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| 碳中和電力系統(tǒng)中 煤電還是“壓艙石”嗎？ | |||
| 煤炭資訊網(wǎng) | 2021/8/3 17:10:12 頭條 | ||
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當前，我國正將碳達峰、碳中和氣候承諾納入經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設整體布局。一方面，在電力發(fā)展政策方面，中央要求建設以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)；習近平主席在美國總統(tǒng)拜登組織的氣候領導人峰會上首次在國家元首層面上明確“十四五”期間將嚴控煤電項目的目標；另一方面，至少近中期內(nèi)保障我國電力安全依然離不開煤電，2021年很多省區(qū)都已出現(xiàn)電力尖峰資源不足的問題。2021年電力增長大超預期，也進一步強化了“十四五”期間繼續(xù)大建煤電的聲音。 因此，關于煤電在未來電力系統(tǒng)中地位的爭議不斷。不少資深電力人士和能源專家，從電力安全和能源安全角度出發(fā)，堅持認為煤電的“壓艙石”地位將長期不變。而也有不少聲音認為，建設以新能源為主的新型電力系統(tǒng)要逐步擺脫對煤炭的依賴，未來隨著終端電氣化的大幅提升，煤炭在一次能源中的角色在碳中和的強約束下也必須大大弱化。 本文首先簡要梳理了國內(nèi)關于煤電的爭議，然后分析了煤電退出的國際進展，再者介紹了電力系統(tǒng)脫碳前沿研究的發(fā)現(xiàn)與結論，最后剖析我國煤電在碳中和愿景下的長期去向。
國內(nèi)爭議：煤電在電力系統(tǒng)中的“壓艙石”地位是否長期不變？ 長期以來，煤電在我國占據(jù)主力電源地位，起著保供托底的“壓艙石”作用。如圖1所示，截至2020年底，我國煤電裝機容量達到10.8億千瓦，占全部電源裝機的49.1%，在電力系統(tǒng)中占據(jù)著半壁江山，年新增裝機維持在3000萬千瓦左右，還有相當數(shù)量的煤電處于在建與規(guī)劃狀態(tài)。盡管“十三五”期間煤電年利用小時數(shù)已降至4100—4400小時區(qū)間內(nèi)，但2020年煤電發(fā)電量比重依然高達60.7%。同時，煤電作為傳統(tǒng)基建，機組單機容量大、投資體量達數(shù)十億元、壽命期長達30年，而我國煤電的加權平均壽命僅15年左右，還有相當長的路要走。隨著煤電裝機比重首次降至50%以下，明確以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)發(fā)展方向以及要實現(xiàn)“雙碳”目標，我國煤電在電力系統(tǒng)中的角色地位要發(fā)生重大轉變。
▲圖1 2015—2020年我國各類電源裝機情況 近中期煤電如何發(fā)展是電力系統(tǒng)轉型的主要問題之一。表1梳理了各研究機構對“十四五”時期電力發(fā)展的展望。對煤電裝機規(guī)模預計結果的不同，體現(xiàn)了各方在我國能源轉型與碳中和承諾持續(xù)推進過程中，對煤電在電力系統(tǒng)中的角色認知的巨大差異。
一方認為，能源轉型是發(fā)展的必然趨勢，煤電退出應早做打算，尋求可持續(xù)發(fā)展的清潔新能源作為替代。在很多激進的電力轉型方案里，2050年的情景里已沒有了煤電的影子。體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)動向上，國家開發(fā)投資集團董事長王會生明確表示，新能源是未來發(fā)展的方向，集團在國內(nèi)已不再投資火電廠。同樣，中國華能集團董事長舒印彪對于減煤問題也是旗幟鮮明、態(tài)度明確，認為能源轉型趨勢不可逆轉，一定要持續(xù)提高可再生能源裝機比重，煤電必須加快結構調整和布局優(yōu)化，實現(xiàn)高質量發(fā)展。 對立一方則認為，碳中和電力系統(tǒng)并不意味著零碳，重點是“減排”而不是“減煤”。中國工程院院士凌文認為，雖然要向新領域轉型，但“污名化”煤炭的說法并不可取，“大力推進煤炭的清潔高效利用”才是明智的選擇。中國工程院院士謝平和也指出，從美國、德國、日本等國家碳達峰后的經(jīng)驗來看，即使有可替代煤炭的能源，碳達峰后仍然會使用煤炭，只是煤炭的用途發(fā)展了變化。國電環(huán)境保護研究院院長朱法華則提出，我國應以節(jié)能與摻燒為引領，保留火電機組不少于8億千瓦。 “十三五”期間，我國能源電力需求增速和投資規(guī)模整體下降，行業(yè)加速轉型升級，規(guī)劃目標完成度超過八成。“十四五”期間，將繼續(xù)推進能源轉型，新增能源需求主要由清潔能源滿足，而煤電則需要把更多注意力放到現(xiàn)有的煤電系統(tǒng)如何發(fā)揮好在能源轉型中的靈活性服務、熱電聯(lián)產(chǎn)供熱、耦合新能源發(fā)電以及在區(qū)域或產(chǎn)業(yè)循環(huán)中的能量、物質、價值流的綜合作用上，要嚴格限制單純以提供電量為目的的煤電項目建設。同時，為煤電的有序退出做好法規(guī)、政策、規(guī)劃、標準等方面的統(tǒng)籌研究和準備工作。 國際鏡鑒：歐洲和美國在電力系統(tǒng)減排進程中煤電角色的弱化 2017年，在德國波恩舉行的聯(lián)合國氣候峰會上，全球助力淘汰煤炭聯(lián)盟（Powering Past Coal Alliance）成立，成員包括丹麥、法國、芬蘭等20多個國家。發(fā)達國家特別是歐洲國家制定了一系列脫碳政策和目標，并公布了逐步淘汰煤炭的時間表（見表2）。
歐洲“退煤”進展迅速，得益于可再生能源和天然氣發(fā)電的快速發(fā)展，雖然天然氣主要依賴進口，但穩(wěn)定的燃氣供應和較強的電價承受能力能夠保證兼具基荷和調節(jié)功能的天然氣發(fā)電順利發(fā)展。據(jù)BP數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計[6]，2020年，歐洲煤電發(fā)電量比重已降至14.8%，而可再生能源發(fā)電（含水電）和氣電發(fā)電量比重則分別達到了40.7%和19.6%。其中，德國的電力轉型成效最為顯著，為實現(xiàn)2016年氣候保護計劃中規(guī)定的目標，即到2030年能源行業(yè)二氧化碳排放量比2014年減少60%—62%，于2020年7月頒布了“退煤法案”，提出煤電發(fā)電量比重從2010年的43%降至2020年的23.6%，同時期可再生能源發(fā)電量比重則由16.6%增至44%。 美國煤電發(fā)電量也在逐年減少，2020年煤電首次成為繼天然氣發(fā)電和核電之后的第三大電源。但是，美國的“退煤”成效很大程度上是由于頁巖氣革命推動的氣電競爭力提升和更為嚴格的環(huán)保標準，而非來自應對氣候變化的壓力，因為美國可再生能源發(fā)電量比重并不高，2020年含水電的可再生能源份額為19.6%。 國際經(jīng)驗表明，煤電在電力系統(tǒng)中的主導地位總體處于不斷弱化態(tài)勢，會應能源技術創(chuàng)新和氣候變化的壓力而持續(xù)改變。 研究前沿：高比例可再生電力系統(tǒng)的結構形態(tài)到底是怎樣的？ 構建新型電力系統(tǒng)是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要戰(zhàn)略舉措，其核心特征在于以風光等新能源為代表的可再生能源成為提供電量支撐的主體電源。未來隨著可再生能源發(fā)電大規(guī)模集群并網(wǎng)和高滲透分散接入，風光等電源出力的波動性和不確定性將給電力系統(tǒng)帶來更為復雜的安全穩(wěn)定挑戰(zhàn)。高比例可再生電力系統(tǒng)中電化學儲能（如鋰電池）是保障電力供應的重要一環(huán)，但受限于無法長時連續(xù)運行的特性，僅依靠鋰電池（或其他具有類似特性的儲能技術）來增加可再生發(fā)電容量并不是一種成本效益高的脫碳電力系統(tǒng)策略[7,8]。而即使可再生能源資源豐富、電化學儲能成本降至較低水平，穩(wěn)定的低碳發(fā)電資源依然不可或缺，這是因其不僅能夠提供穩(wěn)定可靠且可調節(jié)的電力輸出，還可以顯著降低深度脫碳的成本[7]。預計未來電力資源將構成“三分天下、互為補充”的格局（見圖2），即可再生能源成為電量主體，并提供一定的電力支撐；大型可控電源，作為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的基石，并提供基礎的調節(jié)服務；無所不在的短時電池儲能與必要的長時儲能互補構成全時間尺度的系統(tǒng)調節(jié)能力。
▲圖2 新型電力系統(tǒng)電力資源架構體系 目前受到普遍關注的鋰離子電池等電化學儲能可提供小時級乃至超短時調節(jié)能力[9]，將滿足日內(nèi)調節(jié)需求；抽蓄、氫燃料電池、往復式熱泵儲能等儲能技術可提供數(shù)天乃至跨季節(jié)長時調節(jié)能力[9]，將滿足季節(jié)性波動或極端氣候條件下負荷和可再生電源出力的大幅波動，但因受技術成熟度和高成本限制，電池儲能和除抽蓄外的長時儲能仍未實現(xiàn)商業(yè)化。 美國麻省理工學院、普林斯頓大學和英國帝國理工大學的電力系統(tǒng)脫碳路徑研究均表明，低碳可控電源能持續(xù)降低脫碳電力系統(tǒng)成本，而如果沒有這些資源，未來碳排放上限接近于零時，電力成本會迅速上升，且電池儲能和需求側靈活性不能完全替代穩(wěn)定的可控電源。故在電池和長時儲能技術商業(yè)化之前，可調節(jié)的水電（包括抽水蓄能）、核電、生物質能和CCS改造后的天然氣發(fā)電等大型穩(wěn)定可控電源是推動可再生能源規(guī)?；年P鍵[7]。在對未來零碳或低碳可控電源發(fā)展路徑的前沿探討中，盡管美國和歐洲對于核電的態(tài)度存有分歧，但無一例外地都關注CCS改造的氣電，而煤電已被排除出零碳電力系統(tǒng)的情景中。 本文觀點：遠期常規(guī)煤電必須退出，BECCS改造煤電為電力系統(tǒng)貢獻負碳 為順利實現(xiàn)碳中和目標，大規(guī)模發(fā)展非化石能源是必然選擇。 要積極發(fā)展水電，挖掘水能資源潛力，重視抽水蓄能電站的發(fā)展布局。安全高效發(fā)展核電，在沿海適宜廠址建設大型先進核電項目，并示范檢驗多用途小堆核電項目在園區(qū)綜合能源、供熱、海水淡化等應用場景的安全經(jīng)濟適用性（如中核集團“玲龍一號”項目已在海南開工），待驗證后可有序在北方采暖地區(qū)甚至內(nèi)陸地區(qū)推廣；具有更高安全水平、滿足內(nèi)陸建設條件的四代核電技術經(jīng)示范后也應有序部署。風電和太陽能發(fā)電具有較高的資源容量上限，是我國未來發(fā)電量的主要貢獻者，但其發(fā)展需要大量的靈活性資源與之配套。我國天然氣發(fā)電受資源供應能力限制，并不能發(fā)展成為類似歐美國家那般的過渡電源。但天然氣發(fā)電作為優(yōu)質的靈活性電源，對未來一段時期內(nèi)建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)將發(fā)揮積極作用，而基荷天然氣機組只能因地制宜、以地方可負擔為前提適度發(fā)展。 本文認為，2020—2030年期間，煤電裝機規(guī)模仍可能有小幅增長，期間煤電政策的核心關鍵詞是“嚴控規(guī)模”和“大力轉型”，因此煤電的電量支撐、靈活服務和電力保障的基礎地位不會發(fā)生根本性變化，期間要解決好其他穩(wěn)定可控電源的大力發(fā)展，煤電靈活性改造與抽蓄、氣電、儲能和需求響應等靈活性資源的多元系統(tǒng)發(fā)展問題。而展望2035年后，在碳排放深度減排的約束下，新能源開始逐步替代存量煤電電量，煤電的電量支撐角色會逐步弱化直至最終退出。在此進程中，其他穩(wěn)定可控電源的有效供給將成為很大的挑戰(zhàn)?？赡艿慕鉀Q方案如下：部分應退役的煤電機組可封存為戰(zhàn)略備用機組，部分適宜改造的機組進行碳捕獲改造，并與摻燒生物質燃料協(xié)同；可再生能源轉向就地開發(fā)、就地消納和轉化模式為主，電網(wǎng)運行從大容量、遠距離輸電轉向就地平衡為主、大電網(wǎng)提供備用支撐為輔，這種電源開發(fā)和電網(wǎng)運行模式的轉變也將適度降低對穩(wěn)定調節(jié)型電源的需求；在生態(tài)優(yōu)先的原則下積極開發(fā)大型可調節(jié)水電資源，利用非常規(guī)選址資源（如廢棄的煤礦礦井）繼續(xù)大力發(fā)展抽水蓄能電站；因地制宜發(fā)展天然氣發(fā)電，特別是調節(jié)性能好的調峰氣電；大型三代核電、多用途小堆和四代核電的有序部署、示范與應用；可再生制氫與氫作為載能體提供長時儲能能力，和其他長時儲能技術共同示范與部署。2035年以后，隨著交通電氣化的深度提升，無處不在的電池儲能在靈活的商業(yè)模式和有效的經(jīng)濟激勵引導下，將極大提升短時和日內(nèi)尺度的系統(tǒng)調節(jié)能力。 對碳中和目標內(nèi)涵的不同理解下，即便是狹義的二氧化碳中和，電力系統(tǒng)也要實現(xiàn)零碳；而廣義的溫室氣體中和則要求電力系統(tǒng)貢獻負碳。日前，中國氣候變化事務特使解振華明確表示中國2060年前要實現(xiàn)全部溫室體系碳中和，不只是二氧化碳。因此，2060年仍保留大量的高碳排放的常規(guī)煤電機組顯然與碳中和目標相悖。長期來看，常規(guī)煤電的壓艙石地位不再，將在新型電力系統(tǒng)構建過程中逐漸轉變?yōu)檎{節(jié)電源、補充電源、備用電源、直至完全退出?？紤]到僅是煤電加CCS只能變成低排放電源，而BECCS改造則成為遠期適度留存煤電和實現(xiàn)電力負碳的可行選擇。根據(jù)生物質資源量和要求實現(xiàn)的負碳規(guī)模，遠期BECCS改造機組可考慮為2—3億千瓦規(guī)模，按照50%的摻燒率（實物量單位）和90%的捕獲率，貢獻2.2—3億噸二氧化碳當量的負碳規(guī)模?？紤]到2060年航空與遠洋貨運、化工和工業(yè)工程和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“不得不排放”的二氧化碳體量約在15—20億噸，而森林碳匯的合理貢獻估值在10億噸左右，因此煤電BECCS貢獻的負碳很可能成為保障整個能源系統(tǒng)脫碳的“壓艙石”。 如果關于遠期煤電角色的判斷方向不錯的話，考慮到煤電不少于30年的服役期，“十四五”的煤電政策空間其實已非常有限。“十四五”時期是我國落實“雙碳”目標的起步階段，也是實現(xiàn)經(jīng)濟綠色轉型、參與國際氣候博弈的關鍵時期，僅出于短期供電安全考慮，大規(guī)模增加煤電項目將帶來多方面不利影響。無論是從可能引發(fā)的產(chǎn)能過剩風險，還是長期電力轉型中的煤電資產(chǎn)擱置風險和轉型成本角度看，都不應繼續(xù)大建煤電。從氣候政策的角度看，習近平主席在國家領導人層面上明確要嚴控煤電項目，充分說明了在全球氣候政策博弈的進程中，煤電問題已不是單純國內(nèi)能源政策和電力供應問題，繼續(xù)興建煤電顯然不利于我國在新時期引領國際氣候進程和參與國際合作。 (本文作者袁家海系華北電力大學經(jīng)濟與管理學院教授，并與張浩楠共同供職于華北電力大學新能源電力與低碳發(fā)展研究北京市重點實驗室) 參考文獻： [1]國網(wǎng)能源研究院.《中國能源電力發(fā)展展望2019》,2019.12. [2]全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織.《中國“十四五”電力發(fā)展規(guī)劃研究》,2020.06. [3]電力規(guī)劃設計總院.《中國電力發(fā)展報告2019》,2020.08. [4]中國電力企業(yè)聯(lián)合會.《電力行業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃研究》,2020.12. [5]華北電力大學.《“十四五”電力行業(yè)煤炭消費控制政策研究》,2021.06. [6]BP.《BP世界能源統(tǒng)計年鑒2021》,2021.07. [7]Nestor A. Sepulveda et al. The Role of Firm Low-Carbon Electricity Resources in Deep Decarbonization of Power Generation[J]. Joule, 2018, 2(11): 2403-2420. [8]Tuttman, M. & Litzelman, S. Why Long-Duration Energy Storage Matters [EB/OL]. (ARPA-E, 2020); https://arpa-e.energy.gov/news-and-media/blog-posts/why-long-duration-energy-storage-matters (accessed 20 October 2020). [9]Sepulveda Nestor A.,Jenkins Jesse D.,Edington Aurora,Mallapragada Dharik S.,Lester Richard K.. The design space for long-duration energy storage in decarbonized power systems[J]. Nature Energy,2021,6(5)
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