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“双碳”目标下能源电力行业的机遇与挑战

2021-07-08 10:33来源:《华电技术》关键词:碳中和电力行业碳交易收藏点赞

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3 实现“双碳”目标的机遇

3.1 碳交易市场

“碳市场”即二氧化碳排放权交易市场[25]。在大气环境能够承受的范围内,政府通过给予企业向大气中排放一定量二氧化碳的权利,并引入总量控制与市场交易机制,在控制二氧化碳排放总量的前提下,让二氧化碳的排放权利实现自由交易。碳市场的功能主要体现在2方面:激励功能,即激励新能源产业或非化石能源产业,以高效率改变能源产业结构;约束功能,即约束抑制化石能源产业,以低成本提高能源利用效率。

我国碳市场的建设,由开展碳排放交易试点工作起步。2011年,国家发展和改革委员会(以下简称国家发改委)颁布《关于开展碳排放权试点工作的通知》,北京、上海、天津、重庆、湖北、广东和深圳7省市率先开展碳排放权交易试点工作。为进一步探索全国统一碳市场的建设,国家发改委于2012年出台了《温室气体自愿减排交易管理暂行办法》,形成了规范的碳市场管理机制。经过数年运行,7个试点省市于2014年全部启动交易,碳价格激励企业减排的机制初步形成,碳交易示意如图11所示。图中MRV为监测、报告、核查。2017年年底,国家发改委印发《全国碳排放权交易市场建设方案(发电行业)》,标志着全国碳排放交易体系完成了总体设计并正式启动。截至2019年6月,7个试点省市配额现货交易约3.4亿t,交易额约66.2亿元,碳交易覆盖总量已跃居世界首位,我国单位国内生产总值二氧化碳排放(即碳强度)下降4.0%,比2005年累计下降45.8%,相当于减排52.6亿t二氧化碳,非化石能源占能源消费总量比重达到15.3%(中国电力规划设计总院《中国能源发展报告2019》《中国电力发展报告2019》),基本扭转了二氧化碳排放快速增长的局面。

img_11.jpg

图11 碳交易示意

Fig.11 Carbon trade

近年来,国家主管部门陆续发布了24个行业企业排放核算报告指南和10个行业企业碳排放核算国家标准,并于全国多地开展了区域内碳市场能力建设培训,为全国碳市场的建设提供了可靠的政策支持和人才储备。此外,试点碳市场自启动运行以来也积累了丰富的经验,为全国碳市场的运行提供了有力保障。2021年年初,随着生态环境部发布《碳排放权交易管理办法(试行)》,标志着全国碳排放交易体系正式投入运行,政府将在碳排放配额、企业参与范围、产品定价机制等方面作出系统性的安排,创造出更广阔的碳市场交易空间,我国碳交易市场的发展前景值得期待。

3.2 储能

储能行业是当前匹配风电、光伏发展的主要配套行业,风电、光伏的不稳定性导致其弃能率一直居高不下,从而限制其发展,而储能行业的发展对于减少这一影响起到了至关重要的作用[26]。储能在电力行业的应用可划分为三大块:发电侧、电网侧和需求侧,此外还包括微电网和分布式离网等。其中,发电侧储能主要通过火储联合调频,从而稳定输出功率,通过负荷调节平滑间歇性能源供能,提高新能源消纳和电网备用容量等;在电网侧,输配电储能能够实现提高电能质量、降低线路损耗、提高电网备用容量、提高输配电设备利用效率和延缓增容需求等作用;在需求侧,主要是分布式储能系统,能够提高分布式能源消纳率、起到削峰填谷、负荷转移的作用,此外可以实现平抑负荷、抑制需求量、降低用电成本,提高供电可靠性和电能质量的目的。

根据能量存储方式的不同,储能可分为机械储能、电气储能、电化学储能、热储能和化学储能五大类。相比抽水蓄能等机械储能,电化学储能受地形等因素影响较小,可灵活运用于发电侧、输配电侧和用电侧。同时,随着近年来电化学储能成本的快速下降、商业化应用逐渐成熟,其优势愈发明显,开始逐渐成为储能新增装机的主流,且未来仍有较大的成本下降空间,发展前景广阔。在电化学储能中,锂电池储能具备能量密度更高、使用与循环寿命更长、响应时间更快等优势。在国内电化学储能新增装机规模中,锂电池储能占新增电化学储能的比例从2017年的51%上升到2020年的89%。根据有关权威机构预测,未来10年我国新能源发电侧配储容量将达到110~160 GW·h,结合产业链视角,光伏、风电目前处于成长期的中后期,已经具备大规模发展的条件,而储能起步较晚,还未达到爆发期拐点,目前以示范性应用为主,随着光伏、风电大规模发展,储能也将迎来拐点,向运营性应用转变。截止目前,国内新能源发电侧锂电池储能保有量为4.27 GW·h,储能在实现“双碳”目标机遇下必然将迎来“跨越式”发展。

4 不同行业转型路径

4.1 电力

中国拥有全世界最大的电力部门,总装机容量达到2.2 TW,随着电力需求和电力生产的快速增长,发电所产生的碳排放量也随之增加。

据统计,由于我国电力和热力生产产生的碳排放量占全部碳排放量的一半以上,碳排放强度也明显高于其他发达国家。

中国燃煤发电系统的碳排放强度(以CO2计)约为600 g/(kW·h),美国约为410 g/(kW·h),欧盟约为270 g/(kW·h)。考虑到电力仍是未来清洁能源利用的主要用能方式,可以通过灵活发电、改进电网基础设施、需求侧响应以及提高储能技术水平来提高电网灵活性,进而提高电力供应效率和扩大电力供应范围[27]。

电力系统的灵活性并不仅仅局限于电力供需本身,而是一个相对复杂的系统,可再生能源的渗透也是逐步完善的,各阶段如图12所示。图中FIT为补贴政策,PPA为购电协议。就中短期来看,电力部门可以通过以下措施来强化系统,进而为全面实现零排放奠定基础。

img_12.jpg

图12 可再生能源渗透各阶段

Fig.12 Stages of renewable energy's penetration

4.1.1 增加清洁能源发电比例

截至目前,我国火力发电仍是发电侧的主力军,这并不符合推进实现“双碳”目标的工作进程,建议近期不再新建燃煤电厂,降低火电发电比例,提高清洁能源发电比例。整合非化石能源发电需要改进清洁能源发电并网问题,尤其是市场调节和跨省跨区输电可以优先考虑低成本的清洁能源发电,从而增加清洁能源资源丰富地区的清洁能源供应量,并采取补贴等政策手段来继续刺激清洁能源发电投资。

4.1.2 关停低效率高排放电厂

“十三五”期间,为了解决空气污染问题,截至2020年年底,全国燃煤电厂完成超低排放和节能改造0.95 TW,占全国燃煤电厂总装机的76%左右。中国累计关停了近40 GW的小型、老旧、低效电厂,最具代表性的是京津冀地区,通过关停低效率高排放电厂,北京地区蓝天计划进展顺利。与此同时,其他各地也制定了相应的行动计划和目标,于近期淘汰落后电厂。建议在“十四五”期间,继续推进关停低效高排电厂,并根据技术、经济和环境标准对不合格电厂进行识别,同时不断更新完善标准文件,一旦确定,快速启动关停计划,这样不仅是能源转型计划合理布局的重要构成,也能够在短期内对空气质量、公共卫生等目标产生较好的协同效应。

4.1.3 建立完善的电力现货市场

第二轮电力体制改革以来,各地区不断完善电力交易市场机制,但侧重点主要集中在中长期交易市场,而清洁能源发电受到其不稳定性的影响,在中长期市场表现一般,因而需要建立更为有效的现货市场来提高清洁能源普及率和提高电网灵活性。运行良好的电力市场短期内对于推动电力体制改革有着重要意义,尤其是建立电力现货市场,是改善电力市场交易规则和电力系统运行机制的重要组成部分。短期电力市场电价是当下电力供需关系的实时体现,可以为中长期电价提供参考,从而一方面指导新增发电装机容量的投资,另一方面推进完善电力金融市场。此外,电力现货市场的完善也促进了储能市场的发展,进而为提高风电、光伏等清洁能源发电量提供基础,达到多方共赢、互相促进的目的[28]。

4.1.4 强化碳捕捉技术并在电厂推行使用

碳捕捉技术在当前市场环境下并不成熟,在实际应用中推广程度一般,但其是未来实现零排放的重要基础,尤其是对于火力发电而言。目前我国燃煤电厂作为发电主力,短期内关停燃煤电厂不切实际,推广利用碳捕捉技术可以减少对现有化石能源发电厂的提前关停,降低安全供电风险。此外,碳捕捉技术应用到生物能源中,甚至可以实现碳的负排放效果,进而抵消其他不可脱碳领域的碳排放量。尽管目前碳捕捉技术的推广和应用面临一些问题和困难,但碳捕捉技术对于实现“双碳”目标至关重要,建议相关政府部门可以通过政策手段,吸引投资,发展碳捕捉技术,并推动碳捕捉技术试点项目落地,以便提高脱碳技术水平,改造现有电厂,实现零排放。

4.2 工业

中国的工业可持续发展仍然面临着较多的挑战,尤其是当前中国工业发展主要还是依靠资源和能源的量投,单位工业增加值能耗相比发达国家明显偏高。受到疫情影响,在疫情后经济时代,经济复苏缺乏政策和投资指导,进一步加剧了中国的工业产能过剩及结构性问题,增加了工业转型难度。“十四五”期间,工业部门将面临产能过剩、高耗能产品占比大、附加值低、能效低以及区域分布不均等多重问题,在面临挑战的同时,中国工业部门也将获得转型升级的机遇,向低碳经济转型,全面提高生产力,创新商业模式,为长期高质量、高水平发展奠定基础。

4.2.1 消除产能过剩,提高集中度

产能过剩是工业部门向低碳经济转型的主要矛盾。在市场机制下,应该由价格和生产要素的分配来确定市场力,而生产要素的分配由企业竞争力决定,从而达到消除产能落后的目的。消除过剩产能离不开政府部门的参与,在市场调节的基础上,政府参与市场,建立市场调节机制,建立“绿色准绳”,在工业发展过程中考虑能效、环保、安全、质量和其他因素,从而使“十四五”期间主要工业部门的整体产能利用率提高5%以上。

4.2.2 提高节能技术水平,控制能源需求

相比其他先进企业的产品能耗,中国高耗能行业的能耗水平普遍偏高,为了降低能耗水平,充分挖掘现有节能技术潜力是比较有效且低成本的减排方法。一方面通过提高重点企业和产品的能效,从部分环节和个体节能向全过程和全系统节能转变,这离不开管理部门的激励措施;另一方面,通过促进锅炉、发动机和变压器等关键耗能设备的绿色升级和能耗改进,达到最大限度挖掘节能潜力的目的;最后,数字化和信息化技术的发展也能够应用到节能领域,通过数控和信息化反馈,实现高效节能的目的。

4.2.3 提高电气化水平,实现电能替代

如果将电气化与电力行业脱碳有机结合,将对工业部门尽早实现“碳达峰”发挥至关重要的作用[29]。实现电气化需要采取多项措施,包括促进工业方法创新,实现工业电气化与数字化和智能技术的协同发展;采用先进的用电生产工艺代替传统生产工艺,满足高规格产品生产需求;促进电热发展,通过电热泵提供低温热源;最后,完善市场机制,支持工业电气化。例如,根据工业企业的规模、用电时间分布和用电效率,完善用电峰谷价格、差价和分级价格政策。

4.3 交通运输

交通运输部门是推动中国经济活动与社会连通性的关键纽带,近年来各类交通工具的保有量不断增长,其带来的能源消费和碳排放问题也日益凸显[30]。据统计,2018年交通运输行业碳排放总量达到了11亿t,其中,公路运输碳排放量最高,占比达77%,如图13所示(数据来源:国家统计局、国家能源局)。图中内环表示不同交通运输方式的二氧化碳排放量占比,外环表示能源需求量占比。

img_13.jpg

图13 交通运输碳排放构成

Fig.13 Composition of carbon emission from transportation

4.3.1 加快调整货运方式

中共中央国务院《关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》、交通运输部《关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的实施意见》以及其他政策文件均要求减少公路货运量,增加铁路货运量。中国需要提高铁路和水路货运在大宗货物长距离运输中的比例,提高交通运输网铁路和港口密度,并逐步减少重型柴油货车在大宗货物长距离运输中的比例。

4.3.2 促进新能源汽车转型

随着中国新能源汽车产业的快速发展,新能源汽车的销量和渗透率将继续提高。中国需要继续加快修建新能源汽车充电桩,推进向新能源汽车的大规模转型。中国可考虑制定阶段性目标,到达限定时间除重型货车以外禁止销售新燃油车。

4.3.3 推进智能交通发展

促进5G通信技术与车路协同系统的融合发展。到2025年将在部分路段实现车路协同试点应用。提高交通运输基础设施规划、设计、修建、养护、运营和管理全周期的数字化水平,搭建大规模和系统性大数据集,以及覆盖运载车辆和基础设施的综合交通大数据中心体系。

5 结论

“碳达峰”“碳中和”是统筹各项工作的重大举措,各行各业发展都置身其中,电力行业作为“双碳”目标实现的重要领域,其低碳发展对实现我国“双碳”目标具有积极作用。促进电力系统低碳发展既是挑战也是机遇,电力行业要有发展转型的紧迫感和责任感,为国家的能源转型做出积极贡献。因此,本文就能源电力行业如何实现“双碳”目标,给出“碳达峰”“碳中和”的定义,对中国当前能源结构进行系统性剖析,分析实现“双碳”目标的路径与潜在机遇,并给出能源转型等建议。希望本文的相关分析能够对能源电力行业实现“双碳”目标起到一定的推动作用。

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