文/郝鑫，清華—伯克利深圳學院博士研究生；孔英，清華—伯克利深圳學院、加拿大約克大學經濟系、北京師范大學創新管理與經濟研究院教授、博士生導師
作為世界第一大排放國，中國通過宣布碳中和目標，主動承擔起國際責任，既是一個負責任大國擔當的表現，也是我國實現高質量綠色發展的內在要求。碳中和目標的實現，需要我們對經濟社會各行業各部門實施更進一步的減排政策，電力行業總排放量巨大，是目標實現的關鍵。
一、電力行業低碳轉型是減少碳排放、實現碳中和目標的重要抓手
中國一次能源消費中最主要的是煤炭，其碳排放約占全國總排放的80%，其中煤電又占了煤炭消費的50%左右。2019年中國全社會排放總量的43%由電力行業貢獻，為42.27億噸。在IPCC1.5℃目標及我國承諾2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和的背景下，電力行業的減排潛力巨大，其低碳轉型發展對于中國實現碳中和戰略目標至關重要。
我國可再生資源稟賦優異，近年來在技術積累上也取得巨大進步，因此，可再生能源發展已經被視為調整能源戰略、保障能源安全、改善生態環境及應對氣候變化和減排承諾的國家級戰略，未來也將作為電力低碳轉型的重要驅動力。我國能源發展相關政策提出，到2030年，非化石能源占一次能源消費比重達到25%以上，非化石能源發電量占全部發電量的比重力爭達到50%。發達國家經過了十幾年的研究和實踐，已經將可再生能源視為未來電力行業的主流能源和主力能源。一些歐洲發達國家也已經提出消除煤電、大規模使用可再生能源發電的目標（表1）。研究機構也普遍認為，可再生能源在電力消費中的比例將得到大幅提升，并發揮主力能源的作用。
基于碳達峰、碳中和的目標，結合我國電力行業低碳轉型的戰略要求，電力行業低碳轉型必須實現可再生能源的高比例覆蓋，為構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系打好基礎。
二、電力行業實現碳中和目標面臨的挑戰
碳中和目標的實現，是一個復雜的、涉及經濟社會各部門聯動的長期系統性問題。作為能源系統最大的碳排放部門，電力行業的減排動力和壓力并存。我國電力行業經過幾十年的發展，現有的發電技術條件、電網設施條件、配套產業條件等世界領先，是實現碳中和的基礎保障和重要動力。但也要清楚地認識到，由于電力行業自身的客觀條件和發展特點，未來實現碳中和目標還面臨很多的挑戰。
1. 煤電的“碳鎖定”效應影響減排進程
近些年為了滿足經濟高速發展的需求，中國電力消費長期處在增長通道中，主要依靠新建大量火電機組來滿足需求的增加。2020年中國新投運燃煤電廠3840萬千瓦，占全球總量的76%，總裝機高達10.4億千瓦，約占全球煤電總裝機的50%。中國煤電機組的平均運行年齡僅為12年，顯著低于歐美國家平均運行40年的水平。大量的煤電設施如果提前加速淘汰，一方面會嚴重影響現有電力系統安全穩定運行，另一方面也是對固定資產投資的嚴重浪費，產生巨大的經濟成本。同時，煤電相關行業的從業人數接近400萬人，相關的決策也關聯著關鍵的經濟和就業問題。但如果不對煤電進行提前淘汰，電力行業現有的大量煤電裝機至少還有15~20年的運行壽命，其未來鎖定的碳排放總量，會嚴重影響碳達峰和碳中和目標的實現。針對煤電帶來的經濟支持作用和“碳鎖定”影響，如何正確看待其辯證關系，是我們在電力行業低碳轉型過程中面臨的首要問題。
2. 現有的技術和設備條件限制，制約大規�？稍偕茉窗l展
隨著技術的不斷進步，可再生能源發電成本持續下降，研究顯示，2021年中國的光伏發電成本將低于燃煤發電成本，陸上風電也將很快達到這一水平。但成本的降低并不能直接推動高比例可再生能源發電的充分利用，我國近幾年出現了嚴重的“棄風棄光棄水”現象，2018年全年的“三棄”電量超過同時期三峽電站的總發電量。雖然通過相關的政策引導，到2020年我國的可再生能源利用率大幅提高，但每年仍有近幾百億度的電力損失。問題的根源在于可再生能源發電受自然資源稟賦的影響，具有不可控和隨機波動性，而電力供需的最大特點就是必須保證供需的瞬時平衡性，以現有的電力設施和技術條件，很難在短時間內解決兩者之間的矛盾。
我國的可再生能源資源主要集中在三北地區和西南地區，而電力負荷中心則在華中和華東地區，現有的跨區域電力外送通道無法滿足傳輸需求；配電網智能化水平不高，也難以滿足分布式發電并網運行的相關需求。大容量的儲能設施是調節可再生能源發電不連續性和用電需求連續性之間矛盾的重要措施，但現有的抽水蓄能電站受限于位置因素，未來遠不能支撐整個電網的儲能需求。分布式儲能技術將會是未來發展的重點，但相關的電化學儲能、壓縮空氣儲能等技術研究目前處于起步階段，未來大規模商業化應用具有不確定性。電網設施的擴容升級、儲能技術的應用推廣等都無法在短時間內實現，技術方向也存在不確定性，使現有能源、電力系統還難以承受無任何約束的新能源大規模發展，嚴重制約未來大規�？稍偕茉吹陌l展。
3. 現有的電力市場體系不適應大規�？稍偕茉窗l展需要
近幾年出現的“棄風棄光”現象，雖然直接原因是可再生能源發電的波動性、間歇性特點與電力傳輸容量不足等，但更深層次原因則是我國現行的電力市場運行體系限制了大規�？稍偕茉床⒕W發電�？稍偕茉窗l電與電網之間缺乏有效的協調機制，現有的電力調度機制仍由政府部門指導確定，限制了大規�？稍偕茉窗l電并網。現行的上網電價機制總體采用分地區、分類型的標桿上網電價機制，計劃性的定價無法反映市場的實際供需情況，也無法引導整個電網的靈活運行。
另外，現有的以省為主體的電力工業和市場建設，雖然客觀上推動了我國電力行業前幾十年的發展，保障了地區電力系統的平穩運營。但未來隨著可再生能源的大規模并網，跨區域的電力傳輸與調度將成為常態，現有的省級電力市場對未來全國電力系統的規劃與調整、跨區域電網運行等都會產生一定的約束作用，不利于區域間的電力交易與服務發展。
4. 低碳轉型需要大量資金投入
電力行業的低碳轉型要求實現高比例的可再生能源發電并網，這就對我國現有的整個電力行業提出了新的要求。轉型的成本不僅是對可再生能源發電設備的直接投資，還包括為滿足大規�？稍偕茉窗l電并網帶來的火電廠的靈活性改造成本、整個電網系統的擴容升級成本、碳捕集技術的研發和應用成本、儲能設施的研發和投資成本等。清華大學氣候變化與可持續發展研究院牽頭的《中國長期低碳發展戰略與轉型路徑研究》報告指出，今后30年，中國若要接近實現凈零排放，需要能源領域的低碳投資138萬億元；據中國投資協會的研究，中國未來在可再生能源和技術等領域需要投資近70萬億元。如此大體量的投資需求，對全國而言既是綠色金融快速發展的機遇，又是對整個金融體系創新升級的挑戰。幾十萬億元的投資需求，僅靠政府是遠遠不夠的，如何引導和支持各類資本有序進入，實現風險可控情況下的電力行業轉型升級，是實現碳中和目標的重要議題。
三、電力行業實現碳中和目標的情景分析
基于SWITCH模型框架，我們構建了功能完善、技術信息豐富，適用于中國問題分析的自下而上分析模型。重點聚焦至2050年的中國電力行業低碳發展情景，討論在滿足1.5℃目標下的中國電力行業發電結構、裝機部署、電網傳輸、排放軌跡等方面的可能性，探究切實可行的電力行業脫碳路徑和實施方案。
（一）電力行業優化模型構建
我們構建的中國省級電力行業優化模型，涵蓋32個省級電網分區，18種未來能夠大規模應用的電力行業技術（表2）。建立了包含成本、技術指標等詳細信息，共涉及217個參數的電力部門數據庫。模型以電網負荷曲線為基礎，可以模擬每一個運行年內小時級的各省級電網的生產、傳輸和消費，并根據運行情況得到電力行業的排放情況。模型的目標函數是在滿足電力需求的情況下，考慮運行約束、排放約束、傳輸約束等，最小化電力供給成本，包括投資成本、運行成本、傳輸成本等。
1. 分析框架
根據電力行業特點，模型的分析框架包含電力需求模塊、電力生產模塊以及電力傳輸模塊三大部分（圖1）。電力需求模塊根據人口、產業、技術、城鎮化水平等宏觀經濟分析數據，結合省級電網負荷曲線展望未來省級區域分部門的用電需求結構及趨勢。電力生產是模型分析的核心，以小時級的時間尺度為分析基礎，詳細描述32個省級區域的18種發電技術組合，分析各省級區域的發電技術裝機結構及發展趨勢，各發電技術的出力及發電順序等。電力傳輸模塊主要關注未來區域間電力傳輸通道的投資建設成本，以及省級和大電網區域間的電力傳輸規則、傳輸通道容量等。核心分析在于省級區域電網傳輸規則矩陣構建，輸出電力傳輸約束條件。
2. 轉型情景設計
現有多項研究表明，中國要想實現2060年碳中和的目標，只遵循2℃的發展目標是遠遠不夠的，必須采取更有力的政策與措施，沿著1.5℃目標的路徑深入探索，并在2050年實現“零排放”或者更進一步的“負排放”。根據我國未來低碳戰略的需要，我們設定了兩組情景來模擬未來可能的低碳轉型過程：基準情景和零碳情景。
基準情景下，電力行業延續現有的政策與趨勢，不采取進一步的減排行動，作為情景比較的基礎。具體包括：以現有的規劃和政策為基礎，不考慮碳達峰、碳中和目標，不額外設定可再生能源占比、碳排放約束等條件。
零碳情景下，到2030年，落實新提出的國家自主貢獻目標，風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億千瓦以上，非化石能源發電占比達到60%以上；2020年之后，進一步減少煤電，并不再增加煤電項目；2030年后碳捕集類技術（CCS）開始應用；2030—2050年的碳排放預算與《巴黎協定》中一致；2050年實現零排放或者負排放。 |
