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碳中和背景下可再生能源成为主导能源的发展路径及展望(上)

2021-10-12 09:22:02 mana 114

作者:王仲颖  郑雅楠  赵勇强  陶冶  惠婧嫙

摘要:面对应对气候变化全球共识,我国提出了“30·60”碳达峰、碳中和目标,明确了建立以新能源为主体的新型电力系统方向,开启了我国能源低碳革命的征程。我国可再生能源资源潜力巨大,大规模发展可再生能源已成为我国能源低碳发展的现实选择。面向新时代发展要求,本文首先系统分析了我国能源转型面临的主要矛盾的转变,深刻辨析了适合我国国情的能源革命方向,然后借助自主开发的能源系统分析决策方法体系,研究了我国面向碳中和的可再生能源发展路径,最后提出了促进可再生能源成为我国主导能源的对策建议。(受限于篇幅要求,本文将分为上、下两部分进行介绍。)

关键词:碳中和;可再生能源;能源革命;能源系统模型方法

Abstract: China has announced the targets of a carbon peak in 2030 and carbon neutrality in 2060 in order to tackle the global climate change. It determines the direction of establishing a new power system with new energy as the mainstay, and starts the journey of China's low-carbon energy revolution. As China has abundant renewable energy resources, the scaled-up development of renewable energy has become a realistic choice of low-carbon development in the national energy sector. In order to satisfy the requirements of the new direction, this paper firstly analyses the change of main conflicts faced by China's energy transition process, and determines a feasible energy revolution direction that fit local conditions. This is followed by a research of renewable energy development pathway in order to achieve the carbon neutrality target, depending on an independently developed energy analysis and decision-making system. The paper lastly proposes policy suggestions to facilitate renewable energy to become the dominant energy source in China. (While limited by the length of an article in this journal, the paper is divided into two parts.)

Key words: Carbon Neutrality; Renewable Energy; Energy Revolution; Energy System Modelling Method

 2020922日,习近平主席在第75届联合国大会上郑重宣布,中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。今年全国“两会”上,碳达峰和碳中和被首次写入政府工作报告,实现“双碳”目标是应对全球气候变化,事关构建人类命运共同体的头等大事,也是为破解我国面临的资源环境约束问题,实现中华民族永续发展的必然战略选择。

 一、面临问题与形式——能源发展的主要矛盾已经发生了转变

 能源是人类活动的物质基础,在社会经济体系中占据重要地位。英国著名经济学家E.P. 舒尔茨曾经讲过:“能源是无可替代的。现代生活完全是架构于能源之上的。能源是与空气、水和土地等同的要素”。2020417日召开的中央政治局会议首次提出“六保”,其中将能源安全与粮食安全处于同等重要位置。图1显示了我国自改革开放以来一次能源消费的增长趋势和能源消费结构的变化。从图中可以看到,改革开放40多年来,一次能源消费量不断增长,特别是在2002年—2008年之间有一个急剧的增长期,在增长的同时,能源消费结构特别是煤炭的占比并没有发生大的变化,到2020年底,化石能源消费占比仍然高达84.1%,但一次能源消费总量已是1978年的8.7倍。如果将我国目前的煤电厂分布图、典型日空气质量分布图、煤炭分省的消费密度和典型日的雾霾分布图放在一起比较,发现这四张图具有高度的重叠性。可以说,当前的高碳能源结构带来了严重的生态环境问题,也使我们在国际上处于不利的竞争地位。

 美国一家研究机构——世界资源研究所2016年制作了一张全球1850年与2011年二氧化碳排放对比图。应对气候变化已不是一个单纯的气候问题,它是一个互相争夺全球发展空间的问题、是一个如何处理好发展与安全的问题。1850年全球二氧化碳排放量最大的国家是英国,当时的英国依靠煤炭和蒸汽机已经进入工业化时代。到2011年,由于2002年至2008 年一次能源尤其是煤炭消费急剧增长,我国成为全球二氧化碳排放最多的国家。实际上,我国的经济发展同样是依靠煤炭支撑,可以说,煤炭为我国的经济发展做出了巨大的贡献,但每年消费全世界50%的煤炭也带来了自身的严重环境问题和大量的二氧化碳排放。

 

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 图1

     2019年10月22日,习近平主席在给“太原能源低碳发展论坛”的贺信中明确指出:“能 源低碳发展关乎人类的未来。中国高度重视能 源低碳发展,积极推进消费、供给、技术、体制革命。中国愿同国际社会一道,全方位加强能源合作,维护能源安全,应对气候变化,保护生态环境,促进可持续发展,更好造福世界各国人民。”

     进入新发展阶段、构建新发展格局,需要完整、准确和全面贯彻新发展理念,能源转型低碳发展的任务艰巨。全球温室气体排放主要是二氧化碳,其中90%来自化石燃料(煤炭、石油和天然气)的燃烧。据IEA统计,2017年我国化石燃料二氧化碳排放量为92.58亿吨,这个数已大于美国、欧盟(28 国)和日本的二氧化碳排放总和。2020年,我国化石燃料占一次能源消费的比重为84.1%,化石燃料消费量比 2017年增加3亿吨标准煤,碳排放量仍处于上升通道。因此,为破解我国面临的资源环境约束问题实现中华民族的永续发展,能源转型与能源结构的低碳化已是我们必须直面的问题。

     总结改革开放以来我国能源与经济发展历程,我们认为,能源发展的主要矛盾已经发生了变化,过去是能源总量供给不足与经济社会发展需求的矛盾、现在是能源供给高碳结构与 经济社会可持续发展不相适应的矛盾;同样,矛盾的主要方面也发生了变化,过去是保障煤 炭供应以满足总量供给不足、现在是大力发展风、光、水等可再生能源电力,以优化能源供 给结构,推动能源系统向低碳直至零碳转型。

     二、发展路径——遵循“四个革命、一个合作”总体方针

     我国的经济发展依然处于中高速发展阶段,尽管我们认识到了新时代能源领域发展的主要矛盾和矛盾的主要方面发生了转变,但在短期内还不可能彻底改变能源高碳结构的现状,在未来五至六年我国的碳排放仍然处于上升通道,2030年前的3-4年还会有一个峰值平台期。实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,也将必然伴随着能源的系统性变革。反之,没有能源的系统性变革就不可能有经济社会的系统性变革,更不可能实现碳达峰、碳中和。每一次能源革命都伴随着新一轮工业革命,每一次工业革命都意味着经济社会将发生一场系统性变革。早在2014年6月,中央财经领导小组办公会议上,习近平总书记就创造性地提出了“四个革命、一个合作”的能源安全新战略,为中国新时代能源发展指明了前进方向。 

    (一)能源发展必须走“绿色、安全、经济”创新之路

     能源发展之路无非就是旧路和新路。旧路是指别人已经走过的所谓成功之路,比如发达国家的能源发展之路:从煤炭转向石油、天然气,目前正在从石油、天然气转向可再生能源,这也是一种改良之路。据我们测算,参考OECD国家改良之路,到2050年,一次能源消费结构由当前的煤炭占比57%、非化石能源占比15.9%转变为煤炭占三分之一、石油天然气占三分之一、非化石能源占三分之一,一次能源消费量仍将达到65-75亿吨标准煤,碳排放量约为100-126亿吨。按照《巴黎协定》提出的温升低于2度目标,2050年全球的碳排放空间只有150亿吨左右,届时不可能把全球的排放空间都给中国,所以,旧路或改良之路是无论如何都走不通。

     走旧路也会带来能源供需安全、环境安全和气候安全问题。以能源供需安全为例,如果 片面地强调我国煤炭资源禀赋保障能源供给,继续保持高碳的能源结构发展趋势,在全球低 碳发展的大趋势下,我们的出口产品将在国际上的竞争力大幅度降低,一是产业发展严重受阻:由于绿色能源增长缓慢,将使以电动汽车为代表的新型制造业和以大数据、云计算为代表的新型信息产业发展因使用更多的高碳电力受到更多质疑,失去正当性和合理性,得出电动汽车发展越快排放越多的谬论;二是能源供给经济性下降:在新发展理念框架下,能源结构越不优化,能源系统供给成本就越高,且具有中长期不可逆转的趋势。

 

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图2

     我们把经济社会系统比作一个三角关系,即经济、环境、能源构成了经济社会运转的三角关系(图2)。现状就是一个倒立的三角关系,以化石能源为主的能源系统在支撑着经济增长和生态环境,而且这个倒立的三角还是一个倾斜的;如果继续维持现存的发展趋势,这个倒立的三角关系随时可能会崩塌。我们需要把这个倒立的三角给矫正过来,形成一个两角落地的新正三角,落地的一角是现代能源体系,另一角就是现代经济体系,即总书记讲的6+1现代经济体系,上面一角是生态文明社会,这将是一个非常稳定的三角关系。

     “十九大”报告提出:构建清洁低碳、安全高效的能源体系,清洁低碳、安全高效就是现代能源体系的核心内容。现代能源体系需具备三个本质特征,即“绿色、安全、经济”,这个体系的目标是要实现绿色、安全、经济三者之间的平衡。建成现代能源体系可以实现能源气候安全、能源环境安全和能源供需安全,从而保证国家经济安全(图3)。如何建设现代能源体系,需要回到总书记2014年6月提出的“四个革命、一个合作”的能源安全新战略。

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图3

    (二)遵循“四个革命、一个合作”建设现代 能源体系

     构建现代能源体系必须推动绿色转型。进入新发展阶段,中央提出了构建以国内大循环为主体、国内国际双循环相互支撑的新发展格局。在能源领域如何构建新发展格局,形成循环的关键点又是什么?从“四个革命,一个合作”内在的逻辑关系中可以得到答案(图4)。能源消费革命是关键、能源供给革命是基础,这个“关键”与“基础”的核心就是要让能源的生产和能源的消费形成一个有机地无缝衔接, 即生产出来的绿色能源随时能够有效地输送到 消费端消费,同样消费端的需求也是以绿色能源为首选。生产加消费形成了一个市场循环,生产与消费的有效衔接、市场的运转是否正常,都需要能源体制革命给予有力地支撑。但是,无论是能源生产革命、能源消费革命,还是能源体制革命,都离不开技术革命的支撑,能源技术革命是以上三个革命的有效保障。此外,在当今全球经济一体化的大趋势下、在构建人类命运共同体的目标下、在全球能源绿色低碳转型不可逆转的趋势下,任何一个国家乃至企业不可能独善其身,需要广泛地开展能源国际合作,只有合作才会给我们带来更广阔的发展空间。构建现代能源体系与“双碳”目标密切相关,是一项复杂的系统工程,正如总书记在中央财经委第九次会议上指出的,“实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局,拿出抓铁有痕的劲头,如期实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标。

    因此,建设现代能源体系同样需要经历一场能源系统性变革,只要坚持“四个革命、一个合作”的总方针,我们必能完成能源系统性变革,建成现代能源体系,最终实现能源供需安全、能源环境安全、能源气候安全,从而保障国家经济安全。


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图4

    (三)电力绿色化是建设现代能源体系、构 建新型电力系统的突破口

     构建现代能源体系,需要一个突破口。我国已经具备了一个比较完整的能源体系,能保证日常生产生活能源供应和消费需求,但面向现代能源体系建设,目前能源系统还存在缺陷。 5展示了煤炭消费增长与经济增长之间的关系,图6展示了石油消费与经济增长之间的关系。


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图5


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图6

     根据相关性分析,煤炭消费与经济增长自1980年以来的相关系数为0.53、自2000年以来相关系数为0.62、自2010年以来相关系数为0.54;石油消费与经济增长的关系也是一样,关联性并不高,自1980年以来相关系数为0.39、自2000年以来相关系数为0.38,2010年以来相关系数为0.72。其原因是煤炭、石油本身并不能直接应用,必须经过至少一次转换。例如,煤炭转换成电力,石油转换成汽柴油再通过内燃机转换成动力驱动汽车,这些转换平均效率不超过40%,汽柴油驱动汽车的效率也远低于40%。煤炭、石油真正能够创造价值的部分很低,60%以上被浪费掉、排放掉,再加上高碳,发展到一定阶段,煤炭、石油将会带来负价值。

 

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图7

     再来看图7,是电力消费曲线与国民经济增长之间的关系。随着电力消费不断增长,电力消费增长与国民经济(GDP)增长具有高度地一致性,这两条曲线几乎重叠。实际上,经济社会发展到今天,电力就是经济的晴雨表。电力与经济自1980年以来相关系数为0.52,2000年以来相关系数为0.78,尽管近期受新冠疫情的影响,2010年以来相关系数依然高达0.75。与煤、石油相比,为什么差别这么大?这是“电”本身的特有品质所决定的,例如,燃油汽车和电动汽车相比,电动汽车的效率是燃油汽车的三至四倍,即消耗同样单位能量的燃油汽车能行驶1公里的话,电动汽车可以行驶3至4公里。随着终端用能电气化率的提升,此关联系数会更高,这表明人类终将进入一个更高效的经济社会时代。

     但是,我们用的电现在大部分是二次能源,一次电力如水电、风电、光电还有核电,即非化石能源电力也是绿色电力仅占三分之一。我们说提高终端的电气化比例助推经济高质量发展就必须依靠绿色电力,电力绿色化是建立现代能源体系、推动经济高质量发展的利器。风、光、水是大自然给予地球的天然资源,取之不尽用之不竭,发展可再生能源就是要解决制造装备问题,有了装备就可以源源不断地生产出电力,对无尽的资源来说,转换为电的效率即100%。

     建设现代能源体系,在体制革命、技术革命的支撑下,在实施广泛能源国际合作的平台下,做好绿色电力大文章才能让能源生产端与消费端之间建立起有机的、良性的无缝衔接循环。在能源电力绿色转型的过程中,需要带动整个经济社会的同步转型,并上升到一个更高层次的循环:产业向电气化转型是方向,行业向信息化、数字化、智能化转型是加速器(催化剂),电力向绿色化转型是基础,整个经济社会系统会向更加高效化、高质量发展推进。经济社会系统的“三化”与行业发展的“三化”相互作用、相互促进,必能实现中央提出的碳达峰、碳中和目标(8)。例如,炼钢行业在2030年碳达峰之前可能较难做到根本性转变,但通过持续推进“三化”近期可以做到稳住碳排放峰值,2030年前达峰后碳排放稳步下降;与此同时做好技术转型的准备工作及技术研发和储备,2035年后,利用推广新技术,可以回收废钢铁炼钢和绿氢替代焦炭炼钢,逐步摆脱焦炭的使用,即绿电+回收废钢(或绿氢)使排放大户钢铁行业逐步实现零排放。

 

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图8

     利用大数据、云计算、人工智能、物联网、移动通信、区块链等技术和信息化、数字化、智能化平台重构稳定、可靠、高效的电力系统,2035年前利用好12亿千瓦火电机组的灵活性改造,保障电力系统接纳风光的稳定性;2035年后,随着储能技术成熟和富裕风光制氢发展(届时绿氢的市场需求已逐步打开,例如,钢铁行业),储能、电制氢将成为平抑电力系统波动的主要手段,以新能源为主体的新型电力系统构建将逐步实现,接纳无尽风、光电力,推动能源系统变革和经济社会变革。

     (四)能源系统性变革与经济社会系统性变革是互为因果的辩证关系

      实现碳达峰、碳中和目标,能源行业也必将经历一场系统性变革。能源行业的系统性变革是以构建新能源为主体的新型电力系统为主要特征。要构建新型电力系统必须遵循“四个革命、一个合作”的总方针建设现代能源体系,最终形成可再生能源为主导的新型能源系统。

     在谈新型能源系统前,我们必须清楚地认识现在的能源系统。当前的能源系统总结起来具有五大特征:大系统、集中式、自上而下、封闭、以供应方为中心。可再生能源开发的特点是既可以集中式也可以分布式或分散式,可再生能源电力既可以从远方来也可以从眼前来。但是,这种自上而下的系统具有计划经济色彩,封闭是省与省之间、企业与企业之间利益壁垒的直接表现,大系统和集中式是造成以供应方为中心忽视消费者利益的直接原因,这一切严重阻碍了可再生能源的发展,已不能适应可再生能源为主导的能源系统。

     未来能源系统同样具备五大特征:即模块化、分布式、自下而上、开放、以消费者为中心。自下而上具有市场经济为主导的色彩,无数个模块有效、快速地组成大系统,分布式或分散式同样可集中调度实现集中供电,开放的系统实现电从远方来,以消费者为中心更是体现了生态优先、绿色发展的需求理念。可见,未来能源系统是最适合可再生能源,特别是像风光波动性电源为主导的能源系统。

 

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图9

     能源与经济社会的系统性变革具有互为因果的辩证关系。以交通运输行业为例,目前交通行业消耗掉了大约5亿吨标准煤,电气化率不到3%。假设碳中和时交通行业实现100%电气化率,实现同样的服务量,按当前电动汽车与燃油汽车的效率比3∶1来计算,消耗的电力都是绿色一次电力,届时交通行业的能源消费量将从现在的5亿吨标准煤下降到2亿吨标准煤以内。据测算,2060年实现碳中和,分布式光伏需20亿千瓦、分散式风机11亿千瓦、集中式光伏加风电40亿千瓦,总计会带来13万亿千瓦时-14万亿千瓦时的电量,即风+光将达到约70亿千瓦的装机规模。能源系统性变革将带来经济社会中行业的巨大转变。

     反之,经济社会的系统性变革会进一步推动能源系统的变革,到2060年,还是以交通运输行业为例,所有的用能设备都要逐步换成新的用电设备,所有的电力都要用风电、光电等绿色一次电力,同时需要利用大数据、云计算、人工智能、物联网、移动通讯、区块链等技术和信息化、数字化、智能化平台重构稳定、可靠、高效的新型电力系统,实现能源系统性变革。


篇文章发表于《中国能源》杂志第9期

作者简介:王仲颖,中国宏观经济研究院能源所所长,研究员,主要从事能源战略、能源经济和能源系统分析研究。


本期内容来源:《中国能源》杂志社

本期公众号编辑:逯文亭