在電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型關(guān)鍵在于消納高比例新能源

我國稍早前提出了“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”的目標(biāo)，為我國應(yīng)對氣候變化、加快能源轉(zhuǎn)型提供了方向指引。

目前，我國能源領(lǐng)域是二氧化碳排放的主體，約占總排放量的85%，能源系統(tǒng)對實(shí)現(xiàn)碳排放目標(biāo)起決定性作用，未來能源碳排放應(yīng)及早達(dá)峰，且盡可能控制峰值，為非能源二氧化碳排放、非二氧化碳溫室氣體排放爭取更多空間。在能源碳排放中，電力系統(tǒng)排放約占四成，未來電力將扮演越來越重要的角色，應(yīng)通過電能替代方式減少終端用能部門的直接碳排放，并以自身加速減排推動能源碳排放大幅降低。

電力系統(tǒng)碳排放有望在2025后達(dá)峰

電力系統(tǒng)在能源低碳發(fā)展中承擔(dān)著越來越重要的作用，考慮到經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的電力需求和各類電源的發(fā)展約束，以在2030年前盡早實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰為目標(biāo)，對近中期電力低碳發(fā)展進(jìn)行量化分析。“十四五”和“十五五”期間電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)如下低碳發(fā)展態(tài)勢：

一是新能源裝機(jī)規(guī)模將快速提升?！笆奈濉逼陂g，新能源將實(shí)現(xiàn)“倍增”式發(fā)展，按年均增長1.2億千瓦規(guī)劃，其中風(fēng)電4500萬千瓦，光伏7500萬千瓦。2025年新能源裝機(jī)量將達(dá)到約11億千瓦，較2020年提高一倍以上，新能源裝機(jī)占比約35%。在“十五五”期間，新能源規(guī)模將進(jìn)一步提升，2030年風(fēng)電、太陽能發(fā)電裝機(jī)容量將分別達(dá)到約8.1億千瓦、9.3億千瓦，在電源裝機(jī)容量中占比達(dá)到約44%。新能源發(fā)電量占比顯著提升。2025年，新能源發(fā)電占比約18%，提升9個百分點(diǎn)。2030年，新能源發(fā)電量達(dá)到約3.2萬億千瓦時，占比約為28%。

二是各類電源將呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢?！笆奈濉逼陂g煤電裝機(jī)容量仍有小幅增長空間，2025年前后達(dá)峰，峰值約為12億-13億千瓦。煤電裝機(jī)容量雖將呈現(xiàn)先升后降趨勢，但未來較長一段時期內(nèi)，我國約9億千瓦高參數(shù)大容量低排放煤電機(jī)組仍將在電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。同時，氣電、核電、水電穩(wěn)步發(fā)展，2025年裝機(jī)容量或?qū)⒎謩e達(dá)到約1.2億千瓦、0.9億千瓦、3.9億千瓦。2025年全國電源裝機(jī)總規(guī)模達(dá)到約30億千瓦。

三是電力碳排放將達(dá)峰并保持穩(wěn)中有降態(tài)勢?！笆奈濉逼陂g電力碳排放總量增速放緩，2025年碳排放量達(dá)到約44億噸，并有望在稍后達(dá)峰，峰值控制在45億噸以內(nèi)，此后穩(wěn)中有降。度電排放強(qiáng)度顯著下降，2025年降至約460g/kWh，較當(dāng)前水平下降約120g/kWh。非化石能源特別是新能源裝機(jī)占比持續(xù)提升，是電力碳減排的主要貢獻(xiàn)因素。

電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵在于消納高比例新能源

遠(yuǎn)期來看，低碳電力系統(tǒng)的發(fā)展更加有賴于技術(shù)創(chuàng)新突破，面臨更多不確定性。因此，應(yīng)通過設(shè)置不同路徑，探討未來電力低碳發(fā)展情景。新能源大規(guī)模發(fā)展是實(shí)現(xiàn)碳中和愿景的必然要求，電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵在于高比例新能源的消納利用。圍繞解決高比例新能源消納的不同技術(shù)路線，設(shè)置以下三種路徑：路徑一主要依靠電力系統(tǒng)自身實(shí)現(xiàn)高比例新能源消納利用；路徑二是通過大規(guī)模發(fā)展電制氫，跟蹤新能源波動性出力，助力新能源利用；路徑三是基于綠氫和煤電CCUS產(chǎn)生的二氧化碳制取甲烷、甲醇，實(shí)現(xiàn)電-氫-碳協(xié)同發(fā)展。

路徑一——依靠電力系統(tǒng)自身消納利用高比例新能源

新能源主要通過轉(zhuǎn)化為電力進(jìn)行利用，提升電力系統(tǒng)自身的新能源消納利用能力是未來能源電力低碳發(fā)展的基本要求和關(guān)鍵所在。該路徑下，需要電力系統(tǒng)源、網(wǎng)、荷、儲各環(huán)節(jié)全面發(fā)力，持續(xù)優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)互聯(lián)電網(wǎng)建設(shè)，挖掘需求響應(yīng)資源，推動新型儲能快速發(fā)展，增強(qiáng)系統(tǒng)對新能源的消納利用能力。但隨著新能源滲透率大幅提高，電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力和安全穩(wěn)定運(yùn)行將面臨更大考驗(yàn)，新能源發(fā)展規(guī)模可能受限。

由于新能源發(fā)電出力存在高度波動性和不確定性，隨著裝機(jī)規(guī)模逐步擴(kuò)大，其出力波動范圍和波動速率也將日益增大。因此，亟需多措并舉提升系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力。在電源側(cè)激發(fā)多元電源的協(xié)同調(diào)節(jié)潛能，在電網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)更加靈活優(yōu)化的運(yùn)行方式，在負(fù)荷側(cè)推動需求響應(yīng)常態(tài)化，在儲能側(cè)引導(dǎo)各類儲能資源參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

此外，新能源大量接入導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量降低，頻率問題逐漸凸顯，動態(tài)無功支撐能力降低，易誘發(fā)機(jī)理復(fù)雜的寬頻震蕩，當(dāng)發(fā)生大規(guī)模脫網(wǎng)時將以潮流轉(zhuǎn)移等形式引發(fā)級聯(lián)故障，擴(kuò)大停電范圍，引發(fā)惡性循環(huán)。因此，亟需加強(qiáng)“雙高”（高比例新能源、高度電力電子化）電力系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理和穩(wěn)定特性研究，對多類型電力電子裝備精準(zhǔn)建模，進(jìn)行系統(tǒng)動態(tài)仿真，通過廣泛部署同步調(diào)相機(jī)等設(shè)施提高電壓支撐能力，持續(xù)完善“三道防線”。

路徑二——以電-氫協(xié)同助力新能源消納利用

利用清潔能源發(fā)電制氫被稱為綠氫，是未來氫能發(fā)展的重要方向。電制氫設(shè)備能夠容許較大程度的輸入電力波動，大規(guī)模制氫是平抑新能源出力波動的有效途徑。該路徑下，可充分發(fā)揮制氫負(fù)荷的靈活性，通過離網(wǎng)、并網(wǎng)等方式大規(guī)模部署電制氫設(shè)施，在源側(cè)和網(wǎng)側(cè)實(shí)時跟蹤新能源發(fā)電波動性出力，有效解決高比例新能源下電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)問題。

從氫能制取-儲運(yùn)-終端利用環(huán)節(jié)來看，堿性電解水和質(zhì)子交換膜電解水能接受波動性電源輸入，適合作為消納新能源的主要電制氫技術(shù)。儲運(yùn)是制約氫能大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵因素。氣態(tài)儲運(yùn)效率低，液體儲運(yùn)成本高，安全、經(jīng)濟(jì)的儲運(yùn)技術(shù)有待突破。目前國內(nèi)儲氫罐關(guān)鍵材料依賴進(jìn)口，低溫液氫技術(shù)、儲氫材料技術(shù)與國外先進(jìn)水平存在較大差距，產(chǎn)業(yè)化相距甚遠(yuǎn)。在氫能的終端利用方面，氫能在重卡等終端消費(fèi)細(xì)分市場具有一定應(yīng)用前景，可作為電能的重要補(bǔ)充，預(yù)計2050年氫能在我國終端能源消費(fèi)中占比有望達(dá)到10%左右。

從經(jīng)濟(jì)性來看，現(xiàn)階段氫氣的終端應(yīng)用領(lǐng)域和經(jīng)濟(jì)競爭力相對不高，但隨著電制氫技術(shù)的成熟、新能源發(fā)電成本持續(xù)降低以及氫氣儲運(yùn)瓶頸的突破，電制氫將實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，“綠氫”全鏈條經(jīng)濟(jì)性將逐步增強(qiáng)。預(yù)計2030年之后綠氫的熱當(dāng)量成本有望與油氣大致相當(dāng)。同時，從電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)角度看，未來電制氫裝置的初始投資與儲能大致相當(dāng)，同時可產(chǎn)生氫、氧等產(chǎn)品，收益方式更加多元，建設(shè)電制氫裝置將是提供系統(tǒng)靈活性的一種可能路徑。

路徑三——以電-氫-碳協(xié)同實(shí)現(xiàn)全鏈條優(yōu)化

在發(fā)揮電制氫靈活調(diào)節(jié)性能的基礎(chǔ)上，通過在煤電機(jī)組加裝CCUS，為系統(tǒng)保留轉(zhuǎn)動慣量的同時可捕捉二氧化碳，與綠氫廣泛結(jié)合大規(guī)模制取甲烷或甲醇，在終端替代進(jìn)口油氣。從全環(huán)節(jié)來看，該路徑不僅可以有效支撐大規(guī)模新能源消納利用、促進(jìn)煤電資產(chǎn)的高效低碳延壽使用，還可以大幅降低我國能源對外依存度、提升國家能源安全，綜合效益顯著。

相較于氫氣，甲烷和甲醇更易存儲和運(yùn)輸。從儲存來看，甲烷的液化溫度高于氫氣，液化成本較低；甲醇無需液化。從運(yùn)輸來看，氫氣管道造價較高，且甲烷可注入天然氣管道；甲醇可通過汽運(yùn)方式運(yùn)輸。從安全性來看，相較于氫氣，甲烷的擴(kuò)散系數(shù)更低、點(diǎn)火能量更高，更加安全；甲醇作為液體，不易擴(kuò)散，安全性高。未來，隨著新能源度電成本的下降，甲烷和甲醇在終端利用的經(jīng)濟(jì)性將逐步顯現(xiàn)，可作為動力替代進(jìn)口油氣。初步測算表明，當(dāng)新能源度電成本降至0.1元/kWh左右時，制取的甲醇相比傳統(tǒng)油氣具有價格競爭力。

同時，制取甲烷或甲醇為火電廠CCUS捕集的二氧化碳提供了應(yīng)用場景，是發(fā)展循環(huán)碳經(jīng)濟(jì)的可行方式。我國未來仍將存在大量高參數(shù)大容量低排放煤電機(jī)組，如何利用好現(xiàn)有的高效率煤電機(jī)組是未來我國電力低碳發(fā)展亟待回答的重大問題。煤電加裝CCUS在實(shí)現(xiàn)凈零排放的同時，保留了系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，有助于保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，是符合我國國情的戰(zhàn)略性選擇。從經(jīng)濟(jì)性來看，預(yù)計2030年前后我國加裝CCUS的度電增量成本和新能源并網(wǎng)的度電系統(tǒng)成本大致相當(dāng)，都在0.2元/kWh左右，加裝CCUS相較于發(fā)展新能源替代煤電并不會明顯推高系統(tǒng)成本。隨著第二代CCUS技術(shù)的逐步成熟，2050年CCUS技術(shù)的成本有望進(jìn)一步下降至100元/噸左右，煤電加裝CCUS的度電增量成本有望下降至約0.1元/kWh，經(jīng)濟(jì)競爭力更加明顯。

總體來看，以上三種路徑各有千秋，未來電力系統(tǒng)低碳發(fā)展應(yīng)當(dāng)是多種路徑融合發(fā)展的結(jié)果。電力系統(tǒng)需要不斷提升自身對高比例新能源的消納利用能力，同時充分發(fā)揮電制氫的調(diào)節(jié)作用，并積極探索電制甲醇等P2X技術(shù)路線，共同支撐新能源的大規(guī)模發(fā)展。

展望未來，我國電力低碳化發(fā)展路徑將大致經(jīng)歷以下三個階段：近期，以電力系統(tǒng)支撐新能源消納利用為主；中期，僅依靠電力系統(tǒng)消納高比例新能源難度日益增大，需探索電、氫、碳多元耦合發(fā)展方式；遠(yuǎn)期，多元化路徑并存，要多措并舉支撐大規(guī)模新能源消納利用，助力循環(huán)碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

（文章來源：中國能源報）