中國(guó)電力部門中長(zhǎng)期低碳發(fā)展路徑研究

張小麗 劉俊伶 王克 崔學(xué)勤 鄒驥

摘要 電力部門是中國(guó)CO₂排放的主要貢獻(xiàn)部門之一，電力部門的低碳轉(zhuǎn)型對(duì)中國(guó)實(shí)施長(zhǎng)期低碳發(fā)展戰(zhàn)略具有至關(guān)重要的作用。本文構(gòu)建了包含電力模塊的自下而上的能源系統(tǒng)模型PECE-2017，根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子確定終端部門電力需求，并引入電力負(fù)荷曲線確定電力供給，設(shè)置了未來(lái)電力發(fā)展的基準(zhǔn)和低碳兩個(gè)情景，從供需結(jié)構(gòu)、技術(shù)需求、成本和投資等多個(gè)角度，分析電力部門自身的低碳轉(zhuǎn)型及其對(duì)中國(guó)實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)期低碳發(fā)展的重要作用和貢獻(xiàn)。研究表明：第一，未來(lái)中國(guó)電力需求仍將不斷增長(zhǎng)，且在終端能耗中的占比不斷上升。低碳情景下，2050年電力需求達(dá)到114 869億kW·h，比2013年上升125%，電氣化率增加到34%；電力需求結(jié)構(gòu)中，工業(yè)和建筑比重下降，交通部門比重上升。第二，電源結(jié)構(gòu)逐步低碳化。煤電逐步淘汰；風(fēng)電和太陽(yáng)能裝機(jī)容量大幅上升，2050年裝機(jī)占比均超過(guò)30%；2030年以后，部署和推廣CCS技術(shù)，到2050年裝機(jī)容量達(dá)到4.9億kW。第三，低碳情景下，電力部門在2020年碳排放達(dá)峰后，進(jìn)一步加速脫碳。到2050年，電力部門的排放量可控制在4億t以內(nèi)，相對(duì)基準(zhǔn)情景減少排放61.5億t，占總減排的貢獻(xiàn)率達(dá)到45%，為中國(guó)的低碳轉(zhuǎn)型做出重要貢獻(xiàn)。第四，支撐電力部門低碳轉(zhuǎn)型的投資需求GDP占比在合理區(qū)間內(nèi)。2030—2050年，電力部門投資需求占GDP的比重為0.77%；電力部門內(nèi)部投資結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的低碳化趨勢(shì)，絕大部分投資將用于非化石能源電力。

關(guān)鍵詞 電力部門；自下而上模型；碳排放；減排潛力；減排成本

中圖分類號(hào) X321文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1002-2104（2018）04-0068-10DOI：10.12062/cpre.20180105

2015年，中國(guó)提交的國(guó)家自主貢獻(xiàn)（Intended Nationally Determined Contribution， INDC）中，明確提出2030年左右實(shí)現(xiàn)CO₂排放峰值并爭(zhēng)取早日達(dá)峰[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，電力部門尤其是火力發(fā)電一直是中國(guó)CO₂排放的主要貢獻(xiàn)部門之一，2005年電力部門CO₂排放占全國(guó)總排放的比重約為43%[2]。據(jù)IEA預(yù)測(cè)，按照目前的發(fā)展趨勢(shì)，到2050年這一比重將增加至62%[3]。因此電力部門的低碳轉(zhuǎn)型，對(duì)于中國(guó)實(shí)現(xiàn)INDC目標(biāo)和實(shí)施長(zhǎng)期低碳發(fā)展戰(zhàn)略具有至關(guān)重要的作用。

現(xiàn)有關(guān)于中國(guó)電力部門未來(lái)排放情景的研究，大致可分為兩類：一類采用自下而上模型，討論電力部門自身未來(lái)的排放路徑、減排技術(shù)選擇和減排成本等，電力需求通常外生假定[4-8]；另一類運(yùn)用指數(shù)分解等定量研究方法，分析電力部門未來(lái)排放的影響因素[9-12]。現(xiàn)有研究主要聚焦于電力部門本身，在需求預(yù)測(cè)、技術(shù)選擇等方面都沒有考慮與其他部門的關(guān)聯(lián)，對(duì)電力部門在中國(guó)整體低碳發(fā)展中的定位和作用研究較少。此外，現(xiàn)有研究主要關(guān)注電力部門近期和中期（2020和2030年）的發(fā)展，對(duì)電力部門在更長(zhǎng)時(shí)間尺度上（到2050年）的低碳轉(zhuǎn)型分析較少。

基于LEAP（Long-range Energy Alternatives Planning System）模型框架[13]，構(gòu)建了自下而上的包含電力部門的能源系統(tǒng)模型，根據(jù)未來(lái)人口、GDP等社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子決定的能源服務(wù)需求確定各終端部門的電力需求，并進(jìn)一步引入電網(wǎng)負(fù)荷曲線確定未來(lái)電力生產(chǎn)情況，以電力部門在國(guó)家整體低碳戰(zhàn)略中的地位和作用為切入點(diǎn)，分析電力部門長(zhǎng)期低碳轉(zhuǎn)型的路徑、技術(shù)選擇和投資需求，評(píng)估電力部門對(duì)中國(guó)實(shí)現(xiàn)INDC目標(biāo)和2050年長(zhǎng)期低碳發(fā)展戰(zhàn)略的意義。

1 方法和數(shù)據(jù)

1.1 PECE-2017模型及其電力模塊

基于LEAP模型框架，構(gòu)建了包含電力模塊的自下而上的能源系統(tǒng)模型PECE-2017。模型包括終端需求、加工轉(zhuǎn)換和能源資源三個(gè)模塊，對(duì)能源開采、加工轉(zhuǎn)換、運(yùn)輸和最終使用的全流程進(jìn)行完整的仿真模擬。終端需求模塊由工業(yè)、建筑、交通、農(nóng)業(yè)和其他行業(yè)組成；加工轉(zhuǎn)換模型包括電力生產(chǎn)和傳輸損失、熱力生產(chǎn)、煉焦與制氣以及煉油行業(yè)。模型的總體計(jì)算機(jī)理為：由人口、GDP等社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子決定各類能源服務(wù)需求，確定不同情景下未來(lái)技術(shù)擴(kuò)散率和技術(shù)組合，基于各技術(shù)提供單位能源服務(wù)消耗的終端能源，加總得到終端能源消費(fèi)需求，根據(jù)各個(gè)加工轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換效率獲得一次能源需求。模型共包含400多種技術(shù)，以2013年為基準(zhǔn)年，展望到2050年。

電力部門模型是PECE-2017模型的重要部分，基本框架如圖1所示。首先，由未來(lái)人口、GDP等社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子內(nèi)生確定各終端部門的電力需求，考慮電力傳輸損失，得到電力供應(yīng)需求；然后引入全國(guó)電網(wǎng)負(fù)荷曲線，基于電網(wǎng)峰值負(fù)荷與總裝機(jī)決定的備用容量水平，確定用電需求增長(zhǎng)后新的總裝機(jī)容量需求和新增裝機(jī)需求；再根據(jù)相關(guān)電力裝機(jī)規(guī)劃，確定各發(fā)電技術(shù)的新增裝機(jī)容量；最后，參考?xì)v年各機(jī)組的發(fā)電順序和未來(lái)電源結(jié)構(gòu)、相關(guān)發(fā)電規(guī)劃，確定各機(jī)組的角色（作為基本負(fù)荷機(jī)組還是調(diào)峰機(jī)組），依次得到各機(jī)組的發(fā)電小時(shí)數(shù)和發(fā)電量、能源消耗和排放。本文主要針對(duì)電力部門開展分析，因此對(duì)PECE-2017模型的其他部門不再做詳細(xì)介紹。

電力模型中共包含38種現(xiàn)有和未來(lái)發(fā)電、輸配電技術(shù)（見表1），并建立了包含各技術(shù)固定成本、運(yùn)行和維護(hù)成本、燃料成本、電價(jià)、適用稅率、建設(shè)周期、運(yùn)行周期、發(fā)電效率、年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)等詳細(xì)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。

電力部門CO₂排放由各發(fā)電技術(shù)發(fā)電量、發(fā)電效率和燃料排放因子計(jì)算得到，公式如下。

其中，CE是電力部門CO₂排放總量，i表示不同的發(fā)電技術(shù)；j表示不同的能源品種；pi，j是發(fā)電技術(shù)i消耗能源品種j獲得的發(fā)電量；ei，j是發(fā)電技術(shù)i消耗能源品種j進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電效率，cefi，j是相應(yīng)的CO₂排放因子，即通過(guò)發(fā)電技術(shù)i消耗能源品種j進(jìn)行發(fā)電時(shí)，單位能源消費(fèi)產(chǎn)生的CO₂排放量。

模型包含成本信息，發(fā)電技術(shù)的減排成本計(jì)算過(guò)程為：首先，計(jì)算投資項(xiàng)目相比常規(guī)技術(shù)全生命周期內(nèi)的每年增量支出（新增固定成本、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本）和增量收入（節(jié)約的燃料費(fèi)用支出）的現(xiàn)金流量；其次通過(guò)貼現(xiàn)得到相比常規(guī)技術(shù)的增量成本凈現(xiàn)值；最后根據(jù)全壽命周期內(nèi)相比常規(guī)技術(shù)的累計(jì)減排量，得到減排成本。計(jì)算公式如下：

其中，AC是電力部門有關(guān)發(fā)電技術(shù)的減排成本；t表示年限；n表示不同的發(fā)電技術(shù)；j表示不同的能源品種；R是貼現(xiàn)率；CE是發(fā)電技術(shù)全生命周期累計(jì)減排量；FCt，n是發(fā)電技術(shù)n的新增固定成本；OCt，n是發(fā)電技術(shù)n的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本；SMt，j是發(fā)電技術(shù)n在其生命周期內(nèi)節(jié)約的燃料費(fèi)用。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文主要數(shù)據(jù)需求及其來(lái)源如下：中國(guó)未來(lái)人口假設(shè)來(lái)源于聯(lián)合國(guó)《世界人口展望2015年版》[14]；GDP根據(jù)“十三五”規(guī)劃和國(guó)家“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，并參考主要發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展歷史經(jīng)驗(yàn)確定；以華北電網(wǎng)分季度典型日負(fù)荷曲線代表全國(guó)負(fù)荷曲線，數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家電網(wǎng)；電力部門現(xiàn)有裝機(jī)和新增裝機(jī)的技術(shù)分類、發(fā)電效率以及技術(shù)成本與投資數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告（2011—2016）[15]，以及IEA能源技術(shù)系統(tǒng)分析報(bào)告[16]和世界能源投資展望[17]；燃燒排放因子來(lái)自LEAP技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)[13]；貼現(xiàn)率根據(jù)國(guó)家發(fā)改委和建設(shè)部發(fā)布的《建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法與參數(shù)》[18]，取值為8%。

2 情景設(shè)定

本文設(shè)置了兩組情景，即基準(zhǔn)情景和低碳情景?；鶞?zhǔn)情景描述了電力部門不采取額外的減緩行動(dòng)的能耗與排放趨勢(shì)，為未來(lái)電力部門的低碳政策行動(dòng)提供一系列比較基準(zhǔn)點(diǎn)。低碳情景對(duì)于電力部門實(shí)現(xiàn)CO₂排放峰值以及實(shí)現(xiàn)峰值后加速脫碳的路徑進(jìn)行了完整刻畫。通過(guò)低碳情景下電力部門排放路徑相對(duì)基準(zhǔn)情景的變化，評(píng)估電力部門對(duì)于中國(guó)實(shí)現(xiàn)INDC和2050年長(zhǎng)期低碳目標(biāo)的意義。

基準(zhǔn)情景的具體假設(shè)為：電力部門發(fā)展按照歷年發(fā)展趨勢(shì)外推，不考慮應(yīng)對(duì)氣候變化目標(biāo)，不采取額外的減緩行動(dòng)。該情景下，假設(shè)電力部門低碳技術(shù)緩慢推廣，火電廠平均能效達(dá)到42%；發(fā)電結(jié)構(gòu)保持以化石能源發(fā)電為主的現(xiàn)狀；無(wú)CCS應(yīng)用。該情景中關(guān)于中國(guó)電力行業(yè)發(fā)展的假設(shè)是兩組情景中最保守的。

低碳情景的具體假設(shè)為：中期考慮落實(shí)中國(guó)INDC中提出的各項(xiàng)行動(dòng)[1]、“十三五”規(guī)劃以及電力和可再生能源專項(xiàng)規(guī)劃目標(biāo)[19]；中長(zhǎng)期考慮在實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰后加大力度促使排放加速下降，到2050年將碳排放控制在實(shí)現(xiàn)2℃目標(biāo)的排放軌跡區(qū)間內(nèi)電力部門需要采取的行動(dòng)、技術(shù)措施和帶來(lái)的成本。該情景下，火電廠的平均能效比基準(zhǔn)情景有所提高，達(dá)到44%；“十三五”后不再新增常規(guī)煤電，煤電自然淘汰，以天然氣作為過(guò)渡能源滿足基本負(fù)荷與調(diào)峰負(fù)荷需求；大力推廣可再生能源電力；2030年后開始推廣電力CCS技術(shù)。

3 情景分析結(jié)果

3.1 電力需求結(jié)構(gòu)及趨勢(shì)

在基準(zhǔn)情景和低碳情景下，中國(guó)未來(lái)電力需求將持續(xù)增長(zhǎng)（見圖2）。基準(zhǔn)情景下，2050年中國(guó)電力需求上升到117 278億kW·h，相比2013年增長(zhǎng)130%，年均增長(zhǎng)率為2.3%。人均用電需求與電力需求總量同步增長(zhǎng)，從2013年的3 753 kW·h/人增長(zhǎng)到2050年的8 700 kW·h/人。

低碳情景下，中國(guó)2050年電力需求為114 869億kW·h，比2013年上升125%，年均增長(zhǎng)率為2.2%，人均用電需求同步增長(zhǎng)到8 521 kW·h/人。與基準(zhǔn)情景相比，低碳情景下中國(guó)未來(lái)電力需求的增長(zhǎng)速度略低，2013—2050年間年均增長(zhǎng)率低0.1個(gè)百分點(diǎn)，2050年電力需求總量低約2.1%。

終端部門電氣化率的定義為終端能耗中電力所占比例，是衡量電力在終端能耗中重要性的指標(biāo)。提高電氣化率，實(shí)現(xiàn)終端能耗中電力對(duì)煤炭、石油等化石能源的替代，是政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第五次評(píng)估報(bào)告提出的低碳轉(zhuǎn)型的重要支柱之一[20]?；鶞?zhǔn)情景下，電氣化率增長(zhǎng)緩慢，從2013年的19.8%，增長(zhǎng)到2050年的23.3%。而低碳情景下，電氣化率增長(zhǎng)迅速，2030年達(dá)到23.0%，2050年進(jìn)一步增長(zhǎng)到34.0%。電力在終端能耗結(jié)構(gòu)中起到了替代煤炭的作用，取得了一定的減排成效。低碳情景下，盡管電力在終端能耗中的比重提高，但是由于低碳情景相對(duì)基準(zhǔn)情景，具有更有力的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和電力需求側(cè)管理措施，因此總的電力需求反而略有減少。

從電力需求結(jié)構(gòu)及其變化看，基準(zhǔn)情景和低碳情景的結(jié)果也有所差異?；鶞?zhǔn)年2013年的電力需求結(jié)構(gòu)中，工業(yè)部門占比最高，超過(guò)70%；其次為建筑部門，占比約26%；而交通和農(nóng)業(yè)部門在電力消費(fèi)中的占比很低?；鶞?zhǔn)情景和低碳情景下，電力需求結(jié)構(gòu)的共同趨勢(shì)是工業(yè)部門占比持續(xù)下降，而建筑部門占比持續(xù)上升。到2030年，基準(zhǔn)情景和低碳情景下，工業(yè)用電占總電力需求的比例，分別下降到63.4%和61.1%，到2050年進(jìn)一步下降到60.6%和54.4%。而建筑部門用電量占總電力需求的比重，則分別上升到2030年的29.8%和34.1%，以及2050年的36.9%和33.3%。

交通部門用電量及其在總電力需求中的比重，在基準(zhǔn)情景和低碳情景下差異較大?；鶞?zhǔn)情景下，交通部門用電量比重變化不大，維持在1.5%以下。而低碳情景下，自2020年以后交通部門電力需求比重大幅上升，2030年增長(zhǎng)到4.8%，2050年進(jìn)一步增長(zhǎng)到11.2%?；鶞?zhǔn)情景和低碳情景下交通部門電力需求的差異，主要來(lái)源于對(duì)電動(dòng)汽車發(fā)展的不同假設(shè)?；鶞?zhǔn)情景下，假設(shè)電動(dòng)汽車銷量占比保持在基年水平上。而低碳情景下，假設(shè)2020年電動(dòng)汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷量實(shí)現(xiàn)超過(guò)500萬(wàn)輛的既有目標(biāo)[21-23]；2020年以后，電動(dòng)汽車成本具備完全競(jìng)爭(zhēng)力，得到迅速普及。到2030年，電動(dòng)汽車在汽車保有量中占比達(dá)到18.6%，2050年進(jìn)一步提高到68%，保有量超過(guò)4億輛。低碳情景下迅速普及的電動(dòng)汽車，產(chǎn)生了巨大的電力需求，使得交通部門用電比例大幅上升。

3.2 電力供給結(jié)構(gòu)及趨勢(shì)

由于電力的國(guó)際貿(mào)易規(guī)模很小，因此一個(gè)國(guó)家的電力供給，可以認(rèn)為完全由其電力需求決定。根據(jù)終端部門的用電需求，并考慮電力傳輸損失，即可得到電力供應(yīng)需求。

表2展示了基準(zhǔn)情景和低碳情景下，中國(guó)電力裝機(jī)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及其未來(lái)變化。本文所指煤電和天然氣發(fā)電不包括配備CCS的煤電和天然氣發(fā)電，配備CCS的電力將作為電力CCS論述。2013年中國(guó)電力裝機(jī)中，火電占絕大部分，其中煤電裝機(jī)容量超過(guò)8億kW，比重達(dá)到64.1%。非化石能源電力中水電比重最高，裝機(jī)容量達(dá)到2.8億kW，占電力總裝機(jī)的比重為22.6%；風(fēng)電次之，裝機(jī)容量達(dá)到0.8億kW，占電力總裝機(jī)的比重為6.2%；核電和太陽(yáng)能裝機(jī)容量相近，在0.15億kW左右。其他可再生能源（如生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒊毕艿龋╇娏ρb機(jī)較少，所占比例不到1%。除了幾個(gè)示范項(xiàng)目之外，并未有電力CCS技術(shù)得到商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

基準(zhǔn)情景下，未來(lái)煤電裝機(jī)的絕對(duì)量仍將繼續(xù)增長(zhǎng)，裝機(jī)占比有所下降，但幅度不大，直到2050年仍接近占電力總裝機(jī)的一半。風(fēng)電和太陽(yáng)能裝機(jī)增長(zhǎng)迅速，到2050年裝機(jī)容量分別增長(zhǎng)到5.0和3.5億kW，相對(duì)2013年分別增長(zhǎng)了5.6和21.0倍，在電力總裝機(jī)中的比例也分別提高到15.5%和10.8%。核電裝機(jī)保持平穩(wěn)增長(zhǎng)，且裝機(jī)占比也不斷提高；水電裝機(jī)基本保持平穩(wěn)并略有增長(zhǎng)，但在電力總裝機(jī)中的比重有所下降。

低碳情景下，中國(guó)未來(lái)將加速淘汰煤電，并大力推廣可再生能源電力，推動(dòng)電力部門加速脫碳。在完成電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃[19]和現(xiàn)有各省煤電建設(shè)規(guī)劃目標(biāo)后，2020年以后不再新增常規(guī)煤電，并讓現(xiàn)有煤電機(jī)組按其運(yùn)行壽命（30年）自然淘汰。

在這樣的政策設(shè)定下，煤電裝機(jī)在2020年達(dá)到峰值以后，將被快速淘汰。到2050年，所有在2020年以前建設(shè)的煤電機(jī)組將全部達(dá)到壽命期限，電力部門將完全淘汰煤電。2020年開始逐步淘汰煤電后，風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生能源短期內(nèi)還無(wú)法填補(bǔ)電力需求空缺。天然氣發(fā)電將在2020—2030年間作為過(guò)渡電源，滿足基本負(fù)荷和調(diào)峰負(fù)荷的需要。因此天然氣發(fā)電裝機(jī)將在2020—2030年間快速增長(zhǎng)，10年間裝機(jī)容量超過(guò)翻番，占電力總裝機(jī)的比重從5.8%增長(zhǎng)到11.3%。

風(fēng)電和太陽(yáng)能在低碳情景下發(fā)展迅速，2020年裝機(jī)容量分別達(dá)到2.1和1.1億kW，到2030年進(jìn)一步增長(zhǎng)到4.3和3.3億kW。2030年以后，海上風(fēng)電、聚光太陽(yáng)能發(fā)電等技術(shù)成本進(jìn)一步降低，具備完全的成本競(jìng)爭(zhēng)力，風(fēng)電和太陽(yáng)能裝機(jī)容量將實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，到2050年分別增長(zhǎng)到14.2和14.4億kW，占電力總裝機(jī)的比重均超過(guò)30%，占新增電力裝機(jī)的比重超過(guò)70%。風(fēng)電和太陽(yáng)能的發(fā)展，將填補(bǔ)2030年以后淘汰煤電以后電力需求的空缺，支持電力部門完全淘汰煤電。水電、核電和其他可再生能源（包括生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等）裝機(jī)容量相比基準(zhǔn)情景，均有所增長(zhǎng)。

低碳情景考慮2030年后加快碳排放下降速度，將中國(guó)排放軌跡控制在實(shí)現(xiàn)全球2℃目標(biāo)所要求的區(qū)間范圍內(nèi)?，F(xiàn)有研究表明，CCS技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)2℃目標(biāo)，具有重要的貢獻(xiàn)[3]。因此，與基準(zhǔn)情景下未來(lái)仍然沒有CCS技術(shù)得到應(yīng)用的假設(shè)不同，低碳情景下，2030年以后，在電力部門CCS技術(shù)將逐步得到推廣和大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。到2050年電力CCS裝機(jī)（包括煤電+CCS和天然氣發(fā)電+CCS）將達(dá)到4.9億kW，占電力總裝機(jī)的比重超過(guò)10%。

容量因子（Capacity factor）是機(jī)組實(shí)際發(fā)電量與額定容量下最大發(fā)電量的比值，介于0到1之間。容量因子越高，表明機(jī)組利用率越高，亦即設(shè)備的發(fā)電小時(shí)數(shù)越高。由于不同發(fā)電技術(shù)的性質(zhì)差異，不同類型發(fā)電廠的容量因子會(huì)有很大差異。通常，核電、煤電等機(jī)組可以按滿載額定容量長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，容量因子和發(fā)電小時(shí)數(shù)較高；而風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生能源受來(lái)源不穩(wěn)定，容量因子和發(fā)電小時(shí)數(shù)較低。同時(shí)，受到“棄風(fēng)”、“棄光”等現(xiàn)象[24]的影響，風(fēng)電和太陽(yáng)能設(shè)備的發(fā)電小時(shí)數(shù)將進(jìn)一步下降。

2013年，中國(guó)核電和煤電的平均發(fā)電小時(shí)數(shù)分別在7 610和5 120小時(shí)左右，水電的平均發(fā)電小時(shí)數(shù)在3 240小時(shí)左右，而風(fēng)電和太陽(yáng)能的平均發(fā)電小時(shí)數(shù)遠(yuǎn)低于以上類型電廠，分別為1 850和730小時(shí)左右。2013年以后，中國(guó)“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象進(jìn)一步惡化。2016年全國(guó)風(fēng)電平均利用小時(shí)數(shù)僅為1 742小時(shí)，全年棄風(fēng)電量497億kW·h，棄風(fēng)率超過(guò)17%[25]。相對(duì)國(guó)際上風(fēng)電和太陽(yáng)能平均發(fā)電小時(shí)數(shù)分別超過(guò)2 000小時(shí)和1 500小時(shí)的水平，中國(guó)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電小時(shí)數(shù)過(guò)低，大量的發(fā)電設(shè)備沒有得到充分利用。

發(fā)電小時(shí)數(shù)的差異，使得不同類型發(fā)電廠的發(fā)電量結(jié)構(gòu)，與裝機(jī)容量結(jié)構(gòu)有所差別。煤電由于發(fā)電小時(shí)數(shù)高于平均值，因此其在發(fā)電量中的占比高于裝機(jī)容量占比，2013年達(dá)到75.2%。風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電小時(shí)數(shù)遠(yuǎn)低于平均值，因此其在發(fā)電量中的占比大大低于裝機(jī)容量占比，2013年分別為2.6%和0.2%。

基準(zhǔn)情景下，未來(lái)煤電、核電和水電的發(fā)電小時(shí)數(shù)在初期有所下降，以后逐步回升。風(fēng)電發(fā)電小時(shí)不僅沒有提升，反而大幅下降，僅1 100余小時(shí)。太陽(yáng)能發(fā)電小時(shí)數(shù)在2013年水平上略有提高，但仍遠(yuǎn)低于國(guó)際平均水平。大量風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)沒有得到充分利用，不僅使得大量的投資被閑置，也使得其對(duì)溫室氣體減排的貢獻(xiàn)被大大限制。

與基準(zhǔn)情景不同，低碳情景下，煤電發(fā)電小時(shí)數(shù)持續(xù)下降，到2030年下降到3 900小時(shí)左右，比2013年下降了近四分之一。為了解決“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象，2016年3月國(guó)家能源局推出了《可再生能源發(fā)電全額保障性收購(gòu)管理辦法》，制定了不同資源區(qū)可再生能源發(fā)電設(shè)備的保障性收購(gòu)利用小時(shí)數(shù)。在低碳情景下，假設(shè)保障可再生能源發(fā)電利用小時(shí)數(shù)的政策繼續(xù)得到實(shí)施并強(qiáng)化，基本解決了“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象。風(fēng)電發(fā)電小時(shí)數(shù)逐步上升，尤其是2030年以后，隨著海上風(fēng)電技術(shù)的成熟和應(yīng)用，風(fēng)電發(fā)電小時(shí)數(shù)接近3 000小時(shí)。相比基準(zhǔn)情景，風(fēng)電發(fā)電小時(shí)數(shù)增長(zhǎng)了一倍有余。太陽(yáng)能發(fā)電小時(shí)數(shù)相比基準(zhǔn)情景也有大幅增長(zhǎng)，到2030年將突破2 000小時(shí)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的充分利用。在低碳情景下，可再生能源電力不僅裝機(jī)容量大幅增長(zhǎng)，發(fā)電小時(shí)數(shù)也持續(xù)上升，為未來(lái)中國(guó)電力部門減排做出重要的貢獻(xiàn)。

3.3 電力部門CO₂排放趨勢(shì)

由于發(fā)電技術(shù)結(jié)構(gòu)不同，基準(zhǔn)情景和低碳情景在發(fā)電量相差無(wú)幾的情況下，排放軌跡差異很大，見圖3。

基準(zhǔn)情景下，未來(lái)中國(guó)煤電裝機(jī)的絕對(duì)量仍將繼續(xù)增長(zhǎng)，且在電力總裝機(jī)中的比重仍將保持在過(guò)半的水平上。風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生能源盡管裝機(jī)容量得到顯著增長(zhǎng)，但由于發(fā)電小時(shí)數(shù)不升反降，其在電力供給中的作用受到限制。因此，在基準(zhǔn)情景下，中國(guó)電力部門在中長(zhǎng)期內(nèi)碳排放仍將持續(xù)增長(zhǎng)，無(wú)法達(dá)到峰值，到2050年電力部門排放將高達(dá)65.1億t，相比2013年增長(zhǎng)將近一倍。在這樣的情況下，中國(guó)顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的低碳轉(zhuǎn)型，更不可能為全球?qū)崿F(xiàn)2℃目標(biāo)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

低碳情景下，未來(lái)中國(guó)逐步淘汰煤電機(jī)組，大力發(fā)展風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生能源并保障其上網(wǎng)，在2030年以來(lái)推廣電力CCS技術(shù)應(yīng)用。在這些低碳政策作用下，電力部門碳排放在2020年達(dá)峰以后，將進(jìn)一步加速脫碳。尤其是2030年以后，隨著2005年以來(lái)煤電建設(shè)高峰期建設(shè)的機(jī)組逐漸達(dá)到運(yùn)行壽命被自然淘汰，以及可再生能源的快速發(fā)展和CCS技術(shù)的應(yīng)用，電力部門的碳排放下降速度明顯加快，到2050年，電力部門的排放量可控制在4億t以內(nèi)。從電力部門對(duì)全國(guó)的減排貢獻(xiàn)看，未來(lái)隨著提高能效的減排潛力越來(lái)越小，電力部門在全國(guó)實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)情景到低碳情景的低碳轉(zhuǎn)型中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。2030年，低碳情景下電力部門相對(duì)基準(zhǔn)情景減排23.5億tCO₂，在中國(guó)實(shí)現(xiàn)INDC目標(biāo)的貢獻(xiàn)率達(dá)到50%。到2050年，電力部門減排量進(jìn)一步提高到61.5億t，貢獻(xiàn)率占比達(dá)到45%。

電力部門技術(shù)發(fā)展對(duì)CO₂減排的作用，也反映在電力部門碳強(qiáng)度變化上。基準(zhǔn)情景下，電力部門的碳強(qiáng)度隨著時(shí)間推移有所下降，但下降緩慢，其碳強(qiáng)度由2013年的0.63 kg CO₂/kW·h下降到2050年的0.52 kg CO₂/kW·h，下降約17%。相比于基準(zhǔn)情景，低碳情景下，由于可再生能源發(fā)電占比上升，煤電占比下降，使得電力部門碳強(qiáng)度快速下降。低碳情景下，2030年電力部門的碳強(qiáng)度下降至0.34 CO₂/kW·h，比2013年下降46.2%。2030年之后，電力部門進(jìn)一步快速脫碳，到2050年電力部門碳強(qiáng)度達(dá)到0.03 CO₂/kW·h，在2013年水平上下降95.2%，接近實(shí)現(xiàn)完全脫碳。

3.4 電力部門減排成本和投資需求

根據(jù)技術(shù)的固定成本、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本、運(yùn)行期內(nèi)節(jié)約的燃料支出和全壽命周期內(nèi)減排量，可以計(jì)算得到各技術(shù)的減排成本，如圖4所示。

總體而言，電力部門重要的低碳技術(shù)，其成本未來(lái)將呈下降趨勢(shì)。核電和水電的減排成本均為負(fù)值，表明這兩項(xiàng)技術(shù)節(jié)約的能源費(fèi)用可以彌補(bǔ)新增投資，不僅帶來(lái)減排成果，還能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)收益。太陽(yáng)能光伏發(fā)電和陸上風(fēng)電已經(jīng)較為成熟，成本較低。隨著未來(lái)這兩種技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，成本進(jìn)一步降低，到2030年減排成本分別為17元/tCO₂（2013年價(jià)格，下同）和33元/tCO₂。電力部門的其他低碳技術(shù)，如海上風(fēng)電、聚光太陽(yáng)能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電和CCS等成本較高，在200元/tCO₂～600元/tCO₂之間，但是未來(lái)成本也將進(jìn)一步下降。

為了實(shí)現(xiàn)電力部門的減排潛力，需要加大投資力度。從電力部門的投資需求看，“十三五”期間，電力部門投資需求約為2.8萬(wàn)億元（2013年不變價(jià)，下同），占GDP的比重約為1.02%；從中期看，2021—2030年，電力部門的投資需求約4.8萬(wàn)億元，占GDP的比重約為0.80%；從長(zhǎng)期看，2030—2050年，電力部門的投資需求約為6萬(wàn)億元，占GDP的比重為0.77%。從電力部門內(nèi)部的投資結(jié)構(gòu)看（見圖5），根據(jù)電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃，2016—2020年中國(guó)將新增煤電裝機(jī)2億kW，煤電投資約3 202億元，占電力部門總投資的11%；天然氣發(fā)電投資約1 662億元，占6%；非化石能源發(fā)電投資占83%，其中可再生能源電力投資約2.1萬(wàn)億元。2020年后，因不再新增煤電，非化石能源發(fā)電裝機(jī)投資占比上升到96%，其中可再生能源電力投資約3.3萬(wàn)億元。

4 結(jié)論與建議

本文構(gòu)建了包含電力模塊的自下而上的能源系統(tǒng)PECE-2017，根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子確定終端部門電力需求，并引入電力負(fù)荷曲線確定電力供給，設(shè)置了未來(lái)電力發(fā)展的基準(zhǔn)和低碳兩個(gè)情景，從供需結(jié)構(gòu)、技術(shù)需求、成本和投資等多個(gè)角度，討論分析電力部門自身的低碳轉(zhuǎn)型及其對(duì)中國(guó)實(shí)現(xiàn)INDC目標(biāo)及中長(zhǎng)期低碳發(fā)展的作用和貢獻(xiàn)。本文主要結(jié)論如下：

第一，未來(lái)電力消費(fèi)需求將持續(xù)增長(zhǎng)，且在終端能耗中的占比呈不斷上升的趨勢(shì)。低碳情景下，2050年電力需求達(dá)到114 869億kW·h，比2013年上升125%，電氣化率增加到34%；工業(yè)和建筑作為主要的電力消費(fèi)部門，未來(lái)兩者的電力消費(fèi)比重將緩慢下降；而隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，未來(lái)交通部門電耗占比將有大幅上升。

第二，低碳情景下，電源結(jié)構(gòu)逐步低碳化。自2020年以后不再新增煤電，現(xiàn)有煤電機(jī)組按其運(yùn)行壽命逐步淘汰，到2050年完全淘汰煤電；風(fēng)電和太陽(yáng)能快速發(fā)展，裝機(jī)容量大幅上升，到2050年在電力總裝機(jī)中占比均超過(guò)30%，成為屆時(shí)電力的主要來(lái)源；加強(qiáng)可再生能源電力保障性收購(gòu)政策，提高風(fēng)電和太陽(yáng)能設(shè)備的發(fā)電小時(shí)數(shù)；在2020—2030年，利用天然氣發(fā)電作為過(guò)渡電源，填補(bǔ)煤電下降后的電力空缺；2030年以后，部署和推廣CCS技術(shù)，到2050年裝機(jī)容量達(dá)到4.9億kW。

第三，低碳情景下，電力部門在2020年碳排放達(dá)峰以后，將進(jìn)一步加速脫碳。2030年，低碳情景下電力部門相對(duì)基準(zhǔn)情景減排23.5億tCO₂，在中國(guó)實(shí)現(xiàn)INDC目標(biāo)的貢獻(xiàn)率達(dá)到50%。2050年，電力部門排放量可控制在4億t以內(nèi)，相對(duì)基準(zhǔn)情景減少排放61.5億t，占總減排的貢獻(xiàn)率達(dá)到45%，為中國(guó)的低碳轉(zhuǎn)型和2050年低碳發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)做出重要貢獻(xiàn)。

第四，為了支撐電力部門的低碳轉(zhuǎn)型，需要加大投資力度。中期內(nèi)（2021—2030年）電力部門的投資需求約4.8萬(wàn)億元，占GDP的比重約為0.80%；長(zhǎng)期內(nèi)（2030—2050年）電力部門的投資需求約為6萬(wàn)億元，占GDP的比重為0.77%。投資在GDP中的占比在合理區(qū)間，電力部門內(nèi)部投資結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的低碳化趨勢(shì)。電力部門技術(shù)研發(fā)、示范和推廣應(yīng)用相關(guān)的巨額投資將成為驅(qū)動(dòng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要因素，具有成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和就業(yè)創(chuàng)業(yè)新引擎的潛力。

電力部門基礎(chǔ)設(shè)施壽命周期較長(zhǎng)，具有很強(qiáng)的鎖定效應(yīng)，電力部門的長(zhǎng)期低碳轉(zhuǎn)型與今天的決策密切相關(guān)。根據(jù)以上結(jié)論，建議中國(guó)應(yīng)當(dāng)盡快制定長(zhǎng)期低碳戰(zhàn)略，針對(duì)關(guān)鍵低碳電力技術(shù)制定技術(shù)發(fā)展路線圖，通過(guò)構(gòu)建碳市場(chǎng)，利用市場(chǎng)價(jià)格機(jī)制為電力部門的低碳技術(shù)研發(fā)和低碳基礎(chǔ)設(shè)施的投資提供穩(wěn)定的政策預(yù)期，遏制高碳電力基礎(chǔ)設(shè)施的投資，從而避免鎖定效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)（References）

[1]國(guó)家發(fā)改委. 強(qiáng)化應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)——中國(guó)國(guó)家自主貢獻(xiàn)[R]. 北京：國(guó)家發(fā)改委，2015.[National Development and Reform Commission. Enhanced actions on climate change： Chinas intended nationally determined contributions [R]. Beijing： National Development and Reform Commission， 2015.]

[2]國(guó)家發(fā)改委應(yīng)對(duì)氣候變化司. 中華人民共和國(guó)氣候變化第二次國(guó)家信息通報(bào)[R].北京：國(guó)家發(fā)改委應(yīng)對(duì)氣候變化司，2014. [Department of Climate Change， National Development and Reform Commission. Second national communication on climate change of the Peoples Republic of China[R]. Beijing： Department of Climate Change， NDRC， 2014.]

[3]International Energy Agency. Energy technology perspectives 2015[R]. Paris：International Energy Agency，2015.

[4]CAI W J， WANG C， WANG K， et al. Scenario analysis on CO₂ emissions reduction potential in Chinas electricity sector [J]. Energy policy， 2007， 35： 6445-6456.

[5]GU B H， TAN X C， ZENG Y， et al. CO₂ emission reduction potential in Chinas electricity sector： scenario analysis based on LMDI decomposition[J]. Energy procedia， 2015， 75： 2436-2447.

[6]CHEN Q， KANG C， XIA Q， et al. Preliminary exploration on low-carbon technology roadmap of Chinas power sector[J]. Energy， 2011， 36（3）： 1500-1512.

[7]ZHAO C， ZHANG W， WANG Y， et al. The economics of coal power generation in China[J]. Energy policy， 2017， 105： 1-9.

[8]STEENHOF P A， FULTON W. Scenario development in Chinas electricity sector[J]. Technological forecasting and social change， 2007， 74（6）： 779-797.

[9]YUAN J， LEI Q， XIONG M， et al. The prospective of coal power in China： will it reach a plateau in the coming decade？[J]. Energy policy， 2016， 98： 495-504.

[10]STEENHOF P A. Decomposition for emission baseline setting in Chinas electricity sector[J]. Energy policy， 2007， 35（1）： 280-294.

[11]ZHANG M， LIU X， WANG W， et al. Decomposition analysis of CO₂ emissions from electricity generation in China[J]. Energy policy， 2013， 52： 159-165.

[12]MENG M， JING K Q， MANDER M. Scenario analysis of CO₂ emissions from Chinas electric power industry[J]. Journal of cleaner production， 2017， 142： 3101-3108.

[13]HEAPS C G. Long-range Energy Alternatives Planning （LEAP） system[CP]. Somerville MA， USA： Stockholm Environment Institute. 2017.https：//www.energycommunity.org.

[14]United Nations， Department of Economic and Social Affairs， Population Division. World population prospects： the 2015 revision， DVD edition [R].2015.

[15]中電聯(lián). 中國(guó)電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告（2011—2016）[M]. 北京： 中國(guó)市場(chǎng)出版社， 2011—2016.[China Electricity Council. China power industry annual development report （2011-2016） [M]. Beijing： China Market Press， 2011-2016.]

[16]International Energy Agency. ETSAP-technology brief： CO₂ capture and storage[R]. 2011. http：//iea-etsap.org/E-TechDS/PDF/E14_CCS_oct2010_GS_gc_AD_gs.pdf.

[17]International Energy Agency. World energy investment outlook[R]. 2014. http：//iea.org/publications/freepublications/publication/WEIO 2014.pdf.

[18]國(guó)家發(fā)改委， 建設(shè)部. 建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法與參數(shù)[M]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社， 2006. [National Development and Reform Commission， Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the Peoples Republic of China. Economic evaluation methods and parameters of construction projects [M]. Beijing： China Planning Press， 2006.]

[19]國(guó)家發(fā)改委， 國(guó)家能源局.電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016—2020年）[R]. 2016. [National Development and Reform Commission， National Energy Administration. Chinas power sector 13th Five Year Plan （2016-2020）[R]. 2016.]

[20]IPCC. Climate change 2014： mitigation of climate change， Working Group III Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [M]. Cambridge： Cambridge University Press， 2014.

[21]國(guó)務(wù)院.節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）[R].2012.[The State Council. The planning for the development of the energy-saving and new energy automobile industry （2012-2020）[R]. 2012.]

[22]SU Q H， WANG Q X， WANG D J，et al. Spatial and temporal variation of energy carbon emissions in Yantai from 2001 to 2011[J]. Chinese journal of population， resources and environment， 2016， 14（3）：182-188.

[23]CAI B F， WANG J N， YANG S Y， et al. 2017. Carbon dioxide emissions from cities in China based on high resolution emission gridded data [J]. Chinese journal of population， resources and environment， 2016，15（1）：58-70.

[24]綠色和平.棄風(fēng)棄光地圖[EB/OL]. [2017-10-25]. http：//www.greenpeace.org.cn/site/climate-energy/2017/china_wind_and_solar_curtailment_map/.[GreenPeace. The map of abandoned wind and light[EB/OL]. [2017-10-25]. http：//www.greenpeace.org.cn/site/climate-energy/2017/china_wind_and_solar_curtailment_map/.]

[25]國(guó)家能源局. 2016年風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行情況[EB/OL].（2017-01-26）[2017-10-15]http：//www.nea.gov.cn/2017-01/26/c_136014615.htm.[National Energy Administration. Wind power grid operation in the year of 2016 [EB/OL].（2017-01-26）[2017-10-15]http：//www.nea.gov.cn/2017-01/26/c_136014615.htm.]