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內容提要：碳中和將深度改變未來能源系統(tǒng)，碳中和愿景下中國能源轉型的三大趨勢：一是能源系統(tǒng)電氣化，到2050年一次能源電能轉化的比重和電能占終端能源消費的比重預計將分別提高到80%和60%左右；二是電力系統(tǒng)低碳化，預計非化石能源發(fā)電比重將由當前的三分之一提高到2050年的84%-90%；三是能源電力系統(tǒng)去中心化，能源開發(fā)利用方式將由集中式轉向分布式，能源系統(tǒng)形態(tài)將發(fā)生深刻變革。

碳中和愿景下能源轉型的核心是零碳、低碳能源對高碳能源的逐步替代，是非化石能源消費比重的大幅度提高，這將深度改變未來能源系統(tǒng)。由于非化石能源主要是通過轉化為電能供終端使用，非化石能源消費比重的提高必然會提高能源系統(tǒng)的電氣化水平：一方面，一次能源電能轉化的比重趨于提高；另一方面，電能占終端能源消費的比重趨于提高。對于電力系統(tǒng)而言，非化石能源消費比重的大幅度提高則意味著電源結構發(fā)生深度改變，非化石能源發(fā)電比重將在電力系統(tǒng)中逐步占據(jù)主導地位。此外，考慮到非化石能源尤其是風能、太陽能等新能源資源的分散性和間歇性特征，能源電力系統(tǒng)形態(tài)也必將發(fā)生深刻變革，需要集中式與分布式并舉開發(fā)利用新能源。因此，能源系統(tǒng)電氣化、電力系統(tǒng)低碳化和能源電力系統(tǒng)去中心化是碳中和愿景下能源轉型的三大趨勢，也是三大必由之路。

一、碳中和愿景下中國能源轉型趨勢之一：能源系統(tǒng)電氣化

過去二十年間，隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展、城市化進程加速和科技水平不斷進步，中國的電氣化水平穩(wěn)步提升。電氣化水平在能源生產(chǎn)側主要體現(xiàn)為一次能源通過電能轉化的比重，即一次能源用于發(fā)電的比重，在消費側主要體現(xiàn)為電能占終端能源消費的比重。如圖1所示：在生產(chǎn)側，一次能源電能轉化的比重從2000年的35%左右逐步提高到2020年的45%左右；在消費側，電能占終端能源消費的比重從2000年的不到15%逐步提高到2020年的27%左右。近年來，在能源革命戰(zhàn)略引領下，可再生能源的發(fā)展和終端電能替代取得了較快進展，電氣化水平提升較快。


圖1 2000-2020年中國電氣化水平

注：2000-2019年數(shù)據(jù)來自《中國能源統(tǒng)計年鑒》；2020年數(shù)據(jù)來自國家能源局發(fā)布

碳中和愿景下能源系統(tǒng)綠色低碳轉型，一方面，需要加快調整一次能源結構，大幅度提升非化石能源消費比重；另一方面，需要加快改變終端部門用能方式，實施電能替代。現(xiàn)階段工業(yè)、交通、建筑等終端部門的化石能源消費量和二氧化碳排放量仍居高位，隨著生產(chǎn)側非化石能源大比例接入電力系統(tǒng)，加強終端部門電能替代將可以有效削減煤炭等化石能源消費從而減少二氧化碳排放。在生產(chǎn)側和消費側兩方面的協(xié)同作用下，未來能源系統(tǒng)電氣化水平必然會進一步提升。

在生產(chǎn)側，一次能源通過電能轉化的比重為煤炭、石油、天然氣和非化石能源的不同能源品種電能轉化的比重的加權平均，權重為一次能源消費結構。當前，中國煤炭用于發(fā)電的比重為52%左右，而在美國等發(fā)達國家煤炭用于發(fā)電的比重超過90%；中國天然氣用于發(fā)電的比重為14%左右，而世界平均水平為30%左右①?？梢灶A計，在碳中和大背景下，一方面，煤炭等化石能源的消費量將受到控制而逐步減少②；另一方面，化石能源的利用方式也會趨于清潔高效，通過電能轉化的比重將逐步提高。本文假定到2050年煤炭和天然氣用于發(fā)電的比重分別提到95%和35%③。非化石能源方面，考慮到碳中和背景下生物質燃料、地熱能、光熱等領域的發(fā)展，假定非化石能源通過電能轉化的比重維持在90%左右。一次能源消費結構方面，本文參照林衛(wèi)斌和吳嘉儀（2021）的情景設定，具體設定如表1 所示。根據(jù)上述情景設定，可以推算出一次能源電能轉化的比重。如圖2所示，到2050年一次能源電能轉化的比重可能達到80%左右，電力將在能源供應中占據(jù)絕對主導地位。


表1 能源消費結構情景設定


圖2電氣化水平變化趨勢研判

在消費側，基于能源系統(tǒng)中一次能源與終端能源的平衡關系，可以推算出電能占終端能源消費的比重。計算公式為：電能占終端能源消費的比重=（一次能源電能轉化比重×電能轉化效率）/（一次能源電能轉化比重×電能轉化效率+一次能源非電能轉化比重×加工轉化效率）。通過能源平衡表計算可得過去五年一次能源電能轉化效率約為38%，非電能轉化的能源加工轉化效率約為98%。結合上文推算出的一次能源電能轉化的比重，可以推算出電能占終端能源消費的比重。如圖2所示，到2050 年電能占終端能源消費的比重可能提升至60%左右，電能將逐步成為終端能源主體。

二、碳中和愿景下中國能源轉型趨勢之二：電力系統(tǒng)低碳化

當前，煤電在中國電力系統(tǒng)中仍占主導地位，裝機容量比重近50%，發(fā)電量比重超過60%。這種以高碳能源為主的發(fā)電結構不可避免地造成二氧化碳的大量排放，難以滿足碳中和的要求。未來隨著電氣化水平持續(xù)提升，電力需求不斷增加，電力系統(tǒng)在能源轉型和碳減排中的作用將尤為凸顯。在能源生產(chǎn)側，由于非化石能源主要通過發(fā)電進行轉化，非化石能源對煤炭等傳統(tǒng)化石能源的清潔替代將有效作用于電力系統(tǒng)。隨著非化石能源的大力發(fā)展，電源結構將逐漸優(yōu)化，電力系統(tǒng)將趨于綠色低碳化。

對于電力系統(tǒng)的低碳化程度，可以用非化石能源發(fā)電比重，即總發(fā)電量中非化石能源發(fā)電量的占比進行衡量。具體公式為：非化石能源發(fā)電比重=（非化石能源消費比重×非化石能源電能轉化比重）/一次能源電能轉化比重?？紤]到非化石能源主要通過轉化為電能而得到利用，非化石能源用于發(fā)電的比重變化不會太大。因此，非化石能源發(fā)電比重的變化將主要取決于非化石能源消費比重和一次能源電能轉化比重的變化。以2020年為例，非化石能源消費比重為15.9%，一次能源電能轉化比重約為45%。與此相對應地，非化石能源發(fā)電比重為33%左右。未來非化石能源消費比重和一次能源電能轉化比重都將趨于提高，非化石能源發(fā)電比重也將隨之提高。


圖3 非化石能源發(fā)電占比趨勢

結合非化石能源消費比重情景設定以及一次能源電能轉化比重的趨勢，可以研判非化石能源發(fā)電比重。與非化石能源消費高比重和低比重兩種情景相對應的，存在非化石能源發(fā)電高比重與低比重兩種情景。如圖3所示，未來三十年，非化石能源發(fā)電量占總發(fā)電量的比重將持續(xù)提升，到2050年，如果一次能源中非化石能源消費比重達到75%-80%，則非化石能源發(fā)電量比重將高達84%-90%。非化石能源在成為一次能源供應主體的同時也將成為電力供給的主力軍，電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)深度低碳化特征。

三、碳中和愿景下中國能源轉型趨勢之三：能源電力系統(tǒng)去中心化

滿足碳中和下能源轉型要求的非化石能源尤其是風能、太陽能的大規(guī)模開發(fā)利用要求能源電力系統(tǒng)形態(tài)發(fā)生深刻變革。由于風能和太陽能等具有間歇性的特征，在傳統(tǒng)集中式開發(fā)利用模式下，需要在大規(guī)模建設風電、光伏電站的同時，配套建設相應的火電機組以滿足電力系統(tǒng)靈活性要求，保障電力供應安全。例如，“十三五”期間，中國風電、太陽能發(fā)電裝機容量增加了3億多千瓦。與此同時，火電裝機容量也增加了2億多千瓦。長遠看，可再生能源與火電“比翼齊飛”式擴張的能源轉型之路無疑會不斷增加“冗余”，大幅提高系統(tǒng)成本并最終體現(xiàn)為用能成本。因此，滿足碳中和要求的非化石能源的大規(guī)模開發(fā)利用需要突破傳統(tǒng)的能源電力系統(tǒng)形態(tài)，突破集中式、中心化的開發(fā)利用模式，更多地采取分布式、去中心化的開發(fā)利用模式。正如里夫金在《第三次工業(yè)革命》一書中所構想的：每一棟樓都變成即時收集可再生能源資源的微型發(fā)電廠；在每一棟建筑采用氫能和其他存儲技術，使建筑的每一部分都能存儲間歇性能量；用互聯(lián)網(wǎng)技術把電網(wǎng)轉變成一個能夠實現(xiàn)能源共享的互聯(lián)電網(wǎng)；逐步將交通車輛轉為電動和燃料電池汽車，并與智能電網(wǎng)互聯(lián)互通（杰里米•里夫金，2012）。

可以預見的是：開放互聯(lián)、多源協(xié)同、多能互補、能源與信息深度耦合的能源互聯(lián)網(wǎng)將會是未來能源電力系統(tǒng)的主要形態(tài)特征，這種去中心化的能源電力系統(tǒng)主要包括以下幾大關鍵元素：

一是可再生能源資源的分布式開發(fā)利用。與煤炭、石油等化石能源不同，風能、太陽能的分散性特征使其開發(fā)利用無需再囿于一處，分布式開發(fā)、就地轉化和就近消納可以最大程度地利用可再生能源。中國可再生能源資源豐富、分布較為廣泛，分布式新能源資源可開發(fā)潛力巨大，據(jù)評估可開發(fā)潛力高達54億千瓦左右（李瓊慧等，2020）。隨著技術進步和成本下降，未來分布式新能源開發(fā)利用形式將愈發(fā)多樣化。例如，發(fā)展建筑光伏一體化，將每一棟建筑變成一個小型發(fā)電廠；在農(nóng)村推進風能、太陽能、生物質能等資源的分布式開發(fā)利用，因地制宜建設“農(nóng)光互補”等復合光伏發(fā)電項目。

二是微電網(wǎng)和智能電網(wǎng)。高滲透率的分布式可再生電源直接接入配電網(wǎng)會給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來巨大挑戰(zhàn)，而以分布式電源、配電設施、控制設備、負荷以及儲能裝置等構成的微電網(wǎng)既可以離網(wǎng)獨立運行，實現(xiàn)電力供需自平衡，也可以接入大電網(wǎng)，在電力短缺時從大電網(wǎng)購電，在電能過剩時為大電網(wǎng)提供調峰服務，這種分布式能源組織方式可以有效降低大電網(wǎng)的負擔，提高電網(wǎng)安全可靠性。未來隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)等先進信息技術和智能技術在電力系統(tǒng)的應用，電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)將全面智能化、數(shù)字化、互動化。一個個微電網(wǎng)通過智能電網(wǎng)相互聯(lián)接，電力系統(tǒng)中所有節(jié)點之間的信息和電能都將可以實現(xiàn)雙向流動。

三是儲能。鑒于可再生能源間歇性的出力特性，儲能將成為能源電力系統(tǒng)不可或缺的元素。儲能的使用可以突破電力發(fā)、輸、配、用同時連續(xù)進行的傳統(tǒng)模式，實現(xiàn)電能的“跨時間轉移”。因此，通過發(fā)展“可再生能源+儲能”的模式可以有效減少可再生能源出力波動及不確定性，有望成為未來主流的發(fā)展方向。按照技術原理，儲能主要有物理儲能、化學儲能和電磁儲能三類，其中物理儲能技術的典型代表抽水蓄能是當今最為成熟的儲能技術，而化學儲能如鋰離子電池等目前技術進步最快、最受關注。考慮到技術可行性、建設的經(jīng)濟性、安全性等因素，能源轉型前期抽水蓄能仍將是最主要的儲能形式，轉型后期隨著化學儲能技術的成熟以及成本的下降，電化學儲能容量預計將顯著增加。

四是氫能。氫能能量密度大、轉化效率高，具有來源廣泛、用途多樣、既可運輸也可儲存的特性，是功能靈活的能源載體和燃料。當前氫氣主要通過化石燃料制取，制氫過程會產(chǎn)生溫室氣體排放，有悖于碳中和要求。隨著風能、太陽能發(fā)電電價進一步下降，電解水制氫成本降低，可再生能源電解水制氫有望成為氫氣制取的主要方式。通過可再生能源電解水制取的氫氣可以在能源轉型中發(fā)揮多重作用：一方面風能、太陽能、水能等的棄電可以通過電解水制氫，以氫氣的形式進行儲存和運輸，在電力不足時再以氫供電（曹軍文等，2021），通過電—氫之間的高效轉化，實現(xiàn)電氫協(xié)同，提高電力系統(tǒng)靈活性；另一方面，零碳的氫能可以實現(xiàn)多種能量形式的轉化，氫能的應用有助于終端用能部門實現(xiàn)深度脫碳，例如在難以減碳的煉鋼領域，以氫氣代替焦炭作為還原劑可以實現(xiàn)“零碳煉鋼”，在碳排放較高的交通運輸領域，應用氫燃料電池可以實現(xiàn)“零污染”。

五是新能源交通。智能技術以及新能源的使用是交通行業(yè)低碳轉型的必然方向，未來傳統(tǒng)燃油車將逐步被清潔、智能化的電動車所替代。技術成熟時，電動汽車可以作為儲能設備，通過合理機制的引導參與電力系統(tǒng)調節(jié)，在電網(wǎng)負荷較低時進行充電，在電網(wǎng)負荷較高、電力供應不足時為電網(wǎng)回輸電能?？紤]到未來電動車的廣泛使用，這種儲能資源將具有巨大潛力，新能源交通將成為去中心化能源電力系統(tǒng)不可缺少的部分。此外，隨著以新能源為動力的運輸工具在交通全域的廣泛應用，綠色清潔的運輸體系逐步形成，這將極大助力碳中和的實現(xiàn)。

四、結語

滿足碳中和目標的能源轉型要求大幅度提高非化石能源消費比重。隨著非化石能源占一次能源比重逐步提升，一次能源通過電能轉化的比重和電能占終端能源消費的比重將趨于提高，能源系統(tǒng)的電氣化水平將不斷提升。對于電力系統(tǒng)而言，隨著非化石能源消費比重和生產(chǎn)側電氣化水平的持續(xù)提升，非化石能源發(fā)電比重也將不斷提高，非化石能源在電源結構中將逐步占據(jù)主導地位，電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)深度低碳化特征。為支撐非化石能源規(guī)?；l(fā)展，能源開發(fā)利用模式需要由傳統(tǒng)的集中式轉向去中心化模式，能源電力系統(tǒng)形態(tài)將迎來深刻變革。碳中和愿景下能源轉型將呈現(xiàn)三大趨勢：能源系統(tǒng)電氣化、電力系統(tǒng)低碳化和能源電力系統(tǒng)去中心化。

①中國煤炭和天然氣用于發(fā)電的比重根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒2020》計算，美國煤炭用于發(fā)電的比重和天然氣用于發(fā)電比重的世界平均水平根據(jù)IEA 統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算。

②相對低碳的天然氣在碳中和實現(xiàn)過程中作為一種過渡能源，其消費量可能先增后減。

③在中國石油用于發(fā)電的比重很小，因此忽略不計。

參考文獻：

[1]林衛(wèi)斌、吳嘉儀.碳中和目標下中國能源轉型框架路線圖探討[J/OL].價格理論與實踐.https://doi.org/10.19851/j.cnki.CN11-1010/F.2021.06.83.[2]杰里米•里夫金. 第三次工業(yè)革命: 新經(jīng)濟模式如何改變世界[M].張體偉, 孫豫寧譯. 北京: 中信出版社, 2012.[3]李瓊慧、葉小寧、胡靜、黃碧斌、王彩霞.分布式能源規(guī)?；l(fā)展前景及關鍵問題[J].分布式能源,2020(2).[4] 國家能源局.能源科技熱詞：儲能技術[EB/OL]. .cn/2013-05/16/c_132386097.htm[5]國網(wǎng)能源研究院有限公司.中國能源電力發(fā)展展望2020[M].北京：中國電力出版社，2020.[6]曹軍文、鄭云、張文強、于波.能源互聯(lián)網(wǎng)推動下的氫能發(fā)展[J].清華大學學報(自然科學版),2021(4).（本文系國家社會科學基金項目“推進能源治理體系和治理能力現(xiàn)代化研究”（20BJL003）的階段性成果。） 

原標題：聚焦碳中和愿景下能源轉型的三大趨勢