東北地區(qū)碳排放現(xiàn)狀分析與“雙碳”目標下新能源發(fā)展建議

張忠華，李春山，胡 杰，于 淼

(1．中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，吉林 長春 130021；2．國家電網(wǎng)有限公司東北分部，遼寧 沈陽 110180)

2020年9月，在第75屆聯(lián)合國大會上，中國提出“將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，力爭2030年前CO2排放達到峰值，努力爭取2060年實現(xiàn)碳中和”。為盡早實現(xiàn)“雙碳”目標，我國將加快構建以適應新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)，東北地區(qū)(本文僅指遼寧、吉林和黑龍江三省)有豐富的風、光資源，新能源發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

本文根據(jù)對2010—2019年東北地區(qū)碳排放特別是電力行業(yè)碳排放情況的分析，論證地區(qū)碳排放總體形勢及達峰情況，并結合地區(qū)新能源實際開發(fā)情況，提出適應東北地區(qū)能源轉(zhuǎn)型及可持續(xù)發(fā)展的新能源發(fā)展建議。

1 東北地區(qū)經(jīng)濟與電力供應概況

1.1 經(jīng)濟發(fā)展概況

2019年，東北地區(qū)GDP總量為50 126.5億元，同比增長4.5%，低于全國GDP增速1.5個百分點。其中，遼寧省GDP總量為24 855.3億元，同比增長5.4%；吉林省GDP總量為11 726億元，同比增長3.0%；黑龍江省GDP總量為13 544.4億元，同比增長4.0%[1-3]。

2010—2019年，東北地區(qū)GDP年均增速約為6.1%。“十二五”初期，地區(qū)GDP年增速略高于全國GDP年增速，隨著地區(qū)產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整及外在經(jīng)濟大環(huán)境影響，2014年以來，地區(qū)GDP增速均低于全國GDP年增速，且地區(qū)經(jīng)濟總量占全國占比逐年下降，2019年占比約為5.0%，除遼寧省經(jīng)濟排名居中前位外，其他兩省均排名靠后。2010—2019年，東北地區(qū)GDP增長情況如圖1所示。

圖1 2010—2019年東北地區(qū)GDP增長情況

1.2 電力供應概況

2019年，東北地區(qū)發(fā)電量4005.3億kWh，同比增長4.7%。其中，化石能源發(fā)電量2880.9億kWh，水電發(fā)電量138.1億kWh，核電發(fā)電量327.3億kWh，非水可再生能源發(fā)電量659.1億kWh。

2010—2019年，東北地區(qū)化石能源發(fā)電量占比由89.4%下降至71%，非水可再生能源發(fā)電量占比由4.1%提高到16.5%，風、光、生物質(zhì)發(fā)電量不斷增加，電力清潔化程度有顯著改善，并始終高于全國電力清潔化平均水平。2010—2019年，全國及東北地區(qū)非化石能源發(fā)電量占比情況如圖2所示。

2010—2019年，東北三省非水可再生能源發(fā)電量占比也不斷提高。其中，2019年吉林省和黑龍江省非水可再生能源發(fā)電量占比均已超過20%，如表1所示，遼寧省在計入核電發(fā)電量后，非水清潔能源發(fā)電量占比也超過20%，電力清潔化程度均較高。

表1 東北三省非水可再生能源發(fā)電量占比 單位：%

圖2 2010—2019年全國及東北地區(qū)非化石能源發(fā)電量占比情況

2 東北地區(qū)碳排放及總體形勢分析

2.1 碳排放量概況

a.CO2碳排放總量

2019年，東北地區(qū)CO2排放量1015.3×106t[4]，同比增長5.2%，高于全國30省(不含西藏)平均增速1.8個百分點。其中，遼寧省、吉林省和黑龍江省CO2排放量占比分別為53%、20%和27%。

2010—2019年，東北地區(qū)CO2排放量年均增速約為1.5%，低于全國30省(不含西藏)年均增速約1.2個百分點。2010—2019年，東北地區(qū)與全國30省碳排放量對比如圖3所示，“十二五”初期，地區(qū)CO2排放量年增速較快，在經(jīng)歷2013年、2014年2年平穩(wěn)期后，2015年和2016年，地區(qū)CO2排放量均為負增長，2017年以后地區(qū)CO2排放量呈波動性上漲趨勢。

2010—2019年，東北地區(qū)三省CO2排放量增速變化較全國30省(不含西藏)更為劇烈。其中，“十二五”初期，吉林省和黑龍江省增速變化與全國30省(不含西藏)相反，后期三省增速變化趨勢與全國近同。2010—2019年，東北三省與全國30省碳排放量增速對比如圖4所示。

圖3 2010—2019年東北地區(qū)與全國30省碳排放量對比

圖4 2010—2019年東北三省與全國30省碳排放量增速對比

b.電力行業(yè)CO2碳排放量

2019年，東北地區(qū)電力行業(yè)CO2排放量523.3×106t，同比增長4.9%，約占地區(qū)CO2排放量的51.5%，與全國30省(不含西藏)占比基本持平。其中，遼寧省、吉林省和黑龍江省電力行業(yè)CO2排放量占比分別為47%、22%和31%。

2010—2019年，東北地區(qū)電力行業(yè)CO2排放量年均增速約為2.4%，低于全國30省(不含西藏)年均增速1個百分點，主要呈現(xiàn)增長態(tài)勢。地區(qū)電力行業(yè)CO2排放量占比基本維持在50%左右，近期占比有增大趨勢。2010—2019年，東北地區(qū)與全國30省電力行業(yè)碳排放量對比如圖5所示。

2010—2019年，東北地區(qū)三省電力行業(yè)CO2排放量增速變化較全國30省(不含西藏)更為劇烈，除黑龍江省增速變化與全國30省(不含西藏)相反，遼寧省和吉林省增速變化趨勢與全國相近，具體增速對比情況如圖6所示。

圖5 2010—2019年東北地區(qū)與全國30省電力行業(yè)碳排放量對比

圖6 2010—2019年東北三省與全國30省電力行業(yè)碳排放量增速對比

2.2 碳排放強度分析

本文碳排放強度按碳排放量與GDP的比值[5]設定，電力行業(yè)碳排放強度按行業(yè)碳排放量與發(fā)電量的比值設定。

經(jīng)計算，2010—2019年，東北地區(qū)碳排放強度由3.13 t/萬元GDP降低到2.03 t/萬元GDP，高于全國30省(不含西藏)平均碳排放強度；下降幅度為34.6%，低于全國30省(不含西藏)平均下降幅度。

2010—2019年，東北地區(qū)電力行業(yè)碳排放強度由31.8 t/萬kWh降低到25.3 t/萬kWh，高于全國30省(不含西藏)電力行業(yè)平均碳排放強度；下降幅度為20.2%，低于全國30省(不含西藏)平均下降幅度。近期全國30省及東北地區(qū)碳排放強度統(tǒng)計如表2所示。

表2 近期全國30省及東北地區(qū)碳排放強度統(tǒng)計

2.3 碳排放脫鉤性分析

根據(jù)2002年經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)提出的脫鉤理論[6]，碳排放彈性系數(shù)按碳排放量增速與經(jīng)濟增長增速比值。參考OECD 脫鉤理論及Tapio脫鉤模型[7]，本文設定電力行業(yè)碳排放彈性系數(shù)為電力碳排放量增速與電力發(fā)電量增速的比值。

通常，碳排放彈性系數(shù)的脫鉤狀態(tài)可分為4種類型，分別為弱脫鉤、強脫鉤、衰退型脫鉤及負脫鉤[8]。其中，當碳排放量增速與經(jīng)濟(或發(fā)電量)增速均為正值，且碳排放量增速更小時，為弱脫鉤；當經(jīng)濟(或發(fā)電量)正增長而碳排放量負增長時，為強脫鉤；而當碳排放量增速與經(jīng)濟(或發(fā)電量)增速均為負值，且碳排放量降速更大時，為衰退型脫鉤；其他情況均為負脫鉤。因此，通過分析地區(qū)碳排放彈性系數(shù)特別是碳排放量占比較大的電力行業(yè)碳排放彈性系數(shù)，對判斷地區(qū)碳達峰情況具有重要意義。

經(jīng)計算，2010—2019年，東北地區(qū)碳排放彈性系數(shù)由2010年的1.06波動性調(diào)整至2019年的1.16。其中，“十二五”期間主要呈現(xiàn)弱脫鉤性，“十三五”以來，彈性系數(shù)波動性較大，總體呈現(xiàn)負脫鉤性，2019年碳排放量增速明顯加快。

2010—2019年，東北地區(qū)電力行業(yè)碳排放彈性系數(shù)由2010年的0.98波動性調(diào)整至2019年的1.06，整體呈現(xiàn)弱脫鉤性，個別年份出現(xiàn)表象性負脫鉤。東北地區(qū)及地區(qū)電力行業(yè)碳排放彈性系數(shù)變化情況如圖7所示。

圖7 2010—2019年東北地區(qū)碳排放彈性系數(shù)變化

2.4 碳排放總體形勢判斷

從碳排放量看，東北地區(qū)碳排放總量特別是電力行業(yè)碳排放量仍在波動性增長；從碳排放強度看，東北地區(qū)碳排放強度及電力行業(yè)碳排放強度均有明顯下降，但與全國30省(不含西藏)仍有一定差距；從碳排放彈性系數(shù)來說，近期東北地區(qū)碳排放系數(shù)呈負脫鉤性，而電力行業(yè)碳排放系數(shù)呈弱脫鉤性。

碳達峰常見判斷方法包括與最新碳排放量數(shù)據(jù)對比，歷史碳排放量已達最高水平；在碳排放量達峰后5年內(nèi)，地區(qū)碳排放量減少10%以上等[9]。按照上述判斷方法，東北地區(qū)碳排放仍未實現(xiàn)達峰，電力行業(yè)達峰趨勢快于整體發(fā)展。因此，“雙碳”目標下，東北地區(qū)碳達峰壓力較大，產(chǎn)業(yè)結構和能源消費結構仍有待進一步優(yōu)化調(diào)整，對新能源的高質(zhì)量可持續(xù)性發(fā)展需求迫切。

3 東北地區(qū)新能源發(fā)展情況及面臨的形勢

3.1 風資源情況及風電發(fā)展現(xiàn)狀

東北地區(qū)處于“三北”風能資源豐富區(qū)，所屬吉林省和黑龍江省均已納入全國九大大型風電基地，東北地區(qū)風電潛在可開發(fā)量約為5.2億kW。

2019年，東北地區(qū)風電裝機約為2000.4萬kW，同比增長6.8%，占全國風電裝機的9.6%。地區(qū)風電已開發(fā)量約為潛在可開發(fā)量的4%。

2019年，東北地區(qū)風電發(fā)電量約437.7億kWh，同比增長10.9%，占全國風電發(fā)電量的10.8%。

3.2 光資源情況及光伏發(fā)展現(xiàn)狀

東北地區(qū)光資源較為豐富，屬于太陽能輻照的二類地區(qū)。其中，遼寧省年太陽能輻射量為5103 MJ/m2，年日照時數(shù)2100～2600 h；吉林省年太陽能輻射量為5052 MJ/m2，年日照時數(shù)2200～3000 h；黑龍江省年太陽能輻射量為4400～5028 MJ/m2，年日照時數(shù)2242～2842 h。據(jù)統(tǒng)計，東北地區(qū)光伏潛在可開發(fā)量約為4.3億kW[10]。

2019年，東北地區(qū)光伏裝機約為891.4萬kW，同比增長14.0%，占全國光伏裝機的4.4%。地區(qū)光伏已開發(fā)量約為潛在可開發(fā)量的2%。

2019年，東北地區(qū)光伏發(fā)電量約為114.4億kWh，同比增長49.8%，占全國光伏發(fā)電量的5.1%。

3.3 新能源消納情況

受消納能力限制，黑龍江省、吉林省和蒙東地區(qū)均在“十三五”初期出現(xiàn)風電建設紅色預警。在采取魯固直流外送、火電機組靈活性改造、大用戶直供等多項措施后，電網(wǎng)調(diào)峰能力逐漸好轉(zhuǎn)，新能源接納水平顯著提高。2019年，除蒙東赤峰地區(qū)風電建設仍為橙色預警外，其他地區(qū)均為綠色。

2019年，東北地區(qū)新能源利用率99.0%，較2016年提高18.3個百分點。其中，風電利用率98.8%，光伏利用率99.5%，新能源利用水平較2016年均有明顯提高，具體對比情況如圖8所示。

圖8 2016年和2019年東北地區(qū)新能源利用率對比

3.4 新能源發(fā)展面臨的形勢

a.新能源定位調(diào)整

東北地區(qū)風、光資源較為豐富。目前，風電及光伏已成為地區(qū)第2、第3大裝機容量電源，但其發(fā)電量合計僅占地區(qū)發(fā)電量的13.8%，新能源已開發(fā)量僅為潛在可開發(fā)量的3%，新能源利用程度明顯偏低。在“雙碳”目標背景下，東北地區(qū)新能源將迎來新一輪大發(fā)展，新能源定位也將由補充電源過渡為主力電源，需重新理清和定位新能源在電力系統(tǒng)中發(fā)揮的作用及應承擔的責任。

b.電力系統(tǒng)靈活性需求

受風、光等新能源發(fā)電間歇性和波動性特點影響，隨著風電、光伏接入系統(tǒng)規(guī)模的不斷增加，系統(tǒng)出力可控性顯著降低，系統(tǒng)運行的隨機性和不確定性增加，對電力系統(tǒng)靈活性資源需求明顯提高。目前，東北地區(qū)系統(tǒng)靈活性資源主要體現(xiàn)在電源側(cè)，即利用常規(guī)火電調(diào)峰能力及靈活性改造、抽水蓄能電站及電化學儲能等，靈活性資源來源較為單一，靈活性資源不足問題日益突出。

c.資源與需求匹配度不高

東北地區(qū)風、光豐富資源地區(qū)通常為系統(tǒng)結構較為薄弱地區(qū)，如吉林省松白地區(qū)、黑龍江東部地區(qū)等，風、光資源與電網(wǎng)及負荷呈現(xiàn)典型的逆向分布特點[11]。地區(qū)風、光資源開發(fā)以規(guī)模化、集中式電站為主，通常采用電力匯集方式，經(jīng)長距離、高電壓等級送出后在更大范圍內(nèi)消納。地區(qū)內(nèi)資源開發(fā)與并網(wǎng)需求、消納需求匹配度不高，送出及消納矛盾較為突出。

4 適應東北地區(qū)新能源發(fā)展的建議

4.1 提升電力系統(tǒng)靈活性

電力系統(tǒng)靈活性一般指在一定時間尺度下，電力系統(tǒng)通過優(yōu)化調(diào)配各類可用資源，以一定成本適應發(fā)電、電網(wǎng)及負荷隨機變化的能力[12]。隨著新能源接入系統(tǒng)的規(guī)模及比例不斷增長，電力系統(tǒng)靈活性需求更加強烈，建議從源、網(wǎng)、荷、儲幾個方面聯(lián)合互動，全面提升電力系統(tǒng)靈活性。

a.電源側(cè)

東北地區(qū)現(xiàn)有靈活性電源主要為火電、水電及抽水蓄能電站，且受現(xiàn)有電源結構影響，火電為主力調(diào)節(jié)電源，調(diào)節(jié)手段較為單一。建議進一步采取豐富電源靈活性的措施，包括加快抽水蓄能電站布局建設，加大煤電靈活性改造力度，推動風光儲互補互濟聯(lián)合送出模式形成，謀劃燃氣調(diào)峰電站建設等。

b.電網(wǎng)側(cè)

東北電網(wǎng)目前經(jīng)魯固特高壓直流和高嶺背靠背直流與華北電網(wǎng)連接。受資源與負荷分布不均衡等因素影響，東北電網(wǎng)為典型的送端電網(wǎng)，隨著新能源的大規(guī)模接入，地區(qū)電力電量的送出需求更加迫切。建議以松遼清潔能源基地為平臺，加快跨省跨區(qū)輸電通道建設，推動新能源特高壓直流輸電通道、多端直流輸電通道的謀劃落地。

此外，建議充分利用中俄東線天然氣資源，探索電、氣雙網(wǎng)循環(huán)發(fā)展模式，推動氣電產(chǎn)業(yè)和清潔能源的高效融合發(fā)展。氣、電雙網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)設想如圖9所示。

圖9 氣、電雙網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)設想

c.負荷側(cè)

受氣候及地理環(huán)境影響，東北地區(qū)供暖需求大，供暖期長。在“雙碳”目標的新形勢下，煤電發(fā)展將更為謹慎科學。為滿足持續(xù)增長的供暖需要，建議開展“互聯(lián)網(wǎng)+”清潔供暖技術，充分利用互聯(lián)網(wǎng)調(diào)節(jié)控制策略，將風電、光伏等新能源轉(zhuǎn)換成供熱主力。

d.儲能側(cè)

儲能能夠為電網(wǎng)運行提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用、黑啟動、需求響應支撐等多種服務，是提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟性和安全性的重要手段。建議大力發(fā)展壓縮空氣、飛輪、超級電容等新興儲能技術，鼓勵可再生能源場站合理配置儲能系統(tǒng)，允許儲能系統(tǒng)與機組聯(lián)合或作為獨立主體參與輔助服務交易，通過完善輔助服務補償(市場)機制建立儲能系統(tǒng)促進可再生能源消納的長效機制。

此外，生物質(zhì)能源作為優(yōu)質(zhì)的零碳燃料，與常規(guī)燃煤供熱相比，其供熱可有效降低顆粒物及二氧化硫排放量。東北地區(qū)有豐富的生物質(zhì)能，但現(xiàn)有開發(fā)程度不足。建議以北歐國家生物質(zhì)能供熱的成功經(jīng)驗為借鑒，在秸稈等農(nóng)林作物豐富的農(nóng)村地區(qū)，合理推廣生物質(zhì)供熱技術，調(diào)整優(yōu)化地區(qū)供熱模式。

4.2 因地制宜促進新能源高質(zhì)量發(fā)展

東北地區(qū)除遼寧省為具有較長海岸線的受端電網(wǎng)外，吉林省和黑龍江省均為典型的內(nèi)陸送端電網(wǎng)。建議因地制宜采取有針對性的新能源高質(zhì)量發(fā)展策略。其中，遼寧省煉油行業(yè)較發(fā)達，對氫氣需求量較大，可考慮利用遼寧西部、北部較豐富的陸上風電資源及沿海城市較好的海上風電資源實現(xiàn)規(guī)模化制氫產(chǎn)業(yè)；吉林省松白地區(qū)、黑龍江省西部地區(qū)風、光資源較為豐富，建議聯(lián)合形成松遼風光儲一體化基地，采用特高壓直流輸電技術集中將新能源送至華北等負荷中心。

5 結論

a.通過對東北地區(qū)碳排放總體形勢的分析，地區(qū)碳排放仍未實現(xiàn)達峰，電力行業(yè)達峰趨勢快于整體發(fā)展，地區(qū)產(chǎn)業(yè)結構和能源消費結構仍有待進一步優(yōu)化調(diào)整，對新能源的高質(zhì)量可持續(xù)性發(fā)展需求迫切。

b.東北地區(qū)具有較豐富的風、光資源，但已開發(fā)率明顯偏低。作為中國實現(xiàn)“雙碳”目標的重要清潔能源基地，東北地區(qū)新能源高質(zhì)量發(fā)展仍面臨火電與新能源傳統(tǒng)定位轉(zhuǎn)換調(diào)整、電力系統(tǒng)靈活性資源需求增加、資源與需求匹配度不高等多種挑戰(zhàn)。

c.結合東北地區(qū)新能源及電力系統(tǒng)發(fā)展實際，提出從源、網(wǎng)、荷、儲幾個方面全面提升電力系統(tǒng)靈活性，根據(jù)東北三省資源及負荷特點因地制宜發(fā)展新能源等,有效促進東北地區(qū)新能源高質(zhì)量發(fā)展的相關建議。