【专稿推荐】周原冰, 张士宁, 侯方心, 等. 电力行业碳达峰及促进全社会碳减排影响分析

文摘科技 2024-10-01 10:09 北京

电力行业碳达峰及促进全社会碳减排影响分析

周原冰^1,2, 张士宁¹, 侯方心¹, 任宏涛³, 徐鹏飞¹

1. 全球能源互联网集团有限公司，北京　100031

2. 全球能源互联网发展合作组织，北京　100031

3. 华东理工大学商学院，上海　200237

引用本文

Cited

周原冰, 张士宁, 侯方心, 等. 电力行业碳达峰及促进全社会碳减排影响分析[J]. 中国电力, 2024, 57(9): 1-9.

ZHOU Yuanbing, ZHANG Shining, HOU Fangxin, et al. Analysis of carbon peaking in power sector and its impact on promoting whole-society carbon emissions reduction[J]. Electric Power, 2024, 57(9): 1-9.

引言

2020年，中国提出“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”目标。目前围绕中国全社会和终端用能部门碳达峰时间和路径已开展了大量研究工作^[1-6]。电力行业碳排放占能源领域排放40%以上^[7]，是实现碳达峰目标的主战场。研究学者采用综合评估模型^[1-2,8-9]、LMDI分解法^[3-5,10-13]、投入产出法^[14]、情景分析法^[15-18]、理论推导法^[19]、机器学习法^[20-21]等研究方法，对中国电力行业碳达峰时间、峰值、区域特征进行了研究^{[9,12,18,21-23]}。

文献[16, 24]梳理了不同学者对中国全社会及电力行业碳达峰时间和峰值的研究结论。全社会碳达峰时间介于2026—2035年，碳排放峰值为94亿~132.1亿t二氧化碳。电力行业碳达峰时间介于2018—2040年，碳排放峰值为25.1亿~72.4亿t二氧化碳。文献[19]推导了中国能源部门实现碳达峰的边界条件，提出2030年前实现全社会碳达峰需要非化石能源消费占比达到25%以上；文献[3]提出2025年电力行业碳达峰需要清洁电力达到3.6万亿kW·h；文献[18, 22]研究得出2030年电力行业碳达峰时碳排放量占能源系统碳排放总量的比重将增加至50%；文献[21]研究得出2030年全社会发电量将达到11.16万亿kW·h，对应清洁电力比例达到52.7%；文献[8]研究得出电力行业碳达峰时间为2029年，晚于钢铁、建筑、水泥等行业。

从机理上来看，电力行业实现碳达峰主要取决于未来电力需求增长情况以及电力生产碳强度下降趋势。如果电力需求增速大，而碳强度下降过慢，则电力行业碳排放将呈现持续上升态势，从而无法实现碳达峰；如果电力需求增速一定情况下，碳强度下降速度超过一定临界值，则电力需求增长与碳强度下降对碳排放净增量影响可以相互抵消，从而实现碳达峰。现有研究中电力行业碳达峰时间和峰值研究结论存在较大差异^{[16,20-21,25]}，缺少明确的碳达峰理论模型和机理研究方法。同时，电能替代会影响电力行业碳排放和碳达峰，因此需要进一步量化评估电能替代对电力行业和全社会碳减排成效的影响。

为此，本文首先理论推导电力行业碳达峰理论条件；然后分析电力行业碳达峰可行性、不同情景下非化石能源发电量占比需求、电力行业碳达峰时间以及对应的可再生能源装机增量需求；最后量化评估工业、交通、建筑、农业等终端用能部门电能替代对电力行业及全社会碳减排的影响。

历史数据分析

1.1 国际情况

截至2022年底，全球已有49个国家实现全社会碳达峰^[26]，主要为西方发达国家（见表1）。通过对比发达国家全社会碳达峰时间与其他行业碳达峰时间，可以为研究中国电力行业与全社会碳达峰时间关系提供参考。由表1可以看出，除加拿大外，其他国家电力行业与全社会碳达峰时间相同，或晚于全社会碳达峰时间。其中，意大利电力行业相比全社会碳达峰滞后2年，法国滞后3年，英国滞后9年，瑞士滞后26年；德国、美国、西班牙电力行业与全社会实现同步碳达峰；加拿大电力行业相比全社会碳达峰提前4年。

表1 世界主要国家全社会碳达峰年份及行业达峰年份比较

Table 1 Comparison of carbon peaking time for the whole-society and various industries in major countries

发达国家进入工业化后期，通过高耗能产业转移，工业部门相比全社会碳达峰稍早，亦早于电力行业碳达峰时间。其中，德国工业部门相比全社会和电力行业提前6年实现碳达峰；美国提前28年，西班牙提前3年，加拿大提前33年；英国工业部门相比全社会晚达峰3年，但比电力行业早6年实现碳达峰；法国工业部门比全社会碳达峰时间早2年，比电力行业碳达峰时间早5年。

伴随经济发展，全球乘用车数量持续增加，交通部门碳达峰时间最晚，均晚于全社会和电力行业碳达峰时间。其中，德国交通部门比全社会碳达峰时间晚20年，英国晚37年，法国晚28年，瑞士晚37年；美国和西班牙交通部门与全社会实现同步达峰。

1.2 中国情况

相比于发达国家，中国电力行业还未实现碳达峰。通过分析中国发电量、用电量历史数据^[27]，可以发现中国化石能源发电量占总发电量比重逐年降低，主要得益于非化石能源发电量逐年增加。2009年化石能源发电量占比为80%，2023年降至63.5%，缺口由非化石能源发电量满足（见图1）。非化石能源发电量增长迅速，但仍不足以满足全社会用电量增量。2016年以来，非化石能源发电量增量约2000亿kW·h，2023年为2420亿kW·h，但非化石能源发电量增量仍无法全部满足全社会电力消费增量。非化石能源发电量增量占电力消费增量比重约为50%（见图2），也就是仍有一半左右的电力需求增量由化石能源发电满足，导致中国电力行业碳排放仍处于上升阶段。

图1 中国总发电量与化石能源发电量历史数据

Fig.1 Historical data of total power generation and fossil-fuel power generation in China

图2 中国电力消费增量与非化石能源发电量增量对比

Fig.2 Comparison of incremental electricity consumption and non-fossil fuel power generation in China

随着中国清洁能源发展和发电效率的不断提升，电力生产碳强度呈现逐年下降趋势（见图3）。2000年碳强度为864.5 g/(kW·h)，2021年下降至556.8 g/(kW·h)，降幅35.6%，年均下降率为2.1%。未来，电源结构调整和效率提升将推动碳强度持续下降，从而实现电力行业碳达峰。根据本文研究，按照2030年前风光新增装机规模2.0亿~3.5亿kW计算，2030年碳强度将下降至260~370 g/(kW·h)（见图3）。

图3 中国电力生产碳强度历史数据及变化趋势

Fig.3 Historical data and change trends of carbon intensity in power production in China

电力行业碳达峰理论分析

2.1 理论公式

参考相关研究和要求^[19,28]，电力行业碳排放可以表示为

式中：C(t)为水平年t的电力行业碳排放；E(t)为水平年t的发电量；C_I(t)是水平年t的电力生产碳强度（度电排放因子）。

根据函数的求导法则，碳排放变化率可以推导为

根据微分的几何定义，用切线段来近似代替曲线段，式（2）可以近似表示为

式中：表示发电量年均增速，%；表示电力生产碳强度变化率，%。

从式（3）可以得出，如果则∆C(t)≤0，也就是在水平年实现了碳达峰。

假设从基年t_B（如2021年）到达峰年（如2030年）经济增速逐渐放缓，发电量增速逐年下降，则基年到达峰年的平均发电量增速要大于达峰年的发电量增速r_E（t_P）。假设从基年到达峰年随着可再生能源快速发展，电力生产碳强度变化率绝对值逐年增大，则基年到达峰年的平均电力生产碳强度变化率（考虑负值）要大于达峰年的电力生产碳强度变化率

因此，如果那么一定有

也就是，从基年t_B到达峰年t_P发电量年均增速小于等于期间电力生产碳强度变化率平均值，则电力行业一定可以实现碳达峰。

2.2 非化石能源发电量占比理论值

非化石能源发电量占比是衡量电力系统低碳程度的重要表征，也是影响电力行业碳达峰的重要因素。非化石能源发电量占比是决定电力生产碳强度最重要的因素，而电力行业碳达峰年的发电量决定了发电量年均增速，因此通过的关系，可以建立电力行业碳达峰条件下达峰年发电量E(t)及对应非化石能源发电量占比S(t)的一一对应关系（见图4），从而可以计算不同碳达峰情景下非化石能源发电量占比情况。

图4 发电量与非化石能源发电量占比关系推导框架

Fig.4 Framework for deriving the relationship between power generation and proportion of non-fossil fuel power generation

参考中国电力发展历史数据及文献[18, 21-22, 25]中对2030年发电量预测，基准情景为13万亿kW·h，同时设计高情景和低情景作为对比，对应发电量分别为13.5万亿、12.5万亿kW·h，2023—2030年高情景、基准情景、低情景下发电量年均增速分别为5.5%、4.9%、4.3%，3种情景下发电量趋势如图5所示。如果电力行业2030年实现碳达峰，根据判断条件，相应3种情景的非化石能源发电量占比分别为58.0%、56.3%、54.3%。

图5 3种情景下发电量趋势

Fig.5 Power generation trends under three scenarios

根据判断条件，2030年电力行业实现碳达峰情景下发电量与非化石能源发电量占比曲线关系如图6所示。图中红线为不同发电量情景下非化石能源发电量占比临界值曲线，意味着非化石能源发电量占比在曲线及以上时电力行业可以实现碳达峰。

图6 电力行业2030年碳达峰情景下发电量与非化石能源发电量占比关系理论曲线

Fig.6 Theoretical curve of proportion of non-fossil fuel power generation versus power generation for carbon peaking in power sector in 2030

电力行业碳达峰情景分析

3.1 政策规划情景

根据《“十四五”可再生能源发展规划》中可再生能源发电目标，2025年可再生能源年发电量将达到3.3万亿kW·h左右。“十四五”期间，可再生能源发电量增量在全社会用电量增量中的占比超过50%，风电和太阳能发电量实现翻倍。根据《“十四五”现代能源体系规划》，2025年，常规水电装机容量达到3.8亿kW左右，核电运行装机容量达到7000万kW左右；2030年风电、太阳能发电总装机容量达到12亿kW以上。

1）十四五期间（2025年前）。

“十四五”期间，可再生能源发电量增量在全社会用电量增量中的占比超过50%，意味着仍有部分用电量增量需由化石能源发电满足，因此按照当前政策规划情景发展，2025年前电力行业将无法实现碳达峰。截至2023年底，风电和太阳能发电量合计1.5万亿kW·h，是2020年（7273亿kW·h）的2倍，表明中国已提前2年完成了“风电和太阳能发电量实现翻倍”的目标。

2）十五五期间（2030年前）。

截至2023年底，中国风电、太阳能发电装机容量累计达到10.5亿kW，相比2022年（7.58亿kW）新增2.92亿kW。按照当前新能源发展速度，预计2024年底将达到12亿kW以上，提前6年完成规划目标。

2023年中国全社会发电量为92888亿kW·h，2016—2023年发电量年均增速为6.1%。基准情景下，2030年全社会发电量为13万亿kW·h，相比2023年新增电量为3.7万亿kW·h。按照水电装机增量2000万kW，利用小时数3270 h；核电装机增量6000万kW，利用小时数7560 h计算，水电和核电发电量增量分别为650亿、4500亿kW·h。假设2030年风电、太阳能发电装机容量累计超过规划目标，达到16亿kW，风电、太阳能发电利用小时数分别为2080 h、1080 h计算，风电和太阳能发电量增量分别为5400亿、3100亿kW·h。新增非化石能源发电量合计为1.4万亿kW·h，远小于全社会发电量增量需求（3.7万亿kW·h），相应缺口只能由化石能源发电满足，这样仍会造成电力行业碳排放增加，从而无法实现碳达峰。目前风电和太阳能发电发展速度远超预期，如果能保持当前持续高速发展态势，“十五五”后期新增非化石能源发电量基本能满足新增电力需求，那么2030年前实现碳达峰还是完全可能的。

综上，未来电力行业实现碳达峰时间取决于电力需求增速和碳强度下降速度的相对关系。

3.2 电力行业碳达峰时间

根据电力行业与全社会实现碳达峰的先后时间关系，设计3种情景，分析不同碳达峰时间情景下非化石能源发电量占比要求。假定电力行业碳达峰时间分别为2027年、2030年、2033年，对应发电量分别为12万亿、13万亿、14万亿kW·h，以2023年为基准年，对应的发电量年均增速分别为6.6%、4.9%和4.2%。考虑到中国未来产业结构调整和用电效率进一步提升，发电量年均增速将呈现逐渐放缓的趋势，并略低于当前用电量增速。3种情景下对应非化石能源发电量占比分别为52.6%、56.3%、59.4%，风电和太阳能发电总装机需要分别达到25.9亿、27.0亿、28.8亿kW。因此，若以2023年为基准年，并考虑未来弃电率标准会适当调整，每年新增风光装机3.8亿kW以上，电力行业2027年有可能实现碳达峰；若每年新增风光装机2.4亿kW，2030年可以实现碳达峰；若每年新增风光装机1.8亿kW以下，则电力行业存在碳达峰滞后的风险。

总体来看，中国实现“双碳”目标基础较好，但实现难度很大，关键是统筹好电源装机结构优化、新能源消纳及电力系统调节能力等关键问题。一方面，中国“双碳”目标确立后，相继出台“沙戈荒”大型风电、光伏基地建设，以及分布式光伏发展等支持政策，2023年中国风电、太阳能发电装机容量年均新增2.92亿kW，实现了新能源发电的快速增长；另一方面，新能源快速增长将面临灵活性调节资源不足问题，关键是要多措并举充分挖掘现有系统调峰能力、加大调峰电源规划建设力度、优化电力调度运行、大力提高需求侧响应能力等。未来如果保持新能源快速发展良好势头，确保年均新增装机2.4亿kW以上，并有效保障新能源利用率，那么2030年电力行业可以实现碳达峰。

电能替代边际减排成效分析

电力行业碳达峰不仅是电力行业自身问题，而且会受到终端行业电能替代影响。以电代煤、以电代油、以电代气等电能替代技术可以有效促进工业、交通、建筑行业碳减排。但电能替代会带来全社会用电量增长，如果新增电量产生的碳排放高于替代能源的碳排放，从全社会角度来看，碳排放总量是增加的。只有当电力生产的非化石能源发电量占比超过一定临界值，电能替代才能在促进行业减排的同时，促进全社会碳减排。从全社会碳达峰全局考虑，需要衡量不同部门的电能替代对全社会的边际减排成效。本章主要分析工业、交通、建筑等终端用能部门电能替代对全社会碳排放的净增量影响。

4.1 工业部门

2021年煤炭终端消费量为6.88亿t，其中82.6%用于工业部门。当前电锅炉、电窑炉、电炼钢等电能替代技术可以减少工业部门碳排放。假设煤炭燃烧效率为70%，电制热效率为90%，则工业电能替代提供同样热值，产生等量碳排放对应的电力生产非化石能源发电量占比临界值为43%（见表2）。在临界值左侧，电能替代率越大，碳排放净增量越大；在临界值右侧，电能替代率越大，碳减排效果越明显（见图7）。2022年中国非化石能源发电占比为34.3%，小于临界值43%，因此现阶段工业部门过快推进电能替代可以降低工业部门碳排放，但全社会碳排放会有所增加。通过电能替代促进工业部门减排，同时仍需要加快电源结构优化，这样才能保障工业部门和全社会实现同步减排。

表2 工业部门电力生产非化石能源发电量占比临界值分析

Table 2 Analysis on the critical value of proportion of non-fossil fuel power generation in industrial sector

图7 电力生产非化石能源发电量占比对工业部门电能替代减排效果影响

Fig.7 The impact of proportion of non-fossil fuel power generation on emissions reduction through electricity substitution in industrial sector

4.2 交通部门

2021年交通运输、仓储和邮政业能源消费为4.37亿t标准煤，其中73.5%为油品消费。油品消费中汽油、煤油、柴油、燃料油、石油沥青、液化石油气消费占比分别为28.5%、14.9%、45.3%、10.2%、0.5%、0.6%。以电动汽车替代汽油燃油车为例，基于中国CLTC-P 工况下，燃油车油耗为9 L/(100 km)^[29]，纯电动汽车电耗为15 kW·h/(100 km)^[30]。行驶相同里程时燃油车和电动汽车产生碳排放分别为20.3 kg/ (100 km)和12.9 kg/ (100 km)，假设电力生产全部为化石能源，行驶相同里程时电动汽车产生的碳排放是燃油汽车产生碳排放的64%；按照当前电力生产非化石能源发电量占比34.3%计算，这一比例进一步降低至42%。因此当下以电动汽车为主的电能替代技术可以实现交通部门和全社会同步减排。同时，由图8可以看出，电能替代率越大，碳减排效果越明显。

图8 电力生产非化石能源发电量占比对交通部门电能替代减排效果影响

Fig.8 The impact of proportion of non-fossil fuel power generation on emissions reduction through electricity substitution in transportation sector

4.3 建筑部门

2021年中国居民生活能源消费4.63亿t标准煤，非电能源消费中天然气消费占比为23.8%。在建筑部门可以通过电采暖、电烹饪技术减少化石能源消费。以电制热替代天然气制热为例，假设天然气炊事热效率为60%，电制热效率为90%，则建筑部门电能替代提供同样热值，产生等量碳排放对应的电力生产非化石能源发电量占比临界值为65%（见表3）。在临界值左侧，电能替代率越大，碳排放净增量越大；在临界值右侧，电能替代率越大，碳减排效果越明显（见图9）。2022年中国非化石能源发电占比为34.3%，小于临界值65%，因此现阶段建筑部门以电代气的电能替代技术可以降低建筑部门碳排放，但会造成全社会碳排放的增加。当前，通过电能替代促进建筑部门减排，同时仍需要加快电源结构优化，这样才能保障建筑部门和全社会实现同步减排。

表3 建筑部门电力生产非化石能源发电量占比临界值分析

Table 3 Analysis on the critical value of the proportion of non-fossil fuel power generation in building sector

图9 电力生产非化石能源发电量占比对建筑部门电能替代减排效果影响

Fig.9 The impact of proportion of non-fossil fuel power generation on emissions reduction through electricity substitution in building sector

4.4 综合分析

考虑到终端用能部门不同行业电能替代技术多样、能源利用效率差异以及能源排放因子区别，工业、交通、建筑、农业领域电能替代对应电力生产非化石能源发电量占比临界值分析全景图如图10所示。其中工业领域及建筑领域以电代生物质需要电力生产非化石能源发电量占比达到100%（假设生物质全生命周期未产生净排放）；按照柴油和煤油机效率40%~50%计算，航海航空领域以电代柴油、煤油对应的临界值分别为31%~45%、33%~47%；建筑领域热泵技术效率高，对应的非化石能源发电量占比程度要求较低，假设天然气热效率为80%~90%，采用空气源热泵以电代气对应的非化石能源发电量占比临界值为15%~25%，低于2022年实际值34.3%，因此当下该减排技术可以促进建筑部门和全社会同步减排；农业领域，按照热效率60%~70%计算，以电代煤和以电代柴油（灌溉使用）对应的非化石能源发电占比临界值分别为39%~48%和66%~71%。空气源热泵技术产生的碳排放仅为煤炭作为燃料的50%~58%，因此空气源热泵电能替代方案可以实现部门和全社会同步减排。

图10 工业、交通、建筑、农业电能替代减排的电力生产非化石能源发电量占比临界值

Fig.10 Critical values of the proportion of non-fossil fuel power generation for emissions reduction in industry, transportation, building, and agriculture sectors industrial

结论

本文分析了实现碳达峰国家的电力行业与全社会碳达峰时间关系，理论推导了电力行业碳达峰理论条件，量化分析了电力行业碳达峰时间及非化石能源发电量占比和可再生能源装机增量需求；系统分析了终端行业电能替代对电力行业碳排放及全社会碳排放影响，主要结论如下。

1）电力行业碳达峰理论研究表明，从基年到达峰年发电量年均增速小于等于期间电力生产碳强度下降率平均值，则电力行业一定可以实现碳达峰。基准情景下，2030年发电量为13万亿kW·h，非化石能源发电量占比需要达到56.3%。

2）结合当前可再生能源政策规划和发展实际，在保持新能源发展速度基础上，统筹解决电源装机结构优化、新能源消纳水平及电力系统调节能力问题，每年保持新增风光装机容量2.4亿kW以上，电力行业可在2030年前实现碳达峰。

3）只有当电力生产的非化石能源发电量占比超过一定临界值，电能替代才能实现终端行业和全社会同步减排，因此全社会实现碳达峰需要优先推进清洁替代，电能替代需要考虑行业差异并注意推进节奏。本文计算绘制的终端全行业电能替代技术减排临界值全景图为推进电能替代技术的时间线和路线图提供了参考依据。

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编辑：于静茹

校对：蒋东方

审核：张红宪

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