“雙碳”目標下中國清潔電力發展路徑

黃 強， 郭 懌， 江建華， 明 波

(西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，西安710048)

工業革命以來，化石能源的開發利用加速了人類文明的發展.但一方面，化石燃料燃燒產生大量的CO2、SO2等氣體，導致全球氣溫升高，生態環境遭到破壞[1].另一方面，全球化石能源儲量有限，僅能滿足人來未來100年左右的需求[2]，且化石能源用于發電并不能完全發揮其價值.進入21世紀，日益減少的化石能源儲量使世界各國有了能源危機意識，促進了第三次能源革命，以水能、風能和太陽能等為代表的清潔能源得到世界各國的青睞，被認為是世界未來電力系統的發展方向.

中國是世界上最大的能源生產與消費國, 也是CO2排放大國.2019年CO2排放量達9.8×109t，占全球26.6%.因此，中國的節能減排對于實現“全球平均氣溫較工業化前期上升幅度控制在2 ℃以內”的巴黎協定具有重大意義.為應對全球變暖，實施節能減排，我國提出了“CO2力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”目標[3-4].在當前中國的碳排放結構中，電力系統占比最高：2019年火電CO2排放量為4.16×109t，占總排放量的42.4%.因此，按照電力發展趨勢和節能減排要求，中國電力系統的綠色轉型是實現“雙碳”目標的必由之路.

中國清潔能源儲量豐富，開發潛力巨大.其中，水能資源蘊藏量約6.94×108kW，為世界之冠[5]，風能(70 m高度)資源的理論蘊藏量約為6.37×1010kW，太陽能資源理論蘊藏量約為1.86×1012kW，合計1.92×1012kW，足以滿足中國未來的電力需求.雖然風、光電具有強隨機性、間歇性和波動性，電網難以消納[6]，但是通過大規模水-風-光-儲互補協調運行可彌補其不足.在清潔能源大規模開發利用方面，中國擁有得天獨厚的優勢，其必要性與可行性表現在如下幾個方面：

(1) 經濟體量大，是目前世界第二大經濟體，且發展迅速，經濟的持續發展是電力系統實現綠色、清潔化轉型的重要基礎.

(2) 風能與太陽能存在天然的季節互補性.風能資源在冬季較豐富，夏季較匱乏；而太陽能在冬季較匱乏，夏季則較豐富，風、光能資源的互補性為中國未來清潔電力的穩定生產創造了有利條件.

(3) 水能資源豐富，水電機組具有啟閉速度快、出力可調性強等優點，是平抑風、光出力隨機波動性的理想電源.近年來的實踐證明，水-風-光-儲聯合運行，能夠很好地滿足電力生產中清潔能源穩定性需求[7-8].

(4) 除了常規水電，抽水蓄能電站是水電發展的重要方向.2019年，中國已規劃建設抽水蓄能電站1.2×108kW，抽水蓄能發電不受河川徑流變化影響，調節能力更強，將會為電網安全運行提供重要的容量支撐[9].

(5) 隨著電化學、氫等儲能技術的進步[10-11]，未來建成的大型儲能電站也將會在風、光能源的消納中發揮舉足輕重的作用.

因此，中國新型電力系統的發展和建設應以風、光能為主的新能源為核心，常規水電、抽水蓄能和儲能作為風、光電消納的補償電源，并逐步降低火電和核電在電力系統中的占比，構建水-風-光-儲互補協同運行的綠色、清潔電力系統，響應“碳達峰、碳中和”戰略，最終實現節能減排目標和電力系統的可持續發展.

本文針對“雙碳”目標下中國清潔電力的發展問題，在簡述電力發展趨勢的基礎上，揭示中國清潔能源儲量及其特征.以2019為現狀年、2030為中期規劃水平年、2050為長期規劃水平年，預測中長期電力需求.依據電力電量平衡原理，估算中長期規劃水平年電力系統結構組成，并分析未來電力行業碳排放趨勢.本文旨在為以新能源為主體的新型電力系統發展對策的制定提供學科依據和參考.

1 世界電力發展趨勢

隨著全球氣候變暖、環境污染、化石燃料儲量下降以及核廢料排放、核事故等問題的出現，當今世界各國基本確立以新能源發電為主導的電力發展戰略.世界發達國家在能源轉型中堅持科技創新為先行，并制定了有關清潔再生能源發展政策和戰略計劃，以指引新能源產業的發展.其核心是逐步淘汰電力系統中的火電、核電，同時不斷增加水風光等清潔電力占比.

(1) 火電.目前，部分發達國家已經宣布放棄火電(見表1).瑞典2020年放棄火電，是淘汰火電時間最早的國家之一；法國宣布2023年完全依賴清潔能源供電；2019年，英國的清潔能源發電量已經超過化石燃料發電，到2025年完全依賴清潔能源供電；德國于2000年通過《可再生能源法》，以法律形式定調未來50年的新能源發展，到2038年完全依賴清潔能源供電.

表1 部分國家淘汰火電時間Tab.1 Time to phase out thermal power of some countries

(2) 水電.挪威、美國、日本、德國等發達國家水能資源開發利用率較高[12].其中挪威水力發電占99.5%，是世界上水電比例最高的國家[13].

(3) 風電.丹麥是世界上最早發展風力發電的國家，其風力發電技術在全球處于領先地位，風力發電占全國總發電量的50%左右[13].

(4) 光電.德國的太陽能發電在技術創新、國家政策方面都處于領先地位，2019年光電占全國總發電量的7.7%[14].

(5) 核電.核電在20世紀60年代至20世紀80年代得到快速發展.但在切爾諾貝利事故(1986年)和福島核電站事故(2011年)后，部分國家決定逐漸淘汰核電.日本2018年宣布在2030年前徹底放棄核電，并在2050年之前實現全面脫碳[15].德國于2011年正式宣布放棄核能發電，并計劃于2022年關閉所有核電廠[16].除此之外，瑞士、意大利和韓國也都宣布全面取消新建核電站，逐漸走向零核電時代.

近十年來，中國清潔電力發展迅速，風、光電在電力系統中的占比不斷上升.但與挪威、英國、德國、丹麥等發達國家相比，仍存在火電占比高、水電開發利用率低等問題.因此，應大力發展清潔電源，逐漸壓縮火電與核電，建設清潔、低碳、高效的新型電力系統.

2 中國清潔能源儲量及電價分析

中國幅員遼闊，各地能源結構存在差異，清潔電力的發展應遵循因地制宜的原則，需充分了解清潔能源在全國各地的儲量情況，與時俱進地發揮當地特色能源的優勢.

2.1 清潔能源儲量

中國水、風、光等清潔能源儲量豐富，技術可開發總量達15.687 TW，如表2所示.

表2 中國水、風、太陽能資源儲量Tab.2 Hydro, wind, and solar energy reserves of China

(1) 水能.中國水能資源技術可開發量達到 0.687 TW，居世界首位[5].以電量計，可開發的水能資源占世界總量的15%.水能資源主要集中在西南、西北地區，占總量的82.5%.

(2) 風能.中國疆域遼闊，海岸線長，風能資源豐富.70 m高度年平均風功率密度為232.4 W/m2，技術可開發量達到5 TW，主要分布在三北(西北、華北和東北)地區、青藏高原、云南、廣西以及浙江沿海等地.

(3) 太陽能.太陽能資源理論儲量約1 860 TW，技術可開發量達10 TW.但資源分布地區差異較大，總體上呈現高原、干旱地區儲量多，平原、多雨地區儲量少的特點.

中國水、風、光清潔能源儲量豐富，技術可開發總量裝機15.687 TW、年電量 25 870 TW·h，清潔能源儲量遠遠大于國家電力需求，實現電力系統綠色轉型切實可行.此外，中國水、風、光清潔能源均居世界首位，但多集中于西部地區.為滿足東部經濟發展的電力需求，“西電東送”已成為國家電力發展戰略.

2.2 電價分析

近十年來，風電、光電隨著建設成本以及發電成本的大幅下降，已經實現了平價上網，財政補貼缺口正逐漸縮小.根據文獻資料得到中國目前和未來水平年水、風、光、儲電站電價[17-19]，如表3所示.可以看出，隨著風電、光電開發技術的進步，發電成本顯著下降，清潔電力的經濟性將遠超化石能源發電.

表3 中國目前及未來水平年水、風、光、儲電站電價

3 未來水平年中國電力需求分析

3.1 2019年電力現狀分析

圖1所示為中國近十年各類型發電裝機以及發電量的變化過程.可知：隨著經濟的快速發展、電力需求持續增長，各類型的電源裝機都以不同速度增長，且火電裝機和發電量的占比逐年降低.2019年中國電力構成如表4所示，總裝機容量2.01 TW，發電量 7 326.6 TW·h，相比2009年分別增長130%和99%.

表4 2019年中國電力構成Tab.4 Eectric power structure of China in 2019

圖1 2009—2019年中國發電總裝機與總發電量Fig.1 Total installed capacity and total energy production of China in 2009—2019

此外，中國電力需求的增長速率與GDP增速密切相關(見圖2)，隨著GDP增速放緩，總用電量的增速也由10%以上降至5%左右.因此，可以預見，未來用電量的增速也將與經濟發展速度呈正相關關系.

圖2 中國電力需求與GDP增長情況Fig.2 Electricity demand and GDP growth of China

3.2 中長期電力需求預測

據測算，中國2020—2049年間的GDP年均增長率需達到5.0%，才能實現社會經濟現代化強國的經濟建設目標[20-21].依據現有經濟增長水平，對未來年均GDP增長率分階段規劃：2020—2030年、2030—2040年及2040—2050年年均GDP增長率分別為5.7%、5.0%及4.3%.在全社會電氣化加速改革的背景下[22-23]，用電技術的不斷提高和電力市場的完善使得電能在最終用能環節的競爭力顯著提升，加之電動汽車產業的快速發展和普及[24-25]，推動了未來電力需求的持續增長.綜合考慮當前電力需求增長速率、未來GDP增速持續放緩、節能意識和技術的持續進步[26]等因素，預計2020—2030年、2030—2035年、2035—2040年、2040—2045年及2045—2050年的電力需求年平均增長率分別為3.5%、3.0%、2.0%、1.5%及1.0%.

依據現狀年電力需求及未來各階段電力需求年均增長率，采用趨勢外推法計算得到未來電力需求結果，如圖3所示.其中，2030和2050水平年的電力年最大負荷將分別達到1.73 TW和2.51 TW，年電量需求 10 200和 14 700 TW·h.該預測結果與張寧等[23]采用長期能源替代規劃系統(LEAP)模型預測得到的中國未來電力需求結果基本一致.

圖3 未來30年中國電力需求預估Fig.3 Projected energy demand of China in the next 30 years

4 中長期電力電量平衡及碳排放估算

近年來，中國火力發電居高不下，燃煤排放出大量CO2以及大量細顆粒物(PM2.5)等有害物質，危害巨大.因此，加快綠色、清潔電力的發展，是推進生態文明建設和可持續發展的重要保障.

4.1 各類型電源發電特點及年利用小時數分析

(1) 各類型電源發電特點如表5所示.

表5 各類型電源發電特點Tab.5 Characteristics of each type of power source

(2) 年利用時間分析.

受電網負荷、季節更替、天氣條件、徑流條件及電站特性等復雜因素共同影響，不同電源的發電效益不同.通常采用年利用時間來衡量電站的發電效益(見圖4).可以看出，火電和核電的年利用時間較高，且隨著日益增加的風、光等新能源電站并網發電，其年利用時間存在明顯下降.隨著大型水電系統的完善和調度技術的提高，水電年利用時間逐漸提升并趨于穩定.風、光電易受天氣條件影響，年利用時間較低.考慮未來風、光電站開發技術及儲能技術的進步，設置2030和2050水平年各類型電站年利用時間，如表6所示.

表6 未來水平年各類型電站年利用時間(h)Tab.6 Annual utilization time of different power sources in future planning years (h)

圖4 各類型電站年利用時間Fig.4 Annual utilization time of various power sources

4.2 電力電量平衡原理

電力電量平衡是電力系統確定規模的依據，其基本原理是系統各類發電裝機大于等于年最大負荷加備用容量，系統各類電站的年發電量等于預測用電量.電力電量平衡計算公式如下：

(1)

(Zsphsp/ηsp-Zsphsp)

(2)

式中：Lmax為年最大負荷；δ為電力裝機備用率(包括事故備用、檢修備用和負荷備用等)，本文δ=0.2；Zi為第i類電源的裝機容量；C為年電量需求；hi為第i類電源的年利用時間；Ew和Ep分別為風電和光電的年發電量；λ為棄風、棄光限電水平；ηs為儲能電站利用效率，ηs=0.98；Zsp為抽水蓄能電站裝機容量；hsp為抽水蓄能電站年利用時間；ηsp為抽水蓄能電站利用效率，ηsp=0.7.值得一提的是，抽水蓄能電站和儲能電站僅能為電網帶來裝機效益，自身不產生電能，且抽水消耗的電能比發電大.

若式(1)滿足，則滿足電力平衡；若式(2)滿足，則滿足電量平衡.可靠、穩定、安全的電力系統必須滿足以上兩個條件，即滿足電力電量平衡.

4.3 2030規劃水平年電力電量平衡分析

預計2020—2030年，中國新能源產業進入快速發展階段，風、光新能源規模將保持13%～15%的增長速率，水能資源開發利用率將達到65%，生物質能、潮汐能等清潔能源也將得到快速發展.此外，預計2030年儲能電站規模需滿足10%棄風、棄光限電水平[27]，規模達到0.14 TW/(0.403 TW·h).

2030年，預測最大負荷1.73 TW，所需電力裝機2.08 TW、電量 10 200 TW·h.假設火電能夠被風電、光電等清潔電源部分取代.通過電力電量平衡計算，結果如表7所示.

表7 2030水平年電力電量平衡計算表

可以看出，2030年總裝機將達到3.81 TW，總發電量 10 200 TW·h，滿足電力電量平衡需求.其中，清潔電力裝機達到2.61 TW，大于 2.25 TW 裝機需求，但電量 0.517 TW·h，不能滿足1.02 TW·h的電量需求.因此，2030年仍需保留火電裝機 1.2 TW，與現狀年基本持平，電力生產仍是化石能源與清潔能源協同完成，火電在保障電力安全方面仍發揮基礎性的作用[28].2030年各類型電站平均年利用時間為 2 677 h，相比2019現狀年的 3 645 h減少26.6%.與火電、核電相比，風、光電站發電效率較低，年利用時間較低.隨著火電占比逐漸減小，為滿足電量需求，清潔電力裝機快速增長，進而造成系統各類型電站平均年利用時間下降.需要說明的是，2030年不可能全部廢棄火電，一是短時間廢除不經濟，對社會穩定不利；二是清潔電力的開發能力與速度不容許.

各類型電站裝機占比及發電量占比如圖5所示，由圖5看出，清潔電力裝機占比超過65%，發電占比超過50%.與國家“十四五”電力發展規劃2025、2035年比較，結果基本一致，表明了本研究結果的合理性與可靠性.

圖5 2030水平年中國各類電站裝機占比及發電量占比Fig.5 Proportion of installed capacity and energy production of different power sources of China in the palnning year of 2030

綜上所述，2030年之前，風電、光電等新能源發展迅速，但火電在電力系統中仍占比最大，多數風電、光電的消納任務可由水電與抽水蓄能電站共同承擔，進而為儲能電站的技術進步和健康發展提供時間保障.

4.4 2050規劃水平年電力電量平衡分析

2030—2050年，中國新能源產業技術持續進步，規模持續增大，預計新能源裝機以年均7%～8%的速度增長，火電在電力系統的占比將持續降低且裝機容量逐漸下降[29].核電雖屬清潔能源，但其安全性存在隱患，借鑒發達國家經驗核電站也將逐漸被風、光等新能源取代.2050年，中國水能資源開發利用率將達到80%.風、光清潔電力裝機規模大幅度增加，而常規調節電源容量下降，電網的穩定運行需要配備更多的儲能設施.綜合考慮風電、光電預測與調控技術的進步[30]、電網智能化發展[31-32]、電網調度技術和大規模儲能技術的進步，以及未來電動汽車V2G技術普及對電網帶來的正面影響[25]，預估儲能電站規模需滿足25%的棄風、棄光限電水平，裝機規模達到1.07 TW/3.02 TW·h.

2050年，預測最大負荷2.51 TW、所需電力裝機3.01 TW、電量 1 4700 TW·h.假設火電、核電能夠被風電、光電等清潔電源全部取代，風、光電通過水電、抽水蓄能和儲能電站消納.通過電力電量平衡計算，結果如表8所示.

表8 2050水平年電力電量平衡計算表

可以看出，2050年的總裝機達到9.28 TW，總發電量1.47 TW·h，滿足電力電量平衡需求.2050年各類型電站平均年利用時間進一步降至 1 584 h，與2019現狀年、2030水平年相比分別減少了56.5%和40.8%.2050年，火電和核電將被水電、風電和光電等清潔電力全部取代，電力系統的備用容量可由水電、抽水蓄能和儲能電站來提供，從而實現100%依靠清潔能源的電力生產，由此完成電力結構的綠色轉型.

各類型電站裝機及發電量占比如圖6所示，由圖6可以看出：水電(含抽水蓄能)裝機占比9.8%，電量占比13.7%；風電裝機占比36.6%，電量占比47.9%；光電裝機占比40.9%，電量占比33.1%；生物質能、潮汐能等裝機占比1.6%，電量占比5.2%；儲能裝機占比11.5%.國家“十四五”電力發展規劃2050年總裝機達到6.01 TW，總發電量 14 300 TW·h，其中清潔電力裝機5.36 TW，占比89.5%，電量 13 000 TW·h，占比90.9%；仍保留火電、核電裝機0.403、0.177 TW，占比9.7%，電量 2 040 TW·h，占比14.3%.

圖6 2050水平年中國各類電站裝機占比及發電量占比Fig.6 Proportion of installed capacity and energy production of different power sources of China in the palnning year of 2050

研究結果表明，2050年火電和核電被清潔電力全部取代，與“十四五”電力發展規劃相比，思路超前，結果符合世界電力發展趨勢以及“雙碳”驅動下的發展目標，僅供國家有關部門參考.

4.5 未來水平年中國電力CO2排放量分析

依據中國未來碳排放規劃[33]，2019現狀年火電CO2排放水平(0.841 kg/(kW·h))、2030和2050水平年電力電量平衡結果，估算了未來電力碳排放量，并繪制了中國未來CO2排放量趨勢圖，如圖7所示.由圖7可知：2027年中國火電電量達到峰值，約為 5 310 TW·h.同時，電力行業CO2排放量也將于2027年達到峰值，約為4.47×109t，符合中國“2030年前碳達峰”的規劃目標.中國將于2028年首次實現清潔能源電量增量大于電量需求增量.2030年后，火電將加速被水電、風電和光電等清潔電力取代，電力系統的CO2排放量也將加速降低.

圖7 中國未來CO2排放趨勢圖Fig.7 Projected changing trend of China’s future CO2 emissions

到2050年，伴隨電力結構綠色轉型的完成，中國電力行業將實現CO2的“零排放”，進而為兌現中國“2060年實現碳中和”的承諾做出貢獻.

5 發展對策與建議

在中國“雙碳”目標驅動下，未來中國大規模發展清潔電力勢在必行，在技術和經濟層面不但具有必要性而且存在可行性.本文通過對中國新型電力系統發展對策的研究，闡述了世界電力發展趨勢，預測了中長期電力需求，依據電力電量平衡原理估算了規劃水平年電力系統結構組成等，得出如下發展對策與建議.

5.1 發展對策

(1) 必要性.清潔能源是未來世界電力發展方向.中國是世界上最大的電力生產與消費國，為了實現“碳達峰、碳中和”承諾，必須走電力系統的綠色轉型之路.

(2) 可行性.中國水、風、光等清潔能源儲量豐富，地域廣，開發利用技術基本成熟，具備在未來大規模發展清潔電力的前提條件.雖然風電、光電具有強隨機性、間歇性和波動性，電網難以消納，但是通過大規模水-風-光-儲互補協調運行可彌補其不足.

(3) 2030規劃水平年.清潔電力裝機容量和發電量分別占總裝機和總發電量的65%、50%以上，配套的儲能電站規模達0.14 TW/(0.403 TW·h)，但不可全部廢除火電.一是短時間廢除不經濟，對社會穩定不利；二是清潔電力的開發能力與速度不容許.

(4) 2050規劃水平年.隨著水、風、光等清潔電力的進一步發展，水電、儲能和抽水蓄能電站在電網運行中將承擔調峰和風、光電消納任務，火電、核電將被清潔電力全部取代，屆時中國將建成水-風-光-儲等電源結構系統，完成電力結構的綠色轉型.

5.2 建議

(1) 加快清潔電源的規劃和建設.水電開發利用程度從當前的47%到2050年的80%以上.2030年前風、光電開發增速保持在13%以上，2030至2050年保持在7%以上，以確保2050年實現電力結構的綠色轉型目標.

(2) 大力發展抽水蓄能電站、儲能電站、潮汐能和生物質能發電.實現2030、2050年儲能電站規模能夠分別匹配10%、25%棄電限電水平.同時，生物質能等電源發電量占比分別達到2.5%和5%，構建多元化、清潔化電力生產系統.

(3) 逐步關?；痣?從現在開始不再規劃、立項火電項目.2030年以后，當火電投資回收后，不再利用，成熟一個關停一個，到2050年實現全部關停火電.

(4) 謹慎利用核電.從安全性考慮，從現在開始減少核電規劃、立項項目，對過去已建核電，一旦有安全隱患，堅決關停.2030年開始同步減小核電規模，到2050年基本關停核電.

(5) 電力行業作為中國的碳排放“大戶”，需緊抓當前電力系統綠色轉型的歷史機遇，加速推進低碳化、清潔化電力系統的建設，爭取分別于2027、2050年實現電力行業的碳達峰、碳中和.

需說明的是，本文所采用的部分數據難以準確預估，因此采用的是情景設置值，據此所得到的計算結果可能與未來實際情況有所偏差.另外，限于篇幅，本文主要探討了“碳達峰、碳中和”目標下未來電力系統各類型電源的裝機容量、發電量與用電需求的平衡，而未從系統運行層面進行供需平衡分析，未來仍需做進一步研究.本文在此拋磚引玉，所采用的研究思路、結論以及建議供各界學者參考.