周孝信：“雙碳”目標下我國能源電力系統發(fā)展前景與關(guān)鍵技術(shù)

編者按：2021年7月8日，以“碳中和與未來(lái)能源”為主題的“第三屆未來(lái)能源大會(huì )”在北京召開(kāi)，本次大會(huì )由中國能源研究會(huì )與中國能源網(wǎng)聯(lián)合主辦。會(huì )上，中國科學(xué)院院士、中國電力科學(xué)研究院名譽(yù)院長(cháng)周孝信發(fā)表了““雙碳”目標下我國能源電力系統發(fā)展前景與關(guān)鍵技術(shù)”的主旨演講。

以下內容根據論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

周孝信：謝謝主持人介紹。

各位院士，各位專(zhuān)家，各位領(lǐng)導，大家上午好!

剛才我們聽(tīng)了杜院士非常大氣的全能源視野來(lái)看碳中和和未來(lái)能源，我覺(jué)得提出了非常非常好的一些想法。

我今天主要側重電力系統，談一談我的一些看法。這么幾個(gè)內容。

一、我國能源轉型的戰略目標和實(shí)施路徑

習近平總書(shū)記在去年9月和今年3月兩次講話(huà)里邊，就把這個(gè)問(wèn)題從宏觀(guān)上、從戰略上說(shuō)得很清楚了。戰略目標，我認為“雙碳”目標，2030年前二氧化碳排放爭取達峰，2060年實(shí)現碳中和，我覺(jué)得這兩個(gè)目標就是我們現在能源低碳轉型的戰略目標，我覺(jué)得這個(gè)目標非常清晰了。

關(guān)于實(shí)施路徑，具體討論很多，但我覺(jué)得還是習主席的講話(huà)，談到兩個(gè)構建。一個(gè)是構建清潔低碳安全高效的能源體系。二是構建以新能源為主體的新型電力系統。這兩個(gè)不是完全并列的。再具體一點(diǎn)，也是習主席講話(huà)里提到的，控制化石能源總量，著(zhù)力提高能源利用效能，實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，深化電力體制改革。我覺(jué)得這個(gè)是更具體的并且具體的一個(gè)方向性路徑。當然，具體怎么做需要大家共同努力，來(lái)落實(shí)戰略目標和宏觀(guān)戰略性的實(shí)施路徑。

二、“雙碳”目標下我國能源電力系統發(fā)展前景

我們在這之前做了三組情景，當時(shí)是針對我們國家2016-2030年能源發(fā)展戰略規劃，那個(gè)是國家能源局和發(fā)改委早在2016年初公布的，我們針對那個(gè)情景，當時(shí)提出2030年，也展望了2050年的情況。所以我們做了前三個(gè)情景，一個(gè)是基本上按照這個(gè)路徑走，第二個(gè)是還能不能再快一點(diǎn)，實(shí)現可再生能源比較大的發(fā)展。第三個(gè)情景是希望有突破性的，或者跨越性的進(jìn)步，來(lái)實(shí)現。但實(shí)際上做下來(lái)我們發(fā)現還沒(méi)有能夠達到現在提出的“雙碳”目標要求。所以我們就做了情景四，這個(gè)情景四是根據“雙碳”目標的基本要求，考慮經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展對能源電力安全供應需求及能源電力技術(shù)進(jìn)步等因素，設定三項經(jīng)濟社會(huì )和能源發(fā)展主要指標及其變化的趨勢，這三個(gè)主要指標對能源轉型非常非常重要。

一個(gè)是一次能源消費總量，比如煤、石油、天然氣和一次能源，包括可再生能源、非化石能源等等這些，它的消費總量是多少，這個(gè)國家每年都有公布，但我們要預測未來(lái)，那么就要看怎么個(gè)發(fā)展法。當然，這個(gè)趨勢要結合我們的能源需求、技術(shù)進(jìn)步和各種方針政策以及我們國家的考慮。做的結果是這樣，右圖里的曲線(xiàn)。2020年一次能源消費總量是49.8億噸標準煤，2030年達到峰值59億噸，之后緩慢下降，2050年達到50億噸，2060年46億噸。從現在開(kāi)始我們還沒(méi)有達到峰值，到2030年還有這么一個(gè)余地，59億噸到50億噸，這是我們的設想。之后為什么能夠下降呢?是我們的需求沒(méi)有過(guò)去高了嗎?不是的，是因為能效的提高，剛才杜院士講，節能和提高能效是非常非常關(guān)鍵的一步，我們做的結果，包括負荷消費端的提高，包括一次能源的提高，包括損耗降低等等，實(shí)際有效能源還是往上漲的，但是考慮到這些能效以后，它體現出來(lái)的值是降低的。

當然，一次能源消費總量還不夠，還要細分，比如煤炭是什么樣情況，石油天然氣是什么樣情況，還有非化石能源是什么樣，都有一個(gè)預估。

二是非化石能源消費占比，這個(gè)國家非常非常重視，提出的首要指標就是非化石能源占比。在2020年是15.8%，不同的階段，我們是按照前低后高的增長(cháng)率，2030達到25%，這是習主席提到的目標。到2050年達到59%，原來(lái)2030年規劃，展望2050年是50%。2060年是89%，這些目標怎么能夠實(shí)現?我們做的結果是，就是通過(guò)非化石能源的增長(cháng)，包括可再生能源等等增長(cháng)，如果沒(méi)有這個(gè)根本不可能。

三是全社會(huì )用電量，這個(gè)和經(jīng)濟發(fā)展有關(guān)系。所以我們2020年的7.5萬(wàn)億，增長(cháng)率是前高后低，2030年達到10.6萬(wàn)億，我想我們估計有的偏低一點(diǎn)，2050年13.6萬(wàn)億，2060年15萬(wàn)億，要翻一番的，電力消費翻一番，但我們的排放要大幅降低。

根據這些前提條件和其他輔助條件，怎么算我們電力系統需要的發(fā)電裝機容量等等，各種各樣的，有這么一個(gè)模型流程圖，不詳細說(shuō)了。我們計算的結果，剛才給定的情景下，首先看發(fā)電裝機結構，2020年全國發(fā)電裝機總容量是22億千瓦，非化石能源裝機占比44.7%，煤電占49.1%，10.8億千瓦，風(fēng)光裝機占24.3%，裝機比例增長(cháng)很快，這是2020年的情況。經(jīng)過(guò)剛才的中間條件約束下發(fā)展，到了2060年，全國發(fā)電裝機總容量提高到68.3億千瓦，非化石能源裝機占94.4%，煤電占1.1%，煤電還有，等一下我還要說(shuō)，這個(gè)留著(zhù)做什么，風(fēng)光裝機占比接近80%。我沒(méi)說(shuō)新能源裝機，因為新能源概念不斷變化，我這里沒(méi)考慮可再生能源的發(fā)電，只是考慮風(fēng)電和光伏占接近80%。

看看發(fā)電量，2020年全國發(fā)電量是7.6萬(wàn)億千瓦時(shí)，非化石發(fā)電量占比33.9%，煤電占60.8%，4.6萬(wàn)億千瓦時(shí)，風(fēng)光發(fā)電量占比9.5%。經(jīng)過(guò)約束條件下的增長(cháng)，2030年風(fēng)光發(fā)電總容量是2.35千瓦時(shí)，2060年全國發(fā)電量是15.2億千瓦時(shí)，比2020年翻一番，非化石能源電量占92.75，煤電占1.4%，0.22萬(wàn)億千瓦時(shí)，風(fēng)光占發(fā)電量60.7%。

這是過(guò)去的實(shí)際情況，右圖里黑的是煤電49.1%，第一次下降到小于50%了，去年就是這個(gè)情況。但是它的發(fā)電量右圖，也是黑的，煤電是4.6萬(wàn)億，60.7%，超過(guò)60%，從裝機來(lái)說(shuō)，風(fēng)光裝機占24.3%，這個(gè)剛才說(shuō)了。2030年是什么情況?煤電裝機容量還是相當高的水平，看左圖，11.5億千瓦，我們去年是10.8億，“十四五”是多少我現在不好說(shuō)，國家還沒(méi)公布，但我想到2030年還要保持相當的數量，發(fā)電量占比大幅降低，降低到30.7%，運行小時(shí)數降低，發(fā)電量是10.75萬(wàn)億千瓦時(shí)，非化石能源發(fā)電量占比46.7%，當年提得是50%，我這里費了大量努力，給它增加，還是沒(méi)有到。

夫妻共同財產(chǎn)發(fā)電量占比60.7%，2060年情況變化比較大，特別是從2050年-2060年期間，我們大批煤電機組將要退役，可再生能源有更快速度的發(fā)展。所以從2060年看，能源消費總量降低了，46億噸，因為能效的提高。年末裝機是68.3億，風(fēng)光裝機占79.7%，很高，不是說(shuō)著(zhù)玩的，高比例可再生能源電力系統，這個(gè)比例幾乎是80%了。右邊的發(fā)電量15.22萬(wàn)億，比去年翻一番，這個(gè)數可能還打不住，有的咨詢(xún)機構做的數比這個(gè)高，但我是根據個(gè)人想法做的結果，不代表任何機構，也不代表電科院，是翻一番來(lái)考慮的。非化石能源發(fā)電量占比92.7%，風(fēng)光發(fā)電量占比超過(guò)60%。從主體能源的角度來(lái)說(shuō)，2050年到2060年，從風(fēng)光發(fā)電量來(lái)看已經(jīng)超過(guò)50%，應該是主體了。

這樣一個(gè)情景，剛才算下的具體數，我們能不能用一些指標加以衡量呢?應該是可以的，我個(gè)人考慮是五項核心指標：

1、非化石能源在一次能源消費中的比重，這個(gè)不僅僅是電力系統，而是整個(gè)能源系統都是這個(gè)指標。為什么這個(gè)指標非常重要?是因為非化石能源這部分提供的一次能源主要是由我們電力部門(mén)非化石能源發(fā)電來(lái)提供的，提供90%以上。所以我們有一個(gè)系數，如果是占百分之百的話(huà)是多少，占90%是多少，都可以考慮的，所以這個(gè)是非常非常重要的一個(gè)比例，它決定了我們電力系統將來(lái)非化石能源發(fā)電量所提供的能源它應該是什么情況，應該滿(mǎn)足什么樣的條件，這個(gè)是基本條件。

2、非化石能源發(fā)電量在發(fā)電量中比重。當年2030年我們設定50%，但實(shí)際達不到，但到2060年那個(gè)數，預測的比2030年高多了，60%，非化石能源電量要達到90%以上，92.7%。

3、電能在終端能源消費中的比重。

4、系統總體能源利用效率。

5、能源電力系統二氧化碳排放總量。過(guò)去我們不care這個(gè)東西，但現在必須作為一個(gè)重要指標來(lái)考核，看看電力系統怎么樣。

按照我們剛才的計算方式，那樣一個(gè)情景，算了一下這五個(gè)指標變化情況。左圖是非化石能源在一次能源的占比，實(shí)現的圖，就是這個(gè)曲線(xiàn)。二是能源系統總效率，虛線(xiàn)往上走的那個(gè)圖，從現在大概30%幾，現在能源效率很低，前幾年我記得機械電子部有個(gè)統計，他們那個(gè)系統，制造業(yè)效率是33%，我們發(fā)電效率，用煤電的效率，也就30%-40%，所以這個(gè)效率肯定高不了，能源不轉型這個(gè)效率永遠提不高，都是30%-40%，頂多超過(guò)40%一點(diǎn)。我們慢慢慢慢增長(cháng)，到2060年可以到50%，為什么?兩個(gè)因素，一個(gè)是我們的能源轉型帶來(lái)的，我們的風(fēng)電光伏是一次能源，從效率鏈來(lái)說(shuō)，一開(kāi)始它生產(chǎn)的電力效率就是100%，不像煤電就30%幾，這是一個(gè)因素。第二個(gè)因素，各個(gè)環(huán)節的效率提高，包括輸電，包括用電效率，各種各樣的，包括建筑里邊的效率，包括用電動(dòng)汽車(chē)來(lái)代替傳統汽車(chē)。傳統汽車(chē)我不知道石油天然氣燃燒后的效率是多少，30%幾?用電以后效率大幅提高，因為可再生能源效率提高了，所以效率提高是完全有根據的，我們根據各種因素算的結果，可以到50%，我覺(jué)得50%的效率是很高很高的了。

右邊這兩個(gè)數是非化石能源發(fā)電量占比持續提高，2045年超過(guò)70%，2060年達到約92.7%。電能在終端消費中比重大幅增長(cháng)，2030年達到約34%，2050年達到65%，2060年就更高了。

我們看看二氧化碳排放，首先看達峰，達峰是什么時(shí)候實(shí)現的?左圖，能源系統排放總的量是多少，我這里沒(méi)有把絕對值標出來(lái)，但坐標有，大家可以看一下，這個(gè)數很有爭議，算的不一定準確，供參考。所謂能源系統，能源通過(guò)燃燒排放的二氧化碳，包括我們火電廠(chǎng)，包括燃油電廠(chǎng)，包括其他利用煤的燃燒，包括汽車(chē)也是燃燒，它的總排放就是這個(gè)情況，在2027年達峰，峰值大概是多少呢?大概是97億噸左右，這個(gè)很不準確。下面兩條線(xiàn)，紅的線(xiàn)是電力行業(yè)二氧化碳的排放情況，占30%幾-40%，2025年達峰，峰值大概不到40億噸的樣子。

右邊是一個(gè)降低的百分值，達峰的算100%，其他的，現在我們是96.4%，還沒(méi)達峰，到了2030年達峰了，差不多到100%了，再就是快速下降，不知道為什么它好像是直線(xiàn)下降的，我們當初確實(shí)沒(méi)有設定它應該是這樣的，但各種因素疊加起來(lái)就是這樣的情況。到了2060年達到峰值的10%，我做的情景沒(méi)有做到零排放，但我們有其他措施來(lái)實(shí)現碳中和。

三、關(guān)鍵技術(shù)

技術(shù)方面，或者是和以前不同的方面，從技術(shù)方面來(lái)看，它有什么樣的特征，總結了四點(diǎn)：

1、高比例可再生能源電力系統

2、高比例電力電子裝備電力系統

這兩個(gè)電力系統的說(shuō)法，現在我們國家電網(wǎng)調度上整天說(shuō)我們會(huì )面臨這樣的問(wèn)題，不是全局，但局部已經(jīng)面臨這個(gè)問(wèn)題了，這是兩大問(wèn)題。

3、多能互補綜合能源電力系統

4、信息物理融合智慧能源電力系統

第三和第四實(shí)際上是要緩解第一和第二，或者說(shuō)一個(gè)很重要的措施來(lái)實(shí)現我們能源轉型、碳達峰，提高能源效率等等，特別是數字化，第四點(diǎn)，要把能源系統變成智慧型的，一會(huì )兒我會(huì )稍微說(shuō)兩句這個(gè)想法，我沒(méi)有仔細做，怎么樣變成智慧型，部分能夠自治的一個(gè)智慧系統。所以是這四點(diǎn)。

關(guān)鍵技術(shù)總結了八類(lèi)，這八類(lèi)不說(shuō)了，大家都說(shuō)的差不多。

第一個(gè)，新能源發(fā)電，這個(gè)發(fā)電技術(shù)我提得是電網(wǎng)支持型，能不能做到電網(wǎng)支持型，而且不是說(shuō)要犧牲新能源發(fā)電的發(fā)電量和它的靈活性，而是要支持電網(wǎng)，怎么支持，從控制系統上，從電力電子變換器角度上有什么辦法沒(méi)有，都在考慮這個(gè)。第二個(gè)，電力電子元器件，要升級，要換代，這個(gè)是對新能源發(fā)電將來(lái)接入電網(wǎng)接入電力系統提供一個(gè)非常非常大的支持，目前做不到，目前可靠性比較差，所以被迫要放大它的容量，也不一定保證它的性能，提供短路電流不行，搞系統來(lái)說(shuō)系統電流希望大一點(diǎn)，表明你這個(gè)系統是比較強的。這是我們需要關(guān)注的。第三個(gè)是電力系統問(wèn)題，電力系統面臨重大變革，發(fā)電和用電面臨天翻地覆的變化，過(guò)去單純就是電，現在叫綜合能源，過(guò)去是發(fā)電機組旋轉有慣性，現在沒(méi)有慣性了，怎么辦。從理論體系來(lái)說(shuō)，20世紀三40年代建立的經(jīng)典理論在今天來(lái)說(shuō)已經(jīng)不適用，要創(chuàng )立新的理論體系和技術(shù)的方法體系，這個(gè)任務(wù)非常繁重，現在大家都在做，但是還沒(méi)有理出頭緒來(lái)。第四個(gè)是儲能。第五個(gè)是氫能。第六個(gè)是數字化、人工智能，第七個(gè)是新型輸電和超導綜合輸能技術(shù)。最后是綜合能源電力市場(chǎng)。

最后談一個(gè)概念，綜合能源生產(chǎn)單元(IEPU)設想方案，左圖有一個(gè)電廠(chǎng)，這個(gè)電廠(chǎng)是燃煤耦合生物質(zhì)混燒火電廠(chǎng)，甚至不混燒也是有效的。底下的是光伏電站，右邊第二行，電解水制氫，你發(fā)的電，光伏發(fā)的電，電網(wǎng)發(fā)的電，甚至便宜來(lái)的電，都可以電解水制氫，制氫完了，我們根據中國科學(xué)院大連化物所李燦院士團隊他們做的工作，太陽(yáng)光燃料，要做甲醇，甲醇經(jīng)過(guò)處理以后變成燃料，方程式在這。同樣也可以做甲烷，甲烷做成天然氣，人造氣和人造液體，可以是綠色的，也可以是混合的。這樣一個(gè)綜合能源生產(chǎn)單元是虛擬的綜合能源電廠(chǎng)，在源端的一個(gè)綜合能源系統，綜合能源電廠(chǎng)，就像我們現在終端消費虛擬電廠(chǎng)，有分布式發(fā)電，有光伏發(fā)電，有天然氣發(fā)電，有各種各樣的負荷等等，有電動(dòng)汽車(chē)充電等等，它那個(gè)是終端消費的單元，所以我可以叫IECU，這是我給它提的名。IEPU和IECU，這個(gè)能不能將來(lái)作為我們國家新型電力系統的一個(gè)基礎單元來(lái)對待，這些基礎單元具有智能化智慧化的功能，它可以給電網(wǎng)提供非常靈活的發(fā)電調節能力。所以如果是這樣的話(huà)，是不是需要那么多單獨的儲能電站呢?

一會(huì )兒看一下這個(gè)東西，其他就不看了，時(shí)間關(guān)系。

燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)的情況，不是百分之百都可以，現在只能20%以下。我們這個(gè)單元包括燃煤機組，電解槽，光伏發(fā)電機組，甲醇化設備，這個(gè)機組是折舊完備的機組，還能用，但費用很低，沒(méi)有資本的費用了。電解槽，大連化物所李燦院士他們做的，每標方可以做到3度電，我聽(tīng)說(shuō)其他有幾個(gè)研究團隊也達到這個(gè)水平，所以技術(shù)在不斷進(jìn)步。做出的結果，全局優(yōu)化容量，重點(diǎn)給大家看一下這個(gè)靈活性，怎么需要提供電網(wǎng)靈活性，因為這個(gè)單元里有光伏發(fā)電，有燃煤發(fā)電，有負荷，有電解水制氫，有制甲醇和制甲烷，而電解水制氫耗電很大，甚至可以和裝機容量的10%幾相比。這樣的話(huà)，既有發(fā)，又有售，所以它的調節余地很大，問(wèn)題是它的最低出率能到多少，最高出率能到多少，發(fā)電機組經(jīng)過(guò)靈活性改造最低出率可以到70%，剩下30%發(fā)電，甚至有的提到20%，當然，這個(gè)就花比較大的代價(jià)了?，F在電解槽最低出率是多少呢?據說(shuō)30%。這兩個(gè)靈活性一搭配，上面這條曲線(xiàn)，調節的上限，一天24小時(shí)，下面這個(gè)紅線(xiàn)是調節的下限，紅線(xiàn)是低于0的，因此它的調節能力是多少呢?從原來(lái)的70%可以增大到166%，這個(gè)調節不只是翻番了，加一倍還多，所以它的調節能力很多。我這個(gè)想法和我們調度去說(shuō)，他們覺(jué)得這個(gè)非常好。如果真得這樣的話(huà)，一個(gè)是給我們的燃煤電廠(chǎng)提供一個(gè)出路，另外是碳捕集，通過(guò)碳捕集把它變成綠色。這樣的話(huà)調節能力可以得到很大程度地滿(mǎn)足，為什么2060年還留著(zhù)7400萬(wàn)火電，就是因為如果全部用它改造的話(huà)，它提供的液體燃料和天然氣的量很大，這個(gè)量滿(mǎn)足我們國家一部分的需求還是可以的。這個(gè)東西經(jīng)濟性行不行?大概投資回報期七年，這個(gè)算地對不對可以質(zhì)疑，這個(gè)太好了。輸電不說(shuō)了，混合輸電，超導輸電加上輸液化天然氣，加上輸液態(tài)氫，但目前能不能做到，代價(jià)多大，這個(gè)沒(méi)有考慮，這是一個(gè)概念，國外也有人提出類(lèi)似的概念。

總結，前幾條都是重復。最后一條，第五，作為源端基地綜合能源生產(chǎn)單元(IEPU)的探索，與終端消費分布式綜合能源單元(IECU)一起，有可能成為未來(lái)綜合能源電力系統的基本單元結構模式。每個(gè)單元都能夠自主的做，比如里面配上一點(diǎn)儲能或者配上一點(diǎn)什么，它可以綜合。

這是我個(gè)人的一點(diǎn)體會(huì )，謝謝大家!