舒印彪等｜碳中和目标下我国再电气化研究

（四）路径分析

1. 碳达峰、碳中和目标下的能源电力供应结构

（1）一次能源消费中，非化石能源占比和发电能源占比快速提高。非化石能源来源广泛，除了主要用于发电的风能、太阳能等之外，还包括太阳能直接热利用、地热能和生物质直接利用等，将构成一次能源的主要部分。由于消费侧电能替代不断加强，电能需求量持续上涨，直接用于终端消费的能源持续降低，发电能源占比持续提升。我国一次能源消费结构变化趋势如图2所示。2020年，我国一次能源消费中，非化石能源占比和发电能源占比分别为16%和47%。预计2030年，一次能源消费总量将达到峰值的5.7×109tce，非化石能源占比和发电能源占比分别达到28%和57%。2060年，一次能源消费总量将降至4.8×109tce，非化石能源消费占比达到85%，发电能源占比达到91%。

（2）电力行业碳减排加速将成为全社会低碳转型的主力军。2020年，我国电力行业碳排放量约占全国碳排放总量的38%，非化石能源发电量占比达到34%。实现碳达峰、碳中和目标，要大力推动电力生产低碳化，统筹好电力保障与清洁发展，在西部北部建设多能互补大型清洁能源基地，大力发展海上风电，东中部因地制宜发展分布式能源；积极开发西南水电，在确保安全前提下积极有序发展核电；实现火电由电量提供主体向电力提供主体的功能转变，推动碳捕集、利用与封存技术研发应用，促进电力系统向零碳方向发展。

图2 我国一次能源消费结构

表2 关键影响因素及相关设定

2030年前，电力行业碳排放达到峰值的4.5×10⁹t左右，经历34年平台期后快速下降，2060年前实现电力零碳排放。我国发电量结构变化趋势如图3所示。2030年，我国总发电量为1.18×10¹³kW·h，非化石能源发电量占比和新能源发电量占比分别为49%和26%。2060年，总发电量达到1.57×10¹³kW·h，非化石能源发电量占比达到90%，新能源发电量占比达到64%，电力装机达7×10⁹kW，其中新能源装机超过5×10⁹kW。

2. 终端电气化水平的发展趋势

（1）终端能源消费总量持续降低，产业结构不断优化，能效水平显著提升。2020年，我国终端能源消费约为3.5×10⁹tce，工业、建筑、交通和其他部门用能占比分别为61%、22%、14%和3%。随着落后产能不断被淘汰，城镇化率持续提升并趋于稳定，对钢铁、水泥等高耗能产品的需求减少，高端制造业、信息技术产业和服务业成为未来终端能源的消耗主体，工业用能占比不断降低，建筑和交通部门用能占比稳步提高，预计到2060年，我国终端能源消费量为2.2×10⁹tce，工业、建筑、交通和其他部门用能占比分别为49%、27%、22%和2%。

（2）电能成为终端消费的主要能源，终端化石能源燃烧产生的二氧化碳排放占能源活动碳排放的一半以上，随着低碳转型的深度推进，必须加快以电代煤、以电代油、以电代气，以清洁、高效、便捷的电能满足更多用能需求。终端能源消费结构变化趋势如图4所示，预计到2060年，电能占终端能源消费比重达到70%。在工业领域，推广工业电炉、高温蒸汽热泵等电能装备应用，深度拓展工业电气化，提高综合能效和绿色用能水平。在建筑领域，应积极推进建筑供冷供暖电气化，健全市场化改造机制，鼓励利用建筑屋顶、墙壁发展分布式光储系统。在交通领域，未来应大力发展电动汽车、轨道交通、港口岸电等，形成交通综合能源系统。预计到2030年，工业、建筑、交通电气化率分别为40%、51%和10%，到2060年分别达71%、81%和54%。

图3 我国发电量结构

图4 我国终端能源消费结构

（3）在难以实现直接电气化的领域，主要通过绿氢、生物质等低碳能源以及“化石能源+CCS/CCUS”等技术手段实现减碳。在燃料方面，对于能量密度要求较高的用能领域，电能较难完全替代化石能源。在工业领域，长流程炼钢过程中高炉炼铁、烧结、焦化等工艺环节较难使用电能，水泥煅烧的燃煤窑炉尚不能采用电窑炉进行替代，化工行业中纯碱、烧碱、合成氨等产品制备的热力需求难以全部用电锅炉满足，其他的大部分轻工产业所需要的热力、动力均可实现电气化。在建筑领域，从技术层面看，除严寒地区的供暖难以利用电能外，其他用能领域均可全面推进电气化。在交通领域，尽管电动重卡、电动船舶已有应用，电动飞机也在研发中，但预计主要用于短途运输，长距离重载公路货运、远洋船舶、远程航空等方面仍较难实现电气化。在原料方面，工业原料带来的碳排放无法通过电气化移除，需要发展低碳原料实现减排。到2060年，电制氢在终端能源消费中占比达到10%，含P2H的电能占终端能源消费比重将超过80%。

（五）综合效益

（1）再电气化有助于提升能源利用效率。在能源消费侧，电力设备效率远高于其他用能设备，工业领域的电窑炉效率可达85%，燃煤窑炉效率仅为30%；建筑供暖的热泵能效比（COP）为35，传统的燃煤锅炉效率通常不足80%；电动汽车百公里耗电约为20 kW·h，同类型燃油车百公里油耗为6~8 L，热值约为5070 kW·h，考虑发电过程损失后，在诸多应用领域提高电气化率具有节能效益。随着可再生能源发电比重的不断提升，若按照电热当量法进行折算，再电气化对于提升能源综合利用效率的作用将更加凸显。

（2）再电气化是规模化利用非化石能源的主要途径，有利于实现集中控碳脱碳，推动实现碳中和。在能源生产侧，电力是能源互联集成的枢纽、清洁能源体系的核心，是唯一可以与其他能源直接大规模转换的能源；在能源消费侧，通过绿色电力替代化石能源的直接消费，改变传统行业用能方式，是降低终端碳排放和污染物的有效手段。2020年，我国能源领域相关碳排放量约为9.9×109t、终端能源消费直接碳排放量为5.7×109t，通过电力系统清洁化、终端用能电气化，加快减少二氧化碳排放，再电气化将为我国实现碳中和目标贡献80%以上的碳减排。

（3）再电气化将推动经济高质量发展，带来产业、就业、环境等方面的综合效益。电力不仅是经济增长的动力保障，也将带动能源技术与数字技术深度融合，推动科技创新和产业升级，再电气化还将减少极端气候事件、改善空气质量、提升人类健康水平，从而改善劳动力供应水平，提高民生福祉，减少医疗支出和社会总体碳成本，提升经济社会发展质量。2020—2060年，预计再电气化相关投资规模累计将达到百万亿元级，有力促进上下游产业联动，带动装备和制造业转型升级。2060年，再电气化将带来就业岗位增量达千万个，由于减排改善了碳排放的负外部性，环境效益估值有望达十万亿元，在产业优化升级、能源结构调整、再电气化水平提升等共同推动下，单位GDP能耗和碳排放强度分别较2020年下降80%和92%以上。

五、研究结论及对策建议

（一）研究结论

（1）本文以碳达峰、碳中和为目标，提出了再电气化的内涵，包括清洁化、电气化、数字化和标准化。在传统电气化评价指标的基础上，提出了再电气化评价指标，体现电能促进绿色发展、作为能源系统转换枢纽的作用。

（2）开展了我国再电气化进程定量研究，以碳中和为目标，设定了情景参数研究我国再电气化路径。到2060年，我国能源系统将实现“70/80/90”目标，即终端电能消费比重达70%、非化石能源消费比重达80%以上、清洁能源发电量比重达90%以上。

（3）能源生产侧将大规模发展风电、太阳能发电等非化石能源发电，由于高比例的新能源接入将对电力系统安全产生巨大挑战，预计我国能源结构仍需要维持一定的煤电和天然气发电机组实现应急备用、兜底保供和调峰调频，所产生的二氧化碳排放通过碳捕集、封存和利用等技术移除。能源消费侧电能替代成为关键路径，2060年，工业、建筑、交通领域电能消费占比将分别达到71%、81%和54%，形成以电能为中心的清洁低碳安全高效能源体系。

（4）再电气化将有助于经济社会高质量发展，实现综合能效提升、碳排放大幅下降。另一方面，再电气化仍面临经济、技术、市场、体制等多方面挑战，需要各地区、各行业协同努力，合力推进清洁低碳发展与电能替代技术攻关，构建良好的产业生态，促进全社会低碳发展。

（二）对策建议

1. 加强顶层设计，统筹推动能源电力低碳转型

统筹协调各行业碳减排预算，特别是需综合考虑电能替代其他能源引起的碳排放转移，进一步明确电力行业碳预算。在电力系统低碳转型过程中，统筹清洁发展和能源安全，短期内我国煤电仍是电力供应的重要保障，中长期煤电占比大幅下降、发挥灵活调节作用，应针对不同时期制定相适应、彼此衔接的政策，保障煤电实现功能定位转变。充分利用多元化清洁能源、需求侧资源保障电力供需平衡；在规划层面，应合理考虑新能源容量置信度，以科学合理方式参与电力平衡，发挥多元化清洁能源、需求侧资源和传统火电作用，全方位保障电力平衡。充分发挥电网的能源转换枢纽和基础平台作用，加快完善以特高压为骨干网架的坚强智能电网，着力打造可靠性高、互动友好、经济高效的主动配电网。

2. 坚持节能优先，加快经济结构和产业结构调整步伐

强化节能提效，既要优化产业结构，又要大力推广电气化等高能效技术。加快经济、产业转型升级，严控“双高”产业无序扩张，压减落后产能，推动传统产业高端化、智能化、绿色化，加快发展新一代信息技术、新能源、新材料、高端装备等战略性新兴产业。大力发展综合能源服务，在工业领域广泛推广重点节能低碳技术和工业电炉应用；在建筑领域深化建筑节能改造、提高绿色建筑比例、发展建筑分布式能源，实现低碳发展；在交通领域加快构建节能高效的综合交通运输体系，重点发展电动汽车产业，加强充换电基础设施和智慧车联网平台建设，推动经济产业可持续发展。

3. 加快科技创新，推进关键技术研发、示范和产业化整体布局

电力减排路径设计要充分考虑技术突破前瞻性，加强科技战略引领，制定/修订新型电力系统科技发展规划。持续加强碳中和、再电气化相关关键技术研发和示范工程支持力度，完善配套政策体系，为产业化提供激励政策。提前布局重大技术研发，力争颠覆性技术实现重大突破，加快商业化应用。推动低碳清洁能源生产 ‒ 分配 ‒ 流通 ‒ 消费全环节技术进步，高效低成本储能、CCUS、氢能、终端高效用电等关键技术成熟度将对再电气化推进、实现碳中和目标具有深刻影响，应提前布局，尽早实现商业化。

4. 完善体制机制，建立电力市场、碳市场等政策体系

制定全国统一电力市场顶层设计方案和实施路线图，从发电侧、用电侧双向发力研究出台相关政策，进一步放开发/用电计划，扩大市场范围，通过市场机制充分激发发/用电两侧消纳新能源的潜能，形成“源荷互动”的良好消纳格局。在可再生能源消纳责任权重下，对现有超额消纳量与自愿认购绿色证书进行优化整合，依托绿色电力交易建立统一的绿色消费认证体系。做好消纳责任权重、碳配额、碳税等相关政策的统筹衔接，促进碳市场、绿电市场和绿证市场的目标协同、机制协同，形成同向合力。积极出台绿色金融发展支持政策，通过出台政策和制度使企业或项目的环境成本内部化，更好发挥市场机制在绿色金融中的作用，激发相关产业参与绿色信贷的活力与积极性。