周孝信：迈向碳中和目标的能源电力系统情景分析

为适应未来数字化、智能化和电气化进程对电力需求的大量增加，对2060年全社会用电量需求的目标值从初始16万亿千瓦时增长至22万亿千瓦时。9月5日，在第六届未来能源大会院士论坛上，中国科学院院士、中国电力科学研究院名誉院长周孝信预测，在碳中和目标、电力系统安全经济运行约束下，消费电量增长需求可通过非化石能源发电加速发展、化石能源发电低碳改造两种技术路线得到满足，前者需要电化学等各类新型储能和抽水蓄能等技术支撑，后者则需结合火电机组绿色燃料替代或碳捕集利用改造等技术实现。初步情景分析表明，两种路径均可降低电力系统碳排放，助力实现碳中和目标。未来我国电力系统发展应考虑上述各类技术研发应用水平，结合经济性对比，综合应用两种技术路线，优化系统整体转型路径。

 

在向碳中和目标演进的能源消费结构中，按照“双碳目标”和“先立后破”的总体发展思路，逐步向“碳中和”目标转型发展的中长期能源电力系统开展研究。

 

首先看全社会年用电量的增长，去年和今年年初做研究发现，用电量呈现常规增长。我们做了情景实物增长的情况。在2060年全社会用电量达到16万亿千瓦时，从2020年开始算起，每年平均增长不到2%。随着人工智能的发展，各种大模型的建立，人工智能研究专业人士认为未来用电量将会大幅度增加，查了近期资料，2030年、2035年国内外都有增长，但真正需要多少，伴随技术的发展和应用的情况会发生很大的变化，不宜预测。

 

今年，我们做了几个方案研究。新的研究预测，2060年全社会用电量将达到22万亿千瓦时。我们根据这样的预期做了两个方案——实现碳中和的两种技术路线：情景一是加快新能源发展，配置灵活性资源，满足用电量需求、系统运行的需求，实现碳中和；情景二是保留适量火电机组，推进低碳绿色改造，提供灵活性资源，实现碳中和。

 

情景一，到2045年、2055年，电量增长主要依靠非化石能源发电支撑；到2060年，化石能源仅有1.6亿吨标煤，占比4.3%，和2000年形成了鲜明的对比。

 

情景二，在保留一部分化石能源机组的背景下，我国的能源系统发生变化，到2060年，化石能源总量是6.2亿吨标煤，占比15.4%，相当于一部分化石能源还保留着，非化石能源中的太阳能光伏和风电相应做了缩减。

 

对于电力系统有什么影响？

 

情景一，到2060年，非化石能源占比非常大，预计非化石能源电力装机容量和发电量都超过总量的90%。如此之高的非化石能源占比使得电力系统运行起来需要更多的灵活性资源与之配合，这是起码的条件。

 

情景二，化石能源装机和发电量均在总量15%以下。气电、煤电由于灵活性调节，不追求发电量而追求容量效应，到2050年预计达到1240小时，2055年预计达到1310小时，2060年预计达到1500小时。

 

两个情景不同点在于从灵活性资源来看，情景一需要更多的灵活性资源，包括新型储能等配合。情景二需要对煤电机组、气电机组进行改造，而且运行小时数要很低才行。

 

下面讲氢。在一次能源系统里面包含了氢能的利用。一些专家说氢是二次能源，我说是一次能源。水力发电在过去都是进入一次能源消费，所以我想氢能也可以。光伏制完氢，拿来发电用或者交通等领域的适用，它和电一样同样可以作为一次能源，这是我的观点。所以情景一和情景二都有氢能的需求，需求多少要看总量。我们预计发电和非发电应用加起来要1亿吨氢，情景一是1.32亿吨氢，情景二是1.28亿吨氢。所以1亿吨及往上的规模，这个规模是大还是小，可行还是不行，现在只能作为宏观研究提出一个数，供各方分析研判。我想随着时间的推移，这些数肯定会更加清晰。

 

再讲碳排放。2050年～2060年是碳中和的关键期。在情景一中，预计2050年碳排放比较高，能源系统排放达到16.81亿吨。2055年预计能源系统碳排放7.84亿吨，2060年预计能源系统碳排放3.32亿吨，其中电力系统碳排放0.31亿吨，已经十分低了；在情景二中，预计2060年能源系统碳排放11亿吨，其中电力系统占到8亿～9亿吨，如此高的排放量是不可接受的，要如何解决？我国提出改造传统的发电机组，以绿色原料的替代、混和物质混烧、烧绿氨甚至包括停机备用等办法。

 

新型能源系统安全稳定和经济运行对现阶段的电力系统提出了很大挑战，这些挑战是可以度量的，我提出了五性：

 

一是灵活性。灵活性是保持新型电力系统源荷平衡正常运行的必要条件。

 

二是韧性。韧性是电力系统应对突发事变的必备条件。特别目前气候变化带来的极端气候情况。

 

三是稳定性。新型电力系统中主要是风光等新能源，配上储能，通过逆变器、变流器电力电子装置等加进去。与传统的电磁式装置不同，电子式装置带来很多振荡的问题。

 

四是可靠性。现在可靠性与过去大不相同，电力电子装备目前来说过载能力较差，稍微一过就跳闸。现在有新型材料做电力电子器件，比如碳化硅，既耐高压、寿命也长，只是目前成本过高。

 

五是经济性。新能源发展配储能，装置的配置将大幅提高用电成本，带来价格的提升，这种情况下，如何减轻居民、工商业的负担，是很重要的任务和指标之一。

 

总结来说，为适应未来数字化、智能化和电气化进程对电力需求的大量增加，对2060年全社会用电量需求的目标值从初始16万亿千瓦时增长至22万亿千瓦时。在碳中和目标、电力系统安全经济运行约束下，消费点亮增长需求可通过“非化石能源发电加速发展”“化石能源发电低碳改造”两种技术路线得到满足，前者需要电化学等各类新型储能和抽水蓄能等技术支撑，后者则需结合火电机组绿色燃料替代或碳捕集利用改造等技术实现。

 

初步情景分析表明，两种场景均可降低电力系统碳排放，助力实现碳中和目标。未来我国电力系统发展应考虑各类技术研发应用水平，结合经济性对比，也要结合两个场景优化整体转型路径。

 

需要强调的是，新型储能一定是低成本和高可靠性的，绿色氢能的先进性、技术性和经济性在其中极为重要。特别是绿色氢能及其衍生气体液体燃料发电具有代替传统煤电和气电的潜力，有可能成为未来电力系统提供高灵活性及应对极端气候条件下，系统韧性、安全保供和提供系统惯性的主要资源，与适应电网中高度电力电子化发展的构网型技术和装备进一步开发和广泛应用一起，有可能成为未来向碳中和演进的电力系统得以安全稳定可靠经济运行、具有全局性影响的关键技术和重要举措。当然这些技术还需要进一步研究和开发。