20-我国电力碳达峰、碳中和路径研究_舒印彪.pdf

001 中国工程科学 2021 年 第 23 卷 第 6 期 我国电力碳达峰、碳中和路径研究 Carbon Peak and Carbon Neutrality Path for China’s Power Industry 舒印彪 1 ，张丽英 2 ，张运洲 3 ，王耀华 3 ，鲁刚 3 ，元博 3 ，夏鹏 3 （1. 中国华能集团有限公司，北京 100031；2. 国家电网有限公司，北京 100031； 3. 国网能源研究院有限公司，北京 102209） Shu Yinbiao 1 , Zhang Liying 2 , Zhang Yunzhou 3 , Wang Yaohua 3 , Lu Gang 3 , Yuan Bo 3 , Xia Peng 3 (1. China Huaneng Group Co., Ltd., Beijing 100031, China; 2. State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China; 3. State Grid Energy Research Institute Co., Ltd., Beijing 102209, China) 摘要：电力低碳转型对实现碳达峰、碳中和目标具有全局性意义。本文在电力碳预算评估的基础上构建深度低碳、零碳、负 碳3类电力转型情景，研判电力需求等关键边界条件，构建路径规划优化模型；采用GESP-V软件包进行优化分析，确定不 同情景下包含电源结构、电力碳排放、电力供应成本在内的电力低碳转型路径；探讨并剖析煤电发展定位、新能源发展利用、 清洁能源多元化供应、电力平衡等实现电力系统低碳转型亟待解决的重大问题。研究建议，加强顶层设计，稳妥规划转型节 奏，保障电力供应安全；加强绿色低碳重大科技攻关，统筹电力全链条技术与产业布局；优化完善利益平衡统筹兼顾的市场 机制，加快建设绿色金融政策保障体系。通过政策、技术、机制协同，推动中长期我国电力低碳转型的高质量发展。 关键词：碳达峰；碳中和；电力转型；碳预算；碳减排；情景分析；电力供应成本 中图分类号：TM73 文献标识码：A Abstract: The low-carbon transformation of power sector is significant for achieving the goal of carbon peak and carbon neutrality in China. Based on the evaluation of power carbon budget, three power transformation scenarios of deep low-carbon, zero carbon, and negative carbon were built, the key boundary conditions such as power consumption demand were studied, and a path planning optimization model was established in the paper. Using the GESP-V software package for optimized analysis, the low-carbon transformation paths were determined for power structure, power carbon emissions, and power supply costs under different scenarios. The major issues that are critical for the low-carbon transformation of the power system were discussed, including coal power development, renewable energy development and utilization, diversified supply of clean energy, and electric power balance. Several suggestions were further proposed. Specifically, the top-level design should be strengthened to steadily plan the transformation pace, major low-carbon technologies should be developed to coordinate the overall technology and industrial layout, and the market mechanism with balanced interests should be improved while establishing a green finance policy system. The high-quality low- 收稿日期：2021-10-18；修回日期：2021-11-05 通讯作者：张运洲，国网能源研究院有限公司教授级高级工程师，研究方向为能源电力及电网规划，E-mail: zhangyunzhou@sgeri.sgcc.com.cn 资助项目：中国工程院咨询项目“我国碳达峰、碳中和战略及路径研究”(2021-HYZD-16) 本刊网址：www.engineering.org.cn/ch/journal/sscae DOI 10.15302/J-SSCAE-2021.06.001 002 我国电力碳达峰、碳中和路径研究 一、前言 进入21世纪以来，与全球气候变化密切相关的 极端天气、自然灾害频发，世界各国纷纷制定碳中 性、碳中和气候目标，加速能源清洁低碳转型、积 极应对气候变化成为全球共同性议题 [1~3]。我国 积极宣示并推动碳达峰、碳中和目标的实施 [4,5]， 既是践行人类命运共同体的重大实践，也体现了 推动世界绿色低碳转型的决心与担当。在我国， 能源活动是CO 2 的主要排放源，相应排放量约占 全社会CO 2 排放量的87%、全部温室气体排放量 的73%；其中电力部门是重要的碳排放部门（约 占能源碳排放的40%），相应排放量约为4×10 9 t。 未来，通过电能替代煤炭、石油、天然气等化石 能源的直接使用 [6]，提高终端能源消费的电气化 水平，可显著减少终端用能部门的直接碳排放。 电力是能源转型的中心环节、碳减排的关键领 域 [7~10]，电力部门将承担更大的减排责任，应 加快构建以新能源为主体的新型电力系统 [11]， 推动能源电力低碳转型发展，为实现我国碳中和 目标作出重要贡献。 能源电力低碳转型对于实现碳达峰、碳中和 目标至关重要 [12]。目前国内外研究机构在世界能 源低碳转型路径研究方面取得了丰富成果，如国际 能源署（IEA）、国际可再生能源署（IRENA）等 机构按年度发布世界能源发展展望报告 [13,14]， 开发了一批综合能源经济模型（代表性的有 MARKEL-MACRO模型、TIMES模型、C-REM模 型），为碳中和目标下全社会、各行业脱碳转型路 径研究提供了方向引导与工具支撑；国内高校、科 研院所通过设置政策情景、强化减排情景、2 ℃和 1.5 ℃情景等假设，对碳达峰、碳中和目标下我国 能源电力转型路径开展了多情景分析并获得诸多研 究成果 [15~17]。需要注意到，相较主要发达国家 在自然达峰后的漫长减排路径，我国的碳排放峰值、 平台期、转型路径将完全不同 [18,19]，电力低碳转 型必然面临包括规划、政策、技术、产业、经济性 在内的全方位挑战。统筹协调电力行业与全社会其 他行业的减排责任和进程，考虑新型储能、CCUS （碳捕集、利用与封存）、氢能等关键新技术对电力 低碳转型路径的影响 [20~22]，合理确定煤电发展 定位、科学发展利用新能源、破解电力平衡挑战等 重大问题，都可归纳为在多重不确定的内外部环境 下多目标权衡与统筹优化事件，需要兼顾安全、经 济、清洁等多个方向开展系统深入的研究。 针对于此，本文以我国电力行业未来承担的碳 减排实物量为主约束，根据经济发展、能源电力需 求、资源环境等关键边界条件，合理计及约束差异， 构建深度低碳、零碳、负碳3 类电力低碳转型情景； 对比分析不同情景下电源结构布局、电力碳减排、 电力供应成本等优化结果，辨识路径实施亟待解决 的关键问题，以期为碳达峰、碳中和目标下电力转 型及中长期发展研究提供基础参考。 二、碳达峰、碳中和目标下电力转型路径的 多情景分析方法 （一）研究模型与方法 本文采用定量和定性相结合的方式开展具体研 究。①评估电力系统碳预算。以碳达峰、碳中和目 标实现为约束，从经济社会发展的全局出发，综合 考虑国际碳减排现状、不同行业发展趋势和碳减排 难度，研判2020—2060年我国电力碳排放总预算。 ②设置转型情景和关键边界条件。考虑电力系统碳 减排责任、关键举措实施力度的差异性，结合国民 经济增长、能源电力需求、宏观政策目标、能源资 源潜力、技术经济性等关键边界条件及其参数，设 计电力系统深度低碳、零碳、负碳3类转型发展情 景。③电力碳减排转型路径优化（见图1）。针对设 计的3类发展情景，采用碳达峰、碳中和电力规划 软件包GESP-V来优化获得电源结构转型路径、电 力系统碳减排路径、电力供应成本等。GESP-V由 carbon transformation of China’s power sector in the medium and long term can be promoted through the coordination of policies, technologies, and mechanisms. Keywords: carbon peak; carbon neutrality; power transformation path; carbon budget; carbon emission reduction; scenario analysis; power supply cost 003 中国工程科学 2021 年 第 23 卷 第 6 期 国网能源研究院有限公司自主开发，以包含新能源 在内的多区域电力规划模型为核心，可反映电力电 量平衡、碳排放约束、碳捕集改造、电制氢等减碳 与新能源利用等关键技术的影响；集成电源规划、 生产模拟、政策分析等系统工具，可针对各类情景 下的能源电力发展路径、电源发展规模布局、电力 流向规模、传统电源CCUS改造后的捕集规模、电 力碳减排路径等开展优化分析。④关键问题分析与 应对策略建议（见图2）。基于各发展情景下路径优 化结果的对比，探讨煤电发展定位、新能源发展 利用、清洁能源多元化供应、电力平衡等关键问 题，研究提出低碳转型所需的技术、经济、产业、 政策等建议。 （二）电力碳预算 碳预算指在特定时期中将全球地表温度控制在 给定范围内所对应的累积CO 2 排放量上限。研究表 明 [23,24]，全球最大温升与累积CO 2 排放量约为线 性比例关系，CCR指数可以衡量这种近似线性关系。 ΔT = CCR×E T （1） 式（1）中，ΔT是一段时间内的全球温升，E T 为这 段时间内累积的CO 2 排放量。CCR指数值通常为 1.0~2.1℃/（10 12 t CO 2 ）。 联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）测 算 [25,26]，全球温升控制在2 ℃以内的剩余碳预算 为1.2×10 12 ~1.5×10 12 t CO 2 ，全球温升控制在1.5℃ 以内的剩余碳预算为4.2×10 11 ~5.8×10 11 t CO 2 。为了 实现国际间全球碳预算的合理分配，各国研究机构 积极探索碳排放限额分配方法，虽然尚未形成统一 的碳排放权分配方案，但基本形成以人均碳排放、 累计人均碳排放为基础的两类典型分配思路。在我 国，为了将全国碳预算分解至各行业，还需考虑全 社会各行业的碳排放现状、碳减排难度、碳减排潜 力、技术经济性差异。本研究基于全球剩余碳预算， 综合考虑国际间碳排放方案、国内行业间碳排放现 状及减排能力差异，预测2020—2060 年我国电力 系统碳排放预算为7.8×10 10 ~1.3×10 11 t CO 2 。 负荷特性 存量&待选机组 燃料消耗率 存量&待选线路 投资成本 固定 运行成本 可变运行 成本 排放 新能源 GESP-V 电源规模和布局 跨区输电规划 电力供应成本 新能源利用率 典型日电力电量 平衡及生产模拟 投资成本 燃料成本 环境成本 运行成本 置信容量 计算 出力情景 模拟 常规 UHVDC UHVAC 输入 现状和规划 系统建模 输出 电力发展情景 负荷预测 需求侧 响应& 电动汽车 求解器: CPLEX 混合整数优化(MIP) 目标函数：规划期内电力供应总成本最低 发电和输电联合优化、容量扩展和生产模拟联合优化 政策目标 碳预算 深度低碳 零碳 负碳 CCUS改造 规模 火电退出及 延寿计划 电力排放 CCUS改造成本 排放成本 图 1 碳达峰、碳中和目标下电力发展路径优化模型 注：UHVDC表示特高压直流输电；UHVAC表示特高压交流输电。 图 2 碳达峰、碳中和目标下电力低碳转型研究思路 关键边界条件 关键约束 发展情景优化碳预算评估 深度 低碳 研究工具 能源电力需求 基础、政策条件等 约束性因素 CCUS 、电制氢等 技术发展 碳约束 各类电源技术经济 参数 政策约束 资源、 环境约束 电力电量平衡 灵活资源平衡 系统安全运行约束 各类电源规模 布局 CCUS改造、 火电退出优化 电力流向和规模 关键水平年碳排 放和碳捕集构成 双碳目标约束 1.5 ℃温升 2 ℃温升 国际经验 行业统筹 GESP-V 电力系统规划运行工具集 零 碳 各类电源 储能 输电网络 CCUS改造 碳排放 成本效益 技术需求 产业发展 政策机制 关键问题和政策建议 负 碳 资源条件、产业 004 我国电力碳达峰、碳中和路径研究 （三）发展情景与关键边界条件 以2060年为目标年，考虑电力系统不同的碳 减排责任、减排关键举措的不同实施力度，设计了 电力系统深度低碳、零碳、负碳3类转型发展情景 （见表1），剖析实现碳中和不同路径下存在的重要 问题，推演各种发展路径的可行性及面临挑战。 1. 电力需求预测结果 综合考虑经济增长、产业结构调整、节能节电、 电能替代、电制氢等影响因素，未来我国电力需求 的增长空间还很大（见图3）：2030年全社会用电 量约为1.18×10 13 kW·h，2040—2045年电力需求增 长趋于饱和（年均增速低于1%），2060年全社会 用电量约为1.57×10 13 kW·h；远期可再生能源制氢 电量占比持续提升，2060年约为1.7×10 12 kW·h。 2. 其他关键边界条件 电力低碳转型路径优化除了受电力需求影响以 外，还受到经济发展目标、能源需求、非化石能源 结构占比、非化石能源开发潜力及目标、碳减排关 键目标、电力碳预算等关键边界条件约束（见表2）。 三、电力系统低碳转型路径 针对碳达峰、碳中和目标下电力系统低碳转型 的路径优化问题，本研究以2020—2060年电力供 应成本最低为优化目标，以各类电源装机、发电量、 CCUS改造规模等为优化变量，兼顾电力电量平衡、 碳预算、可再生能源发电资源等约束条件，建立了 电力系统多情景优化规划模型，优化得到不同情景 下电力系统碳减排路径、电力供应成本变化情况。 （一）电源结构转型路径 电源转型路径整体呈现出了电源结构不断清洁 化发展的态势，非化石能源装机和发电量占比稳步 提升，逐步演变为以新能源为主体的新型电力系统。 表 1 电力低碳转型的主要情景 情景名称情景共同点情景差异性 情景一深度低碳需求侧节能增效、控制 能源消费总量；供给侧 大力发展非化石能源， 实现新能源跨越式发展； 构建多元化清洁能源供 应体系 终端能效水平稳步提升，非化石能源比重日益提高，电力系统“源网荷 储”协调发展；2060年仍保留一定量火电机组和电力系统排放配额， 电力碳排放量不超过1×10 9 t CO 2 情景二零碳进一步加快供给侧非化石能源发展速度，扩大绿氢规模、加快煤电 CCUS改造；将产生的CO 2 与绿氢结合制取甲烷、甲醇等化工原料，实 现电力系统零碳发展和碳循环经济 情景三负碳在零碳发展的基础上大力推动生物质掺烧和生物质碳捕集技术（CBEC- CS/BECCS）等负碳技术进步，2050年实现碳中和；2060年电力系统 CO 2 净排放量– 6×10 8 t 以内 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0 2 4 6 8 10 12 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 用电量年增速/% 用电量/(×10 12 kW·h) 时间/年 全社会用电量； 制氢电量； 用电量年增速 图 3 2020—2060 年全社会用电量预测结果 005 中国工程科学 2021 年 第 23 卷 第 6 期 对于零碳情景，①在电源装机结构方面（见图4）， 2030年电力系统总装机达到4×10 9 kW，非化石能 源装机占比从2020年的46%提高至64%；2060年 总装机达到7.1×10 9 kW，非化石能源装机占比提升 至89%；②在发电量结构方面（见图5），2030 年 电力系统总发电量达到1.18×10 13 kW·h，非化石 能源发电量占比从2020年的36%提升至51%； 2060 年电力系统总发电量达到1.57×10 13 kW·h，非 化石能源发电量占比提升至92%，煤电电量占比降 至4%。对于深度低碳、负碳情景，2060年非化石 能源装机占比分别为85%、92%，2060年非化石能 源发电量占比分别为88%、94%。 （二）电力系统碳减排路径 电力碳减排路径主要分为碳达峰、深度低碳、 碳中和3个阶段，各阶段的电力碳减排演化路径特 征表述如下。 在碳达峰阶段，对于零碳情景，2028年前后电 力系统碳排放达峰，峰值约为4.4×10 9 t CO 2 （不含 供热碳排放），约占能源燃烧CO 2 峰值的49%，其 中煤电排放约4×10 9 t CO 2 、气电排放约4×10 8 t CO 2 。 电力行业要承担其他行业电气化带来的碳排放转 移，同时碳达峰阶段的新增电力需求难以完全由非 化石能源发电满足，两方面因素共同导致电力碳排 放达峰可能滞后于其他行业，但整体上有利于全社 会碳排放的提前达峰。对于负碳情景，电力系统将 承担更多的碳减排责任，预计2025年前后碳排放 达峰，较零碳低峰值情景提前2~3 a；相应碳排放峰 值降低至4.1×10 9 t CO 2 。对于深度低碳情景，预计 “十五五”时期末段电力碳排放达峰，相应峰值约提 表 2 电力低碳转型优化的其他关键边界条件 边界条件名称边界条件表述 经济发展 2035年国民生产总值（GDP）较2020年翻一番，“十四五”、2026—2035年、2036—2050年、 2051—2060年期间的GDP年均增速分别约为6.0%、4.4%、3.3%、2.7% 能源消费总量一次能源消费在2030年前后达峰，峰值控制在6×10 9 tce 能源结构2030年非化石能源消费占一次能源消费比重达到25% 碳减排目标2030年前碳排放达峰，2060年碳中和；2030年单位GDP的CO 2 排放量相比2005年下降 65%以上 非化石能源开发潜力及目标常规水电、核电技术可开发量约为6×10 8 kW、4×10 8 ~5×10 8 kW；2030年新能源装机规模 在1.2×10 9 kW以上 2020—2060年电力碳预算深度低碳情景为1.3×10 11 t CO 2 ，2060年电力碳排放在1×10 9 t CO 2 以下； 零碳情景为1×10 11 t CO 2 ，2060年电力碳排放为零； 负碳情景为7.8×10 10 t CO 2 ，2060年电力碳排放在–6×10 8 t CO 2 以内 0 10 20 30 40 50 60 70 80 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 电源装机容量/ ( ×10 8 kW ) 时间/年 煤电； 气电； 核电； 生物质发电； 常规水电； 风电； 太阳能发电； 新型储能； 抽水蓄能 图 4 零碳情景下 2020—2060 年电源装机结构 006 我国电力碳达峰、碳中和路径研究 高至4.7×10 9 t CO 2 。 在深度低碳阶段，电力排放达峰后进入短暂平 台期（2~3 a），之后碳减排速度整体呈先慢后快的 下降趋势。随着新能源、储能技术经济性进一步提 高、新一代CCUS技术商业化应用规模扩大，电力 系统将实现深度低碳。在零碳情景下，2050年电力 碳排放降低到1×10 9 t CO 2 以下。 在碳中和阶段，2060年电力系统实现零碳（见 图6）。在零碳情景下，煤电、气电碳排放分别为 5.3×10 8 t CO 2 、2.5×10 8 t CO 2 （不计CCUS碳捕集 量），煤电、气电、生物质发电的CCUS碳捕集 量分别为3.2×10 8 t CO 2 、1.2×10 8 t CO 2 、3.4×10 8 t CO 2 。 （三）电力供应成本分析 根据不同情景下电源装机结构、发电量结构、 火电机组CCUS改造情况，统计得到电力系统低 碳转型路径下、规划周期内的投资成本、运行成 0 2 4 6 8 10 12 14 16 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 发电量/(×10 12 kW·h) 时间/年 煤电； 气电； 核电； 生物质发电； 常规水电； 风电； 太阳能发电 图 5 零碳情景下 2020—2060 年发电量结构 –5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 碳排放量/(×10 8 t CO 2 ) 时间/年 煤电净碳排放； 气电净碳排放； 生物质碳排放（CCUS减排量）； 总碳排放（计入CCUS） 图 6 零碳情景下 2020—2060 年电力碳排放和吸收图 007 中国工程科学 2021 年 第 23 卷 第 6 期 本、碳排放环境成本结构（见图7）。不同碳减排 路径对低碳技术、非化石能源需求存在差异，电力 转型成本与承担的减排量、实施的减排力度呈明 显的正相关关系。在零碳情景下，按4%贴现率考 虑，2020—2060年全规划周期电力供应成本贴现到 2020 年约为60万亿元，其中新增投资在电力系统规 划费用组成中的占比最大（约为42%）。相对于零碳 情景，负碳情景下的新能源并网比例迅速提高，对 灵活资源、输配电网、碳捕捉利用设备的投入也将 大幅增加，电力供应成本提高约17%。深度低碳情 景下的电力供应成本最低，较零碳情景降低约12%。 零碳情景下的不同碳减排路径对比表明（见图8）： 在相同电力碳预算的情景下，先慢后快的“上凸曲 线”减排路径，其技术经济评价相对更好；若电力 碳减排路径保持匀速的“下斜直线”或先快后慢的 “下凹曲线”趋势，将对新能源规模、脱碳技术应 用提出更高要求，预计2020—2060年电力成本需 提高4%~8%。因此，碳达峰、碳中和路径的制定， 应统筹考虑经济社会发展规律、关键技术发展成熟 度等客观因素，合理分配不同历史时期的碳减排责 0 10 20 30 40 50 60 70 零碳情景 深度低碳情景 负碳情景 规划成本/ 万亿元 投资成本； 固定运行成本； 变动运行成本； 燃料成本； 排放成本 图 7 不同情景下的电力供应成本及构成 图 8 零碳情景下不同碳减排路径对比图 0 10 20 30 40 50 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 碳排放量/(×10 8 t CO 2 ) 时间/年 零碳情景(上凸曲线)； 零碳情景(斜直线)； 零碳情景(下凹曲线) 008 我国电力碳达峰、碳中和路径研究 任，避免“抢跑式”“运动式”减碳，力求符合实际、 切实可行。 测算数据表明，电力供应成本近中期波动上升， 中远期先进入平台期然后逐步下降。在零碳情景下， 为满足新增的用电需求，实现碳达峰、碳中和 目标，各类电源尤其是新能源需高速发展，相 应电力投资将保持在较高水平。新能源电量渗 透率超过15%后，系统成本到达快速增长的临 界点，测算的2025年、2030年系统成本分别 是2020年的2.3倍、3倍；上述因素将推动供电 成本波动上升，预计2020—2025年、2025—2030年、 2030—2040年电力供应成本投入分别约14.5 万 亿元、16.1万亿元、33.0万亿元（不考虑折现）； 2045年前后电力供应成本投入进入平台期，电力需 求转入低速增长阶段，电力基础设施新增投资较少， 电力需求主要由上网边际成本很低的新能源发电提 供，系统运行成本进入平台期。 四、实现电力系统低碳转型亟待解决的重大 问题 在电力低碳转型发展路径下，以风能、光伏为 代表的新能源将成为电力供应主体，给现有电力系 统带来战略性、全局性变革 [27]。在供给侧，新能 源逐步成为装机和电量的主体；在用户侧，分布式 电源、多元负荷、储能等发/用电一体的“产消者” 大量涌现；在电网侧，以大电网为主导、多种电网 形态相融并存的格局逐步形成。电力系统整体运行 的机理必然出现深刻变化，为了推动我国电力碳达 峰、碳中和发展目标的实施落地，还需要重点关注 以下四方面问题。 （一）科学确定煤电发展定位 煤电与非化石能源并非简单的此消彼长，而 应是协调互补的发展关系，解决好煤电发展问题是 我国稳妥实现电力低碳转型的关键。煤电由电量主 体转变为容量主体，在为新能源发展腾出电量空间 的同时，提供灵活调节能力以确保能源供给安全。 目前，我国煤电装机容量约1.08×10 9 kW，其中约 9×10 8 kW的是高参数、大容量煤电机组；应合理 利用这些优质存量资产，科学谋划煤电退出路径， 协调好煤电与可再生能源的发展节奏，防止煤电大 规模过快退出而影响电力安全稳定供应。 综合考虑，按照“增容控量”“控容减量”“减 容减量”3个阶段来谋划煤电发展路径（见 图 9~11）。①“增容控量”阶段。“十四五”时期煤 电发展难以“急刹车”，装机容量仍需有一定的增长， 在此基础上要严控发电量增长；装机容量峰值约为 1.25×10 9 kW，发电量先于装机2~3 a达峰，峰值约 为5.1×10 12 kW·h；新增煤电主要发挥高峰电力平衡 和应急保障作用并提供转动惯量，保障电力系统安 全稳定运行。②“控容减量”阶段。“十五五”时 0 2 4 6 8 10 12 14 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 装机容量/(×10 8 kW) 时间/年 应急备用机组； 灵活调节机组； 近零脱碳机组； 煤电装机总和 图 9 零碳情景下 2020—2060 年各类型煤电装机结构 009 中国工程科学 2021 年 第 23 卷 第 6 期 期煤电进入装机峰值的平台期，发电量、耗煤量稳 步下降，更多承担系统调节、高峰电力平衡的功能； 预计2030年煤电发电量达到5×10 12 kW·h，较峰值 降低1×10 9 kW·h，煤电发电利用小时数降低到4000 h 以下；“十五五”时期煤电CCUS改造进入示范应 用、产业化培育的初期阶段，2025年、2030 年累 计改造规模为2×10 6 kW、1×10 7 kW，碳捕集规模为 8×10 6 t/a、3.7×10 7 t/a。③“减容减量”阶段。2030 年 以后，煤电装机和发电量稳步下降，一部分逐步退 出常规运行而作为应急备用；远期加装CCUS设 备，逐步增加“近零脱碳机组”并形成碳循环经济 发展新模式；2060年煤电装机降至4×10 8 kW，相 应占比下降为5.6%。 （二）拓展新能源发展模式和多元化利用 新能源将逐步演变为主体电源，宜坚持集中 式与分布式开发并举，分阶段优化布局。我国新能 源发电资源丰富，风能、光伏发电的技术经济可 开发量分别达到3.5×10 9 kW、5×10 9 kW，相关成 本也因快速的技术进步、合理的市场竞争而处于快 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 1 2 3 4 5 6 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 发电利用小时数/h 发电量/(×10 12 kW·h) 时间/年 煤电发电量； 煤电年发电利用小时 图 10 零碳情景下 2020—2060 年煤电发电量及利用小时数 图 11 零碳情景下煤电 CCUS 改造规模及碳捕集量 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0 2000 4000 6000 8000 10 000 12 000 14 000 16 000 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 碳捕集量/(×10 8 t CO 2 ) 改造规模/(×10 4 kW) 时间/年 煤电CCUS改造规模； 煤电CCUS碳捕集量 010 我国电力碳达峰、碳中和路径研究 速下降通道。我国新能源产业链相对完整，光伏 组件、风力机整机的年产能分别达到1.5×10 8 kW、 6×10 7 kW，为大规模、高强度、可持续开发利用提 供了坚实保障（见图12,13）。 在风电方面，近期应因地制宜发展东部、中部 地区的分散式风电和海上风电，优先就地消纳，同 时稳步推进西部、北部地区的风电基地集约化开发； 远期随着东部、中部地区的分散式风电资源基本开 发完毕，风电开发重心重回西部、北部地区，同时 海上风电逐步向远海拓展，预计2060年风电装机 容量为2×10 9 kW（含海上风电的5×10 8 kW）。 在太阳能方面，近期仍以光伏发电为主导，优 先发展东部、中部地区的分布式光伏，西部、北部地 区则推动建设集中式太阳能发电基地；中远期，包 括光热发电在内的太阳能发电基地建设将在西北地 区及其他有条件的区域持续扩大规模，预计2060年 太阳能装机容量为2.6×10 9 kW（含光热发电的 2.5×10 8 kW）。 着眼中远期发展，单纯依靠电力系统难以充分 实现新能源利用，因而跨系统发展循环碳经济是新 0 5 10 15 20 25 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 装机容量/(×10 8 kW) 时间/年 陆上风电； 海上风电； 风电装机总和 图 12 零碳情景下 2020—2060 年风电发电装机结构 图 13 零碳情景下 2020—2060 年太阳能发电装机结构 0 5 10 15 20 25 30 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 装机容量/(×10 8 kW) 时间/年 光伏发电； 光热发电； 太阳能发电装机总和 011 中国工程科学 2021 年 第 23 卷 第 6 期 能源多元化利用的重要方式。宜积极运用绿电制氢、 气、热等电力多元化转换（Power-to-X）和跨能源 系统利用方式，与火电CCUS捕获的CO 2 结合来制 取甲醇、甲烷等（应用于工业原料领域），全面扩 大碳循环经济规模。 （三）构建多元化清洁能源供应体系 未来各类型清洁电源的发展定位是电力低碳转 型的焦点问题。单纯依赖新能源增长并不科学，需 要在统筹平衡、功能互补的前提下，明确各类型电 源发展定位，注重能源绿色低碳转型与灵活性调节 资源补短板并重，实现“水核风光储”等各类电源 协同发展。 一是积极推进水电开发，安全有序发展核电。 2030年以前加快开发西南地区的优质水电站址资 源，而2030年后重点推进西藏自治区的水电开发； 2030年水电总装机容量为4×10 8 kW以上，年发电 量约为1.6×10 12 kW·h，开发率（不含西藏水电）超 过80%；2040年水电基本开发完毕，2060年装机 容量保持在5×10 8 kW以上。在确保安全的前提下 有序发展核电，2030年前年均开工6~8台机组， 2030 年核电装机容量约为1.2×10 8 kW；随沿海站址 资源开发完毕，2030年后适时启动内陆核电建设， 2060 年装机容量增长至在4×10 8 kW左右。 二是适度发展气电，增强电力系统的灵活性并 实现电力多元化供应。气电的度电排放约为煤电的 50%且灵活调节性能优异，适度发展是保障电力安 全稳定供应的现实选择；气电定位以调峰为主，预 计2030年、2060年装机容量分别为2.2×10 8 kW、 4×10 8 kW。未来仍需重视天然气对外依存度、发电 成本、技术类型等问题，积极探索天然气掺氢、氢 气和CO 2 制取天然气等碳循环模式作为补充气源。 三是合理统筹抽水蓄能和新型储能发展。近中 期，在站址资源满足要求的条件下，应优先开发抽 水蓄能以保证电力平衡并提供系统惯量；中远期需 进一步挖掘优质站址资源，预计2060年抽水蓄能 装机容量达到4×10 8 kW。为满足电力平衡、新能源 消纳等需求，中远期新型储能将取得快速发展，预 计2060年装机容量达到2×10 8 kW。 （四）务实解决电力平衡与供应保障问题 电力平衡是电力低碳转型亟需面对的重大难题 和挑战，如近期受电煤供应紧张、煤炭价格涨幅明 显等因素的影响，多地出现了限产限电现象，引发 各方高度关注。值得指出的是，一定时期内煤炭仍 是我国重要的“兜底”保障能源，应在妥善解决电 煤市场供需、秩序、价格等问题的基础上，着力构 建多元化的清洁能源供应体系，以此充分保障电力 供应的充裕性。 近期，煤电仍是保障电力平衡的主力电源。新 能源具有有效出力不稳定且偏小的特点（见图14）， 预计2025年、2030年在电力平衡中的贡献度占 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 容量贡献度/% 时间/年 煤电； 气电； 核电； 水电； 风电； 太阳能发电； 生物质发电； 抽水蓄能； 电化学储能； 需求侧资源 图 14 2020—2060 年我国各类电源电力平衡贡献图 012 我国电力碳达峰、碳中和路径研究 比分别为6%、7%，而煤电的相应占比高达57%、 48%。充分挖掘需求侧资源也是保障电力系统安全 运行、促进新能源消纳的重要方式，预计2030年、 2060年可利用规模超过最大负荷的6%、15%。为 此，未来应从规划设计、市场培育、机制完善、 基础设施建设等方面着手，建立健全需求侧资源 利用体系。 远期，保障电力平衡依赖多元化的清洁 能源。预计2060年全国电力平衡容量需求为 2.8×10 9 ~3.2×10 9 kW；风能、光伏的装机规模约为 4.6×10 9 kW，但参与电力平衡的有效容量仅约4×10 8 ~5×10 9 kW，仅能满足约15%的电力平衡容量需求； 水电、核电、气电、生物质等清洁能源对电力平衡 容量的贡献度达到40%，抽水蓄能与新型储能的贡 献度为17%，CCUS改造、调峰、应急备用煤电电 力的贡献度分别为5%、5%、3%。 着眼长远，我国电源发展存在多种路径，具 有高度的不确定性；为了化解各种不确定性伴 生的风险，应建立更加稳定的电力供应体系，提 升极端情形下电力安全供应保障水平。基于碳达 峰、碳中和目标约束，设置了煤电装机的平稳削 减、加