占比90.2%,發(fā)電量占比85.3%。碳中和時中國電力行業(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(dá)峰 碳中和 資源稟賦 電力行業(yè) 發(fā)展路徑
2020年9月22日，國家主席習(xí)近平首次在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論會宣布：中國將提高國家自主貢獻(xiàn)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(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。至2021年4月22日的領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會，習(xí)近平主席至少在9次國際會議、國內(nèi)3次會議與視察福建講話先后闡述了碳達(dá)峰與碳中和的目標(biāo)、意義、政策、措施、行動等內(nèi)容，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。
CO2排放的最大來源是化石能源的燃燒，據(jù)《世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒2020》[1],中國煤炭、石油、天然氣消費(fèi)量分別占世界總量51.7%、14.5%、7.8%,可見中國控制CO2排放，首當(dāng)其沖的是要控制煤炭消費(fèi)。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排放的最大單一來源[2]。減少電力行業(yè)的煤炭消費(fèi)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)很難離開煤炭。針對碳達(dá)峰、碳中和約束下電力行業(yè)的發(fā)展路徑，各種觀點(diǎn)分歧很大，有的提出加快燃煤電廠退出，煤電清零[4];有的提出煤炭開發(fā)的綠色轉(zhuǎn)型[5],因地制宜推進(jìn)區(qū)域能源革命[6]。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，電力行業(yè)面臨著增加供應(yīng)和減少碳排放的雙重挑戰(zhàn)，有必要從中國的國情出發(fā)，結(jié)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、社會可承受的電力行業(yè)的發(fā)展路徑。
1 電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和概念與實(shí)現(xiàn)路徑1.1 碳達(dá)峰、碳中和的定義根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovermental Panel on Climate Change, IPCC)的定義，碳達(dá)峰是指某個地區(qū)或行業(yè)年度CO2排放量達(dá)到歷史最高值，然后進(jìn)入持續(xù)下降的過程，是CO2排放量由增轉(zhuǎn)降的歷史拐點(diǎn)。碳達(dá)峰(peak CO2emissions)包括達(dá)峰年份和峰值。碳中和是指由人類活動造成的CO2排放量，與CO2去除技術(shù)(如植樹造林)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的吸收量達(dá)到平衡。
1.2 電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的概念對照碳達(dá)峰的定義，碳達(dá)峰包括達(dá)峰年份和峰值。習(xí)近平主席已代表中國政府宣示，中國力爭在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。達(dá)峰年份基本確定，而且有條件的地區(qū)、行業(yè)可以率先實(shí)現(xiàn)碳達(dá)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NOx也都有排放達(dá)峰的過程，如中國電力行業(yè)SO2排放在2006年達(dá)到峰值1320萬t, 此后逐步下降到2014年的620萬t, 2015年快速下降至200萬t; NOx排放量在2011年達(dá)到峰值1107萬t, 此后逐步下降到2014年的620萬t, 2015年快速下降至180萬t[7-9],如圖1所示。從圖1可以看出，盡管中國燃煤電廠基本上均實(shí)現(xiàn)了煙塵、SO2、NOx超低排放，但2019年電力行業(yè)的SO2和NOx排放量仍分別高達(dá)89萬t和93萬t[10-11]。
根據(jù)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(qiáng)度[2]。
可見，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(xiàn)碳中和是不可能的，只能是在保障電力供應(yīng)的同時，電力行業(yè)盡可能減少CO2排放。所有國家碳中和時電力行業(yè)都應(yīng)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(dá)峰、碳中和的實(shí)現(xiàn)路徑世界各國由于資源稟賦、技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)水平、地域范圍等各不相同，因此不同國家電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的路徑也各不相同。需要指出的是發(fā)達(dá)國家的碳達(dá)峰過程一般都是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的自然過程，如英國1973年就已實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，法國、德國、瑞典1978年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，美國2007年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，這些早已實(shí)現(xiàn)碳達(dá)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)化時代或信息時代，經(jīng)濟(jì)增長已不依賴能源消費(fèi)的增長，電力裝機(jī)容量或發(fā)電量多年維持在相對穩(wěn)定的水平[1,12]。
實(shí)現(xiàn)碳中和，促進(jìn)低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型的各種國際規(guī)則、行業(yè)準(zhǔn)則及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)層出不窮。世界范圍內(nèi)力推實(shí)現(xiàn)1.5℃溫升控制目標(biāo)，到21世紀(jì)中葉全球?qū)崿F(xiàn)碳中和的呼聲日益強(qiáng)烈。歐盟提出“歐洲綠色新政”,宣布2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放，成為首個碳中和歐洲大陸。全球已有121個國家提出2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)和愿景，其中包括英國、新西蘭等發(fā)達(dá)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。不少國家和城市也提出2030—2050年期間實(shí)現(xiàn)100%可再生能源目標(biāo)，提出煤炭和煤電退出以及淘汰燃油汽車的時間表，并有114個國家表示將強(qiáng)化和更新國家自主貢獻(xiàn)(National Determined Contributions, NDC)目標(biāo)[13]。
圖1 中國電力行業(yè)SO2和NOx排放量的達(dá)峰與下降過程
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(簡稱“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(簡稱“低碳電源”)。從各種電源的CO2排放強(qiáng)度可以看出，降低CO2的最簡單方法就是大力發(fā)展低碳電源，拋棄高碳電源。如2019年11月新西蘭通過《零碳法案》,2035年實(shí)現(xiàn)100%可再生能源發(fā)電。2020年7月，德國聯(lián)邦議會通過了《燃煤電廠淘汰法案》,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，歐洲有不少國家利用天然氣、秸稈替代燃煤發(fā)電，如英國最大的燃煤電廠Drax擁有6臺660MW機(jī)組，其中4臺機(jī)組全部改燃生物質(zhì)燃料，另外2臺改燒天然氣[2]。美國則大量使用頁巖氣替代燃煤發(fā)電。
再次是燃煤電廠的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(xiàn)階段來看，燃燒前捕集技術(shù)主要是應(yīng)用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Intergrated Gasification Combined Cycle, IGCC)電廠，已有大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的成功案例，但由于該技術(shù)工藝復(fù)雜，投資成本高，與現(xiàn)有工藝兼容性差，不適用于對現(xiàn)有工藝設(shè)備的改造，導(dǎo)致其發(fā)展較為緩慢。富氧燃燒仍處于中試驗(yàn)證階段，沒有商業(yè)規(guī)模項(xiàng)目開始實(shí)施建設(shè)，大型空分裝置的高投資和高能耗，以及系統(tǒng)升壓-降壓-升壓過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(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)CO2大規(guī)模捕集的重要途徑，其主要研究方向是提高效率，降低運(yùn)行成本[15]。
2 中國電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的適宜路徑2.1 中國與發(fā)達(dá)國家電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的路徑異同發(fā)達(dá)國家碳達(dá)峰是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的自然過程，碳達(dá)峰時經(jīng)濟(jì)發(fā)展已度過工業(yè)化階段，進(jìn)入了后工業(yè)化階段或信息化階段，經(jīng)濟(jì)發(fā)展已不依賴能源消費(fèi)的增長，電力長期處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，因此其碳中和主要是在保持現(xiàn)有電力供應(yīng)的基礎(chǔ)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1萬美元，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個國家碳達(dá)峰時人均GDP平均值的18.6%[12],中國計(jì)劃在2035年左右基本實(shí)現(xiàn)代化，人均GDP達(dá)到中等發(fā)達(dá)國家水平。
中國目前尚未完成工業(yè)化，GDP的增長仍依賴能源消費(fèi)的增長，因此中國電力行業(yè)的碳中和不僅要減少CO2排放，而且要滿足電力需求的持續(xù)增長。據(jù)解振華等人的研究預(yù)測，中國全社會用電量將從2020年的7.5億(kW·h)增長到2050年的11.91～14.27億(kW·h)[13],增長率高達(dá)58.8%～90.3%?？梢?，中國電力行業(yè)碳中和的難度要遠(yuǎn)高于任何發(fā)達(dá)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(jù)《中國礦產(chǎn)資源報告2019》的數(shù)據(jù)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?xì)怆姀S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(dá)71%,遠(yuǎn)超國際公認(rèn)的安全警戒線[16]?？梢?，在中國完全淘汰燃煤電廠是不現(xiàn)實(shí)的。
2.2 以節(jié)能與摻燒為引領(lǐng)，保留火電機(jī)組裝機(jī)不少于8億kW2.2.1 實(shí)施煤電節(jié)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(hù)部、能源局印發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計(jì)劃(2014-2020年)》,與節(jié)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(dāng)于2019年節(jié)約標(biāo)煤7368萬t[18],僅此就可減少CO2排放近2億t。
2019年全國火電機(jī)組容量118957萬kW,其中燃煤發(fā)電104063萬kW(占87.5%),燃?xì)獍l(fā)電9024萬kW,生物質(zhì)發(fā)電2361萬kW,余溫、余壓、余氣發(fā)電3272萬kW,燃油發(fā)電175萬kW。
60萬kW及以上的大機(jī)組容量占比為45.0%;30～60萬kW等級的機(jī)組容量占比35.4%,其中亞臨界機(jī)組約3.5億kW,近1000臺，容量占比超過30%;單機(jī)容量小于30萬kW的老小機(jī)組容量占比19.6%[11]。這說明全國火電裝機(jī)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(shù)的機(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)小機(jī)組，如表2所示。
在實(shí)現(xiàn)碳中和過程中，國家應(yīng)出臺政策首先淘汰關(guān)停效率低、煤耗高、役齡長的落后老小機(jī)組。2019年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，小于10萬kW的小機(jī)組容量11657.8萬kW,占火電總?cè)萘康?.8%,年利用小時數(shù)4431h, 比全國火電機(jī)組的平均利用小時4365h高出66h[11],小于30萬kW的機(jī)組容量超過2.3億kW,應(yīng)逐一分析這些機(jī)組的實(shí)際情況，該淘汰的堅(jiān)決淘汰；其次應(yīng)該對占煤電容量30%的近1000臺亞臨界機(jī)組進(jìn)行升級改造。將亞臨界機(jī)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，同時大力改善其低負(fù)荷調(diào)節(jié)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(jī)組均是汽包鍋爐，具有良好的水動力學(xué)的穩(wěn)定性，因而更加適應(yīng)電網(wǎng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)。徐州華潤電廠于2019年7月完成了對32萬kW亞臨界燃煤機(jī)組的改造，額定負(fù)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(biāo)準(zhǔn)煤耗36g, 按年利用小時4500h計(jì)，相當(dāng)于每年節(jié)約標(biāo)煤5.2萬t, 減少CO2排放約14萬t。改造后機(jī)組不但具有穩(wěn)定的100%～20%范圍內(nèi)的調(diào)峰調(diào)頻性能，而且在19.39%的低負(fù)荷下仍然實(shí)現(xiàn)了超低排放，達(dá)到了大幅降低煤耗，顯著提高靈活性的目標(biāo)[2]。
2020年12月并網(wǎng)發(fā)電的安徽平山電廠二期工程設(shè)計(jì)供電煤耗251g/(kW·h),廠用電率按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(qiáng)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，顯著降低原有燃煤電廠的CO2排放量；利用大容量高參數(shù)燃煤發(fā)電機(jī)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(jié)約生物質(zhì)燃料資源；利用已有的燃煤發(fā)電機(jī)組設(shè)備，只對燃料制備系統(tǒng)和鍋爐燃燒設(shè)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(diào)節(jié)范圍大(通常為5%～20%),調(diào)節(jié)的靈活性強(qiáng)，對生物質(zhì)燃料供應(yīng)鏈的波動性變化有很強(qiáng)的適應(yīng)性[2]。
燃煤電廠摻燒生物質(zhì)燃料，在國內(nèi)外均有成熟經(jīng)驗(yàn)。摻燒污水處理廠污泥，在國內(nèi)也有不少電廠投運(yùn)，如廣東深圳某電廠300MW燃煤機(jī)組、江蘇常熟某電廠600MW燃煤機(jī)組、江蘇常州某電廠600MW燃煤機(jī)組。摻燒生活垃圾的主要是循環(huán)流化床鍋爐的燃煤電廠，也有先將垃圾氣化再摻入煤粉爐燃燒的電廠。
2.2.3 碳中和時中國火電機(jī)組的保留規(guī)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(xiàn)拉閘限電。2021年1月7日當(dāng)天晚高峰創(chuàng)出了全社會用電高點(diǎn)，達(dá)到了11.89億kW,全國的發(fā)電裝機(jī)容量為22億kW,為何不能保證11.89億kW的用電負(fù)荷呢?這就需要區(qū)分發(fā)電裝機(jī)容量與保供裝機(jī)容量。
2020年底中國發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到22億kW,但并不意味著這些機(jī)組能夠同時發(fā)電。2021年1月7日11.89億kW的用電負(fù)荷高峰出現(xiàn)在晚上，太陽能就是光伏發(fā)電沒有出力。剛好1月7日全國大面積沒有什么風(fēng)，風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)出力大概10%左右，全國5.3億kW風(fēng)電和光伏的總裝機(jī)，有5億kW沒有出上力。冬季又是枯水期，我國3.7億kW水電的裝機(jī)容量在用電高峰時超過2億kW沒有出上力。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(jī)，有一半左右也沒有出上力。加上發(fā)電機(jī)組停機(jī)檢修、區(qū)域布局等問題，造成冬季缺電就顯而易見了[2]。
2060年前中國爭取實(shí)現(xiàn)碳中和，電力行業(yè)首當(dāng)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)?；痣姲ㄈ济喊l(fā)電、燃?xì)獍l(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(jī)容量3.7億kW(含抽水蓄能3149萬kW),容易開發(fā)的水電資源已開發(fā)完畢，據(jù)報道中國的水電開發(fā)極限是4.32億kW。2020年中國的核電裝機(jī)容量0.5億kW,核電由于核安全問題，選址極其困難，加上核燃料資源的限制，不可能大規(guī)模發(fā)展，預(yù)計(jì)可發(fā)展到2億kW。
2020年中國建成投運(yùn)的儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模3560萬kW,其中抽水蓄能3149萬kW[19]。2021年4月19日，國家能源局印發(fā)《2021年能源工作指導(dǎo)意見》,明確提出開展全國新一輪抽水蓄能中長期規(guī)劃，穩(wěn)步有序推進(jìn)儲能項(xiàng)目試驗(yàn)示范。在所有儲能方式中，抽水蓄能經(jīng)過了幾十年的工程實(shí)踐檢驗(yàn)，技術(shù)最為成熟，也最具經(jīng)濟(jì)性，具有大規(guī)模開發(fā)潛力，但選址較為困難。
與抽水蓄能相比，其他儲能項(xiàng)目規(guī)模都比較小，且有潛在的安全風(fēng)險。儲能項(xiàng)目都是將電能的再次轉(zhuǎn)化，如抽水蓄能是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能；化學(xué)儲能是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能等等，在轉(zhuǎn)換過程中會有大量的能源損耗?？紤]到中國大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電與光伏發(fā)電，預(yù)計(jì)儲能項(xiàng)目需新增2億kW。
考慮到將來極端天氣會更多，仍以用電負(fù)荷高峰出現(xiàn)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(jì)算可得儲能、核電、水電的同時發(fā)電能力為6.16億kW。
保留火電機(jī)組裝機(jī)8億kW,出力能力取0.85,用電高峰時發(fā)電能力6.8億kW。這樣，用電高峰時頂?shù)蒙系陌l(fā)電能力為12.96億kW,基本可以保證電力供應(yīng)。
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(nèi)外有商業(yè)應(yīng)用的低碳能源有8種，中國的水電資源開發(fā)程度已經(jīng)很高，核電選址較為困難，生物質(zhì)發(fā)電規(guī)模已近2500萬kW,多余生物質(zhì)燃料可摻燒到現(xiàn)有燃煤電廠，能夠發(fā)電的地?zé)豳Y源非常有限，潮汐能發(fā)電早有建成的示范項(xiàng)目，但一直未能推廣，因此，現(xiàn)在能夠大規(guī)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)電和太陽能發(fā)電這兩種電源。
近10多年來中國的風(fēng)電與太陽能發(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(jī)從2009年的1613萬kW增長到2019年28153萬kW,太陽能發(fā)電裝機(jī)從2009年的2萬kW增長到2019年25343萬kW[11]。
圖2 中國風(fēng)電與太陽能發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r
2020年12月12日，習(xí)近平主席在氣候雄心峰會上進(jìn)一步宣布：到2030年，中國單位國內(nèi)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(fèi)比重將達(dá)到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億m3,風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上。
為了滿足全社會的用電需要，碳中和時中國非水可再生能源的發(fā)展預(yù)計(jì)將達(dá)到50億kW,主要是風(fēng)電與太陽能發(fā)電，會有少量的地?zé)岚l(fā)電及潮汐能發(fā)電。
2.4 以儲能與碳捕集為補(bǔ)充，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定為減少棄風(fēng)、棄光、棄水現(xiàn)象，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定，發(fā)展儲能項(xiàng)目是非常必要的，但儲能項(xiàng)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(zhuǎn)換效率僅有75%左右，因此國家必須出臺相關(guān)政策，推動儲能項(xiàng)目的建設(shè)。
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(yùn)行費(fèi)用高，而且面臨高耗能、高風(fēng)險等問題[20]。使用CCUS單位(kW·h)發(fā)電能耗增加14%～25%[21],導(dǎo)致能耗需求量大幅增加；CCUS各個環(huán)節(jié)成本高昂，導(dǎo)致CCUS難以發(fā)展應(yīng)用；并且不論哪種方式封存CO2都存在泄漏風(fēng)險，會造成難以評估的環(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(guī)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(nèi)最大規(guī)模15萬t/a CO2捕集和封存全流程示范工程在國家能源集團(tuán)國華錦界電廠建成[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(yuǎn)，在沒有重大的技術(shù)突破以前，顯然不宜推廣應(yīng)用。即使CCUS技術(shù)有所突破，也需要政府持續(xù)推進(jìn)。
3 電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和時CO2排放量3.1 火電行業(yè)碳達(dá)峰時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(xí)近平主席在領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會上指出：中國將嚴(yán)控煤電項(xiàng)目，“十四五”時期嚴(yán)控煤炭消費(fèi)增長、“十五五”時期逐步減少煤炭消費(fèi)量?？梢钥闯觯?030年前煤電裝機(jī)容量還是會增長的，全國煤炭消費(fèi)量會有所減少，但電煤消費(fèi)量會有所增加，需要大力推進(jìn)“以電代煤”,提高電氣化水平。
預(yù)計(jì)火電行業(yè)碳達(dá)峰時CO2排放量會在2018年的基礎(chǔ)上增長15%左右，約47億t。
3.2 火電行業(yè)碳中和時CO2允許排放量據(jù)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，就可實(shí)現(xiàn)全球碳中和。中國人口數(shù)占世界人口總數(shù)的18.5%,如果不考慮共同但有區(qū)別的責(zé)任，按全球人均CO2排放來考慮，中國碳中和時可排放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(xiàn)時煤炭基本上均用來發(fā)電，其他工業(yè)行業(yè)的CO2排放占比會有所下降，火電行業(yè)應(yīng)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(biāo)應(yīng)超過該限值。
3.3 電力行業(yè)碳中和時CO2預(yù)測排放量依據(jù)前面的分析，在現(xiàn)有能源資源、技術(shù)水平及安全需求基礎(chǔ)上，碳中和時中國電力行業(yè)的發(fā)電裝機(jī)構(gòu)成、發(fā)電量及CO2排放量測算如表3所示。風(fēng)電與太陽能各按25億kW計(jì)，考慮到技術(shù)進(jìn)步，除燃煤發(fā)電外，CO2排放強(qiáng)度均按表1中數(shù)值的0.8倍計(jì)算，全國煤電機(jī)組按發(fā)電煤耗281g/(kW·h)、供電煤耗295g/(kW·h)計(jì)，全國生物質(zhì)量按折算1.07億t標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)，折算其裝機(jī)容量及發(fā)電量，1t標(biāo)煤燃燒后排放2.7t的CO2。
從表3中可以看出，碳中和時，全國發(fā)電裝機(jī)容量高達(dá)64.3億kW,其中非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量58億kW,占比90.2%;煤電裝機(jī)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(nèi)的火電裝機(jī)容量8億kW,占比12.4%。從發(fā)電量來看，碳中和時，全國發(fā)電量近13萬億(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%?？梢?，如果能夠?qū)崿F(xiàn)上述目標(biāo)，電力行業(yè)作出的貢獻(xiàn)是相當(dāng)巨大的。
4 結(jié)語(1)碳達(dá)峰包括達(dá)峰時間與峰值，碳中和不是CO2零排放，中國碳達(dá)峰時火電行業(yè)排放的CO2量約47億t, 碳中和時火電行業(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(yīng)貫徹以節(jié)能與摻燒為引領(lǐng)，保留火電機(jī)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；以儲能與碳捕集為補(bǔ)充，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定等3條重要舉措。
(3)碳中和時中國電力裝機(jī)容量預(yù)計(jì)可達(dá)64.3億kW(不包括儲能容量),非化石能源發(fā)電裝機(jī)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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