一、實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)要求重構(gòu)能源體系

現(xiàn)階段，我國用能需求高，能源結(jié)構(gòu)以煤為主，使得碳排放總量和強度“雙高”。2020年全國能源系統(tǒng)相關(guān)二氧化碳排放約113億噸（含工業(yè)過程排放）①，其中，煤炭、石油、天然氣對應(yīng)碳排放占比分別為66%、16%、6%。為促進“雙碳”目標(biāo)達成，需重構(gòu)能源體系。探討能源轉(zhuǎn)型框架路線圖需要從二氧化碳排放來源、人為消除方法等方面綜合考量分析。二氧化碳排放的人為消除方法主要包括碳匯、碳捕捉與封存。就整個能源系統(tǒng)而言，減少二氧化碳排放的兩種方式為減少能源消費總量、調(diào)整能源消費結(jié)構(gòu)②。

圖1 碳中和實現(xiàn)路徑

運用情景分析法，根據(jù)消費總量和能源結(jié)構(gòu)設(shè)定能源轉(zhuǎn)型情景。消費總量方面，設(shè)定為高能耗情景和低能耗兩種情景，預(yù)計2060年我國能源消費總量為50億～55億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。能源結(jié)構(gòu)方面，設(shè)定了兩種不同非化石能源消費比重的能源消費結(jié)構(gòu)情景：高比重情景和低比重情景。預(yù)計2060年非化石能源占比80%～90%。組成了四種未來能源轉(zhuǎn)型和碳減排情景：一是低能耗和非化石能源低比重情景，二是高能耗-低比重情景，三是高能耗-高比重情景，四是低能耗-高比重情景。

圖2 四種情景下的能源消費碳減排路徑

二氧化碳減排速度最快的是低能耗-高比重情景，其次是高能耗-高比重情景，再次是低能耗-低比重情景，最后是高能耗-低比重情景。上述四種情景均能夠滿足2030年前碳達峰和2060年前碳中和的要求。在基準(zhǔn)情景下，2060年仍然有16億噸的碳排放量。考慮CCUS技術(shù)運用后，因能源消費向大氣中排放的二氧化碳有望減少到10億噸以內(nèi)。而在碳中和目標(biāo)設(shè)定情景中的低能耗-高比重情景下，2060年碳排放量能夠降至10億～22億噸。因此，通過控制能源消費量和調(diào)整能源消費結(jié)構(gòu)來重構(gòu)能源體系的可行性較高。

圖3 基準(zhǔn)情景下的能源轉(zhuǎn)型情景

二、能源體系重構(gòu)以電氣化和低碳化為主方向

重構(gòu)能源體系是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必然要求，而構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是“雙碳”目標(biāo)導(dǎo)向下能源體系重構(gòu)的核心。構(gòu)建新型電力系統(tǒng)一方面有助于終端能源消費部門通過電能替代來減少溫室氣體的排放，另一方面有助于通過非化石能源對傳統(tǒng)化石能源的替代來實現(xiàn)低碳排放。由于大部分非化石能源是通過電能轉(zhuǎn)化利用，實施電能替代的終端部門用能方式將進一步提升電氣化水平。同時，加大對非化石能源的利用又會促進電力系統(tǒng)低碳化。因此，新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的本質(zhì)是實現(xiàn)高水平電氣化和低碳化。

圖4 電力系統(tǒng)低碳化

在能源系統(tǒng)電氣化水平方面，《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》中提到，到2025年，可再生能源非電利用規(guī)模要達到6000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤以上。隨著生產(chǎn)側(cè)非化石能源大比例接入電力系統(tǒng)，電氣化水平在能源生產(chǎn)側(cè)主要體現(xiàn)為一次能源通過電能轉(zhuǎn)化的比重，即一次能源用于發(fā)電的比重。由于加強終端部門電能替代將有效削減煤炭等化石能源消費從而減少二氧化碳排放，電氣化水平在消費側(cè)主要體現(xiàn)為電能占終端能源消費的比重。預(yù)計到2060年，在生產(chǎn)側(cè)一次能源通過電能轉(zhuǎn)化比重會由2020年45%提高到85%以上，相應(yīng)的終端能源消費也從目前的26%提高到70%左右，電能將逐步成為終端能源主體。

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)應(yīng)將發(fā)展非化石能源放在首要位置，提高非化石能源消費比重和發(fā)電比重，進而實現(xiàn)電力系統(tǒng)低碳化。預(yù)計到2060年，非化石能源消費比重將從2020年的15.9%提高到85%左右，對應(yīng)的非化石能源發(fā)電比重將從2020年的33%上升到90%以上；相應(yīng)地，到2060年，非化石能源裝機容量占比將達到90%左右，非化石能源發(fā)電量將達到14萬億千瓦時。隨著非化石能源消費比重的提升，非化石能源電能轉(zhuǎn)化比重也將提高，非化石能源會逐步取代化石能源成為支撐電力系統(tǒng)的主要能源。

圖5 能源系統(tǒng)電氣化

三、新型電力系統(tǒng)的五大特征

“雙碳”目標(biāo)下，低碳、零碳的非化石能源將替代傳統(tǒng)高碳能源成為電力系統(tǒng)能量供應(yīng)的主體。新型電力系統(tǒng)具有五大特征：適應(yīng)新能源比例持續(xù)提高的要求，具有高度靈活性以適應(yīng)風(fēng)電光電的間歇性和波動性，電力電子化大大降低系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，集中式與分布式相結(jié)合，高度數(shù)字化、智能化、互聯(lián)化。

（一）適應(yīng)新能源比例持續(xù)提高的要求

“雙碳”目標(biāo)形成的低碳約束要求電力系統(tǒng)的能源供應(yīng)體系由傳統(tǒng)化石能源為主體向非化石能源為主體轉(zhuǎn)變。然而，水電、核電、生物質(zhì)發(fā)電和地?zé)岚l(fā)電受資源環(huán)境等因素的約束，未來開發(fā)規(guī)模相對有限，無法成為電能供應(yīng)的主體。風(fēng)能、太陽能等新能源由于資源豐富、利用技術(shù)相對成熟將成為新型電力系統(tǒng)能源供應(yīng)的主體。預(yù)計到2060年新能源發(fā)電量將占總發(fā)電量的65%以上，裝機量將占總裝機量的80%以上。

（二）具有高度靈活性以適應(yīng)風(fēng)光電的間歇性和波動性

風(fēng)光等新能源發(fā)電間歇性、波動性的特征促使新型電力系統(tǒng)波動性、不穩(wěn)定性增強。為保證新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，新型電力系統(tǒng)將是可以平抑出力波動，具備充足調(diào)峰調(diào)頻能力，可有效應(yīng)對電源、電網(wǎng)及負(fù)荷波動性、不穩(wěn)定性的高度靈活的電力系統(tǒng)。新型電力系統(tǒng)的高度靈活性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：具有“風(fēng)光水火儲”一體化、多能互補的能源供應(yīng)系統(tǒng)，具有較強預(yù)測能力和平衡調(diào)控能力的調(diào)度系統(tǒng)，各類儲能的廣泛應(yīng)用。

（三）電力電子化大大降低系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量

在新能源替代和新型負(fù)荷等多重內(nèi)外部需求的共同驅(qū)動下，電力電子技術(shù)將在新型電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、變、配、用各環(huán)節(jié)得到更加廣泛的應(yīng)用。特別是發(fā)電側(cè)將從以傳統(tǒng)機械電磁元件為主轉(zhuǎn)向以電力電子元件為主，這將形成低轉(zhuǎn)動慣量的新型電力系統(tǒng)。由于低轉(zhuǎn)動慣量系統(tǒng)的抗干擾能力較弱，更易發(fā)生的功率擾動與電力安全事故將威脅新型電力系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定運行。

（四）集中式與分布式相結(jié)合

考慮到風(fēng)能、太陽能資源分散性的特征，為最大程度開發(fā)和利用新能源，集中式與分布式相互結(jié)合、協(xié)同發(fā)展將成為新型電力系統(tǒng)的重要特征。該特征主要體現(xiàn)在兩個方面：一是集中式電源和分布式電源相結(jié)合，二是主干電網(wǎng)和區(qū)域電網(wǎng)、微網(wǎng)相結(jié)合。新能源集中式與分布式并舉開發(fā)利用依賴于源網(wǎng)荷儲一體化。在源網(wǎng)荷儲一體化模式下，新型電力系統(tǒng)將通過源網(wǎng)協(xié)調(diào)、網(wǎng)荷互動、網(wǎng)儲互動、源荷互動等多種交互方式整合電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)資源，提升能源清潔利用水平和電力系統(tǒng)運行效率。

（五）高度數(shù)字化、智能化、互聯(lián)化

在集中式與分布式并舉開發(fā)利用模式下，能源供應(yīng)和負(fù)荷主體數(shù)量激增，新型電力系統(tǒng)需要對其進行實時狀態(tài)感知，并對海量的交互信息進行采集和處理。為提升電力調(diào)控系統(tǒng)的信息采集、感知、處理能力，滿足新型電力系統(tǒng)的綜合調(diào)控需求，新型電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)出高度數(shù)字化、智能化、互聯(lián)化特征。依托高精度分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，大數(shù)據(jù)、云計算等信息技術(shù)，新型電力系統(tǒng)將實現(xiàn)電力設(shè)備與智能電網(wǎng)深度融合，并構(gòu)建連接發(fā)電、輸電、用電、儲能等各環(huán)節(jié)電力設(shè)備的智慧物聯(lián)系統(tǒng)。

圖6 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)與數(shù)字化、智能化電力系統(tǒng)對比

四、合理把握能源轉(zhuǎn)型的節(jié)奏

在非化石能源替代化石能源的進程中，除了碳減排之外，還要著重考慮兩個關(guān)鍵問題：一是能源供應(yīng)保障，二是能源供應(yīng)的經(jīng)濟性。平衡傳統(tǒng)能源和新能源之間的關(guān)系，本質(zhì)上就是要在能源供應(yīng)保障、經(jīng)濟性和碳減排三重目標(biāo)下尋求能源轉(zhuǎn)型的最優(yōu)解。按照“2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略部署，從2020年至2060年，我國碳中和戰(zhàn)略的實施大體上可以分為“前十年”和“后三十年”兩個階段，前十年里實現(xiàn)碳達峰目標(biāo)，后三十年要實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

本文提出三種能源轉(zhuǎn)型的模式：第一種模式是新能源“單兵冒進”。這會對我國未來能源安全造成一定的威脅。第二種模式是新能源與傳統(tǒng)能源“比翼齊飛”。這需重新構(gòu)建能夠適應(yīng)新能源和傳統(tǒng)能源協(xié)同發(fā)展的系統(tǒng)。第三種模式是新能源和系統(tǒng)變革“雙輪驅(qū)動”。這種模式是最合理的能源轉(zhuǎn)型模式。

本文提出的能源轉(zhuǎn)型節(jié)奏如下：在非化石能源消費比重方面，到2025年，比重達到五分之一，到2030年為四分之一，到2035年為三分之一。同時，非化石能源消費比重每五年平均提高10個百分點左右，從2035年的30%左右到2040年的40%左右，到2045年的50%左右，到2050年的60%左右，到2055年的70%左右，到2060年85%左右。二者相結(jié)合，即為能源轉(zhuǎn)型的節(jié)奏。

圖7 2020-2060年能源轉(zhuǎn)型模式（非化石能源消費占比）

五、構(gòu)建新型電力系統(tǒng)分“三步走”

新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不同發(fā)展階段存在不同特征。錨定2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，按照系統(tǒng)建設(shè)要求，設(shè)置新型電力系統(tǒng)的戰(zhàn)略目標(biāo)。因此，以2030年、2040年、2060年為戰(zhàn)略目標(biāo)的重要時間節(jié)點，“非化石能源發(fā)電比重”“風(fēng)光能源發(fā)電占比”及“煤電發(fā)電占比”為主要依據(jù)，制定能源低碳轉(zhuǎn)型下構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的戰(zhàn)略，分三個步驟預(yù)測不同階段電力系統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)。

第一步（2020-2030年）：

此階段仍以煤電為主，新能源發(fā)電快速發(fā)展。其中，2030年煤電發(fā)電量比重降低到50%以下，可再生能源發(fā)電量比重提高到37%左右，非化石能源發(fā)電量比重提高到45%左右，新能源發(fā)電量比重提高到近25%。此階段為增量替代、技術(shù)攻關(guān)、體制改革的重要階段。

第二步（2030-2040年）：

初步形成以新能源為主體的電力系統(tǒng)。煤電逐漸退出主導(dǎo)地位，非化石能源發(fā)電逐漸成為主體能源。風(fēng)光發(fā)電量比重超過煤電，成為第一大電源。新型電力系統(tǒng)開始具備“清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動”的特征。其中，新能源發(fā)電量比重接近40%，煤電發(fā)電量比重降低到33%左右。此階段為存量替代、系統(tǒng)變革的重要階段。

第三步（2040-2060年）：

新型電力系統(tǒng)逐步成熟，將建成近零排放電力系統(tǒng)。新能源主體地位不斷加強，煤電加快退出，形成包括生物質(zhì)發(fā)電、核電、水電、儲能、氫能等低碳多元靈活性電力系統(tǒng)。此階段，預(yù)計到2045年，非化石能源發(fā)電量比重超過70%，帶動非化石能源消費比重超過50%。預(yù)計到2050年，風(fēng)光電發(fā)電量比重超過50%，可再生能源發(fā)電量比重接近70%，非化石能源發(fā)電量比重達到80%左右。

六、構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的建議

（一）大力發(fā)展風(fēng)電、太陽能發(fā)電

我國太陽能、風(fēng)能資源豐富。隨著太陽能和風(fēng)能產(chǎn)業(yè)鏈的降本增效，太陽能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電將是未來發(fā)電的主要方式。預(yù)計2030年風(fēng)光裝機容量占比40%左右，2060年占比80%左右。2030年風(fēng)光發(fā)電占比20%左右，2060年占比65%左右。

圖8 構(gòu)建新型電力系統(tǒng)各能源發(fā)電量占比

（二）積極穩(wěn)妥發(fā)展水電、生物質(zhì)發(fā)電

加快常規(guī)水電建設(shè)。發(fā)展水電是我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展低碳能源、節(jié)能減排、保護生態(tài)的有效途徑。預(yù)計到2030年，水電年發(fā)電量1.5萬億千瓦時，占總發(fā)電量的13%；水電裝機容量4.4億千瓦，占總裝機的12%。預(yù)計到2060年，水電年發(fā)電量為1.8萬億千瓦時，占總發(fā)電量的12%；水電裝機容量為5.6億千瓦時，占總裝機容量的8%。

穩(wěn)步發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電。我國生物質(zhì)資源豐富，能源化利用潛力大。預(yù)計到2030年，生物質(zhì)年發(fā)電量0.25萬億千瓦時，占總發(fā)電量的2%；生物質(zhì)發(fā)電裝機容量0.58億千瓦，占總裝機的2%。預(yù)計到2060年，生物質(zhì)年發(fā)電量0.5萬億千瓦時，占總發(fā)電量的3%。

（三）安全高效發(fā)展核電

核電是我國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的必然選擇。應(yīng)充分發(fā)揮核電運行穩(wěn)定、安全可靠等特點，推動能源消費高質(zhì)量發(fā)展。預(yù)計到2030年，核電年發(fā)電量0.9萬億千瓦時，占總發(fā)電量的13%；核電裝機容量1.2億千瓦，占總裝機的12%。預(yù)計到2060年，核電年發(fā)電量為2.2萬億千瓦時，占總發(fā)電量的12%；核電裝機容量為3億千瓦，占總裝機的8%。

（四）適應(yīng)性發(fā)展煤電、氣電

新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的中短期要注重煤電高效利用的技術(shù)創(chuàng)新，長期要注重煤炭發(fā)電的“托底”作用。預(yù)計到2030年，煤電裝機容量占比為36%左右，發(fā)電量占比低于50%。預(yù)計到2060年，煤電裝機容量占比下降到3%左右，發(fā)電量占比下降到5%以下。

天然氣具有“靈活易儲”特性，將為我國新能源低碳化發(fā)展提供有力支撐。預(yù)計2030年氣電占總發(fā)電量比重達到7%左右，2060年占比為3%左右。由于天然氣能源供給受到了資源稟賦的限制，未來裝機容量比重和發(fā)電量占比相對較低。

（五）多措并舉提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力

為實現(xiàn)提高非化石能源消費比重的目標(biāo)，保障電力安全供應(yīng)和民生用熱需求，需著力提高電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力及運行效率，從負(fù)荷側(cè)、電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)多措并舉，重點增強系統(tǒng)靈活性、適應(yīng)性，破解新能源消納難題，推進綠色發(fā)展。

需從加快推進電源側(cè)調(diào)節(jié)能力提升、科學(xué)優(yōu)化電網(wǎng)建設(shè)、提升電力用戶側(cè)靈活性、加強電網(wǎng)調(diào)度靈活性、提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力關(guān)鍵技術(shù)水平、建立健全支撐體系等六個方面著重推進，提升電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。

（六）加快培育分布式源網(wǎng)荷儲一體化發(fā)展新業(yè)態(tài)新模式

源網(wǎng)荷儲一體化是實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)集中式與分布式并舉、協(xié)同發(fā)展的重要舉措之一。電源側(cè)將通過多種能源的互補利用、相互轉(zhuǎn)換、聯(lián)合控制克服新能源發(fā)電機型多、并網(wǎng)特征差異大等難題，實現(xiàn)各類資源協(xié)調(diào)開發(fā)和科學(xué)配置。需求側(cè)則運用市場激勵機制，引導(dǎo)用戶改變、調(diào)整傳統(tǒng)電力消費模式，提高負(fù)荷側(cè)調(diào)峰能力，擴大可再生能源消納體量，實現(xiàn)供需協(xié)調(diào)聯(lián)動。

（七）加快推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型和構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)

數(shù)字化將有力推進新型電力系統(tǒng)建設(shè)。電力系統(tǒng)與數(shù)字化轉(zhuǎn)型的融合能大大增強數(shù)據(jù)的實時性、準(zhǔn)確性和可靠性，促使大規(guī)?？稍偕茉锤屿`活、安全、高效。發(fā)揮數(shù)據(jù)的生產(chǎn)要素作用，促進源側(cè)、荷側(cè)的功率預(yù)測，促進源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)互動，促進可再生能源消納。

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注：

① 魏一鳴.中國碳達峰碳中和時間表與路線圖研究[J/OL]．北京理工大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版).2022.

② 林衛(wèi)斌，吳嘉儀.碳中和愿景下中國能源轉(zhuǎn)型的三大趨勢[J].價格理論與實踐，2021(07):21-23+114.DOI:10.19851/j.cnki.cn11-1010/f.2021.07.89.

原標(biāo)題：構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的路徑分析與建議

來源：中能傳媒研究院

作者：電力圓桌課題組

摘錄網(wǎng)址：https://news.bjx.com.cn/html/20221017/1261354.shtml

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