清华大学：碳达峰碳中和目标下我国电力系统转型研究

碳达峰碳中和目标下我国电力系统转型研究 李 政 教授 清华大学气候变化与可持续发展研究院 2021年5月28日,珠海乾元酒店 主要内容 一、碳达峰碳中和已成为我国坚定的发展方向 • 二、我国长期低碳转型路径 • 三、我国电力系统长期转型与发展 • 四、关于未来气电发展的信息 • 五、相关建议 目录 Contents 习近平主席在第七十五届联合国大会上发表重要讲话 “应对气候变化《巴黎协定》代 表了全球绿色低碳转型的大方向， 是保护地球家园需要采取的最低 限度行动，各国必须迈出决定性 步伐。中国将提高国家自主贡献 力度，采取更加有力的政策和措 施 ， 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。” 菅义伟首份施政演说：日本要在2050年实现碳中和 • 2020年10月26日，日本召开临时国会。这也是 新任首相菅义伟第一次亮相国会，同时发表上任 后的首次施政演说。 • 在演说中，菅义伟就当前日本的新冠肺炎疫情的 防御政策、后续的经济复苏、明年奥运会的举办 等话题，进行一一阐述。 • 其中，他着重谈及了日本政府未来在环保方面的 规划：日本力争在2050年实现碳中和（carbon neutral）。这是日本首相首次就实现“零碳社 会”给出具体的时间表。此前，日本政府曾表示， 将在本世纪下半叶实现零排放。 • 菅义伟在演说中强调，应对气候变化已经不再是 经济发展的制约因素，而是推动产业结构升级和 更强劲增长的重要举措。 更多的国家承诺碳中和目标 2020年11月19日加拿大议会提出《加拿大净零排 放责任法案》，正式确定加拿大将在2050年前实 现碳中和。 2020年10月28日，韩国总统文在寅在国会发表施 政演讲时称：“将与国际社会一道积极应对气候变 化，朝着2050年实现碳中和的目标进发。” 截至2020年底已有100多个国家提出了碳中和承诺 古特雷斯2020年12月在“我们星球的现状”演讲中表示：到2021年初，占全 球二氧化碳排放量65%以上和世界经济70%以上的国家将做出雄心勃勃的碳中 和承诺。 已明确提出碳中和目标 已提出碳中和目标但无具体内容 尚未提出碳中和目标 注：除中国外，绝大多数国家和地区目前提出的碳中和目标时间都在2050年。 3、碳达峰碳中和已成为我国坚定的发展方向 单位GDP碳 排放将比 2005年下降 65%以上 非化石能源 占一次能源 消费比重达 到25%左右 森林蓄积量 将比2005年 增加60亿立 方米 风电、太阳 能发电总装 机容量将达 到12亿千瓦 以上 七十五届联大 会议宣布碳中 和碳达峰目标 金砖国家领导人第 十二次会晤：我们 将说到做到 联合国气候雄心大 会：宣布中国的 2030年NDC新目标 中法德领导人 气候视频峰会 言必行行必果 2020.09.22 09.30 11.12 11.17 11.22 12.12 2021.1.25 04.16 04.22 联合国生物多 样性峰会 第三届巴黎和 平论坛 二十国集团 领导人利雅 得峰会 WEF达沃斯议程 对话会：确保实 现既定目标 领导人气 候峰会 纳入总体发展战略，在宏观政策中作出相关部署 中央经济工作会议 | （列为2021年八大重点任务之一）要抓紧制定 《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2030年前碳排放达峰行动方案，支持有条件的地方率先达峰。要加 2035年远景目标纲要》| 广泛形成绿色生产生活方式，碳排 快调整优化产业结构、能源结构，推动煤炭消费尽早达峰，大力发 放达峰后稳中有降，生态环境根本好转，美丽中国建设目标 展新能源，加快建设全国用能权、碳排放权交易市场，完善能源消 基本实现。单位国内生产总值能源消耗和二氧化碳排放分别 费双控制度。要继续打好污染防治攻坚战，实现减污降碳协同效应。 降低13.5%、18%，主要污染物排放总量持续减少，森林覆 要开展大规模国土绿化行动，提升生态系统碳汇能力。 盖率提高到24.1%。 十九届五中全会 | 从战略和全局 上擘画生态文明建设的蓝图， 明确到2035年基本实现美丽中 国目标，并就“推动绿色发展， 促进人与自然和谐共生”的重 大举措作出了具体部署，为新 时代生态文明建设明确了方向。 中央全面深化改革委员会第十八次会议 | 要围绕推 动全面绿色转型深化改革，深入推进生态文明体制 改革，健全自然资源资产产权制度和法律法规，完 善资源价格形成机制，建立健全绿色低碳循环发展 的经济体系，统筹制定2030年前碳排放达峰行动 方案。（2月22日，国务院发布《关于加快建立健 全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》） 中央财经委员会第九次会议 | 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。 10月26日至29日 12月16日至18日 02月19日 03月12日 03月16日 碳达峰碳中和已经纳入国家总体发展战略 政治 经济 科技、教育、文化等 生态环境 国家发展综 合战略目标 2035年远景目标 —基本实现社会主义现代化 碳达峰期 2050年远景目标 —全面建成小康社会，完成社会 主义现代化，建成美丽中国 碳中和期 • 3月15日中央财经委第9次会议，习近平总书记强调，我国力争2030年前实现碳 达峰，2060年前实现碳中和，是党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策，事关 中华民族永续发展和构建人类命运共同体。 • 4月30日中央政治局第二十九次集体学习，习近平强调，各级党委和政府要拿出 抓铁有痕、踏石留印的劲头，明确时间表、路线图、施工图，推动经济社会发展 建立在资源高效利用和绿色低碳发展的基础之上。 • 战略之举：顺应全球低碳发展大势，倒逼中国经济走上高质量发展道路 主要内容 一、碳达峰碳中和已成为我国坚定的发展方向 • 二、我国长期低碳转型路径 • 三、我国电力系统长期转型与发展 • 四、关于未来气电发展的信息 • 五、相关建议 目录 Contents 中国长期低碳发展目标和路径：两次加速，深度减碳  按原有的趋势及强化政策构想，2050年不能 实现与全球2℃温升控制目标相契合的减排路 径 政策  当前由于能源和经济体系惯性，难以迅速实现 强化 政策 2℃和1.5℃情景的减排路径。 2度  我国长期低碳排放路径选择——从强化政策情 1.5度 景向2℃情景和1.5℃目标情景的过渡。  力争2030年前CO2排放达峰，其后加速向2℃ 目标和1.5℃目标减排路径过渡。 长期深度转型路径：以2度和1.5度目标为导向 基于2℃ 目标导向的全部温室气体排放及构成（亿吨CO2eq） 基于1.5℃ 目标导向的全部温室气体排放及构成（亿吨CO2eq） 2℃目标导向下全部温室气体排放（单位：亿吨CO2eq ） 能源消费合二氧化碳排放 工业过程二氧化碳排放 非二氧化碳温室气体排放 森林增汇 CCS+BECCS 净排放 2020 100.3 13.2 24.4 -5.8 0 132.1 2030 104.6 11.0 27.8 -6.1 0.0 137.3 2050 29.2 4.7 17.6 -7.0 -5.1 39.4 1.5℃目标导向下全部温室气体排放（单位：亿吨CO2eq ） 能源消费二氧化碳排放 工业过程二氧化碳排放 非二氧化碳温室气体排放 农林业增汇 CCS+BECCS 净排放 2020 100.3 13.2 24.4 -7.2 0.0 130.7 2030 104.5 8.8 26.5 -9.1 -0.3 130.4 2050 14.7 2.5 12.7 -7.8 -8.8 13.3 CO2净排放21.8亿吨，比峰值年份下降80%；温室气体排放 39.4亿吨，比峰值年份下降70%；非二排放17.6亿吨； CO2实现净零排放，全部温室气体比峰值减排90%。 非二排放仍超过10亿tCO2eq。 清华大学气候变化研究院：长期低碳发展战略报告 2℃目标下中国的一次能源消费与构成 1.5℃目标下中国的的一次能源消费与构成 2050年目标： 非化石能源 >70% 非化石电力 >90%, 终端电力比重55% 2050年目标： 非化石>85% 非化石电力>90%, 终端电力比重68% 非化石能源vs.化石能源：此长彼消/相互牵连 可再生 能源 化石能源 +CCS 约束：技术可行性 + 经济效率 能源系统深刻变革：煤炭化石非化石能源为主 2016年中国能源消费相关二氧化碳排放分配图 煤 炭 非 化 石 45% 煤炭 电气化 以新能源为主体的 新型电力系统 单位：亿吨CO2 主要内容 一、碳达峰碳中和已成为我国坚定的发展方向 • 二、我国长期低碳转型路径 • 三、我国电力系统长期转型与发展 • 四、关于未来气电发展的信息 • 五、相关建议 目录 Contents 2020年底我国电力生产现状  全国发电装机容量共22.0亿千瓦，同比增长9.5%，其中非化石能源装机占比43.4％  全国发电量为 76236亿千瓦时，同比增长4.0%，其中非化石能源发电占比32.1％ 亿千瓦 25 太阳能发电 20 风电 核电 15 水电 火电 10 5 0 亿千瓦时 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 太阳能发电 风电 核电 水电 火电 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017 2019 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017 2019 1979-2018年中国电源装机变化 1979-2018年中国发电量变化 数据来源：中国电力企业联合会 21 中国电力转型趋势判断 未来能源消费将以电力为主体，电力需求还有较大增长空间。 在电力需求侧，终端部门电气化水平将显著提升。 在电力供给侧，非化石能源发电占比将快速增加。 电力生产和输送布局由大范围资源优化配置逐步过渡到大范围资源优化 配置与分布式、就地平衡共举。 发电技术将实现突破性进展，并与储能技术、智能电网、能源互联网、 多能互补体系、分布式用能系统等新技术和新模式协同发展，促使电力 系统快速向信息物理深度融合、智能化演变。 来源：周孝信，2018；CNPC ETRI, 2018; 王志轩，2019 电力系统对实现碳达峰至关重要 能源系统达峰取决于 煤炭下降的幅度和油 气上升幅度的平衡。 这和电煤的增量密切 相关 电力系统达峰时间和峰值 • 非化石能源装机 • 存量煤电效率改进 • 天然气发电 • 碳捕捉与埋存CCS • BECCS 排头兵vs.拖后腿？ 2019年初：《中国低碳发展转型战略及路径研究》  清华大学气候变化与可持续发展研究 院牵头组织国内20多家著名研究机构 开展研究；  旨在为2020年提交“长期温室气体低 排放发展战略”提供支撑  根据项目研究内容及产出要求，共设 置十八个子课题，主要研究内容包括： • 中国中长期经济社会发展情景分析； • 部门转型：工业、交通、建筑、能源和 电力等部门低碳发展对策和路径； • 改善环境质量与减排二氧化碳的协同目 标、协同对策和协同效益； • 非能源相关的二氧化碳及其它温室气体 减排的战略、措施及路径以及低碳排放 的政策保障体系等。 情景设置—四种情景 政策情景 强化减排情景 2℃情景 1.5℃情景 2020年前，核电低于规划速度，2020年非化石能源占一次能源 2011-2050年全球碳预 水电逐渐到资源顶峰，风电按 消费比重达到15% 算为14000亿吨，中国 照规划，太阳能超出规划 碳预算为3700亿吨 2030年前可再生能源装机保守 2030年非化石能源占一次能源 增长（2030年风电450GW，太 消费比重达到25%，非化石能 阳能发电350GW，2030年非化 源发电量占总发电量比重达到 石能源发电量占总发电量比重 50% 为42.8%） 电力部门2018-2050年 碳预算为947亿吨 2030年前非化石电力发展速度：2030年前非化石电力发展速度： 核电8.3GW/年，风电24GW/年，核电8.3GW/年，风电30GW/年， 太阳能发电14GW/年 太阳能发电34GW/年 2030年后可再生能源装机加速 2050年非化石能源占一次能源 2065-2070年实现净零 增长，每年新增装机与政策情 消费比重达到50% 排放 景2保持一致 2011-2050年全球碳预 算为9000亿吨，中国碳 预算为2300亿吨 电力部门2018-2050年 碳预算为764亿吨 2050年实现净零排放 25 情景和技术路径设置  四种情景  政策情景：该情景是基于当前政策执行情况及可再生能源增长速度的延续。  强化减排情景：基于我国能源与电力领域既有中长期政策目标全部实现的基础上，加快2030年 前非化石能源发展速度，2050年非化石能源占比到50%。  2℃情景：电力部门2065-2070年实现净零排放，2018-2050年的碳预算为947亿吨。  1.5℃情景：电力部门2050年实现净零排放，2018-2050年的碳预算为764亿吨。  2℃：早晚行动的对比（2018年 vs. 2030年后) 情景设置—能源资源及技术边界条件  全国水电、陆上风电、海上风电、太阳能发电可开发量分别限制在432GW、 3042GW、209GW、3148GW内，且根据各区域可再生能源资源情况设置了 区域层面的容量上限  每年新建的核电站设置在10GW以内  CCS和BECCS技术认为在2030年后发展成熟，可投入使用  可用于发电的生物质资源在2030年后将维持在1.06亿tce左右，各区域根据资 源情况分别设置了最大可用量 Source：NEA,可再生能源数据手册；秦世平，胡润青，中国生物质能产业发展路线图2050 情景设置-未来电力需求  基于各机构研究成果，预测未来电力需求 电力需求 （万亿kWh） 人均用电量 （kWh） 政策情景 强化减排情景 2度情景 1.5度情景 政策情景 强化减排情景 2度情景 1.5度情景 2020 7.14 7.33 7.57 5098 5234 5410 2030 9.54 9.66 11.01 6673 6759 7697 2035 10.42 10.64 12.24 7387 7545 8682 2050 12.30 13.10 14.86 9111 9702 11011 研究方法与模型—清华大学开发的 LoMLoG模型 输入参数 已建设装机和电网 未来电力需求 成本效率数据 资源禀赋 政策目标 输入 物理约束 电力需求约束 机组运行约束 电力传输约束 机组建设约束 国家政策约束 优化目标 最小化 总成本 输出 装机结构 发电量结构 电力传输 燃料消耗量 碳排放量 29 模型输出示例 各区域电力发展路径 电网线路利用情况/区域间电力传输 0.40 0.35 0.30 0.25 PWh 0.20 0.15 0.10 0.05 >5000 hrs 0.00 3000~5000 hrs 1000~3000 hrs <1000 hrs Company Logo 2013 2015 2017 2019 2021 2023 2025 2027 2029 2031 2033 2035 Ningxia to Shandong Inner Mongolia to Shandong Jing-Jin-Ji to Shandong 各区域电力最优运行策略 各区域电力碳排放趋势 研究结果—不同情景和路径的碳排放轨迹 • 基于政策情景和强化政策情景都无 法实现2℃温升控制目标，即现有 政策中的电力及能源行业中长期目 标与实现2℃温升控制目标还未能 很好的衔接； • 2℃情景下，2030年后再采取深度 减排行动的延后减排路径碳排放轨 迹最为陡峭，提前减排路径为 2030年后留出了较为充足的减排 空间， • 1.5℃情景下，电力部门2046年就 已经接近零排放。 电力部门碳排放量(亿吨) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 政策情景 强化减排情景 政策情景 强化减排情景 2℃情景(提前) 2℃情景(提前) 研究结果—不同情景和路径的碳排放轨迹 • 基于政策情景和强化政策情景都无 法实现2℃温升控制目标，即现有 50 45 政策中的电力及能源行业中长期目 40 标与实现2℃温升控制目标还未能 35 电力部门碳排放量(亿吨) 很好的衔接； 30 25 • 2℃情景下，2030年后再采取深度 20 减排行动的延后减排路径碳排放轨 15 迹最为陡峭，提前减排路径为 10 5 2030年后留出了较为充足的减排 0 空间； • 1.5℃情景下，电力部门2046年就 已经接近零排放。 3 2 1 1-加速一次到位 2-两次递进加速 3-先慢后快 2℃情景(提前) 2℃情景 2℃情景(延后) 2℃情景(延后) 2℃情景 2℃情景(提前) 研究结果—不同情景和路径的碳排放轨迹 • 基于政策情景和强化政策情景都无 法实现2℃温升控制目标，即现有 政策中的电力及能源行业中长期目 标与实现2℃温升控制目标还未能 很好的衔接； • 2℃情景下，2030年后再采取深度 减排行动的延后减排路径碳排放轨 迹最为陡峭，提前减排路径为 2030年后留出了较为充足的减排 空间； • 1.5℃情景下，电力部门2046年就 已经接近零排放。 电力部门碳排放量(亿吨) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 2℃情景 2℃情景(提前) 2℃情景(提前) 2℃情景 1.5℃情景 1.5℃情景 研究结果—不同情景下2050年装机容量构成 2050年装机容量构成 • 四种情景下2050年 • 装机容量递增：45-65亿千瓦 • 非化石能源装机占比相应为 80.9%、83.9%、93.1%和 93% • 间歇性可再生能源装机占比 65%、67.8%、79.5%和81%。 • 四个情景差别:剩余煤电量 • 前两情景：煤电5-6亿千瓦 • 2度情景： 煤电 1亿千瓦 • 1.5度： 煤电 很少 • BECCS和煤电CCS发挥重要作用 • CCS是煤电价值发挥的必须 • BECCS和煤电关联：此长彼长 研究结果—不同情景下2050年发电量构成 • 四种情景下，2050年非化石能源 发电占比分别达到73%、73%、 91%和91%，间歇性可再生能源 占比来看分别达到43%、46%、 60%和63%； • 2℃情景下，五种路径2050年间歇 性可再生能源发电量占比很高，均 位于56%-60%之间，这也对系统 平衡和电网灵活性提出了更高的挑 战。 2050年发电量构成 研究结果—不同路径下的减排技术需求 • 从四种情景下的减排技术来看，可再生能源、煤电CCS和BECCS在电力行业深度减排中将 发挥关键作用； • 2℃情景下，开始规模使用CCS和BECCS技术，2050年煤电CCS和生物质发电BECCS的装 机容量分别达到83GW和33GW，CO2捕集量达到3.9亿吨和1.9亿吨； • 1.5℃情景下，CCS和BECCS将发挥更大作用，2050年煤电CCS和生物质发电BECCS的装机 容量分别达到230GW和53GW，CO2捕集量分别达到7.1亿吨和3.1亿吨。 研究结果—跨区域电力交换规模和储能需求 • 2030年前依靠火电灵活性改造进行调峰和电网互联互济足够支撑间歇性可再生能 源消纳；2030年跨区域电力交换功率总容量需要达到当前的2-3倍，2050年跨区 域电力交换功率总容量达到当前的3-7倍； • 到2050年，四种情景中所需的储能装机容量分别达到587GWh、682GWh、 1198GWh和1417GWh，2℃情景和1.5℃情景中2050年所需的储能装机容量规模 分别是政策情景的2倍和2.4倍。 研究结果—煤电机组退出 • 随着不同情景下减排力度增加，煤电机组退出规模逐渐增加，而煤电机组大规模 退出的时间也逐渐提前；另一方面，退役煤电机组的平均寿命也逐渐降低； • 2℃情景下，各路径的煤电资产搁浅成本差异较大，其中差异较大的是提前减排 路径和延后减排路径，2019-2050年期间由于煤电提前退役导致的搁浅成本为 373-1583亿元；1.5℃情景下为6551亿元，因此需要妥善应对煤电机组的有序 退出问题。 1.5℃情景 2℃情景（高水电） 2℃情景（高核电） 2℃情景（延后减排） 2℃情景 2℃情景（提前减排） 强化减排情景 政策情景 0 煤电总搁浅成本 1000 2000 3000 4000 亿元 5000 6000 7000 不同情景下电力行业新增投资需求 • 与政策情景相比，强化减排情景、2℃情景和 1.5℃情景下，2018-2050年电力行业新增投 资（只包含固定资产投资成本）将分别增加 12％、31％和90％； • 2℃情景与1.5℃情景下，年均新增投资规模 分别为10585亿元和15391亿元，约为2018 年电力工程建设完成投资的1.3倍和1.9倍； • 2℃情景下，不同路径的投资差别并不显著， 投资最高路径（提前减排路径）和投资最低 路径（高核电路径）的差别为2万亿元，占提 前减排路径总投资的6%。从新增投资上来看， 提前部署2℃情景减排行动，是可以接受的。 主要内容 一、碳达峰碳中和已成为我国坚定的发展方向 • 二、我国长期低碳转型路径 • 三、我国电力系统长期转型与发展 • 四、关于未来气电发展的信息 • 五、相关建议 目录 Contents 周孝信：双碳目标下我国能源电力系统发展前景分析 周孝信：双碳目标下我国能源电力系统发展前景分析 《Net-Zero America》气电部分 普林斯顿大学《Net-Zero America》研究以实现美国2050年温室气体净零排放为主要目标，分析 了不同情景下电力的情况。（未考虑2035年电力零碳的约束） 2035发电量 （TWh） 情景 无CCS 有CCS 总计 气电占比 2050发电量 （TWh） 无CCS 有CCS 总计 气电占比 E+ 1117.10 114.36 1231.46 21.29% 201.65 231.32 432.97 4.41% E+RE1966.63 198.02 2164.65 39.17% 112.23 1414.65 1526.88 17.96% E+RE+ 737.02 0.22 737.24 11.93% 51.90 0.23 52.13 0.33%  2035年无CCS气电发电量占总气电90%以 上， E+情景气电占比为21.29%。  2050年E+情景有、无CCS发电量占比相当， 总气电占比为4.41%；可再生受限情景有 不同情景下美国年发电量分来源预测 REF：参考情景, BAU情景E-B+：低电气化下高生物质能源情景 E+：高电气化情景 E+RE-:高电气化下可再生能源发展受限 CCS气电发电量占总气电约93%；100% 非化石情景基本没有气电发电量。 《Net-Zero America》气电部分  气电需要在未来作为稳定电源的主力存在，在各情景下都有超过500GW以上的装机量  燃气轮机掺氢燃烧将在电力脱碳中发挥重要作用，本研究假设最高掺氢比例为60% 情景 E+ E+RE- 2035 装机量 (GW) 联合循环 联合循环 +CCS 单循环 400.09 15.16 148.35 472.43 25.16 100.13 总计 563.60 597.71 gas 2050 装机量 (GW) 联合循环 联合循环 +CCS 单循环 232.63 60.03 242.41 265.75 230.89 130.90 总计 535.07 627.53 E+RE+ 346.13 0.16 165.90 512.19 171.09 0.33 515.96 687.38 不同情景下美国年装机量分来源预测  E+情景气电装机量一直保持在530GW 以上的水平。  单循环和无CCS联合循环主要用于调峰， 装机量高但容量系数低。  加CCS联合循环作为基荷，装机量小， 发电量较大，容量系数高。 主要内容 一、碳达峰碳中和已成为我国坚定的发展方向 • 二、我国长期低碳转型路径 • 三、我国电力系统长期转型与发展 • 四、关于未来气电发展的信息 • 五、相关建议 目录 Contents 政策建议 • 电力行业应尽早针对2℃温控目标采取深度减排行动； • “十四五”严格控制新增煤电机组，在新基建中加强对可再生能源的支持，解 决可再生能源发展面临的瓶颈和挑战，远期应建立措施保障可再生能源发展规 模与速度； • 部署电网相关技术的研发和示范应用，积极发展储能技术研发和应用，加强跨 区域电力交换通道建设，继续推进电力市场改革； • CCS技术和BECCS技术应作为重大技术，开展研发和应用示范，加强地质勘探， 探明哪些地块可以作为大规模存储区域； • 电力行业1.5℃零碳路径仍存在许多技术和经济挑战，需进行深入研究和政策 部署。 • 由于自身碳排放少且具有快速启动和调峰的优点，天然气发电在电力系统低碳 转型过程中将扮演重要角色，在远期实现深度减碳需要与CCS结合 49