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

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

以下內(nèi)容根據(jù)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，各位專家，各位領(lǐng)導(dǎo)，大家上午好!

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

我今天主要側(cè)重電力系統(tǒng)，談一談我的一些看法。這么幾個(gè)內(nèi)容。

一、我國能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標(biāo)和實(shí)施路徑

習(xí)近平總書記在去年9月和今年3月兩次講話里邊，就把這個(gè)問題從宏觀上、從戰(zhàn)略上說得很清楚了。戰(zhàn)略目標(biāo)，我認(rèn)為“雙碳”目標(biāo)，2030年前二氧化碳排放爭取達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，我覺得這兩個(gè)目標(biāo)就是我們現(xiàn)在能源低碳轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標(biāo)，我覺得這個(gè)目標(biāo)非常清晰了。

關(guān)于實(shí)施路徑，具體討論很多，但我覺得還是習(xí)主席的講話，談到兩個(gè)構(gòu)建。一個(gè)是構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系。二是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。這兩個(gè)不是完全并列的。再具體一點(diǎn)，也是習(xí)主席講話里提到的，控制化石能源總量，著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。我覺得這個(gè)是更具體的并且具體的一個(gè)方向性路徑。當(dāng)然，具體怎么做需要大家共同努力，來落實(shí)戰(zhàn)略目標(biāo)和宏觀戰(zhàn)略性的實(shí)施路徑。

二、“雙碳”目標(biāo)下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展前景

我們在這之前做了三組情景，當(dāng)時(shí)是針對我們國家2016-2030年能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)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(dāng)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(xiàn)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，來實(shí)現(xiàn)。但實(shí)際上做下來我們發(fā)現(xiàn)還沒有能夠達(dá)到現(xiàn)在提出的“雙碳”目標(biāo)要求。所以我們就做了情景四，這個(gè)情景四是根據(jù)“雙碳”目標(biāo)的基本要求，考慮經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對能源電力安全供應(yīng)需求及能源電力技術(shù)進(jìn)步等因素，設(shè)定三項(xiàng)經(jīng)濟(jì)社會和能源發(fā)展主要指標(biāo)及其變化的趨勢，這三個(gè)主要指標(biāo)對能源轉(zhuǎn)型非常非常重要。

一個(gè)是一次能源消費(fèi)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(fèi)總量是多少，這個(gè)國家每年都有公布，但我們要預(yù)測未來，那么就要看怎么個(gè)發(fā)展法。當(dāng)然，這個(gè)趨勢要結(jié)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(jié)果是這樣，右圖里的曲線。2020年一次能源消費(fèi)總量是49.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，2030年達(dá)到峰值59億噸，之后緩慢下降，2050年達(dá)到50億噸，2060年46億噸。從現(xiàn)在開始我們還沒有達(dá)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(shè)想。之后為什么能夠下降呢?是我們的需求沒有過去高了嗎?不是的，是因?yàn)槟苄У奶岣?，剛才杜院士講，節(jié)能和提高能效是非常非常關(guān)鍵的一步，我們做的結(jié)果，包括負(fù)荷消費(fèi)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(xiàn)出來的值是降低的。

當(dāng)然，一次能源消費(fèi)總量還不夠，還要細(xì)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(yù)估。

二是非化石能源消費(fèi)占比，這個(gè)國家非常非常重視，提出的首要指標(biāo)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率，2030達(dá)到25%，這是習(xí)主席提到的目標(biāo)。到2050年達(dá)到59%，原來2030年規(guī)劃，展望2050年是50%。2060年是89%，這些目標(biāo)怎么能夠?qū)崿F(xiàn)?我們做的結(jié)果是，就是通過非化石能源的增長，包括可再生能源等等增長，如果沒有這個(gè)根本不可能。

三是全社會用電量，這個(gè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)系。所以我們2020年的7.5萬億，增長率是前高后低，2030年達(dá)到10.6萬億，我想我們估計(jì)有的偏低一點(diǎn)，2050年13.6萬億，2060年15萬億，要翻一番的，電力消費(fèi)翻一番，但我們的排放要大幅降低。

根據(jù)這些前提條件和其他輔助條件，怎么算我們電力系統(tǒng)需要的發(fā)電裝機(jī)容量等等，各種各樣的，有這么一個(gè)模型流程圖，不詳細(xì)說了。我們計(jì)算的結(jié)果，剛才給定的情景下，首先看發(fā)電裝機(jī)結(jié)構(gòu)，2020年全國發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘渴?2億千瓦，非化石能源裝機(jī)占比44.7%，煤電占49.1%，10.8億千瓦，風(fēng)光裝機(jī)占24.3%，裝機(jī)比例增長很快，這是2020年的情況。經(jīng)過剛才的中間條件約束下發(fā)展，到了2060年，全國發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘刻岣叩?8.3億千瓦，非化石能源裝機(jī)占94.4%，煤電占1.1%，煤電還有，等一下我還要說，這個(gè)留著做什么，風(fēng)光裝機(jī)占比接近80%。我沒說新能源裝機(jī)，因?yàn)樾履茉锤拍畈粩嘧兓?，我這里沒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7.6萬億千瓦時(shí)，非化石發(fā)電量占比33.9%，煤電占60.8%，4.6萬億千瓦時(shí)，風(fēng)光發(fā)電量占比9.5%。經(jīng)過約束條件下的增長，2030年風(fēng)光發(fā)電總?cè)萘渴?.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%，0.22萬億千瓦時(shí)，風(fēng)光占發(fā)電量60.7%。

這是過去的實(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4.6萬億，60.7%，超過60%，從裝機(jī)來說，風(fēng)光裝機(jī)占24.3%，這個(gè)剛才說了。2030年是什么情況?煤電裝機(jī)容量還是相當(dāng)高的水平，看左圖，11.5億千瓦，我們?nèi)ツ晔?0.8億，“十四五”是多少我現(xiàn)在不好說，國家還沒公布，但我想到2030年還要保持相當(dāng)?shù)臄?shù)量，發(fā)電量占比大幅降低，降低到30.7%，運(yùn)行小時(shí)數(shù)降低，發(fā)電量是10.75萬億千瓦時(shí)，非化石能源發(fā)電量占比46.7%，當(dāng)年提得是50%，我這里費(fèi)了大量努力，給它增加，還是沒有到。

夫妻共同財(cái)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(jī)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(fèi)總量降低了，46億噸，因?yàn)槟苄У奶岣?。年末裝機(jī)是68.3億，風(fēng)光裝機(jī)占79.7%，很高，不是說著玩的，高比例可再生能源電力系統(tǒng)，這個(gè)比例幾乎是80%了。右邊的發(fā)電量15.22萬億，比去年翻一番，這個(gè)數(shù)可能還打不住，有的咨詢機(jī)構(gòu)做的數(shù)比這個(gè)高，但我是根據(jù)個(gè)人想法做的結(jié)果，不代表任何機(jī)構(gòu)，也不代表電科院，是翻一番來考慮的。非化石能源發(fā)電量占比92.7%，風(fēng)光發(fā)電量占比超過60%。從主體能源的角度來說，2050年到2060年，從風(fēng)光發(fā)電量來看已經(jīng)超過50%，應(yīng)該是主體了。

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

1、非化石能源在一次能源消費(fèi)中的比重，這個(gè)不僅僅是電力系統(tǒng)，而是整個(gè)能源系統(tǒng)都是這個(gè)指標(biāo)。為什么這個(gè)指標(biāo)非常重要?是因?yàn)榉腔茉催@部分提供的一次能源主要是由我們電力部門非化石能源發(fā)電來提供的，提供90%以上。所以我們有一個(gè)系數(shù)，如果是占百分之百的話是多少，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(tǒng)將來非化石能源發(fā)電量所提供的能源它應(yīng)該是什么情況，應(yīng)該滿足什么樣的條件，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(dāng)年2030年我們設(shè)定50%，但實(shí)際達(dá)不到，但到2060年那個(gè)數(shù)，預(yù)測的比2030年高多了，60%，非化石能源電量要達(dá)到90%以上，92.7%。

3、電能在終端能源消費(fèi)中的比重。

4、系統(tǒng)總體能源利用效率。

5、能源電力系統(tǒng)二氧化碳排放總量。過去我們不care這個(gè)東西，但現(xiàn)在必須作為一個(gè)重要指標(biāo)來考核，看看電力系統(tǒng)怎么樣。

按照我們剛才的計(jì)算方式，那樣一個(gè)情景，算了一下這五個(gè)指標(biāo)變化情況。左圖是非化石能源在一次能源的占比，實(shí)現(xiàn)的圖，就是這個(gè)曲線。二是能源系統(tǒng)總效率，虛線往上走的那個(gè)圖，從現(xiàn)在大概30%幾，現(xiàn)在能源效率很低，前幾年我記得機(jī)械電子部有個(gè)統(tǒng)計(jì)，他們那個(gè)系統(tǒng)，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(zhuǎn)型這個(gè)效率永遠(yuǎn)提不高，都是30%-40%，頂多超過40%一點(diǎn)。我們慢慢慢慢增長，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(zhuǎn)型帶來的，我們的風(fēng)電光伏是一次能源，從效率鏈來說，一開始它生產(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(jié)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)汽車來代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車。傳統(tǒng)汽車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?yàn)榭稍偕茉葱侍岣吡?，所以效率提高是完全有根?jù)的，我們根據(jù)各種因素算的結(jié)果，可以到50%，我覺得50%的效率是很高很高的了。

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

我們看看二氧化碳排放，首先看達(dá)峰，達(dá)峰是什么時(shí)候?qū)崿F(xiàn)的?左圖，能源系統(tǒng)排放總的量是多少，我這里沒有把絕對值標(biāo)出來，但坐標(biāo)有，大家可以看一下，這個(gè)數(shù)很有爭議，算的不一定準(zhǔn)確，供參考。所謂能源系統(tǒng)，能源通過燃燒排放的二氧化碳，包括我們火電廠，包括燃油電廠，包括其他利用煤的燃燒，包括汽車也是燃燒，它的總排放就是這個(gè)情況，在2027年達(dá)峰，峰值大概是多少呢?大概是97億噸左右，這個(gè)很不準(zhǔn)確。下面兩條線，紅的線是電力行業(yè)二氧化碳的排放情況，占30%幾-40%，2025年達(dá)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(dá)峰的算100%，其他的，現(xiàn)在我們是96.4%，還沒達(dá)峰，到了2030年達(dá)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下降的，我們當(dāng)初確實(shí)沒有設(shè)定它應(yīng)該是這樣的，但各種因素疊加起來就是這樣的情況。到了2060年達(dá)到峰值的10%，我做的情景沒有做到零排放，但我們有其他措施來實(shí)現(xiàn)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)方面來看，它有什么樣的特征，總結(jié)了四點(diǎn)：

1、高比例可再生能源電力系統(tǒng)

2、高比例電力電子裝備電力系統(tǒng)

這兩個(gè)電力系統(tǒng)的說法，現(xiàn)在我們國家電網(wǎng)調(diào)度上整天說我們會面臨這樣的問題，不是全局，但局部已經(jīng)面臨這個(gè)問題了，這是兩大問題。

3、多能互補(bǔ)綜合能源電力系統(tǒng)

4、信息物理融合智慧能源電力系統(tǒng)

第三和第四實(shí)際上是要緩解第一和第二，或者說一個(gè)很重要的措施來實(shí)現(xiàn)我們能源轉(zhuǎn)型、碳達(dá)峰，提高能源效率等等，特別是數(shù)字化，第四點(diǎn)，要把能源系統(tǒng)變成智慧型的，一會兒我會稍微說兩句這個(gè)想法，我沒有仔細(xì)做，怎么樣變成智慧型，部分能夠自治的一個(gè)智慧系統(tǒng)。所以是這四點(diǎn)。

關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)了八類，這八類不說了，大家都說的差不多。

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(tǒng)上，從電力電子變換器角度上有什么辦法沒有，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)電將來接入電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)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(tǒng)來說系統(tǒng)電流希望大一點(diǎn)，表明你這個(gè)系統(tǒng)是比較強(qiáng)的。這是我們需要關(guān)注的。第三個(gè)是電力系統(tǒng)問題，電力系統(tǒng)面臨重大變革，發(fā)電和用電面臨天翻地覆的變化，過去單純就是電，現(xiàn)在叫綜合能源，過去是發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)有慣性，現(xiàn)在沒有慣性了，怎么辦。從理論體系來說，20世紀(jì)三40年代建立的經(jīng)典理論在今天來說已經(jīng)不適用，要?jiǎng)?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(xiàn)在大家都在做，但是還沒有理出頭緒來。第四個(gè)是儲能。第五個(gè)是氫能。第六個(gè)是數(shù)字化、人工智能，第七個(gè)是新型輸電和超導(dǎo)綜合輸能技術(shù)。最后是綜合能源電力市場。

最后談一個(gè)概念，綜合能源生產(chǎn)單元(IEPU)設(shè)想方案，左圖有一個(gè)電廠，這個(gè)電廠是燃煤耦合生物質(zhì)混燒火電廠，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，甚至便宜來的電，都可以電解水制氫，制氫完了，我們根據(jù)中國科學(xué)院大連化物所李燦院士團(tuán)隊(duì)他們做的工作，太陽光燃料，要做甲醇，甲醇經(jīng)過處理以后變成燃料，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，在源端的一個(gè)綜合能源系統(tǒng)，綜合能源電廠，就像我們現(xiàn)在終端消費(fèi)虛擬電廠，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(fù)荷等等，有電動(dòng)汽車充電等等，它那個(gè)是終端消費(fèi)的單元，所以我可以叫IECU，這是我給它提的名。IEPU和IECU，這個(gè)能不能將來作為我們國家新型電力系統(tǒng)的一個(gè)基礎(chǔ)單元來對待，這些基礎(chǔ)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(diào)節(jié)能力。所以如果是這樣的話，是不是需要那么多單獨(dú)的儲能電站呢?

一會兒看一下這個(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)電廠的情況，不是百分之百都可以，現(xiàn)在只能20%以下。我們這個(gè)單元包括燃煤機(jī)組，電解槽，光伏發(fā)電機(jī)組，甲醇化設(shè)備，這個(gè)機(jī)組是折舊完備的機(jī)組，還能用，但費(fèi)用很低，沒有資本的費(fèi)用了。電解槽，大連化物所李燦院士他們做的，每標(biāo)方可以做到3度電，我聽說其他有幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)也達(dá)到這個(gè)水平，所以技術(shù)在不斷進(jìn)步。做出的結(jié)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?yàn)檫@個(gè)單元里有光伏發(fā)電，有燃煤發(fā)電，有負(fù)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(jī)容量的10%幾相比。這樣的話，既有發(fā)，又有售，所以它的調(diào)節(jié)余地很大，問題是它的最低出率能到多少，最高出率能到多少，發(fā)電機(jī)組經(jīng)過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(dāng)然，這個(gè)就花比較大的代價(jià)了?，F(xiàn)在電解槽最低出率是多少呢?據(jù)說30%。這兩個(gè)靈活性一搭配，上面這條曲線，調(diào)節(jié)的上限，一天24小時(shí)，下面這個(gè)紅線是調(diào)節(jié)的下限，紅線是低于0的，因此它的調(diào)節(jié)能力是多少呢?從原來的70%可以增大到166%，這個(gè)調(diào)節(jié)不只是翻番了，加一倍還多，所以它的調(diào)節(jié)能力很多。我這個(gè)想法和我們調(diào)度去說，他們覺得這個(gè)非常好。如果真得這樣的話，一個(gè)是給我們的燃煤電廠提供一個(gè)出路，另外是碳捕集，通過碳捕集把它變成綠色。這樣的話調(diào)節(jié)能力可以得到很大程度地滿足，為什么2060年還留著7400萬火電，就是因?yàn)槿绻坑盟脑斓脑挘峁┑囊后w燃料和天然氣的量很大，這個(gè)量滿足我們國家一部分的需求還是可以的。這個(gè)東西經(jīng)濟(jì)性行不行?大概投資回報(bào)期七年，這個(gè)算地對不對可以質(zhì)疑，這個(gè)太好了。輸電不說了，混合輸電，超導(dǎo)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)沒有考慮，這是一個(gè)概念，國外也有人提出類似的概念。

總結(jié)，前幾條都是重復(fù)。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(fèi)分布式綜合能源單元(IECU)一起，有可能成為未來綜合能源電力系統(tǒng)的基本單元結(jié)構(gòu)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，謝謝大家!